Обзор состояния работ по созданию сверхпроводящих кабельных линий в России и в мире

Page 1
background image

Page 2
background image

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

 


Page 3
background image

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


Page 4
background image

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


Page 5
background image

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

 


Page 6
background image

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


Page 7
background image

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


Page 8
background image

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


Page 9
background image

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


Page 10
background image

94

СБОРНИК

 

НАУЧНО

-

ТЕХНИЧЕСКИХ

 

СТАТЕЙ

Российский

 

проект

 

ВТСП

 

КЛ

 

для