92
На
основе
экспериментальных
и
теоретических
результатов
,
полученных
многими
на
-
учными
группами
,
показана
возможность
строительства
энергомостов
с
использованием
сверхпроводниковых
технологий
.
Будут
представлены
также
оценки
мощности
передачи
,
общей
длины
линии
и
максимального
расстояния
между
криогенными
станциями
,
потерь
энергии
и
требуемой
мощности
криогенной
установки
.
В
результате
будет
показано
,
что
при
современном
уровне
развития
сверхпроводниковой
и
криогенной
техники
реальным
является
создание
сверхпроводящих
линий
передачи
мощностью
порядка
10
ГВт
прак
-
тически
любой
длины
.
При
этом
криогенные
станции
должны
размещаться
вдоль
линии
с
максимальным
шагом
45–75
км
.
Обсуждается
возможность
увеличения
расстояния
между
криогенными
станциями
за
счет
усовершенствования
термической
изоляции
криостатов
.
Сверхпроводящие кабели
постоянного тока и перспективы
создания на их основе протяженных
линий электропередачи
УДК
621.3.05
КАБЕЛЬНЫЕ
ЛИНИИ
Сытников
В
.
Е
.,
д
.
т
.
н
.,
заместитель
научного
руководителя
АО
«
НТЦ
ФСК
ЕЭС
»
Дементьев
Ю
.
А
.,
председатель
научно
-
технического
совета
,
советник
генерального
директора
АО
«
НТЦ
ФСК
ЕЭС
»
ВВЕДЕНИЕ
Сравнительно
недавно
науч
-
ная
общественность
отмечала
100-
летнюю
годовщину
откры
-
тия
явления
сверхпроводимости
и
30-
летнюю
годовщину
открытия
высокотемпературной
сверхпро
-
водимости
(
ВТСП
),
которая
явила
миру
возможность
перехода
от
до
-
рогостоящего
охлаждения
низко
-
температурных
сверхпроводников
жидким
гелием
к
принципиально
новому
—
азотному
уровню
тем
-
ператур
[1].
В
начале
2000-
х
годов
в
научных
статьях
стали
появлять
-
ся
данные
об
успешных
испыта
-
ниях
прототипов
и
эксперимен
-
тальных
отрезков
ВТСП
кабелей
.
В
настоящее
время
в
мире
на
-
считывается
несколько
десятков
экспериментальных
кабельных
линий
,
созданных
с
целью
изуче
-
ния
возможности
передачи
элек
-
троэнергии
с
использованием
эф
-
фекта
сверхпроводимости
,
но
их
длины
пока
не
превышают
одного
километра
.
Накопленный
опыт
по
-
зволяет
строить
системы
пере
-
дачи
энергии
длиной
в
несколько
километров
для
использования
их
в
реальных
электросетях
.
Уже
объявлено
о
разработке
проектов
ВТСП
кабельных
линий
длиной
от
одного
до
десяти
километров
(
Россия
,
Япония
,
Республика
Ко
-
рея
,
Европа
и
США
) [2].
Интерес
к
этому
направлению
определяет
-
ся
фактом
размещения
мощных
источников
электроэнергии
(
АЭС
,
ГЭС
,
гелио
-
и
ветропарки
)
на
больших
расстояниях
от
крупных
городов
и
потребителей
электро
-
энергии
,
что
приводит
к
необходи
-
мости
транспортировать
большие
потоки
энергии
на
значительные
расстояния
.
При
этом
традици
-
онная
схема
выдачи
мощности
предполагает
использование
вы
-
соковольтных
воздушных
линий
электропередачи
(220–750
кВ
),
что
обусловлено
стремлением
минимизировать
потери
энергии
при
ее
транспортировке
.
Это
при
-
водит
к
необходимости
создания
высоковольтных
повышающих
и
,
затем
,
понижающих
подстан
-
ций
,
к
заметным
потерям
энергии
(6–10%)
при
ее
транспортировке
,
а
также
к
отчуждению
значитель
-
ных
площадей
земли
.
Использова
-
ние
сверхпроводящих
кабельных
линий
позволит
заметно
снизить
класс
напряжения
и
увеличить
единичную
мощность
передачи
за
счет
увеличения
рабочих
то
-
ков
.
Это
открывает
возможность
создания
передачи
при
понижен
-
ном
напряжении
,
что
существен
-
но
сказывается
на
стоимости
всей
инфраструктуры
кабельной
Ключевые
слова
:
высокотемпературная
сверх
-
проводимость
,
сверхпроводниковая
и
криогенная
техника
,
криогенное
оборудование
,
протяженные
кабельные
линии
электропередачи
Keywords:
high-temperature superconductivity,
superconducting and cryogenic
technology, cryogenic equipment,
long-distance cable lines
93
линии
.
