Сверхпроводящие кабели — миллиарды экономии на развитие энергетических сетей | Статьи журнала «ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение»

Page 1

Page 2

«КАБЕЛЬ-news», № 10, 2010

олномасштабные проекты,
в которых использовались
силовые кабели с элемен-

тами, обладающими сверхпро-
водимостью при высоких тем-
пературах (HTS), реализованы
в разных странах. В результате
была продемонстрирована прак-
тическая эффективность таких
кабелей и ряд эксплуатационных
преимуществ. К основным факто-
рам, определяющим потребность
в HTS-кабелях, относятся:
• ограниченность пространства

в городах и проблемы органи-
зации стандартных систем пе-
редачи и распределения (ПиР)
электроэнергии в полосе зем-
леотвода;

• возможность организовать пе-

редачу электроэнергии боль-
шой мощности в населенные
центры от возобновляемых ис-
точников;

• необходимость в двусторон-

них подземных трактах пере-
дачи с высокой пропускной
способностью;

• экономия средств, обуслов-

ленная уменьшенными потеря-
ми электроэнергии.
Быстрорастущие рынки ПиР

характеризуются спросом на

кабели, обладающие способно-
стью ограничения токов при ава-
риях.

СВЕРХПРОВОДЯЩИЕ

КАБЕЛИ — ОСНОВНЫЕ

СВЕДЕНИЯ

Сверхпроводящие кабели

с низким импедансом и боль-
шой токовой пропускной спо-
собностью в настоящее время
установлены в энергетических
сетях как для передачи, так и
для распределения напряжения
для того, чтобы удовлетворить
растущий спрос на мощности и
повысить эффективность элек-
трических сетей. Использование
в подземных силовых кабелях
провод-ников с высокотемпе-
ратурной сверхпроводимостью,
которые обладают способно-
стью пропускать ток в 150 раз
больший по сравнению с медны-
ми проводниками того же диа-
метра, позволяет обеспечивать
пропускную способность тракта
передачи в 10 раз большую по
сравнению с обычными кабеля-
ми. Упрощенные требования к
месту для прокладки сверхпро-
водящего кабеля обеспечивают
следующие преимущества.

Сверхпроводящие кабели

должны охлаждаться.

Система

охлаждения имеет автономную
тепловую среду, что исключает
возникновение проблем при из-
менении рабочей температуры
стандартных кабелей и ухудше-
нии характеристик кабелей любой
другой конструкции. Поэтому ис-
ключаются проблемы, связанные
с теплопроводностью почвы, воз-
никновением разности темпера-
тур в ней, нагревом кабелей и т.п.

Исключение магнитных на-

водок.

Любой кабель со сверх-

проводящим экранирующим сло-
ем не излучает магнитное поле
и не восприимчив к воздействию
внешних магнитных полей. Как
следствие, такие кабели могут
без проблем прокладываться в
существующих кабелепроводах
или в узких траншеях, что облег-
чает их монтаж, особенно в плот-
но населенных городских зонах.
Это упрощает решение вопросов
выбора трассы для прокладки ка-
беля и требования к землеотводу.
Низковольтные сверхпроводящие
кабели являются востребованной
альтернативой высоковольтным
кабелям или даже воздушным ли-
ниям передачи.

Тема номера

ÑÂÅÐÕÏÐÎÂÎÄßÙÈÅ ÊÀÁÅËÈ

Ñâåðõïðîâîäÿùèå
êàáåëè - ìèëëèàðäû
ýêîíîìèè íà ðàçâèòèå
ýíåðãåòè÷åñêèõ ñåòåé

Джек Мак-Колл, директор отделения развития HTS T&D Systems

AMSC Power Systems, American Semiconductor Corporation (AMSC)

15775 W. Schaefer Court

New Berlin, W1 53151 USA

Page 3

«КАБЕЛЬ-news», № 10, 2010

Тема номера

ÑÂÅÐÕÏÐÎÂÎÄßÙÈÅ ÊÀÁÅËÈ

К дополнительным преимуще-

ствам сверхпроводящих кабелей
относятся малые потери, обуслов-
ленные низким импедансом мате-
риалов, обладающих высокотем-
пературной сверхпроводимостью.
Кроме того, такие кабели позво-
ляют ограничивать токи в ава-
рийных режимах эксплуатации.
Технология Secure Super Grids™
(Безопасные cуперcети — SSG)
компании AMSC дает возмож-
ность использовать сверхпрово-
дящие кабели с предварительно
согласованными характеристика-
ми и одновременно обладающи-
ми способностью ограничивать
аварийные токи.

