86
СБОРНИК
НАУЧНО
-
ТЕХНИЧЕСКИХ
СТАТЕЙ
Обзор
состояния
работ
по
созданию
сверхпроводящих
кабельных
линий
в
России
и
в
мире
к
.
э
.
н
.
Корсунов
П
.
Ю
.,
ПАО
«
ФСК
ЕЭС
»
д
.
т
.
н
.
Сытников
В
.
Е
.,
Рябин
Т
.
В
.,
АО
«
НТЦ
ФСК
ЕЭС
»
Аннотация
Внедрение
сверхпроводящих
кабельных
линий
в
реальную
энергетику
сулит
большие
технические
и
экономические
преимущества
.
В
статье
приведен
краткий
обзор
мировых
достижений
в
области
создания
сверхпроводящих
линий
переменного
и
постоянного
тока
,
охлаждаемых
жидким
азотом
.
Описаны
рекордные
достижения
по
опыту
эксплуа
-
тации
,
величине
номинального
тока
,
по
классу
напряжения
и
передаваемой
мощности
.
Описаны
отечественные
разработки
в
этой
области
.
Оценены
перспективы
увеличения
мощности
и
длины
сверхпроводящих
кабельных
линий
при
сегодняшнем
уровне
разви
-
тия
сверхпроводящих
материалов
и
криогенной
техники
.
Ключевые
слова
:
сверхпроводимость
,
криогеника
,
кабельные
линии
,
передача
энергии
,
потери
энергии
Введение
Сравнительно
недавно
научная
общественность
отмечала
100-
летнюю
годовщину
открытия
явления
сверхпроводимости
и
30-
летнюю
годовщину
открытия
высокотемпературной
сверх
-
проводимости
(
ВТСП
),
которая
явила
миру
возможность
перехода
от
дорогостоящего
охла
-
ждения
низкотемпературных
сверхпроводников
жидким
гелием
к
принципиально
новому
—
азотному
уровню
температур
[1].
Сверхпроводящие
кабели
,
наряду
с
токоограничителями
,
являются
наиболее
популярной
темой
в
области
применения
эффекта
сверхпроводимости
в
электроэнергетике
.
В
начале
2000-
х
годов
в
научных
статьях
стали
появляться
данные
об
успешных
испытаниях
прототипов
и
экспериментальных
отрезков
ВТСП
кабелей
.
Сверхпро
-
водящие
кабельные
линии
(
ВТСП
КЛ
)
имеют
очевидные
преимущества
при
передаче
боль
-
ших
потоков
энергии
по
электрическим
сетям
по
сравнению
с
традиционными
линиями
.
Кроме
того
,
интерес
к
этому
направлению
определяется
фактом
размещения
мощных
источников
87
НОВЫЕ
ТЕХНОЛОГИИ
И
МАТЕРИАЛЫ
электроэнергии
(
АЭС
,
ГЭС
,
гелио
-
и
ветропарки
)
на
больших
расстояниях
от
крупных
городов
и
потребителей
электроэнергии
,
что
приводит
к
необходимости
транспортировать
большие
потоки
энергии
на
значительные
расстояния
.
Все
это
стимулировало
разработку
большого
ко
-
личества
конструкций
кабелей
для
передачи
энергии
.
Именно
при
разработке
ВТСП
КЛ
нако
-
плен
начальный
опыт
эксплуатации
в
реальных
электрических
сетях
,
а
уровень
передаваемой
мощности
находится
в
интервале
от
единиц
мегаватт
до
единиц
гигаватт
на
одну
цепь
.
Сверхпроводящие
материалы
Основным
элементом
любого
сверхпроводникового
устройства
являются
сверхпроводящие
материалы
,
из
которых
оно
изготавливается
.
Более
чем
50-
летний
опыт
создания
низкотем
-
пературных
практических
сверхпроводников
и
почти
30-
летний
опыт
разработок
высокотем
-
пературных
сверхпроводников
создали
широкую
номенклатуру
различных
сверхпроводящих
материалов
,
из
которых
могут
быть
созданы
всевозможные
сверхпроводниковые
устройства
.
Терминологически
технические
сверхпроводящие
материалы
делятся
на
две
категории
:
низкотемпературные
сверхпроводящие
(
НТСП
)
материалы
,
имеющие
критическую
температу
-
ру
(
температуру
перехода
в
сверхпроводящее
состояние
в
нулевом
магнитном
поле
)
ниже
25
К
и
работающие
при
гелиевом
уровне
температур
,
и
ВТСП
материалы
,
имеющие
,
как
правило
,
критическую
температуру
выше
25
К
и
зачастую
способные
работать
при
температуре
,
поряд
-
ка
температуры
кипения
жидкого
азота
(~77
К
)
и
несколько
выше
.
В
настоящее
время
известны
десятки
оксидных
соединений
,
демонстрирующих
сверхпро
-
водимость
при
температурах
выше
77
К
.
Выбор
перспективных
ВТСП
материалов
основан
на
учете
большого
количества
факторов
и
температура
перехода
в
СП
состояние
обычно
не
является
главным
из
них
.
В
результате
после
многих
лет
поисков
основой
для
использования
в
ВТСП
устройствах
стали
лишь
два
соединения
: (Bi,Pb)
2
Sr
2
Ca
2
Cu
3
O
x
с
T
c
= 105–120
К
(
условное
наименование
ВТСП
первого
поколения
,
G-1
или
BSCCO)
и
YBa
2
Cu
3
O
7
с
T
c
= 90–92
К
(
условное
наименование
ВТСП
второго
по
-
коления
G-2
или
YBCO,
иногда
RBCO).
На
рисунке
1
показаны
области
суще
-
ствования
сверхпроводимости
для
различ
-
ных
материалов
в
виде
зависимости
кри
-
тической
температуры
сверхпроводящего
перехода
от
индукции
внешнего
магнитного
поля
.
При
сочетании
параметров
(
темпера
-
тура
—
магнитная
индукция
),
соответству
-
ющих
точкам
на
рисунке
1,
лежащим
ниже
кривой
для
данного
материала
,
последний
находится
в
сверхпроводящем
состоянии
.
Этот
рисунок
дает
представление
об
основных
современных
сверхпроводящих
материалах
,
их
критических
температурах
и
возможных
охлаждающих
средах
.
Пере
-
ход
на
охлаждение
жидким
азотом
приво
-
дит
к
существенному
повышению
энерге
-
тической
и
экономической
эффективности
Рис
. 1.
Области
существования
сверхпроводи
-
мости
в
СП
материалах
,
обладающих
практиче
-
ским
значением
,
в
зависимости
от
температуры
и
индукции
магнитного
поля
88
СБОРНИК
НАУЧНО
-
ТЕХНИЧЕСКИХ
СТАТЕЙ
криогенных
устройств
.
В
таблице
1
представлены
потребления
мощности
рефрижератором
для
обеспечения
охлаждения
до
определенной
криогенной
температуры
.
Успехи
,
достигнутые
в
технологии
производства
ВТСП
материалов
,
позволяют
произво
-
дить
сверхпроводящие
ленты
с
величиной
критического
тока
25–50
А
на
миллиметр
ширины
при
температуре
77
К
и
при
толщине
ленты
0,05–0,35
мм
.
Это
послужило
хорошей
основой
для
успешной
разработки
сверхпроводящих
кабельных
линий
постоянного
и
переменного
тока
.
При
этом
следует
отметить
тот
факт
,
что
жидкий
азот
,
служащий
хладоагентом
в
кабеле
,
является
также
и
прекрасным
диэлектриком
.
Перспективы
внедрения
ВТСП
КЛ
в
электроэнергетику
Во
всем
мире
ведутся
активные
исследования
и
разработки
различных
типов
электротехни
-
ческих
устройств
на
основе
высокотемпературных
сверхпроводников
:
силовых
кабелей
,
токо
-
ограничителей
,
индуктивных
накопителей
энергии
,
электрических
машин
и
пр
.
Причем
именно
силовые
сверхпроводящие
кабели
являются
наиболее
разработанным
и
продвинутым
приме
-
нением
сверхпроводимости
в
электроэнергетике
в
настоящее
время
[3, 4, 5].
Основными
преимуществами
ВТСП
КЛ
являются
следующие
:
–
низкие
потери
энергии
в
кабельной
линии
;
–
возможность
замены
существующего
кабеля
на
кабель
с
большей
передаваемой
мощно
-
стью
при
тех
же
габаритах
;
–
легкий
вес
за
счет
меньшего
количества
используемого
материала
;
–
увеличение
«
жизненного
цикла
»
кабеля
в
результате
замедления
процессов
старения
изоляции
;
–
низкий
импеданс
и
большая
критическая
длина
;
–
отсутствие
электромагнитных
и
тепловых
полей
рассеяния
,
экологическая
чистота
и
пожа
-
робезопасность
;
–
возможность
передачи
больших
потоков
энергии
при
сравнительно
низком
напряжении
.
ВТСП
КЛ
постоянного
и
переменного
тока
являются
инновационной
разработкой
,
позволя
-
ющей
решить
значительную
часть
проблемы
электрических
сетей
.
Однако
при
использовании
ВТСП
КЛ
постоянного
тока
приобретается
еще
и
новое
качество
передачи
,
так
как
линия
ста
-
новится
управляемым
элементом
сети
,
регулирующим
потоки
передаваемой
энергии
вплоть
до
реверса
передачи
.
ВТСП
КЛ
постоянного
тока
имеют
ряд
дополнительных
преимуществ
по
сравнению
с
линиями
переменного
тока
,
а
именно
:
–
ограничение
токов
КЗ
,
что
позволяет
соединить
по
«
низкой
»
стороне
отдельные
сектора
энергосистемы
без
увеличения
токов
КЗ
;
–
повышение
устойчивости
сети
и
предотвращение
каскадных
отключений
потребителей
за
счет
взаимного
резервирования
энергорайонов
;
–
передача
мощности
с
минимальными
потерями
в
кабеле
и
,
как
следствие
,
снижение
тре
-
бований
к
криогенной
системе
;
Табл
. 1.
Требуемая
мощность
рефрижератора
для
получения
1
Вт
холода
[2]
Криогенная
температура
,
К
200
150
100
77
30
4
Необходимая
мощность
при
комнатной
температуре
,
Вт
2
4
8
12
80
200
89
НОВЫЕ
ТЕХНОЛОГИИ
И
МАТЕРИАЛЫ
–
регулирование
распределения
потоков
мощности
в
параллельных
линиях
;
–
возможность
связи
несинхронизированных
энергосистем
.
В
электрических
сетях
возможно
создание
схемы
с
применением
как
ВТСП
КЛ
переменного
,
так
и
постоянного
тока
.
Обе
системы
имеют
свои
предпочтительные
области
применения
и
,
в
ко
-
нечном
итоге
,
выбор
определяется
как
техническими
,
так
и
экономическими
соображениями
.
ВТСП
КЛ
переменного
тока
целесообразны
в
тех
случаях
,
когда
необходима
передача
больших
потоков
электроэнергии
на
распределительном
напряжении
,
а
также
при
замене
воз
-
душных
линий
на
кабельные
без
изменения
класса
напряжения
.
Возможна
также
передача
энергии
непосредственно
с
шин
генератора
на
подстанцию
или
в
распределительную
сеть
.
ВТСП
КЛ
постоянного
тока
,
выполняя
те
же
функции
,
что
и
ВТСП
КЛ
переменного
тока
,
спо
-
собны
также
осуществлять
функцию
ограничения
токов
КЗ
и
управление
потоками
мощности
.
Поэтому
в
тех
случаях
,
когда
помимо
передачи
больших
потоков
мощности
на
низком
напря
-
жении
требуется
еще
обеспечить
и
функцию
ограничения
токов
КЗ
и
управления
потоками
мощности
,
что
характерно
для
мегаполисов
,
ВТСП
КЛ
постоянного
тока
наиболее
предпочти
-
тельны
.
Кроме
того
,
сверхдальние
кабельные
передачи
возможны
только
при
использовании
линий
постоянного
тока
.
Принимая
во
внимание
очевидные
преимущества
ВТСП
КЛ
,
во
многих
странах
(
США
,
Юж
-
ная
Корея
,
Китай
,
Япония
,
Европа
)
проводят
работы
по
созданию
и
опытной
эксплуатации
таких
линий
для
различных
целей
.
Условно
их
можно
разделить
на
магистральные
кабели
и
кабели
для
распределительных
сетей
.
В
России
,
по
инициативе
РАО
ЕЭС
,
а
затем
ПАО
«
ФСК
ЕЭС
»,
проводятся
работы
,
целью
которых
является
создание
ВТСП
КЛ
постоянного
и
перемен
-
ного
тока
на
напряжение
20
кВ
.
При
реализации
этих
проектов
предусматривается
как
созда
-
ние
собственно
сверхпроводящей
кабельной
линии
,
так
и
всей
необходимой
инфраструктуры
:
криогенной
станции
,
токовых
вводов
,
соединительных
муфт
,
преобразовательных
подстанций
,
систем
диагностики
,
управления
и
защиты
.
Сверхпроводящие
вставки
между
подстанциями
в
мегаполисах
Энергетические
сети
мегаполисов
является
динамично
развивающейся
структурой
,
кото
-
рая
имеет
следующие
особенности
:
–
быстрый
рост
потребления
энергии
;
–
высокая
плотность
энергопотребления
;
–
наличие
«
дефицитных
»
по
энергообеспечению
районов
;
–
высокая
степень
разветвленности
распределительных
электрических
сетей
,
что
обуслов
-
лено
необходимостью
многократного
дублирования
линий
электроснабжения
потребите
-
лей
и
приводит
к
снижению
управляемости
сети
;
–
секционирование
электрической
сети
с
целью
уменьшения
токов
КЗ
.
Все
эти
особенности
приводят
к
возникновению
ряда
проблем
в
сетях
мегаполисов
.
С
другой
стороны
,
загрузка
подстанций
в
городе
очень
неравномерна
.
Во
многих
случаях
трансформаторы
подстанций
загружены
только
на
30–60%.
Как
правило
,
подстанции
глубо
-
кого
ввода
в
городах
запитываются
по
отдельным
линиям
высокого
напряжения
.
Соединение
подстанций
на
стороне
среднего
напряжения
может
обеспечить
взаимное
резервирование
энергорайонов
и
высвободить
резервные
трансформаторные
мощности
,
что
в
конечном
итоге
приведет
к
снижению
потерь
энергии
в
сети
и
повышению
надежности
энергоснабжения
потре
-
бителей
.
Кроме
того
,
этот
тип
подключения
позволяет
использовать
высвободившиеся
мощ
-
ности
для
подключения
дополнительной
нагрузки
без
необходимости
ввода
в
эксплуатацию
90
СБОРНИК
НАУЧНО
-
ТЕХНИЧЕСКИХ
СТАТЕЙ
новых
трансформаторов
или
строительства
новых
подстанций
и
линий
электропередачи
[6, 7].
Рисунок
2
иллюстрирует
эту
концепцию
.
Как
видно
из
рисунка
,
при
наличии
вставки
три
трансформатора
полностью
обеспечат
электроэнергией
присоединенных
потребителей
при
загрузке
не
более
80%.
Четвертый
транс
-
форматор
и
линия
,
его
питающая
,
могут
быть
выведены
в
оперативный
резерв
,
что
приведет
к
снижению
потерь
энергии
,
либо
будут
использоваться
для
подключения
дополнительных
потребителей
.
Разумеется
,
такая
вставка
может
быть
выполнена
как
по
традиционным
техно
-
логиям
,
так
и
с
использованием
ВТСП
КЛ
.
Однако
при
передаче
больших
потоков
энергии
на
распределительном
напряжении
сверхпроводящие
линии
имеют
неоспоримые
преимущества
.
Основной
проблемой
при
реализации
вышеприведенной
схемы
является
тот
факт
,
что
пря
-
мое
соединение
подстанций
приведет
к
существенному
увеличению
тока
короткого
замыка
-
ния
.
Данная
схема
будет
работоспособна
только
в
том
случае
,
если
вставка
будет
выполнять
две
функции
:
передачу
мощности
и
ограничение
токов
короткого
замыкания
.
В
связи
с
тем
,
что
решение
задачи
создания
вставки
,
выполняющей
две
вышеприведенные
функции
,
сулит
большие
перспективы
по
совершенствованию
систем
электроснабжения
мегаполисов
,
в
на
-
стоящее
время
в
мире
осуществляются
три
крупных
научных
проекта
:
•
проект
HYDRA,
Нью
-
Йорк
,
США
[5, 8];
•
проект
AmpaCity, Essen,
Германия
[5, 9];
•
проект
Санкт
-
Петербург
,
Россия
[5, 10].
Все
три
проекта
имеют
целью
передачу
высокой
мощности
на
среднем
напряжении
между
двумя
подстанциями
при
одновременном
ограничении
токов
короткого
замыкания
.
В
проекте
HYDRA
сочетаются
функции
передачи
большой
мощности
и
ограничения
тока
в
одном
устройстве
—
сверхпроводящем
кабеле
переменного
тока
специальной
конструкции
.
При
возникновении
КЗ
в
сети
ВТСП
кабель
переходит
в
нормально
-
проводящее
состояние
,
импеданс
сети
увеличивается
,
что
и
приводит
к
ограничению
тока
КЗ
.
Это
делает
чрезвычайно
сложной
задачу
оптимизации
кабеля
с
учетом
возможных
сетевых
режимов
,
условий
охлаж
-
дения
и
прокладки
кабеля
.
Кроме
того
,
технические
решения
,
разработанные
для
одного
проекта
,
не
могут
тиражироваться
для
других
проектов
в
силу
различных
режимных
условий
и
условий
прокладки
,
а
значит
и
условий
охлаждения
кабеля
,
который
периодически
должен
переходить
из
сверхпроводящего
состояния
в
нормально
проводящее
.
В
проекте
AmpaCity
функции
передачи
мощности
и
ограничения
токов
короткого
замыка
-
ния
разделены
между
кабелем
и
токоограничителем
.
Это
упрощает
задачу
разработки
каждого
устройства
и
позволяет
изготавливать
кабель
с
высокой
степенью
стабилизации
,
что
невозмож
-
Сверхпроводящая
вставка
Полная
мощность
нагрузки
≤
60%
полной
мощности
подстанций
Двухтрансформаторная
распределительная
подстанция
городского
типа
Стандартная
нагрузка
Полная
мощность
нагрузки
≤
60%
полной
мощности
подстанций
Рис
. 2.
Возможная
схема
соединения
двух
подстанций
91
НОВЫЕ
ТЕХНОЛОГИИ
И
МАТЕРИАЛЫ
но
в
проекте
HYDRA.
Разумеется
,
требуется
согласование
характеристик
кабеля
и
токоограни
-
чителя
,
однако
это
не
является
сложной
задачей
,
и
разработанные
при
выполнении
проекта
технические
решения
могут
тиражироваться
при
разработке
других
линий
с
аналогичными
па
-
раметрами
.
В
Санкт
-
Петербургском
проекте
функции
передачи
мощности
и
ограничения
токов
корот
-
кого
замыкания
разделены
между
кабелем
постоянного
тока
и
преобразователями
при
их
со
-
ответствующей
настройке
.
Сверхпроводящий
кабель
постоянного
тока
в
отличие
от
кабеля
переменного
тока
не
имеет
потерь
энергии
,
что
существенно
снижает
требования
к
мощности
криогенной
установки
.
В
отличие
от
двух
вышеупомянутых
проектов
,
линия
постоянного
тока
является
активным
элементом
сети
и
позволяет
управлять
энергетическими
потоками
в
при
-
легающих
линиях
как
по
направлению
,
так
и
по
мощности
передачи
.
Кроме
того
,
в
отличие
от
двух
предыдущих
проектов
в
данном
случае
при
любых
режимах
работы
сети
сверхпроводя
-
щие
элементы
вставки
никогда
не
переходят
в
нормально
проводящее
состояние
.
В
таблице
2
представлены
основные
характеристики
вышеописанных
проектов
и
их
срав
-
нение
на
основании
экспертных
оценок
.
Некоторые
проекты
ВТСП
КЛ
Ниже
представлено
краткое
описание
основных
проектов
в
мире
и
в
России
,
которые
прошли
или
находятся
в
опытной
эксплуатации
,
а
также
проекты
,
имеющие
рекордные
значения
по
их
номинальным
характеристикам
.
Линии
переменного
тока
Проект
AMPA CITY,
Эссен
,
Германия
Схема
соединения
двух
подстанций
представлена
на
рисунке
3.
Как
видно
из
рисунка
,
реализа
-
ция
данного
проекта
позволит
вывести
из
эксплуатации
один
трансформатор
на
40
МВА
и
высоко
-
вольтную
линию
110
кВ
.
Табл
. 2.
Сравнительные
характеристики
проектов
по
соединению
двух
подстанций
на
стороне
среднего
напряжения
Проект
P
,
МВА
/
МВт
U
,
кВ
L
,
км
Ограни
-
чение
токов
КЗ
Максимальная
мощность
,
МВА
Управ
-
ление
потоками
S-N
переход Надежность
HYDRA
96
13,8
0,2
+
100
–
Длительно
+
AmpaCity
40
10
1,0
++
100
–
Кратко
++
С
-
Петербург
50
20
2,5
+++
250
+++
Никогда
++
Рис
. 3.
Схема
проек
-
та
AmpaCity, Essen
92
СБОРНИК
НАУЧНО
-
ТЕХНИЧЕСКИХ
СТАТЕЙ
Это
первый
проект
ВТСП
КЛ
,
в
результате
которого
сверхпроводящая
линия
установлена
в
реальную
городскую
сеть
как
связь
между
двумя
подстанциями
.
Линия
включает
последова
-
тельно
соединенные
ВТСП
кабель
и
токоограничитель
.
Характеристики
кабеля
Конструкция
—
триаксиал
.
Класс
напряжения
/
расчетный
ток
/
мощность
— 10
кВ
/ 2,4
кА
/ 40
МВА
.
Сверхпроводник
— G-1.
Длина
— 1000
метров
с
одной
соединительной
муфтой
.
Внешний
диаметр
— 150
мм
.
Расчетные
токи
короткого
замыкания
до
20
кА
,
ограниченный
ток
КЗ
—
не
более
5
кА
.
Криогенная
система
открытого
типа
холодопроизводительностью
4
кВт
при
67
К
,
требует
подвоза
жидкого
азота
в
объеме
1
трака
в
10
дней
.
Опыт
эксплуатации
Монтаж
завершен
в
2013
году
.
С
10
марта
2014
года
линия
подключена
к
сети
.
В
работе
—
более
2,5
лет
.
Нагрузка
(
переток
мощности
между
подстанциями
)
незначительная
.
Серьезных
проблем
при
эксплуатации
не
возникло
.
Проект
Биксби
(BIXBY),
штат
Огайо
,
США
Данный
проект
имеет
большой
срок
эксплуатации
ВТСП
КЛ
при
нагрузках
,
близких
к
номиналь
-
ным
в
реальной
энергосистеме
.
Характеристики
кабеля
Конструкция
—
триаксиал
(
рисунок
4).
Класс
напряжения
/
расчетный
ток
/
мощность
— 13,2
кВ
/ 3
кА
/ 69
МВА
.
Сверхпроводник
— G-1.
Длина
— 200
метров
.
Внешний
диаметр
— 150
мм
.
Наибольшие
токи
короткого
замыкания
— 27,0
кА
и
17,0
кА
.
Общие
теплопритоки
при
70
К
— 3,0
кВт
.
Криогенная
система
открытого
типа
требует
подвоза
жидкого
азота
в
объеме
3
трака
в
неделю
.
Опыт
эксплуатации
Дата
включения
в
сеть
— 08.08.2006.
Наработка
общая
— 51 800
часов
,
под
нагрузкой
более
35 000
часов
.
Количество
переходов
в
нормальное
состояние
—
более
100.
Все
токи
КЗ
кабель
выдержал
без
повреждений
.
Рис
. 4.
Конструкция
триаксиального
кабеля
и
фрагмент
графика
его
загрузки
в
проекте
Биксби
93
НОВЫЕ
ТЕХНОЛОГИИ
И
МАТЕРИАЛЫ
Проект
Иокогама
(YOKOHAMA),
Япония
Данный
проект
имеет
реальный
срок
опытной
эксплуатации
ВТСП
КЛ
при
среднем
классе
на
-
пряжения
в
условиях
подстанции
Asahi.
Характеристики
кабеля
Конструкция
— «
три
в
одном
» (
рисунок
5).
Класс
напряжения
— 66
кВ
.
Расчетный
ток
— 1,75
кА
.
Мощность
— 200
МВА
.
Сверхпроводник
— G-1.
Длина
— 250
м
.
Одна
соединительная
муфта
.
Критический
ток
жилы
— 6,1
кА
.
Критический
ток
экрана
— 7,1
кА
.
Потери
энергии
при
2,0
кА
— 1
Вт
/
м
/
фазу
.
Расчетный
ток
КЗ
— 31,5
кА
.
Общие
теплопритоки
при
70
К
— 2,4
кВт
.
Опыт
эксплуатации
Дата
включения
в
сеть
— 29.10.2012,
завершение
опытной
эксплуатации
—
фев
-
раль
2014
г
.
Ток
КЗ
образец
кабеля
выдер
-
жал
без
повреждений
.
Криогенная
система
замкнутого
типа
включает
6
рефрижераторов
Stirling, 4
из
которых
—
в
работе
и
2 —
в
резерве
.
За
работой
линии
можно
было
наблюдать
в
режиме
реального
времени
на
сайте
компании
SEI.
Проект
Фурукава
(FURUKAWA),
Япония
Этот
ВТСП
кабель
является
рекордным
как
по
классу
напряжений
,
так
и
по
передаваемой
мощности
.
Характеристики
кабеля
Конструкция
—
каждая
фаза
в
отдель
-
ном
криостате
(
рисунок
6).
Класс
напряжения
— 275
кВ
.
Расчетный
ток
— 3
кА
.
Мощность
— 1400
МВА
.
Сверхпроводник
— G-2.
Длина
— 30
метров
,
одна
фаза
.
Диаметр
кабеля
— 86,5
мм
.
Внешний
диаметр
фазы
— 150
мм
.
Испытания
Потери
энергии
в
жиле
при
3,0
кА
, 68,7
К
— 0,36
Вт
/
м
.
Потери
энергии
в
экране
— 0,07
Вт
/
м
.
Диэлектрические
потери
— 0,6
Вт
/
м
.
Приведенные
потери
— 59
кВт
/
км
,
тогда
как
в
XLPE
аналогичной
линии
240
кВт
/
км
.
Ток
КЗ
63,0
кА
в
течение
600
миллисекунд
образец
длиной
2
м
выдержал
.
Рис
. 5.
Конструкция
кабеля
«
три
в
одном
»
проекта
YOKOHAMA
и
фрагмент
графика
его
загрузки
Медный
формер
Сверхпроводящий
слой
: 2
повива
YBCO
ленты
шириной
3
мм
Полипропиленовая
бумага
Экранирующий
слой
: 1
повив
YBCO
ленты
шириной
5
мм
Медный
стабилизатор
Гибкий
криостат
Кожух
150
мм
Рис
. 6.
Конструкция
одной
фазы
ВТСП
КЛ
проекта
FURUKAWA
94
СБОРНИК
НАУЧНО
-
ТЕХНИЧЕСКИХ
СТАТЕЙ
Российский
проект
ВТСП
КЛ
для
установки
на
подстанции
«
Динамо
»
Первый
Российский
проект
ВТСП
КЛ
(
рисунок
7)
предназначен
для
ввода
в
опытную
эксплуа
-
тацию
на
подстанции
«
Динамо
» [11].
Характеристики
кабеля
Конструкция
—
каждая
фаза
в
отдельном
криостате
.
Класс
напряжения
/
расчетный
ток
/
мощность
— 20
кВ
/ 1,5
кА
/ 50
МВА
.
Сверхпроводник
— G-1.
Критический
ток
— 5,2
кА
при
74
К
.
Длина
— 200
метров
без
соединительной
муфты
.
Криогенная
система
замкнутого
типа
производительностью
8
кВт
при
67
К
.
Испытан
на
стойкость
к
току
короткого
замыкания
— 28
кА
.
Результаты
испытаний
Все
расчетные
характеристики
кабеля
подтверждены
.
Проекты
ВТСП
КЛ
постоянного
тока
Проект
IEE CAS
ВТСП
КЛ
,
Китай
ВТСП
КЛ
соединяет
подстанцию
,
оборудованную
выпрямителем
с
алюминиевым
производ
-
ством
(
рисунок
8).
Данный
проект
демонстрирует
рекордные
характеристики
по
токонесущей
способности
.
Характеристики
кабеля
Конструкция
—
два
параллельных
униполярных
кабеля
с
несверхпроводящим
экраном
и
теплой
изоляцией
.
Класс
напряжения
— 1,3
кВ
.
Расчетный
ток
— 10
кА
.
Мощность
— 10
МВт
.
Сверхпроводник
— G-1.
Длина
— 362,4
метров
.
Внешний
диаметр
— 151
мм
.
Опыт
эксплуатации
Дата
включения
в
сеть
—
начало
2011
года
.
Работает
по
настоящее
время
.
Рис
. 7.
Вольтамперные
характеристики
ВТСП
КЛ
при
различных
температурах
и
график
нагрузоч
-
ных
испытаний
Рис
. 8.
Конструкция
кабеля
в
проекте
IEE CAS,
Китай
95
НОВЫЕ
ТЕХНОЛОГИИ
И
МАТЕРИАЛЫ
Общие
теплопритоки
при
77
К
— 4,0
кВт
.
Криогенная
система
замкнутого
типа
Stirling.
Jeju
проект
,
Республика
Корея
Биполярная
кабельная
система
постоянного
тока
80
кВ
, 500
МВт
длиной
500
метров
была
установлена
в
энергосистему
острова
Jeju (
рисунок
9)
в
октябре
2014
года
после
проведения
успешных
сертификационных
испытаний
100
метрового
отрезка
.
Характеристика
кабеля
Два
монополярных
кабеля
в
криостатах
из
А
l
сплава
.
Класс
напряжения
— +/–80
кВ
.
Расчетный
ток
— 3,25
кА
.
Мощность
— 500
МВт
.
Длина
— 500
метров
.
Внешний
диаметр
— 149
мм
.
Изоляция
на
80–200
кВ
постоянного
тока
.
При
создании
преобразовательных
подстанций
предполагается
использование
ВТСП
обмоток
сгла
-
живающих
реакторов
.
На
более
далекую
перспективу
разрабатывают
-
ся
планы
по
созданию
кабелей
постоянного
тока
на
30
кВ
, 180
кВ
, 250
кВ
мощностью
до
10
ГВт
.
Проект
Ishikari
на
острове
Хокайдо
,
Япония
Консольная
передача
для
питания
хранилища
данных
.
Характеристика
кабеля
Биполярная
передача
— 10
кВ
, 5000
А
.
ВТСП
ленты
первого
поколения
— G-1,
производства
SEI.
Первая
фаза
проекта
— 500-
метровый
кабель
.
Класс
напряжения
/
расчетный
ток
/
мощность
– 10
кВ
/5
кА
/100
МВт
.
Испытания
линии
(
рисунок
10)
проведены
в
мае
-
июне
2015
года
.
Рис
. 9.
Конструкция
кабеля
ВТСП
линий
постоянного
тока
в
энергосистеме
острова
Чеджу
Формер
ВТСП
проводник
Изоляция
Обмотка
1-
я
оболочка
Тепловая
изоляция
Проставка
2-
я
оболочка
Наружный
покров
Рис
. 10.
Общий
вид
ВТСП
КЛ
(
слева
)
и
криостата
(
справа
)
линии
500
метров
проекта
Ishikari
96
СБОРНИК
НАУЧНО
-
ТЕХНИЧЕСКИХ
СТАТЕЙ
Линия
500
метров
питает
базу
данных
крупной
интернет
-
компании
.
При
снижении
затрат
ком
-
пании
на
питание
на
10%
за
счет
ВТСП
кабеля
постоянного
тока
ее
прибыль
возрастает
вдвое
.
Вторая
фаза
проекта
— 1000-
метровая
кабельная
линия
.
Класс
напряжения
/
расчетный
ток
/
мощность
— 10
кВ
/ 2,5
кА
/ 50
МВт
.
Кабель
был
смонтирован
в
июне
2016
года
.
Основная
цель
второй
фазы
проекта
—
про
-
ведение
исследований
и
получение
базовых
знаний
для
разработки
более
длинных
линий
.
К
концу
2016
года
проведены
успешные
испытания
криогенной
системы
1000-
метровой
ли
-
нии
.
Исследованы
три
варианта
конструкции
криостатов
и
показано
,
что
внешний
теплоприток
в
«
холодную
зону
»
может
быть
снижен
до
величины
,
не
превышающей
1
Вт
/
м
[12].
Это
крайне
важно
при
проектировании
линий
большой
протяженности
.
В
перспективе
рассматривается
еще
одна
линия
на
Хокайдо
длиной
10
км
.
Санкт
-
Петербургский
проект
,
Россия
Первый
Российский
проект
ВТСП
КЛ
постоянного
тока
,
предназначенный
для
установки
в
энер
-
госистему
Санкт
-
Петербурга
для
соединения
ПС
330
кВ
«
Центральная
»
и
ПС
220
кВ
«
РП
-9».
Длина
кабеля
— 2,5
км
,
а
петля
прокачки
жидким
азотом
— 5,0
км
.
Эти
параметры
являются
рекордными
среди
существующих
ВТСП
кабельных
проектов
в
мире
.
Характеристики
кабеля
Конструкция
—
монополярная
передача
с
обратным
проводником
в
конструкции
одного
кабеля
.
Класс
напряжения
/
расчетный
ток
/
мощность
— 20
кВ
/ 2,5
кА
/ 50
МВт
.
Сверхпроводник
— G-1.
Длина
— 2500
метров
с
пятью
соединительными
муфтами
.
Внешний
диаметр
криостата
— 110
мм
.
Криогенная
система
замкнутого
типа
производительностью
12
кВт
при
67
К
.
Результаты
испытаний
Испытаны
два
30-
метровых
отрезка
в
сборе
с
соединительной
муфтой
и
токовыми
вво
-
дами
.
Испытаны
два
отрезка
длиной
430
метров
с
соединительной
муфтой
(
рисунок
11).
Все
проектные
характеристики
достигнуты
.
Изготовленный
комплекс
оборудования
включает
:
–
шесть
строительных
длин
кабеля
общей
длиной
2500
метров
;
–
комплект
соединительных
и
концевых
муфт
;
–
два
выпрямителя
/
инвертора
с
фильтрующими
RC-
устройствами
и
системой
СУРЗА
;
Рис
. 11.
Два
отрезка
сверхпроводящего
кабеля
постоянного
тока
по
430
метров
каждый
(
слева
)
и
криогенный
стенд
(
справа
)
во
время
испытаний
на
полигоне
АО
«
НТЦ
ФСК
ЕЭС
»
97
НОВЫЕ
ТЕХНОЛОГИИ
И
МАТЕРИАЛЫ
–
замкнутая
криогенная
система
производи
-
тельностью
12
кВт
холода
.