Кроме
того
,
в
сверхпрово
-
дящей
линии
отсутствует
падение
напряжения
по
длине
линии
,
что
существенно
для
протяженных
линий
.
При
этом
при
разработке
длинных
линий
рассматриваются
сверхпроводящие
кабельные
ли
-
нии
постоянного
тока
.
СВЕРХПРОВОДЯЩИЕ
КАБЕЛЬНЫЕ
ЛИНИИ
В
ЭНЕРГОСИСТЕМЕ
Высокотемпературные
сверхпро
-
водящие
кабельные
линии
(
ВТСП
КЛ
)
являются
инновационной
раз
-
работкой
,
позволяющей
решить
значительную
часть
проблемы
энергоснабжения
потребителей
.
В
электрических
сетях
возможно
создание
схемы
с
применением
ВТСП
КЛ
как
переменного
,
так
и
постоянного
тока
.
Обе
системы
имеют
свои
предпочтительные
об
-
ласти
применения
и
,
в
конечном
итоге
,
выбор
определяется
как
техническими
,
так
и
экономиче
-
скими
соображениями
.
ВТСП
КЛ
переменного
тока
це
-
лесообразны
в
тех
случаях
,
когда
необходима
передача
больших
потоков
электроэнергии
на
рас
-
пределительном
напряжении
,
а
также
при
замене
воздушных
линий
на
кабельные
без
измене
-
ния
класса
напряжения
.
Возмож
-
на
также
передача
энергии
непо
-
средственно
с
шин
генератора
на
подстанцию
или
в
распредели
-
тельную
сеть
.
ВТСП
КЛ
постоянного
тока
,
выполняя
те
же
функции
,
что
и
ВТСП
КЛ
переменного
тока
,
способны
также
осуществлять
функцию
ограничения
токов
КЗ
и
управление
потоками
мощно
-
сти
.
Поэтому
в
тех
случаях
,
ког
-
да
помимо
передачи
больших
потоков
мощности
на
среднем
напряжении
требуется
еще
обе
-
спечить
и
функцию
ограничения
токов
КЗ
и
управления
потоками
мощности
,
что
характерно
для
мегаполисов
,
ВТСП
КЛ
посто
-
янного
тока
наиболее
предпо
-
чтительны
.
Кроме
того
,
дальние
кабельные
передачи
возможны
только
при
использовании
линий
постоянного
тока
,
так
как
любые
,
в
том
числе
и
сверхпроводящие
,
кабельные
линии
переменного
тока
имеют
ограничение
по
дли
-
не
вследствие
возникновения
за
-
рядных
токов
,
которые
приводят
к
снижению
мощности
на
даль
-
нем
конце
линии
.
I
З
=
U
C
0
L
, (1)
где
U
—
фазное
напряжение
,
—
круговая
частота
,
C
0
—
емкость
на
единицу
длины
,
L
—
длина
линии
.
В
результате
этого
длина
ка
-
бельных
линий
переменного
тока
не
превышает
нескольких
десят
-
ков
километров
.
В
настоящее
время
кабельные
линии
переменного
тока
широ
-
ко
применяются
для
построения
городских
электрических
сетей
,
при
этом
в
связи
с
повсеместным
переходом
с
бумажно
-
масляной
на
изоляцию
из
сшитого
поли
-
этилена
с
более
высокими
зна
-
чениями
C
0
,
обост
ряется
пробле
-
ма
компенсации
генерируемой
КЛ
,
опасной
для
генераторов
городских
ТЭЦ
,
реактивной
мощ
-
ности
.
В
более
отдаленной
пер
-
спективе
такие
линии
в
варианте
ВТСП
,
что
обес
печивает
пере
-
дачу
необходимой
мощности
на
более
низком
напряжении
,
а
зна
-
чит
с
меньшим
C
0
,
следователь
-
но
и
с
меньшей
генерацией
Q
,
представляют
интерес
,
как
для
применения
в
энергосистемах
мегаполисов
,
так
и
при
создании
непротяженных
межсистемных
связей
,
передачи
энергии
через
водные
преграды
и
пр
.
Успеш
-
ные
испытания
и
последующее
производство
таких
систем
по
-
зволит
решить
ряд
специфиче
-
ских
задач
по
транспортировке
энергии
.
В
настоящее
время
техноло
-
гии
достигли
уровня
,
позволяю
-
щего
строить
системы
передачи
энергии
длиной
в
несколько
ки
-
лометров
для
использования
их
в
реальных
электросетях
.
