Революционные cверхпроводники

Сегодня большое внимание уделяется исследованию и разработке конструкций, использующих сверхпроводниковые материалы, которые дают возможность по-новому подойти к вопросам создания электротехнических устройств. Увеличение плотности тока, повышение удельной мощности, а также наличие особых, присущих только сверхпроводникам, физических свойств создают предпосылки для разработки высокоэффективных видов электроэнергетического оборудования.

Одной из основных технологий, позволяющих удовлетворить возрастающие потребности электроэнергетики, является использование явления сверхпроводимости, то есть состояния некоторых материалов, обладающих нулевым сопротивлением при их охлаждении ниже критических температур Тк. Различаются как низкотемпературные сверхпроводники (НТСП) с максимальной Тк около 20 К (-257 °С), эксплуатируемые при температурах жидкого гелия (-268,95 °C), так и высокотемпературные (ВТСП) с Тк до 138 К (-135 °С), эксплуатируемые вблизи температуры жидкого азота 77,4 К (-195,75 °C).

Положение со сверхпроводниковой технологией радикальным образом изменилось после открытия в конце 80-х годов ВТСП-материалов с более высокими возможными рабочими температурами, вплоть до температуры кипения жидкого азота. Это позволило, наряду с упрощением криогенной техники, создать предпосылки для преодоления коммерческого барьера по отношению к традиционным технологиям при использовании технологий на основе ВТСП-материалов в электроэнергетике и других областях промышленности.

Применение СП-оборудования и технологий в электроэнергетике обеспечивает многие преимущества:

• сокращение потерь электроэнергии примерно в два раза;
• снижение массогабаритных показателей оборудования в два-четыре раза;
• повышение надежности и продление срока эксплуатации электрооборудования за счет снижения старения изоляции;
• повышение надежности и устойчивости работы энергосистем;
• повышение качества электроэнергии, поставляемой потребителям;
• повышение уровня пожарной и экологической безопасности электроэнергетики;
• создание принципиально новых систем энергетики.

Особый эффект в электроэнергетике СП-технологии могут дать при их применении в системах электроснабжения мегаполисов и крупных городов.

Прежде всего, создание сверхпроводникового кабеля на большие токи позволит эффективно решить проблему глубоких вводов мощности в крупные города, а также выдачу мощности от крупных электростанций, расположенных в трудных географических условиях. А в мегаполисах, с целью снижения потерь распределение электроэнергии внутри города происходит на напряжении 110 кВ с последующим понижением до 10 кВ и 0,4 кВ. Минимальные потери в ВТСП- кабелях при их повышенной токонесущей способности могут позволить исключить промежуточную ступень трансформации на напряжение 110 кВ и перевести распределение электроэнергии в городе сразу на напряжение 10–20 кВ при значительном снижении стоимости подстанций.

В настоящее время в мире эксплуатируется около 10 коротких ВТСП – кабельных линий и ведутся работы более чем по 10 крупным проектам в этой области. Крупнейший проект в США: 650 м, 138 кВ, 2,4 кА, 574 МВА. Сейчас идет установка и подготовка к эксплуатации. Американцами разработан проект создания не отдельной кабельной линии, а целой сети в одном из центральных районов Нью-Йорка.

ВТСП – ограничитель токов короткого замыкания (ВТСП ТО) представляет собой токоограничивающее устройство, включаемое в защищаемую часть сети. Основное преимущество ВТСП ТО заключается в его возможности иметь существенное низкое сопротивление по сравнению с эксплуатируемыми токоограничительными реакторами в нормальном режиме и практически безынерционно увеличивать его до требуемой величины при коротком замыкании. Это позволяет использовать ВТСП ТО в сетях с целью снижения ударных значений токов короткого замыкания (КЗ), координации токов КЗ с отключающей способностью коммутационной аппаратуры. Уникальные свойства сверхпроводящих материалов позволяют создать ограничители токов КЗ, не имеющие аналогов среди традиционных электротехнических устройств. Токоограничители позволяют также продлить срок службы коммутационной аппаратуры.

В настоящее время реализовано несколько опытно-промышленных проектов ВТСП ТО на напряжения до 20 кВ и на мощности порядка 10–15 МВА. Начаты разработки ВТСП ТО на напряжение 110–138 кВ (США, Евросоюз).

Ожидается, что при создании коммерчески выгодных ВТСП ТО (2010–2012 гг.) рынок их применения будет достаточно емким.

ВТСП-трансформаторы могут быть совместимы с существующим оборудованием электрических сетей и их защитными устройствами. Нагрузочные потери в ВТСП-трансформаторах при нормальном токе могут быть уменьшены на 80–90% по сравнению с традиционными. Замена масла жидким азотом и уменьшенные размеры позволят повысить экологическую и пожарную безопасность и устанавливать такие трансформаторы в помещениях. Уменьшение массы облегчает условия транспортирования, особенно для больших трансформаторов, включая охлаждающее устройство, а также снизит материалоемкость.