Заменяя

медные

кабели

сверхпроводящими в городских
условиях, используя существую-
щие тоннели и кабелепроводы,
энергетические компании могут
избежать необходимости прово-
дить земляные работы на улицах,
при этом кабели не повреждают-
ся, а надежность и безопасность
работы силовых сетей возрас-
тают. Сверхпроводящие кабели
также могут быть использованы
в силовых сетях для того, что-
бы разгрузить обычные кабели
или воздушные линии электро-
передачи и снизить перегрузки

в городских центрах. Они могут
автоматически подавлять броски
напряжения, что дает возмож-
ность создавать гибкие «само-
восстанавливающиеся» сети, ко-
торые выдерживают различные
вредные воздействия и природ-
ные катастрофы. Это уникальное
сочетание положительных осо-
бенностей делает сверхпрово-
дящие кабели идеальным сред-
ством модернизации городских
силовых сетей.

СВЕРХПРОВОДЯЩИЕ

ПРОВОДА И КОНСТРУКЦИЯ

КАБЕЛЕЙ

В течение последних 20 лет

провода, обладающие высоко-
температурной сверхпроводи-
мостью, постоянно совершен-
ствуются. Сверхпроводники ти-
па 344 компании AMSC пред-
ставляют собой слой сверхпро-
водящего материала шириной
4,4 мм с нанесенным тонким
слоем меди или нержавеющей
стали. Такая многослойная кон-
струкция не только обеспечива-
ет гибкость провода, но и может
быть использована для ограни-
чения аварийных токов, проте-
кающих по кабелю. Это проис-
ходит при превышении уровня

тока, являющегося критическим
для сверхпроводящего материа-
ла. Сверхпроводник теряет свои
проводящие свойства, и ток ав-
томатически начинает протекать
по слоям ламинирующего мате-
риала с относительно высоким
сопротивлением.

Провод, обладающий сверх-

проводимостью при высоких тем-
пературах, дает возможность осу-
ществлять передачу мощности в
150 раз большую по сравнению с
медным проводом того же разме-
ра (рис. 1).

Изготовление сверхпроводя-

щих кабелей включает спираль-
ную намотку сверхпроводящего
провода на многожильный скру-
ченный медный провод или на
металлический несущий элемент
хорошо известной PPLP конструк-
ции, обладающий высоким со-
противлением. Выбор сплошного
или полого несущего элемента
частично определяется назначе-
нием кабеля. Конструкция высо-
котемпературных кабелей позво-
ляет использовать в них жидкий
азот в качестве диэлектрика и
охлаждающего вещества.

СВЕРХПРОВОДЯЩИЕ

КАБЕЛИ И

ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ СЕТИ

В то время как обсуждение

интеллектуальных сетей сосре-
доточено на технологиях теле-
коммуникаций и измерений, в
действительности определение
понятия «интеллектуальные
сети» намного шире и включает
инфраструктуру сети — «муску-
лы», которые необходимы для
поддержки «мозга» интеллекту-
альной сети.

Американское министерство

энергетики определило семь
ключевых характеристик и пять
основных технологий, связанных
с развитием интеллектуальных
сетей. К одной из этих технологий
относятся «высококачественные
компоненты». В эту категорию
включены сверхпроводящие си-
ловые кабели за счет их способ-

Рис. 1

Page 4

«КАБЕЛЬ-news», № 10, 2010

Тема номера

ÑÂÅÐÕÏÐÎÂÎÄßÙÈÅ ÊÀÁÅËÈ

ности как повышать эффектив-
ность передачи электроэнергии,
так и увеличивать пропускную
способность линий передачи под
городскими улицами для обеспе-
чения возможности подзарядки
широко внедряемых гибридных
автомобилей. Кроме того, сверх-
проводящие кабели могут авто-
матически подавлять возникаю-
щие перегрузки, обеспечивая
сетям гибкость, необходимую для
повышения степени их защищен-
ности от вредных воздействий и
катастроф.