Общая
электрическая
и
криогенная
схе
-
ма
ВТСП
линии
постоянного
тока
представлены
на
рисунке
1.
ОПЫТ
СОЗДАНИЯ
ВТСП
КЛ
ПОСТОЯННОГО
ТОКА
Принимая
во
внимание
очевид
-
ные
преимущества
ВТСП
КЛ
по
-
стоянного
тока
во
многих
странах
(
Россия
,
Южная
Корея
,
Китай
,
Япония
,
Европа
)
проводятся
ра
-
боты
по
созданию
и
опытной
эксплуатации
таких
линий
для
различных
целей
.
Описать
все
проекты
в
одной
статье
невоз
-
можно
,
поэтому
ниже
приведено
краткое
описание
некоторых
про
-
ектов
,
которые
,
по
мнению
авто
-
ра
,
отражают
основные
достиже
-
ния
и
демонстрируют
широкий
диапазон
возможностей
в
данной
области
.
Рис
. 1.
Электрическая
схема
ВТСП
линии
постоянного
тока
(
а
)
и
возможные
схемы
организации
охлаждения
с
размеще
-
нием
криогенной
станции
с
одного
конца
линии
(
б
)
и
с
размещением
криогенных
станций
вдоль
кабельной
трассы
(
в
)
б
)
а
)
в
)
ВТСП
кабель
ВТСП
кабель
Токовые
вводы
Криогенная
станция
Обратный
трубопровод
Токовые
вводы
№
1 (46) 2018
94
Рис
. 4.
Испытания
кабеля
500
м
(
а
)
и
конструкция
ВТСП
кабеля
в
криостате
(
б
)
проекта
Ishikari-1
КАБЕЛЬНЫЕ
ЛИНИИ
Проект
IEE CAS
ВТСП
КЛ
,
Китай
ВТСП
КЛ
соединяет
подстан
-
цию
,
оборудованную
выпрямите
-
лем
с
предприятием
по
производ
-
ству
алюминия
.
Данный
проект
демонстрирует
рекордные
харак
-
теристики
по
токонесущей
спо
-
собности
.
Характеристики
кабеля
[3]:
–
конструкция
—
два
парал
-
лельных
униполярных
кабеля
с
несверхпроводящим
экраном
и
теплой
изоляцией
;
–
класс
напряжения
— 1,3
кВ
;
–
рабочий
ток
— 10
кА
;
–
длина
— 362,4
м
;
–
внешний
диаметр
— 151
мм
;
–
наличие
опыта
эксплуатации
.
Дата
включения
в
сеть
—
нача
-
ло
2011
года
,
работает
по
настоя
-
щее
время
.
Общие
теплопритоки
при
77
К
— 4,0
кВт
.
Криогенная
си
-
стема
замкнутого
типа
Stirling.
Проект
Joju,
Республика
Корея
Монополярная
кабельная
ли
-
ния
постоянного
тока
80
кВ
,
60
МВт
длиной
500
м
передает
электроэнергию
от
ветропарка
в
энергосистему
острова
Чеджу
.
Проект
—
рекордный
по
классу
на
-
пряжения
для
ВТСП
КЛ
постоянно
-
го
тока
[4].
Характеристики
кабеля
:
–
кабели
(
рисунок
2)
размещены
в
гофрированных
криостатах
из
алюминиевого
сплава
;
–
класс
напряжения
— 80
кВ
;
–
рабочий
ток
— 750
А
;
–
длина
— 500
м
;
–
внешний
диаметр
—149
мм
;
–
изоляция
на
80–200
кВ
DC.
При
создании
преобразова
-
тельных
подстанций
используются
сглаживающие
реакторы
с
ВТСП
обмотками
.
На
более
далекую
перспективу
разрабатываются
планы
по
соз
-
данию
кабелей
постоянного
тока
на
30
кВ
, 250
кВ
на
передаваемую
мощность
до
5
ГВт
.
Проекты
Университета
Chubu,
Япония
В
университете
Chubu
были
созданы
и
исследованы
два
от
-
резка
ВТСП
кабеля
постоянного
тока
длиной
20
м
и
200
м
.
Характеристики
кабеля
:
–
конструкция
—
биполярный
ко
-
аксиальный
кабель
(
рисунок
3);
–
класс
напряжения
— +/–10
кВ
;
–
рабочий
ток
— 2,0
кА
;
–
передаваемая
мощность
—
40
МВт
;
–
длина
— 200
м
.
Криостат
жесткий
,
внутрен
-
ний
—
нержавеющая
сталь
с
силь
-
фонами
,
внешний
—
черная
сталь
,
внешним
диаметром
204
мм
.
Ра
-
бочая
температура
— 72–82
К
.