В
2017
году
будут
про
-
ведены
ресурсные
испыта
-
ния
кабельной
линии
дли
-
ной
более
2,0
км
в
сборе
со
штатной
криогенной
си
-
стемой
и
преобразователь
-
ной
подстанцией
.
Работы
проводятся
на
площадке
АО
«
НТЦ
ФСК
ЕЭС
»
в
г
.
Мо
-
скве
.
О
возможности
передачи
больших
потоков
энергии
по
СПКЛ
Специфика
размещения
источников
электроэнергии
(
АЭС
,
ГЭС
,
ветропарки
)
на
больших
расстояниях
от
крупных
городов
и
потребителей
электроэнергии
приводит
к
необходимости
транспортировать
большие
потоки
энергии
на
значительные
расстояния
.
При
этом
схема
вы
-
дачи
мощности
предполагает
использование
высоковольтных
воздушных
линий
передачи
(220–750
кВ
),
что
обусловлено
стремлением
минимизировать
потери
энергии
при
ее
транспор
-
тировке
.
Это
приводит
к
необходимости
создания
высоковольтных
повышающих
подстанций
,
к
заметным
потерям
энергии
(6–8%)
при
ее
транспортировке
и
отчуждению
значительных
площадей
земли
.
При
оценке
длинных
линий
будем
рассматривать
линии
постоянного
тока
,
так
как
любые
кабельные
линии
переменного
тока
имеют
ограничение
по
длине
,
вследствие
возникновения
зарядных
токов
,
которые
приводят
к
снижению
мощности
на
дальнем
конце
линии
.
В
результате
этого
длина
кабельных
линий
переменного
тока
не
превышает
нескольких
десятков
километров
.
Возможные
уровни
передаваемой
мощности
по
ВТСП
кабельной
линии
постоянного
тока
Оценим
возможный
уровень
передаваемой
мощности
при
различных
напряжениях
,
исходя
из
достигнутых
характеристик
сверхпроводящих
материалов
.
При
величине
конструктивной
критической
плотности
тока
,
равной
200
А
/
мм
2
,
реальным
является
создание
кабелей
постоян
-
ного
тока
с
номинальным
током
10,0–20,0
кА
.
Кабели
с
рабочим
током
в
10,0
кА
уже
созданы
.
Примем
для
нижеприведенных
оценок
,
сведенных
в
таблицу
3,
ра
-
бочий
ток
равным
15,0
кА
.
Как
видно
из
таблицы
,
мощность
любой
действу
-
ющей
электростанции
мо
-
жет
быть
передана
в
сеть
Рис
. 12.
Результаты
измерения
критического
тока
сверхпроводя
-
щего
кабеля
постоянного
тока
и
зависимость
критического
тока
от
температуры
I
ном
Ток
,
А
78
К
Температура
,
К
То
к
,
А
1200
1000
800
600
400
200
0
5700
5200
4700
4200
3700
3200
67
69
71
73
75
77
79
81
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
Напря
жени
е
,
мВ
T
на
входе
в
криостат
T
на
выходе
из
криостата
Табл
. 3.
Передаваемая
мощность
по
ВТСП
линии
постоянного
тока
Напряжение
передачи
,
кВ
Монополярная
передача
,
МВт
Биполярная
передача
,
МВт
Одна
линия Две
линии Одна
линия Две
линии
50
750
1500
1500
3000
100
1500
3000
3000
6000
200
3000
6000
6000
12 000
98
СБОРНИК
НАУЧНО
-
ТЕХНИЧЕСКИХ
СТАТЕЙ
уже
при
напряжении
50–200
кВ
,
а
передача
энергии
от
одного
энергоблока
возможна
на
гене
-
раторном
напряжении
.
Для
увеличения
надежности
передачи
целесообразно
рассматривать
передачу
по
двум
параллельным
линиям
.
Потери
энергии
в
линии
Состав
потерь
энергии
в
ВТСП
линии
постоянного
тока
:
1)
потери
энергии
в
преобразователях
—
около
2%
от
мощности
линии
;
2)
теплопритоки
через
токовводы
(
единицы
кВт
);
3)
потери
,
связанные
с
теплопритоками
в
холодную
зону
через
криостат
,
умноженные
на
ко
-
эффициент
рефрижерации
.
Две
первые
величины
не
зависят
от
длины
.
Для
длинных
линий
теплопритоками
через
то
-
ковводы
можно
пренебречь
.
Примем
в
расчете
не
зависящую
от
длины
составляющую
потерь
энергии
равной
2%
от
передаваемой
мощности
.
Теплопритоки
через
оболочку
современных
криостатов
составляют
1,0–1,5
Вт
/
м
.
Коэф
-
фициент
рефрижерации
— 12–18,
тогда
приведенные
потери
мощности
на
метр
длины
ли
-
нии
составят
12–27
Вт
/
м
.
Примем
среднюю
величину
—20
Вт
/
м
.
Ограничим
общие
потери
при
передаче
энергии
3%,
то
есть
потери
в
сверхпроводящей
линии
с
учетом
затрат
энер
-
гии
на
охлаждение
не
должны
превышать
1%.
Результаты
расчета
максимальной
длины
ВТСП
линии
,
потери
в
которой
бу
-
дут
не
более
3%
от
ее
мощности
,
представлены
в
таблице
4.
Из
данной
таблицы
следует
,
что
использование
ВТСП
линии
позво
-
лит
существенно
сократить
потери
энергии
при
ее
транспортировке
на
большие
расстояния
.
Охлаждение
линии
с
определением
максимального
расстояния
между
криогенными
станциями
При
расчете
охлаждения
линии
исходим
из
следующих
исходных
данных
:
–
максимальная
температура
сверхпроводящего
кабеля
,
охлаждаемого
жидким
азотом
не
долж
-
на
превышать
78
К
,
что
приводит
к
допустимому
перепаду
температур
по
длине
порядка
10
К
;
–
допустимый
перепад
давлений
по
длине
определяется
характеристиками
криостата
и
для
гибких
криостатов
на
основе
гофрированных
труб
составляет
10–15
атмосфер
;
–
минимальное
давление
азота
и
максимальная
температура
азота
в
зоне
приложения
высокого
напряжения
должны
обеспечивать
отсутствие
возможности
образования
газовых
пузырьков
,
существенно
снижающих
электрическую
прочность
,
что
соответствует
услови
-
ям
:
давление
—
не
менее
1,0
атм
,
а
температура
—
не
выше
78
К
.
Первое
условие
является
следствием
того
,
что
диапазон
существования
жидкой
фазы
азота
ограничен
снизу
температурой
замерзания
,
а
сверху
—
температурой
кипения
и
со
-
ставляет
всего
77,4 K – 63,2 K = 14,2 K
при
1
атм
.
Хотя
он
и
может
быть
расширен
пу
-
тем
повышения
давления
в
системе
(
например
, 20,6 K
при
2
атм
),
но
при
этом
нижний
температурный
предел
(
температура
замерзания
)
остается
практически
неизменным
(
рисунок
13).