Сверхпроводящие кабели

дают возможность энергетиче-
ским компаниям более гибко ре-
шать задачи по расширению се-
тей будущего.

Параллельная работа го-

родских подстанций.

Во мно-

гих городских центрах имеются
подземные вторичные системы
электроснабжения. Они содер-
жат подключенные к линиям пе-
редачи подстанции, которые обе-
спечивают подачу напряжения
среднего уровня во вторичные
сети. На практике существуют
ограничения величины нагруз-
ки, подключаемой к каждой та-
кой сети. Из-за этого на каждой
подстанции может быть установ-
лено ограниченное количество
понижающих трансформаторов.
Сети работают, как независимые
острова, вследствие чего взаи-
мосвязь между ними может при-
водить к необходимости переда-
вать мощности, превышающие
возможности обычных кабелей,
и к формированию непредска-
зуемых по величине аварийных
токов. Сверхпроводящие кабе-
ли, обладающие огромной токо-
вой пропускной способностью,
позволяют передавать по ним
необходимые мощности. В этих
системах может использовать-
ся способность сверхпроводя-
щих кабелей ограничивать ток и
предотвращать короткое замы-
кание, которое может возникнуть
при совместной работе подстан-
ций.

С точки зрения развития элек-

троэнергетических систем со-
вместная работа этих подстанций
обеспечивает огромные преиму-
щества. При обеспечении пере-
ходов на средних напряжениях
между подстанциями, которые
могли бы быть независимыми, по-
является возможность использо-
вать трансформаторы на каждой
станции в качестве резервных
для других станций. Еще одним
достоинством является то, что
нет надобности иметь место для
резервного трансформатора, и
это значительно повышает сте-
пень использования оборудова-
ния и исключает необходимость
занимать дорогостоящее город-
ское пространство под дополни-
тельные подстанции. И наконец,
используя альтернативную форму
резервирования, можно обеспе-
чить получение экономических
выгод за счет применения элемен-
тов распределительной энергети-
ческой системы, которые менее
чувствительны к последствиям
аварий в сети. Такая схема раз-
работана и реализована в Нью-
Йорке как часть проекта Hydra
Министерства национальной без-
опасности. Этот проект связан с
внедрением технологии компании
AMSC в манхэттенскую сеть ком-
пании Consolidated Edison.

Удаленные подстанции.

Эта

область применений связана с
разделением оборудования под-
станций на высоковольтное и ра-
ботающее на средних напряже-
ниях, когда площадь земельного
участка под подстанцией ограни-
чена, как это часто бывает в горо-
дах. Высоковольтная секция обо-
рудования — это высоковольтные
трансформаторы, занимающие
большие площади, и автоматиче-
ские выключатели и переключа-
тели. Компактное оборудование,
работающее на средних напря-
жениях, может устанавливаться
в тех точках сети, где необходи-
мо осуществлять распределение
электроэнергии. Сверхпроводя-
щий кабель со своим низким им-

педансом и большой пропускной
способностью может использо-
ваться как магистральная шина,
соединяющая оборудование вы-
сокого и среднего напряжения,
если эти секции подстанции тер-
риториально разнесены.

Модернизация городских се-

тей.

Это прямая замена рабо-

тающих в сети силовых кабелей
сверхпроводящими с большой
пропускной способностью. Ко-
рейская энергетическая корпора-
ция (KEPCO) объявила о своем
намерении заменить кабели, ра-
ботающие в силовой сети Сеула
на напряжениях 22,9 кВ и 154 кВ,
сверхпроводящими. По оценкам
корпорации, это приведет к сни-
жению стоимости строительных
работ на 80% по сравнению с
другими решениями, а также по-
зволит решить множество дру-
гих проблем, включая негатив-
ное отношение общественности
к строительству новых силовых
подстанций в городских районах.
Ожидается, что первый сверхпро-
водящий кабель на напряжение
22,9 кВ будет установлен корпо-
рацией KEPCO в сети в 2010 году.