Проект
Ishikari
на
острове
Хокайдо
,
Япония
Внешний
теплоприток
1,0–
2,0
Вт
/
м
,
для
уменьшения
тепло
-
притоков
через
токовводы
исполь
-
зовали
холодильники
на
основе
эффекта
Пелтье
.
После
успешных
испытаний
200-
метровой
линии
в
2014
году
был
начат
проект
Ishikari
на
остро
-
ве
Хокайдо
.
Первая
фаза
проекта
—
про
-
кладка
кабеля
длиной
500
м
:
–
рабочее
напряжение
— 10
кВ
;
–
расчетный
ток
— 5000
А
.
Испытания
линии
(
рисунок
4)
проведены
в
мае
-
июне
2015
го
-
да
.
Линия
введена
в
эксплуата
-
Рис
. 2.
Конструкция
кабеля
ВТСП
линий
постоянного
тока
в
энерго
-
системе
острова
Чеджу
Формер
ВТСП
проводник
Изоляция
Обмотка
1-
я
оболочка
Тепловая
изоляция
Проставка
2-
я
оболочка
Наружный
покров
Рис
. 3.
Конструкция
кабеля
проекта
Университета
Chubu
Прямой
проводник
Обратный
проводник
б
)
а
)
95
цию
.
ВТСП
передача
соединя
-
ет
распределительные
устрой
-
ства
солнечной
электростанции
и
хранилища
данных
интернет
-
компании
.
При
снижении
затрат
компании
на
питание
на
10%
за
счет
ВТСП
кабеля
постоянного
тока
ее
при
-
быль
возрастает
вдвое
.
Вторая
фаза
проекта
—
про
-
кладка
кабеля
длиной
1000
м
:
–
класс
напряжения
— +/–10
кВ
;
–
расчетный
ток
— 2,5
кА
.
Кабель
был
смонтирован
в
U-
образную
линию
(
рисунок
5)
в
июне
2016
года
.
Прямой
и
обрат
-
ный
поток
жидкого
азота
органи
-
зованы
внутри
общего
криостата
,
как
это
показано
на
рисунке
4
б
.
Основная
цель
второй
фазы
про
-
екта
—
проведение
исследований
и
получение
базовых
знаний
для
разработки
более
длинных
ли
-
ний
.
К
концу
2016
года
проведены
успешные
испытания
криогенной
системы
1000-
метровой
линии
.
Исследованы
три
варианта
кон
-
струкции
криостатов
и
показано
,
что
внешний
теплоприток
в
«
хо
-
лодную
зону
»
может
быть
снижен
до
величины
,
не
превышающей
1
Вт
/
м
[5].
Это
крайне
важно
при
проектировании
линий
большой
протяженности
.
В
перспективе
рассматривает
-
ся
еще
одна
линия
на
Хоккайдо
длиной
10
км
.
Охлаждение
LN2
с
возможным
переходом
на
переохлажденный
LNG.
Санкт
-
Петербургский
проект
,
Россия
Первый
Российский
про
-
ект
ВТСП
КЛ
постоянного
тока
,
предназначенный
для
уста
-
новки
в
энергосистему
Санкт
-
Петербурга
для
соединения
подстанций
ПС
330
кВ
«
Цен
-
тральная
»
и
ПС
220
кВ
«
РП
-9».
Длина
кабеля
— 2,5
км
,
а
пет
-
ля
прокачки
жидким
азотом
—
5
км
.
Эти
параметры
являются
рекордными
среди
существую
-
щих
ВТСП
кабельных
проектов
в
мире
[6].
Характеристики
кабеля
:
–
конструкция
—
монополярная
передача
постоянного
тока
с
обратным
проводником
в
кон
-
струкции
одного
кабеля
;
Рис
. 5.
Внешний
вид
1000-
метровой
экспериментальной
кабельной
линии
проекта
Ishikari-2
–
класс
напряжения
— 20
кВ
;
–
рабочий
ток
— 2500
А
;
–
передаваемая
мощность
—
50
МВт
;
–
длина
— 2500
м
с
пятью
соеди
-
нительными
муфтами
;
–
внешний
диаметр
криостата
—
110
мм
;
–
криогенная
система
замкнуто
-
го
типа
производительностью
12
кВт
при
67
К
производства
НПО
«
Гелиймаш
».
Успешно
испытаны
два
30-
мет
-
ровых
отрезка
в
сборе
с
соеди
-
нительной
муфтой
и
токовыми
вводами
.
После
этого
было
запу
-
щено
производство
2,5
км
кабе
-
ля
.
Испытаны
две
строительных
длины
(
по
430
метров
)
с
соедини
-
Рис
. 6.