Следовательно
,
расширение
диапазона
ведет
к
повышению
температуры
на
выходе
из
криостата
и
,
значит
,
к
снижению
критического
тока
сверхпроводящего
материала
.
Табл
. 4.
Длина
ВТСП
линии
постоянного
тока
,
общие
потери
энергии
в
которой
равны
3%
от
передаваемой
мощности
Мощность
,
МВт
100
300
500
1000
3000 6000
Длина
,
км
50
150
250
500
1500
3000
99
НОВЫЕ
ТЕХНОЛОГИИ
И
МАТЕРИАЛЫ
Чтобы
обеспечить
заданный
перепад
темпера
-
тур
по
длине
кабельной
линии
,
необходимо
прока
-
чать
определенный
объем
хладоагента
для
отвода
поступившего
в
криостат
тепла
.
Если
пренебречь
сосредоточенной
тепловой
нагрузкой
на
концах
ли
-
нии
(
токовводы
),
то
массовый
расход
жидкого
азо
-
та
,
необходимого
для
удаления
входящего
тепла
,
и
тепла
,
генерируемого
трением
,
будет
:
L
(
q
+
q
f
)
m
∙
= —, (1)
C
p
T
где
m
∙
—
расход
жидкого
азота
,
кг
/
с
;
L
—
длина
криостата
,
м
;
q
—
удельная
тепловая
нагрузка
через
теплоизоляцию
,
Вт
/
м
;
q
f
—
удельное
тепло
-
выделение
от
трения
,
Вт
/
м
;
C
p
—
удельная
тепло
-
емкость
жидкого
азота
,
Дж
/
кг
· K;
Т
—
разность
температур
на
входе
и
выходе
криогенной
трубы
.
Массовый
расход
связан
со
скоростью
потока
выражением
m
∙
=
A
, (2)
где
—
плотность
жидкого
азота
,
кг
/
м
3
;
—
скорость
потока
,
м
/
с
;
A
—
площадь
поперечного
сечения
канала
,
м
2
.
Перепад
давления
по
длине
может
быть
оценен
с
использованием
формулы
Дарси
-
Вейсбаха
:
L
2
p
=
f
— —, (3)
D
h
2
где
p
—
падение
давления
,
Па
;
f
—
коэффициент
потерь
на
трение
;
D
h
—
гидравлический
диаметр
,
м
.
Если
не
рассматривать
тепловыделение
,
обусловленное
трением
в
криогенном
кана
-
ле
,
которое
в
рабочих
режимах
обычно
значительно
меньше
,
чем
теплопритоки
через
обо
-
лочку
криостата
,
тогда
из
формул
(1–3)
получим
формулу
для
расчета
перепада
давления
как
функцию
длины
кабеля
[13].
L
3
q
p
=
f
—
(
—
)
2
. (4)
2
D
h
C
p
T
A
Типичные
значения
внешних
теплопритоков
для
современ
-
ных
гофрированных
криостатов
составляют
1,0–1,5
Вт
/
м
.
Исполь
-
зуя
приведенные
соотношения
оценим
характеристики
тепло
-
массообмена
для
ВТСП
кабеля
с
внешним
диаметром
39–40
мм
,
размещенного
в
криостатах
с
внутренним
диаметром
60, 66
и
84
мм
.
Результаты
расчетов
сведены
в
таблицу
5.
Из
табли
-
Рис
. 13.
Рабочий
диапазон
температур
жидкого
азота
в
зависимости
от
давления
(
красная
линия
—
температура
кипения
,
синяя
линия
—
температура
замерзания
)
Табл
. 5.
Перепад
температур
и
давлений
по
длине
ВТСП
линии
Внутренний
диаметр
криостата
,
мм
Длина
кабеля
,
км
Расход
жид
-
кого
азота
,
л
/
мин
Перепад
темпера
-
тур
,
К
Перепад
давле
-
ния
,
атм
60
2,5
40
4,0
4,8
5,0
40
7,5
14,0
66
2,5
40
4,0
3,0
84
2,5
40
4,0
0,4
5,0
40
8,0
1,1
10,0
60
11,0
4,5
80
8,4
8,0
100
СБОРНИК
НАУЧНО
-
ТЕХНИЧЕСКИХ
СТАТЕЙ
а
)
ВТСП
кабель
ВТСП
кабель
Токовые
вводы
Криогенная
станция
Токовые
вводы
цы
следует
,
что
перепад
давлений
может
легко
регулироваться
за
счет
увеличения
диаметра
криостата
.
Другим
путем
снижения
перепада
давления
(
не
менее
чем
в
2
раза
)
является
использова
-
ние
гладких
труб
с
сильфонными
развязками
.
При
этом
также
могут
быть
снижены
и
внешние
теплопритоки
,
однако
существенно
усложняется
монтаж
в
связи
с
необходимостью
выполне
-
ния
большого
объема
сварочных
работ
по
трассе
прокладки
кабельной
линии
.
Основным
лимитирующим
фактором
для
увеличения
плеча
прокачки
является
перепад
тем
-
ператур
по
длине
кабеля
.
Однако
,
как
видно
из
таблицы
4,
для
криостата
с
внутренним
диаме
-
тром
84
мм
плечо
прокачки
может
составлять
10
км
,
а
при
увеличении
расхода
—
и
20
км
.
К
со
-
жалению
,
расход
нельзя
увеличивать
неограниченно
,
так
как
при
больших
расходах
появляется
дополнительное
тепловыделение
за
счет
диссипации
энергии
по
причине
трения
хладоагента
в
канале
охлаждения
.
Основным
путем
снижения
перепада
температур
является
снижение
те
-
плопритоков
в
«
холодную
»
зону
.
Это
может
осуществляться
как
за
счет
совершенствования
те
-
плоизоляции
криостата
,
так
и
путем
понижения
разницы
температур
между
внешней
и
внутрен
-
ней
оболочками
криостата
.
Последнее
может
осуществляться
охлаждением
внешней
оболочки
азотного
канала
обратным
потоком
азота
в
криостате
,
состоящем
из
трех
оболочек
.
На
рисунках
14
а
и
14
б
показаны
простейшие
схемы
организации
охлаждения
одноцепной
и
двухцепной
кабельной
передачи
.
Как
следует
из
таблицы
4,
расстоя
-
ние
между
криогенными
станциями
может
достигать
10–15
км
.
При
увели
-
чении
диаметра
криостата
и
перехо
-
де
на
гладкие
трубы
плечо
прокачки
может
быть
увеличено
до
20–30
км
.
При
дальнейшем
совершенствова
-
нии
тепловой
изоляции
криостатов
плечо
прокачки
может
достигать
50
км
.
Длинные
линии
создаются
пу
-
тем
тиражирования
участков
14
а
или
14
б
,
как
это
показано
на
рисунке
14
в
.
Приведенные
выше
результаты
послужили
основанием
для
разра
-
Рис
. 14.
Возможные
схемы
организации
охлаждения
криогенной
кабельной
линии
с
размещением
криогенной
станции
с
одного
конца
линии
(
а
),
с
обоих
концов
линии
(
б
)
и
с
размещением
криогенных
станций
вдоль
кабельной
трассы
(
в
)
б
)
в
)
Обратный
трубопровод
Рис
. 15.