В сети Power Authotity на Long

Island (Лонг-Айленд) в эксплуата-
ции с апреля 2008 года находится
сверхпроводящий силовой кабель
на напряжение 138 кВ переменно-
го тока. Это первая в мире сило-
вая кабельная система передачи.
Она включает три параллельно
проложенных под землей кабеля
и дает возможность передавать
мощность 574 МВт (рис. 2). Три
кабеля, показанные на фотогра-
фии уходящими под землю, могут
транспортировать такую же мощ-
ность, как все воздушные линии
передачи, которые видны в левой
части фотографии.

СВЕРХПРОВОДЯЩИЕ

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ

МАГИСТРАЛИ, РАБОТАЮЩИЕ

НА ПОСТОЯННОМ ТОКЕ

Наиболее впечатляющей

перспективой использования
сверхпроводящих кабелей по-

Page 5

«КАБЕЛЬ-news», № 10, 2010

Рис. 2

Тема номера

ÑÂÅÐÕÏÐÎÂÎÄßÙÈÅ ÊÀÁÅËÈ

стоянного тока является пере-
дача очень больших объемов
мощности (5 ГВт или больше) на
большие расстояния. В сверх-
проводящих магистральных ли-
ниях с терминалами, при строи-
тельстве которых используются
обычные технологии подземной
прокладки электрических кабе-
лей в трубах, удачно сочетаются
два важных для электропередачи
обстоятельства: сверхпроводя-
щие кабели и многотерминаль-
ная передача электроэнергии на
постоянном токе (используются
преобразователи напряжения).
В итоге линия электропередачи,
имеющая большую пропускную
способность, проложена под зем-
лей. Доступ к ней осуществляет-
ся без проблем, она отличается
высокой эффективностью, легко
контролируется и обладает боль-
шей надежностью по сравнению
с другими технологиями.

Материалы, имеющие сверх-

проводимость при высоких тем-
пературах, показывают нулевое
сопротивление по электриче-
скому току. Это означает, что
сверхпроводящие кабели посто-
янного тока, без преувеличения,

являются идеальными провод-
никами, в которых отсутствуют
собственные потери. Обладая
наивысшими пропускной спо-
собностью и эффективностью
(самые маленькие потери мощ-
ности) по сравнению с другими
технологиями, сверхпроводящие
магистральные линии переда-
чи обеспечивают возможность
подключения к множеству рас-
пределенных источников элек-
троэнергии и передачи ее раз-
личным потребителям. Согласно
вышеизложенному сверхпрово-
дящие кабельные линии переда-
чи электроэнергии, проложенные
в подземных кабелепроводах,
являются идеальным средством
удовлетворения всех требова-
ний к передаче электроэнергии
от возобновляемых источников в
дистанционно удаленные пункты.
Как сообщалось недавно, в про-
екте Tres Amigas в Нью-Мехико
будет использована подземная
сверхпроводящая кабельная ма-
гистраль постоянного тока для
передачи более 5000 МВт трем
высоковольтным терминалам,
работающим на постоянном
токе.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По мере того, как энергети-

ческие компании все в большей
степени узнают о сверхпроводя-
щих кабелях, работающих на по-
стоянном и переменном токе, и
об их уникальных возможностях,
количество установленных линий
будет расти. Интерес к сверх-
проводящим кабелям в мире,
включая такие страны, как США,
Корея, Япония, Китай, Германия
и Россия, проявляемый энерге-
тическими компаниями и ком-
мерческими операторами линий
передачи электроэнергии, под-
тверждает такие прогнозы.

American Superconductor

Corporation и другие представи-
тели промышленности накопи-
ли большой объем технической
и экономической информации,
подтверждающей, что сверхпро-
водящие магистральные линии
электропередачи постоянного
и переменного тока идеаль-
но подходят для модернизации
наиболее ответственных сег-
ментов силовых сетей во всем
мире. Это, несомненно, будет
побуждать производителей ка-
бельной продукции расширять
свою номенклатуру, предлагая
на электротехническом рын-
ке сверхпроводящие кабели.
В новом десятилетии влияние
сверхпроводящих кабелей на
электроэнергетический бизнес
достигнет, по всей вероятности,
очень больших масштабов, и,
может быть, эффект от их вне-
дрения будет соизмерим с тем,
чему мы были свидетелями при
использовании современных си-
стем передачи данных и связи в
последнюю половину прошлого
столетия.