Два
отрезка
сверхпроводящего
кабеля
постоянного
тока
по
430
м
каждый
во
время
испытаний
на
полигоне
АО
«
НТЦ
ФСК
ЕЭС
»
тельной
муфтой
(
рисунок
6).
Все
проектные
характеристики
достиг
-
нуты
[7].
Изготовленный
комплекс
обо
-
рудования
включает
:
– 6
строительных
длин
кабеля
общей
длиной
2500
метров
;
–
комплект
соединительных
и
концевых
муфт
;
–
два
выпрямителя
/
инвертора
с
фильтрующими
R-C
устрой
-
ствами
и
системой
СУРЗА
;
–
замкнутая
криогенная
система
производительностью
12
кВт
холода
.
В
2017
году
проводились
ре
-
сурсные
испытания
кабельной
линии
длиной
более
2
км
в
сборе
со
штатной
криогенной
системой
№
1 (46) 2018
96
и
преобразовательной
подстанци
-
ей
.
Работы
проводились
на
пло
-
щадке
АО
«
НТЦ
ФСК
ЕЭС
»
в
Мо
-
скве
(
рисунок
7).
Европейский
проект
BEST PATHS [8]
В
рамках
проекта
предпола
-
гается
создание
ВТСП
кабеля
постоянного
тока
,
охлаждаемого
газообразным
гелием
или
водо
-
родом
до
температур
20–40
К
с
рабочим
током
порядка
10
кА
на
напряжение
до
400
кВ
.
Рассма
-
тривается
далекая
перспектива
передачи
электроэнергии
,
полу
-
ченной
от
возобновляемых
источ
-
ников
,
на
большие
расстояния
.
Работа
находится
на
начальной
стадии
предварительных
оценок
КАБЕЛЬНЫЕ
ЛИНИИ
Жидкий гелий
4,5 К
20 м
Газообразный
гелий
5–70 К
Постоянный ток 20 кА
L
= 20 м
внутр.
= 64 мм
внеш.
= 163 мм
и
разработки
элементов
линии
.
Для
испытаний
разрабатывае
-
мых
моделей
кабеля
в
ЦЕРНе
создан
испытательный
стенд
длиной
20
м
с
возможностью
из
-
менения
температуры
в
пределах
5–70
К
и
токами
до
20
кА
.
На
ри
-
сунке
8
показаны
эскиз
монопо
-
лярного
ВТСП
кабеля
на
основе
соединения
MgB
2
и
схема
испыта
-
тельного
стенда
.
Как
видно
из
вышеизложенно
-
го
,
в
мире
накоплен
значитель
-
ный
опыт
по
разработке
и
иссле
-
дованиям
ВТСП
КЛ
постоянного
тока
.
Массив
полученных
дан
-
ных
позволяет
провести
предва
-
рительную
оценку
возможности
создания
протяженных
ВТСП
передач
стратегического
назна
-
Рис
. 8.
Эскиз
ВТСП
кабеля
(
слева
)
и
схема
испытательного
стенда
(
справа
)
чения
.
Оценку
будем
проводить
по
следующим
параметрам
:
–
возможные
уровни
передавае
-
мой
мощности
;
–
величина
потерь
энергии
в
ли
-
нии
;
–
организация
системы
охлажде
-
ния
.
ВОЗМОЖНЫЕ
УРОВНИ
ПЕРЕДАВАЕМОЙ
МОЩНОСТИ
ПО
ВТСП
КАБЕЛЬНОЙ
ЛИНИИ
ПОСТОЯННОГО
ТОКА
Оценим
возможный
уровень
пе
-
редаваемой
мощности
при
раз
-
личных
напряжениях
,
исходя
из
достигнутых
характеристик
сверх
-
проводящих
материалов
.
При
величине
конструктивной
крити
-
ческой
плотности
тока
,
равной
200
А
/
мм
2
[9],
реальным
является
создание
кабелей
постоянного
тока
с
номинальным
током
10,0–
20,0
кА
.
Кабели
с
рабочим
током
в
10,0
кА
уже
созданы
[2].
Примем
для
нижеприведенных
оценок
,
сведенных
в
таблицу
1,
рабочий
ток
равным
15,0
кА
.
Для
увеличения
надежности
передачи
целесообразно
рассма
-
тривать
передачу
по
двум
парал
-
лельным
линиям
,
то
есть
в
двух
-
цепном
исполнении
.
Как
видно
из
таблицы
,
мощность
порядка
6000
МВт
может
быть
передана
в
сеть
уже
при
напряжении
100
кВ
при
биполярной
передаче
или
200
кВ
—
при
монополярной
пере
-
Рис
. 7.
