Сегодня большое внимание уделяется исследованию и разработке конструкций, использующих сверхпроводниковые материалы, которые дают возможность по-новому подойти к вопросам создания электротехнических устройств
Источник: портал "Управление производством"
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:
Особый эффект в электроэнергетике СП-технологии могут дать при их применении в системах электроснабжения мегаполисов и крупных городов.
Рассмотрим лидирующие на сегодняшний день направления по применению СП-электрооборудования и технологий в электроэнергетических системах.
Не имеющие аналогов
Основным преимуществом кабелей из ВТСП-материалов перед обычными маслонаполненными кабелями или кабелями со сшитым полиэтиленом является их высокая пропускная способность при малом сечении, низкие потери энергии, а также пожарная и экологическая безопасность.
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 таких мегаполисах, как Москва, 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.
Революция не за горами
Крупным достижением в области нанотехнологий стало создание ВТСП-проводников второго поколения (сверхпроводниковые индуктивные накопители энергии – СПИНЭ). Это, как и совершенствование криогенной техники, позволяет надеяться на существенное снижение затрат на создание систем хранения электроэнергии, что может внести революционные изменения в конструкции и условия эксплуатации энергосистем. СПИНЭ могут находить применение в электроэнергетике как одно из эффективных средств повышения режимной надежности и устойчивости электроэнергетических систем. При этом выделяются такие свойства индуктивных накопителей, как быстродействие, высокий КПД, возможность полной автоматизации ввода и вывода энергии, большая удельная энергоемкость, регулирование активной и реактивной мощности. Ожидается, что к 2016–2020 гг. будут созданы недорогие системы хранения энергии достаточной энергоемкости. Перспективны СПИНЭ и как источники питания мощных импульсных устройств.
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. Еще в 2007 году по инициативе РАО «ЕЭС России» на основе предложений ОАО НТЦ «Электроэнергетики» и РНЦ «Курчатовский институт» была разработана и утверждена Комплексная программа по созданию ВТСП оборудования и технологий его применения в электроэнергетике со сроком ее исполнения до 2015 года. Цель программы – реализовать на базе ВТСП принципиально новую технологическую основу для российской электроэнергетики, существенно повышающую надежность и экономичность ее функционирования.
Реализация этой программы позволит проверить в условиях эксплуатации все основные виды ВТСП – электротехнического оборудования: кабельные линии электропередачи переменного и постоянного тока, устройства для ограничения токов короткого замыкания, трансформаторы, накопители энергии, генераторы, электродвигатели, синхронные компенсаторы. Для реализации Программы был создан Координационный совет, в который вошли представители РАО «ЕЭС России», Минпромэнерго РФ, Минобрнауки РФ, ОАО «Корпорация Атомэнерго», РАН, ведущие специалисты РНЦ «Курчатовский институт» и других научно-исследовательских институтов России.
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 в России – 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, и Москва здесь уже в первом ряду, 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.
В России (ОАО «НТЦ электроэнергетики», ОАО «ВНИИКП») разработан и подготовлен к испытаниям образец ВТСП-кабеля на напряжение 20 кВ, 1 500 А. В 2009 году планируется установка ВТСП-кабеля 20 кВ, 2 000 А длиной 200 метров на одном из объектов в г. Москве.
Другими многообещающими направлениями применения ВТСП- технологий являются сверхпроводящие ограничители тока и трансформаторы. В сверхпроводящих ограничителях тока может быть реализовано свойство сверхпроводников переходить из сверхпроводящего состояния в обычное. Таким образом, при возникновении тока короткого замыкания резкое возрастание сопротивления сверхпроводника приведет к ограничению величины тока КЗ. ВТСП-трансформатор имеет потенциально больше преимуществ перед стандартным: малые габариты, высокий КПД, пожаро- и взрывобезопастность, благодаря наличию жидкого азота вместо масла. Кроме того ВТСП-трансформатор – экологически чистое изделие.
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.