ВТСП-трансформаторы обладают также рядом других привлекательных свойств, например пониженным значением реактанса трансформатора (25% от традиционных). Это положительно влияет на условия устойчивости электроэнергетических систем и увеличивает возможности по регулированию реактивной мощности. ВТСП-трансформаторы обладают также токоограничивающей способностью. Созданы опытные образцы ВТСП-трансформаторов напряжением 20 кВ мощностью до 10 МВА. Ожидаемое коммерческое использование ВТСП трансформаторов – 2010-2012 гг.

ВТСП-генераторы и синхронные компенсаторы обладают, по сравнению с традиционными, повышенным значением КПД, пониженными в 2–3 раза массогабаритными показателями, возможностью создания высоковольтных машин (без трансформаторов на напряжение 110–220 кВ и выше), возможностью создания машин большой мощности (свыше 1000 МВт).

Сверхпроводящие генераторы и компенсаторы имеют уменьшенные массогабаритные характеристики, высокую синусоидальность выходного напряжения, уменьшенные величины реактивностей и расширенные пределы регулирования реактивной мощности в области потребления, возможность создания машин с повышенным уровнем переменного напряжения.

В настоящее время созданы опытные образцы ВТСП-генераторов мощностью 50 МВА (США), ВТСП – синхронный компенсатор мощностью 8 МВА (США). Ожидается, что с 2015 года ВТСП-генераторы и синхронные компенсаторы станут коммерческим продуктом. В подобном положении по проработанности технологии и началу коммерческого завоевания рынка находятся ВТСП-электродвигатели различного назначения.

Важнейшим направлением технологического развития систем энергоснабжения мегаполисов является создание высокоамперных линий. Объективно существуют две основные возможности повышения мощности передающих линий – повышение напряжения и повышение номинального рабочего тока.

Традиционный базовый уровень номинального напряжения распределительных сетей – 10 кВ представляется недостаточным и требует постепенного перехода на напряжение 20-35 кВ, что уже неоднократно отмечалось в литературе и во многих случаях реализовано на практике.

Повышение номинального рабочего тока за счет оптимизации выбираемых материалов, контактных соединений, самой конструкции высоковольтных устройств для электрических сетей в принципе давно уже реализовано в таком «гигаполисе», как Япония. В этой стране номинальные рабочие токи, как правило, составляют 6-8 кА. Такая техническая политика, несомненно, представляет интерес и для других стран, где число мегаполисов растет.

Поскольку плотность электропотребления в мегаполисах в последние годы резко возрастает, наиболее эффективным и кардинальным решением по увеличению рабочих токов передающих линий является применение сверхпроводящих кабелей, где рабочий ток при тех же радиальных габаритах токоведущей жилы может быть увеличен почти на порядок.

Появление же в 2002–2003 гг. высокотемпературных сверхпроводников 2-го поколения резко активизировало работы по практическому применению этих технологий. Реальным препятствием для широкого практического применения сверхпроводящих кабелей, ограничителей тока, трансформаторов сегодня является лишь технологическая отработка производства лент сверхпроводников, их соединений, обеспечение стабильности их свойств, а также пока высокая стоимость сверхпроводниковых материалов.

Проведенный анализ эффективности ВТСП-кабелей показывает, что с учетом затрат на прокладку, эти кабели будут дешевле традиционных, медных уже к 2010 году при мощности более 70–100 МВт.

В 2004–2007 гг. были реализованы и продолжают выполняться несколько коммерческих проектов сверхпроводящих кабелей: SUMITOMO ELECTRIC завершила длительные испытания трехжильного сверхпроводящего кабеля на напряжение 66 кВ, номинальный ток 1 кА длиной 100 м, а также заключила контракт с Южной Кореей (KEPRI) на разработку, изготовление и поставку сверхпроводящего кабеля 22,9 кВ, 1,25 кА длиной 100 м. В США реализуется проект DOE/NYSERDA по установке в промышленную эксплуатацию кабеля 34,5 кВ, ток 800 А длиной 350 м в районе Гудзона и т. д. Эксперты оценивают начало массового применения сверхпроводящих кабелей в 2010-2015 гг.

Несомненный интерес представляет использование ВТСП-технологий и в генераторах, поскольку значительно снижаются размеры этого оборудования, как и потери в них. Здесь, однако, предстоит решить ряд проблем, связанных с их регулированием при работе в современных энергосистемах.

Создание высокоамперных линий электропередачи связано с освоением производства кабелей, ограничителей тока, трансформаторов, использующих явление высокотемпературной сверхпроводимости. В настоящее время в мире реализован ряд пилотных проектов ВТСП-кабелей, причем начало массового применения ВТСП-кабелей ожидается в 2010-2020 гг.