Результаты
измерения
критического
тока
сверхпроводящего
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
Напр
яж
ение
,
мВ
T
на
входе
в
криостат
T
на
выходе
из
криостата
97
даче
.
При
этом
для
осуществле
-
ния
передачи
потребуется
только
2–4
кабеля
.
Высокая
плотность
тока
в
сверхпроводнике
и
высокие
электрические
характеристики
изоляции
в
жидком
азоте
позво
-
ляют
в
одном
кабеле
размещать
прямой
и
обратный
проводники
,
что
сводит
к
нулю
поля
рассеяния
кабельной
линии
.
ПОТЕРИ
ЭНЕРГИИ
В
СВЕРХПРОВОДЯЩЕЙ
ЛИНИИ
Потери
энергии
в
ВТСП
линии
по
-
стоянного
тока
складываются
из
:
1)
потерь
энергии
в
преобразо
-
вателях
около
2%
от
мощности
линии
;
2)
теплопритоков
через
токовво
-
ды
(
единицы
кВт
);
3)
потерь
,
связанных
с
теплопри
-
токами
в
холодную
зону
через
криостат
,
умноженных
на
коэф
-
фициент
рефрижерации
.
Две
первые
величины
не
зави
-
сят
от
длины
.
Для
длинных
линий
теплопритоками
через
токовво
-
ды
можно
пренебречь
.
Примем
в
расчете
не
зависящую
от
длины
составляющую
потерь
энергии
,
равной
2%
от
передаваемой
мощ
-
ности
.
Теплопритоки
через
оболочку
современных
криостатов
состав
-
ляют
1,0–1,5
Вт
/
м
[5].
Коэффици
-
ент
рефрижерации
12–18,
тогда
приведенные
потери
мощности
на
метр
длины
линии
составят
12–
27
Вт
/
м
.
Примем
среднюю
вели
-
чину
— 20
Вт
/
м
.
Ограничим
общие
потери
при
передаче
энергии
3%,
то
есть
потери
в
сверхпроводя
-
щей
линии
с
учетом
затрат
энер
-
гии
на
охлаждение
не
должны
превышать
1%.
Результаты
рас
-
чета
максимальной
длины
ВТСП
линии
,
общие
потери
в
которой
будут
не
более
3%
от
ее
номи
-
нальной
мощности
,
представлены
в
таблице
2.
Из
таблицы
2
следует
,
что
использование
ВТСП
линии
по
-
зволит
существенно
сократить
потери
энергии
при
ее
транспор
-
тировке
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
азо
-
том
не
должна
превышать
78–80
К
,
что
приводит
к
допу
-
стимому
перепаду
темпера
-
тур
по
длине
порядка
10
К
;
–
допустимый
перепад
давле
-
ний
по
длине
определяется
характеристиками
криостата
и
для
гибких
криостатов
на
основе
гофрированных
труб
составляет
10–15
атмосфер
.
Для
гладких
труб
допустимое
давление
может
достигать
несколько
десятков
атмос
-
фер
;
–
минимальное
давление
азота
и
максимальная
температу
-
ра
азота
в
зоне
приложения
высокого
напряжения
должны
обеспечивать
отсутствие
воз
-
можности
образования
газо
-
вых
пузырьков
,
существенно
снижающих
электрическую
прочность
,
что
соответствует
условиям
:
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
темпера
-
турой
замерзания
,
а
сверху
тем
-
пературой
кипения
,
и
составляет
всего
77,4 K – 63,2 K = 14,2 K
при
1
атм
(
рисунок
9).
Хотя
он
и
может
быть
расширен
путем
повышения
давления
в
системе
(
составляя
,
например
, 20,6 K
при
2
атм
),
но
при
этом
нижний
температурный
предел
(
температура
замерзания
)
остается
практически
неизмен
-
ным
.
Следовательно
,
расширение
диапазона
ведет
к
повышению
температуры
на
выходе
из
крио
-
стата
и
,
значит
,
к
снижению
кри
-
тического
тока
сверхпроводящего
материала
.
Чтобы
обеспечить
задан
-
ный
перепад
температур
T
,
по
длине
кабельной
линии
необхо
-
димо
прокачать
определенный
объем
хладоагента
для
отвода
поступившего
в
криостат
теп
-
ла
[10].
Если
пренебречь
сосре
-
доточенной
тепловой
нагрузкой
на
концах
линии
(
токовводы
),
то
массовый
расход
жидкого
азота
,
необходимого
для
удаления
вхо
-
дящего
тепла
и
тепла
,
генерируе
-
мого
трением
,
будет
L
(
q
+
q
f
)
m
∙
= —, (2)
C
p
T
где
m
∙
—
расход
жидкого
азота
,
кг
/
с
;
L
—
длина
криостата
,
м
;
q
—
удельная
тепловая
нагрузка
через
теплоизоляцию
,
Вт
/
м
;
q
f
—
удель
-
Табл
. 1.
