Сверхпроводящие кабели — миллиарды экономии на развитие энергетических сетей

Page 1
background image

Page 2
background image

«КАБЕЛЬ-news», № 10, 2010

26

П

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
background image

«КАБЕЛЬ-news», № 10, 2010

27

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
background image

«КАБЕЛЬ-news», № 10, 2010

28

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
background image

«КАБЕЛЬ-news», № 10, 2010

29

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.

Бесплатную копию Белой кни-

ги корпорации AMSC, посвящен-
ной сверхпроводящим кабель-
ным магистральным линиям, 
можно заказать, посетив сайт: 
www.amsc.com/powerpipes. 

Перевод — Святослав Юрьев


Читать онлайн

За рубежом уже реализованы полномасштабные проекты с использованием сверхпроводящих кабельных линий.

Поделиться:

«ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение»