ПРИМЕНЕНИЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ СВЕРХПРОВОДИМОСТИ. ПРОЕКТЫ В США, КНР И ДРУГИХ СТРАНАХ

В статье рассматриваются способы и перспективы практического применения явления высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) на примере конкретных проектов стран США, КНР, России и других.

Эффективность выработки электроэнергии, её транспортировка и повышение качества поставляемой энергии - приоритетные направления в развитии электроэнергетики 21 века. Эти проблемы способна решить ВТСП. Благодаря этому явлению можно ожидать существенного сокращения потерь электроэнергии, снижение общей массы, повышение надёжности и срока эксплуатации оборудования, повышение устойчивости энергосистемы, а также её надёжности, повышения качества электроэнергии.

Использование сверхпроводниковых технологий возможно практически в любых видах электротехнических устройств, в том числе, в оборудовании электростанций и электрических сетей. Поэтому разработка и улучшение новых материалов, а также снижение их цены является важной вехой в повышении эффективности и экономической целесообразности применения сверхпроводимости в электроэнергетике.

Рассмотрим области применения ВТСП.

Кабели и ЛЭП. Наиболее перспективными разработками в области использования явления сверхпроводимости в электроэнергетике являются ВТСП-кабели для передачи больших мощностей. Появление ВТСП-материалов позволило значительно упростить конструкцию сверхпроводникового (СП) кабеля и удешевить его производство в 50 раз по сравнению с НТСП-кабелями.

В ряде стран существуют образцы кабелей длинной от 30 до 650м: Япония – кабель 500 м (77 кВ, 1 кА) и 200 м; США – три проекта – 600 м (138 кВ, 2.4 кА), 350 м, 200 м; Корея – кабели 30 м, 100 м, 410 м; Китай – кабели 30 м и 75 м; Россия – кабель 30 м (20 кВ, до 1.5 А); Германия — кабель 1000 м (10 кВ) [1, 2].

Можно выделить несколько примеров таких проектов: Southwire с 2000 г. и NKT с 2001 г. Кабели работают успешно уже более нескольких десятков тысяч часов, идет наработка опыта работы.

В ходе эксплуатации в электрических сетях ВТСП-кабелей было выявлено много преимуществ в сравнении с обычными кабелями: возможность замены существующего кабеля на кабель с большей передаваемой мощностью при тех же габаритах; лёгкий вес за счет меньшего количества используемого материала; высокая эффективность (в связи с малыми потерями в сверхпроводнике); улучшение качества электроэнергии; экономия на эксплуатационных расходах; замена ЛЭП на кабели с ВТСП уменьшит площадь отчуждаемых земель; возможность передачи больших мощностей при пониженном напряжении; повышается маневренность и качество передачи; обеспечение функции ограничения токов КЗ; исключается необходимость применения компенсирующих устройств при передаче электроэнергии.

Создание СП-кабеля на большие токи позволяет эффективно решить проблему глубоких вводов мощности в крупные города, а также выдачу мощности от крупных электростанций, расположенных в сложных географических условиях. Именно в этой части ВТСП-кабели находят практическое применение за рубежом. В настоящее время ведутся работу более чем по десяти крупным проектам такого рода.

В будущем сверхмощные СП-кабельные линии могут составлять глобальную энергетическую сеть с передачей электроэнергии на сверхдальние расстояния, выполнять межсистемные связи, делить при необходимости сложные энергосистемы, использоваться при прокладке длинных подводных линий и пр. Параметры такой передачи 10 ГВ × А и более на многие тысячи километров.

Ограничители токов короткого замыкания. Величины токов короткого замыкания (КЗ) в сетях определяют параметры оборудования подстанций и линий электропередач. Чем больше ток короткого замыкания, тем больше должна быть отключающая способность автоматических выключателей, тяжелее конструкция ошиновки и опорных изоляторов, разъединителей и т. д., тем строже требования к термостойкости кабельных линий.

Широкие перспективы ограничения токов короткого замыкания в сетях открывает использование сверхпроводящих ограничителей тока короткого замыкания (ОТКЗ). Они используют уникальное свойство сверхпроводниковых материалов иметь нулевое сопротивление до определенных, предельных значений магнитного потока. Сверхпроводящие ОТКЗ позволяют надежно решить проблему защиты оборудования, ограничивают первый, наиболее опасный бросок тока при коротком замыкании, обеспечивают время работы менее четверти периода колебаний переменного тока. Существует большое количество вариантов ОТКЗ как резистивных, так и индуктивных.