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
Табл
. 2.
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
Рис
. 9.
Рабочий
диапазон
темпера
-
тур
жидкого
азота
в
зависимости
от
давления
(
красная
линия
—
тем
-
пература
кипения
,
синяя
линия
—
температура
замерзания
)
№
1 (46) 2018
98
Рис
. 11.
Разность
температур
(
сверху
)
и
падение
давления
(
снизу
)
в
гофрированных
и
гладких
криоста
-
тах
длиной
2,5
км
ное
тепловыделение
от
трения
,
Вт
/
м
;
C
p
—
удельная
теплоемкость
жидкого
азота
,
Дж
/
кг
·K.
Массовый
расход
связан
со
скоростью
потока
выражением
m
∙
=
A
, (3)
где
—
плотность
жидкого
азо
-
та
,
кг
/
м
3
;
—
скорость
потока
,
м
/
с
;
A
—
площадь
поперечного
сече
-
ния
канала
,
м
2
.
В
системах
передачи
постоян
-
ного
тока
тепловыделение
в
ВТСП
кабеле
отсутствует
.
Если
также
не
рассматривать
тепловыделение
,
обусловленное
трением
в
крио
-
генном
канале
,
которое
в
рабо
-
чих
режимах
обычно
значительно
меньше
,
чем
теплопритоки
через
оболочку
криостата
,
тогда
пере
-
пад
давления
может
быть
оценен
по
модифицированной
формуле
Дарси
-
Вейсбаха
:
L
3
q
p
=
f
—
(
—
)
2
, (4)
2
D
h
C
p
T A
где
p
—
падение
давления
,
Па
;
f
—
коэффициент
потерь
на
тре
-
ние
;
D
h
—
гидравлический
диа
-
метр
,
м
.
Типичные
значения
внешних
теплопритоков
для
современных
гофрированных
криостатов
со
-
ставляют
1,0–1,5
Вт
/
м
.
Исполь
-
зуя
приведенные
соотношения
,
оценим
характеристики
тепло
-
массообмена
для
ВТСП
кабеля
с
внешним
диаметром
39–40
мм
,
размещенном
в
криостатах
с
внутренним
диаметром
60, 66
и
84
мм
.
Результаты
расчетов
све
-
дены
в
таб
лицу
3.
Из
этой
табли
-
цы
следует
,
что
перепад
давлений
может
легко
регулироваться
за
счет
увеличения
диаметра
кри
-
остата
.
Однако
,
при
увеличении
диаметра
криостата
увеличивает
-
ся
внешний
теплоприток
в
холод
-
ную
зону
.
Другим
путем
снижения
пере
-
пада
давления
(
не
менее
чем
в
2
раза
)
является
использование
в
качестве
внутренней
трубы
кри
-
остата
гладких
труб
с
сильфонны
-
ми
развязками
,
как
показано
на
рисунке
10.
При
этом
также
могут
быть
снижены
и
внешние
теплопри
-
токи
,
однако
существенно
услож
-
няется
монтаж
в
связи
с
необ
-
ходимостью
выполнения
боль
-
шого
объема
сварочных
работ
по
трассе
прокладки
кабельной
линии
.
Основным
лимитирующим
фактором
для
увеличения
плеча
прокачки
является
перепад
тем
-
ператур
по
длине
кабеля
.
Одна
-
ко
,
как
видно
из
таблицы
3,
для
криостата
с
внутренним
диаме
-
тром
84
мм
плечо
прокачки
мо
-
жет
составлять
10
км
,
а
при
уве
-
личении
расхода
—
и
15–20
км
.
К
сожалению
,
расход
нельзя
увеличивать
неограниченно
,
так
как
при
больших
расходах
,
в
со
-
ответствии
с
формулой
(2),
по
-
является
дополнительное
тепло
-
выделение
за
счет
диссипации
энергии
в
результате
трения
хла
-
доагента
в
канале
охлаждения
(
рисунок
11).
Из
рисунка
11
видно
,
что
при
сравнительно
малом
внутреннем
диаметре
гофрированной
тру
-
бы
(30
мм
)
увеличение
расхода
жидкого
азота
свыше
25
лит
ров
в
минуту
приводит
к
росту
пере
-
пада
температур
по
длине
,
тогда
как
при
большем
диаметре
трубы
Табл
. 3.