Принципиальная
схема
Азиатского
Энергетиче
-
ского
Суперкольца
101
НОВЫЕ
ТЕХНОЛОГИИ
И
МАТЕРИАЛЫ
ботки
концепции
создания
северовосточного
Азиатского
Энергетического
Суперкольца
,
объ
-
единяющего
энергосистемы
Китая
,
Монголии
,
Республики
Корея
,
России
и
Японии
[14] (
рису
-
нок
15).
Заключение
В
настоящее
время
мы
являемся
свидетелями
начала
внедрения
ВТСП
КЛ
в
реальную
элек
-
троэнергетику
.
В
электрических
сетях
возможно
создание
схемы
с
применением
как
ВТСП
КЛ
переменного
,
так
и
постоянного
тока
.
Обе
системы
имеют
свои
предпочтительные
области
применения
и
,
в
конечном
итоге
,
выбор
определяется
как
техническими
,
так
и
экономическими
соображениями
.
При
современном
уровне
развития
сверхпроводниковой
и
криогенной
техники
возможно
создание
длинных
ВТСП
КЛ
постоянного
тока
для
передачи
энергии
на
расстояния
в
десятки
и
сотни
километров
.
При
этом
мощность
единичной
линии
может
достигать
нескольких
гига
-
ватт
,
а
потери
энергии
в
ней
будут
существенно
ниже
,
чем
в
воздушных
ЛЭП
.
Электрическое
напряжение
на
линии
и
преобразовательной
подстанции
может
быть
снижено
до
200
кВ
и
ме
-
нее
,
однако
его
уровень
должен
быть
оптимизирован
с
точки
зрения
эффективности
работы
и
кабеля
и
преобразовательной
установки
.
Криогенные
станции
для
охлаждения
линии
могут
располагаться
на
ее
концах
при
длине
линии
до
30
км
(
в
перспективе
—
до
60
км
).
При
созда
-
нии
линий
большей
длины
криогенные
станции
должны
размещаться
вдоль
трассы
с
шагом
20–60
км
.
Максимальная
длина
линии
при
таком
подходе
не
имеет
технических
ограничений
.
Успешная
опытная
эксплуатация
первых
линий
постоянного
и
переменного
тока
может
стать
существенным
ускорителем
процессов
внедрения
ВТСП
устройств
в
электроэнергетику
.
Основными
сдерживающими
факторами
широкого
внедрения
ВТСП
КЛ
являются
:
–
высокая
стоимость
сверхпроводников
(
за
кАм
)
и
криогенной
техники
;
–
высокая
стоимость
НИОКР
;
–
низкая
эффективность
криогенного
оборудования
и
тепловой
изоляции
;
–
отсутствие
стандартов
по
производству
и
испытаниям
ВТСП
КЛ
;
–
отсутствие
реального
длительного
опыта
эксплуатации
.
Тем
не
менее
,
есть
все
основания
надеяться
,
что
в
обозримом
будущем
мощные
ВТСП
КЛ
позволят
оптимизировать
электрические
сети
мегаполисов
и
сформировать
глобальную
энергетическую
сеть
с
передачей
электроэнергии
на
сверхдальние
расстояния
,
выполнять
межсистемные
связи
,
соединять
несинхронизированные
энергосистемы
,
строить
длинные
подводные
линии
и
пр
.
Все
это
позволит
существенно
увеличить
эффективность
и
надежность
электрических
сетей
.
ЛИТЕРАТУРА
1. Larbalestier D.C. 50 Years of Applied Supercon-
ductivity. Journal of the Cryogenic Society of Ja-
pan, vol. 50,
№
5, Jan. 2015, pp. 214–217.
2. Ter Brake H.J.M., Wiegerinck G.F.M. Low power
cryocooler survey, Cryogenics, vol. 42, 2002,
pp. 705–718.
3.
Глебов
И
.
А
.,
Черноплеков
Н
.
А
.,
Альтов
В
.
А
.
Сверхпроводниковые
технологии
—
новый
этап
в
развитии
электротехники
и
энергетики
//
Сверхпроводимость
:
исследования
и
разработ
-
ки
, 2002,
№
11.
4.
Сытников
В
.
Е
.
Сверхпроводящие
кабели
и
пер
-
спективы
их
использования
в
энергетических
системах
XXI
века
//
Сверхпроводимость
:
ис
-
следования
и
разработки
, 2011,
№
15.
С
. 65–74.
5. EPRI. Superconducting Power Equipment Tech-
nology Watch 2012. Palo Alto, CA, USA, 2012.
1024190.
6. Stemmle M., Merschel F., Noe M. Physics Proce-
dia 36 (2012), p. 884.
7. Sytnikov V.E., Bemert S.E., Kopylov S.I. et al.
IEEE Transactions on Applied Superconductivity,
06/2015; V 25, Issue 3, Part 2. Article 5400904.
102
СБОРНИК
НАУЧНО
-
ТЕХНИЧЕСКИХ
СТАТЕЙ
8. Maguire J. et al. IEEE Trans. Appl. Supercond.,
Vol. 19, No 3, 2009, p. 1740.
9. Stemmle M. et al. Proc. IEEE Int. Conf. on Appl.
Supercond. and Electromagnetic Devices, Beijing,
China, October, 2013, ID3122.
10. Kopylov S., Sytnikov V., Bemert S., Ivanov Yu.,
Krivetskiy I., Romashov M., Shakaryan Yu.,
Keilin V., Shikov A., Patrikeev V., Lobyntsev V.,
Shcherbakov V. J. Phys.: Conf. Ser., 2014. V. 507.
P. 03204.
11. Volkov E.P., Vysotsky V.S., Firsov V.P. First Rus-
sian long length HTS power cable, Physica. C 482,
2012, pp. 87–91.
12. Watanabe H., Ivanov Yu., Chikumoto N., Takano H.
et al. Cooling and Liquid Nitrogen Circulation of the
1000m Class Superconducting DC Power Trans-
mission System in Ishikari. IEEE Transactions on
Applied Superconductivity, 2016. Article 2642578.
13. Ivanov Yu., Watanabe H., Hamabe M., Kawahara
T., Sun J., Yamaguchi S. Design study of LN2 cir-
culation in a long SC power transmission lines.
Physics Procedia, 36, 2012, pp. 1372–1377.
14. Yokoyama R. International Power Grid Connec-
tion and its Technical Issues of Japan. Report
№
1
in Ishikari international forum of superconducting
transmission. Ishikari, Japan, June 2017.
Оригинал статьи: Обзор состояния работ по созданию сверхпроводящих кабельных линий в России и в мире
Внедрение сверхпроводящих кабельных линий в реальную энергетику сулит большие технические и экономические преимущества. В статье приведен краткий обзор мировых достижений в области создания сверхпроводящих линий переменного и постоянного тока, охлаждаемых жидким азотом. Описаны рекордные достижения по опыту эксплуатации, величине номинального тока, по классу напряжения и передаваемой мощности. Описаны отечественные разработки в этой области. Оценены перспективы увеличения мощности и длины сверхпроводящих кабельных линий при сегодняшнем уровне развития сверхпроводящих материалов и криогенной техники.