Сверхпроводящие ОТКЗ могут в принципе применяться в сетях напряжением 10 – 220 кВ для снижения ударных значений токов короткого замыкания, согласовывать значения токов короткого замыкания с отключающей способностью коммутационного оборудования, увеличения его срок службы. Это особенно важно при повышении уровней тока короткого замыкания и развитии сети, а также при работе автоматических выключателей, срок годности которых истек или которые необходимо заменить из-за недостаточного тока отключения. СП-ОТКЗ в комплекте с воздушным выключателем вполне может заменить дорогостоящий элегазовый выключатель и при этом обеспечить высокую скорость срабатывания.

Сверхпроводящие ОТКЗ позволяют решать проблемы самозапуска двигателей собственных нужд ТЭС и двигателей, установленных на промышленных предприятиях с непрерывными технологическими процессами. Улучшаются оба параметра, которые влияют на самозапуск двигателей: увеличивает напряжение на шинах с подключенными двигателями, которые прикладываются к ним после короткого замыкания, и уменьшает продолжительность падения напряжения при коротком замыкании и сокращает время торможения двигателя.

По мнению многих экспертов, ВТСП ОТКЗ может стать самым популярным СП для электроэнергетики и первым с широким коммерческим применением оборудования СП-техники. В настоящее время реализовано несколько проектов ВТСП ОТКЗ на напряжении до 20 кВ и мощностью 10 – 15 МВА. Начаты разработки ВТСП ОТКЗ на напряжение 110 - 138 кВ. Так в Европе компания Nexans SC GmbH создала стационарный проект ВТСП ОТКЗ на 10кВ и мощностью 300 МВА [3].

Сверхпроводниковые индуктивные накопители энергии. Особый вид ВТСП-устройств - индуктивные накопители энергии (СПИН). Индуктивный метод накопления и преобразования энергии даёт возможность генерирования мощных и одновременно энергоемких импульсов при быстрой реакции накопителя энергии. СПИН можно применять как эффективное средство повышения устойчивости энергосистем.

Достоинства СПИН: мгновенная выдача электроэнергии в ответ на падающее напряжение; большая выходная мощность устройства; возможность достижения меньшей стоимости за 1 кВт выдаваемой мощности по сравнению с альтернативными способами; высокая плотность запасаемой энергии, компактность, возможность размещения вблизи потребителя энергии; низкий уровень потерь при хранении электроэнергии; высокие КПД при накоплении и выдаче электроэнергии и быстродействие в этих режимах; возможность регулирования активной и реактивной мощности при выдаче электроэнергии; более длительный жизненный цикл по сравнению с альтернативными способами (маховики, емкостными и аккумуляторными накопителями); экологическая чистота и надёжность.

Функции СПИН зависят от их энергоемкости: накопители энергоемкостью  –  Дж можно применять для повышения статической и динамической устойчивости энергосистем; накопители энергоемкостью  –  Дж (микроСПИН) используются для локального поддержания напряжения на подстанциях при изменениях нагрузки, а также при кратковременных аварийных перерывах электроснабжения потребителей при внезапных отключениях ВЛ или кратковременного снижения напряжения на 30 – 90%.

По мнению зарубежных специалистов в скором времени намечаются перспективы создания СПИН на основе ВТСП-материалов, снижение их стоимости: появляется возможность практического применения СПИН большой энергоемкости для повышения устойчивости энергосистем.

Наиболее успешно конкурирующими с другими подходами к стабилизации режима работы электрической сети оказались микро-СПИН с запасаемой энергией 3 – 5 МДж и рабочей мощностью на инверторе до 8 МВ × А и быстродействием менее 1 мс. Основной производитель микроСПИН — фирма American Superconductors (AMSC) в США — выпускает с начала 90-х годов 20 в. малыми сериями НТСП микроСПИН для страховки потребителей от кратковременных отключений либо в качестве быстродействующей части системы аварийного питания, для компенсации провалов напряжения.

Сверхпроводниковые силовые трансформаторы. Их основными преимуществами являются: снижение потерь электроэнергии; возможность длительной работы с перегрузкой; снижение массы и габаритов благодаря более высокой плотности тока в обмотке; увеличение срока службы за счет замедления старения изоляции при низких температурах; экологическая и пожарная безопасность (отсутствие горючего масла).

Важной особенностью является высокая перегрузочная способность ВТСП-трансформатора на многие часы (до 100%). Реактивное сопротивление СП-трансформатора примерно в 4 раза ниже, чем у обычного и это облегчает условия регулирования реактивной мощности и напряжения в сети и способствует повышению степени устойчивости всей системы. Ещё одно привлекательное для работы в сети свойство ВТСП-трансформаторов — их четкая токоограничивающая способность.

В настоящее время созданы опытные образцы ВТСП-трансформаторов напряжением 20 кВ мощностью порядка 10 МВА. В Японии и Швеции трансформаторы мощностью порядка 1000 кВА испытываются в реальных условиях на подстанциях.

Государственная программа разработки сверхпроводящего электрооборудования реализуется в Японии с 1998 г. В 2000 году были разработаны и подключены к реальной сети трансформаторы мощностью 800 и 1000 кВА. Положительные результаты этих работ дали основание предположить, что промышленное применение сверхпроводящих трансформаторов большой мощности (до нескольких сотен мегавольтампер) может быть осуществлено уже в ближайшее время.

Примеры опытных образцов [4]:

• Трансформатор мощностью 630 кВА. Трансформатор был выполнен для распределительной сети г. Женевы. Магнитопровод трансформатора тёплый, а обмотки находятся в трех криостатах при температуре 77 К.
• Опытный образец с регулированием поля рассеяния. Провод представлял собой ВТСП ленту из материала Bi 2223 с номинальным током 20 А. Номинальная мощность модели 10 кВА была получена при токе равном примерно 60% этого уменьшенного значения.

Сверхпроводниковые вращающиеся машины. Преимущества сверхпроводниковых вращающихся машин: высокое магнитное поле в зазоре без использования железа; малое синхронное реактивное сопротивление; малые потери на возбуждение; небольшая масса; меньшие размеры.

В современных энергосистемах реактивная мощность становится важным параметром для управления напряжением и сглаживания его изменений. С помощью синхронных и статических компенсаторов решаются проблемы стабилизации напряжения и регулирования перетоков реактивной мощности в стационарных режимах, обеспечивая статической и динамической устойчивости и другие задачи. В связи с этим представляется перспективным применением ВТСП-синхронных компенсаторов.

Их применение позволит: обеспечить широкий диапазон регулирования реактивной мощности как в режиме выдачи, так и потребления реактивной мощности без реверсирования тока возбуждения благодаря более низким, чем у традиционных электрических машин, синхронным реактивным сопротивлениям; получить возможность создать компенсирующие устройства на высокие уровни рабочего напряжения (до 110 – 220 кВ) и на большие мощности (до 200 – 500 МВА); сохранить высокую синусоидальность кривых тока и напряжения, выдаваемых ВТСП-компенсаторами (содержание высших гармоник менее 1%), трудно достижимую в компенсаторах на основе силовой электроники.

В 2004 г. в работу введен первый ВТСП-синхронный компенсатор SuperVAR компании AMSC, разработанный на основе корабельного двигателя той же компании. Назначение компенсатора - «поглощать» толчки реактивной мощности, поддерживать напряжение в сети на металлургическом заводе в штате Теннеси (США). Особенность машины - способность выдерживать большие перегрузки (в первые периоды в 6 – 8 раз в течение 60 с, по току статора - в 2 раза). Имеется заказ на изготовление серии из 5 машин, определен мощностной ряд таких машин - от 0.5 до 15 МВА [4].

Весьма существенна возможность рационального сочетания устройств Flexible Alternating Current Transmission Systems (FACTS) и ВТСП-синхронных компенсаторов.

Кроме крупных научных проектов, единственное коммерческое внедрение сверхпроводимости на сегодняшний день - это МРТ. Принципиальных препятствий для использования сверхпроводящих устройств нет: материалы созданы, технологии разработаны, криогенное оборудование доступно и достаточно надежно. Однако пока их применяют только там, где без них не обойтись, например в МРТ, термоядерных реакторах, ускорителях, в том числе источниках синхротронного излучения. Несмотря на все достоинства применения ВТСП технологий, освоению других ниш, таких как электроэнергетика, мешает высокая цена изделий и консерватизм специалистов.

Когда инженеры, материаловеды и др. смогут разработать ВТСП-кабель, который сможет работать при комнатных температурах (уже существуют исследования, которые утверждают, что это вполне возможно [5]), тогда мы сможем увидеть повсеместное применение данной технологии в электрооборудовании.

Список литературы:

1. Силовые трансформаторы. Справочная книга / под ред. С.Д. Лизунова и А.К. Лоханина. М.: Энергоиздат, 2004.
2. В Германии ввели в эксплуатацию 1км ВТСП-кабеля [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://naked-science.ru/article/sci/operation-of-longest-superconducting-cable-worldwide-started?utm_source=inarticle&utm_medium=inarticle&utm_campaign=inarticle. (Дата обращения: 02.05.2021)
3. Перспективы применения сверхпроводимости в электроэнергетике [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://xn-----glcfccctdci4bhow0as6psb.xn--p1ai/images/1-1/004_Sytnikov_1.pdf. (Дата обращения: 02.05.2021)
4. Бурман, А. П. Управление потоками электроэнергии и повышение эффективности электроэнергетических систем: учебное пособие / А. П. Бурман, Ю. К. Розанов, Ю. Г. Шакарян. - Москва: Издательский дом МЭИ, 2012. - 336 с.
5. СП при комнатной температуре [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://naked-science.ru/article/physics/sverhprovodimost-pri-komnatnoj-temperature. (Дата обращения: 02.05.2021)