Перепад
температур
и
давления
по
длине
ВТСП
линии
Внутренний
диаметр
криостата
,
мм
Длина
кабеля
,
км
Расход
жидкого
азота
,
л
/
мин
Перепад
температур
,
К
Перепад
давления
,
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
с
ростом
расхода
продолжается
снижение
температуры
на
даль
-
нем
конце
кабеля
.
Сравнение
гофрированной
и
гладкой
трубы
показывает
,
что
перепад
темпе
-
ратур
у
них
практически
одинаков
при
одинаковом
расходе
,
а
пере
-
пад
давлений
существенно
ниже
в
гладкой
трубе
.
Основным
путем
снижения
перепада
температур
является
снижение
теплопритоков
в
«
хо
-
лодную
»
зону
.
Это
может
осу
-
ществляться
как
за
счет
совер
-
шенствования
теплоизоляции
криостата
,
так
и
путем
пониже
-
ния
разницы
температур
между
внешней
и
внутренней
оболоч
-
ками
криостата
.
Рис
. 10.
Схема
размещения
кабеля
в
криостате
с
гофрированной
(
слева
)
и
гладкой
(
справа
)
внутренней
трубой
Гофрированный
криостат
(30/34
мм
)
Гофрированный
криостат
(60/66
мм
)
Гладкий
криостат
(48
мм
)
Расход
жидкого
азота
,
л
/
мин
12
9
6
3
0
60
50
40
30
20
10
Ра
зно
сть
те
мперат
ур
,
К
Расход
жидкого
азота
,
л
/
мин
12
9
6
3
0
60
50
40
30
20
10
Падение
дав
ления
,
атм
КАБЕЛЬНЫЕ
ЛИНИИ
99
Последнее
может
осуществ
-
ляться
наложением
дополни
-
тельной
внешней
тепловой
изо
-
ляции
на
криостат
или
охлаж
-
дением
внешней
оболочки
обрат
-
ным
потоком
азота
в
криостате
,
состоящем
из
трех
оболочек
.
На
рисунке
12
представлена
схема
криостата
,
состоящего
из
двух
и
из
трех
оболочек
.
При
такой
конструк
-
ции
обратный
поток
хладоагента
существенно
снижает
теплоприток
в
зону
размещения
сверхпрово
-
дящего
кабеля
,
тем
самым
карди
-
нально
уменьшает
перепад
темпе
-
ратур
по
длине
кабеля
.
На
рисунке
1
были
представ
-
лены
некоторые
возможные
схе
-
мы
организации
охлаждения
кри
-
огенных
кабельных
линий
.
На
рисунке
1
б
показана
простейшая
схема
организации
охлаждения
кабельной
передачи
с
размеще
-
нием
криогенной
системы
с
одной
стороны
линии
.
Как
следует
из
таблицы
3,
расстояние
между
кри
-
огенными
станциями
может
до
-
стигать
10–15
км
.
При
увеличении
диаметра
криостата
,
переходе
на
гладкие
трубы
и
размещении
криогенных
станций
с
обеих
сто
-
рон
линии
,
плечо
прокачки
может
быть
увеличено
до
20–30
км
.
При
дальнейшем
совершенствовании
тепловой
изоляции
криостатов
плечо
прокачки
может
достигать
50
км
.
Длинные
линии
могут
соз
-
даваться
путем
тиражирования
участков
прокачки
,
как
это
было
показано
на
рисунке
1
в
.
Как
показали
последние
экспе
-
рименты
,
на
этом
пути
достигнуты
существенные
успехи
.
Так
в
рам
-
ках
японского
проекта
Ishikari [5]
в
гладком
криостате
внешним
диаметром
318
мм
удалось
сни
-
зить
общий
теплоприток
до
ве
-
личины
менее
0,9
Вт
/
м
и
перепад
давления
по
длине
до
0,15
атм
/
км
при
расходе
азота
25
литров
в
ми
-
нуту
.
В
рамках
российского
про
-
екта
в
гофрированном
криостате
внешним
диаметром
110
мм
был
получен
перепад
давления
по
-
рядка
0,5
атм
/
км
при
расходе
азота
30
литров
в
минуту
[7].
Эти
результаты
вселяют
уверенность
в
возможность
реализации
линии
длиной
порядка
10–20
км
как
бли
-
жайший
этап
развития
ВТСП
тех
-
нологий
.
ВЫВОДЫ
В
настоящее
время
мы
явля
-
емся
свидетелями
начала
вне
-
дрения
ВТСП
кабельных
линий
в
реальную
электроэнергетику
.
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
конеч
-
ном
итоге
,
выбор
определяется
как
техническими
,
так
и
экономи
-
ческими
соображениями
.
При
современном
уровне
раз
-
вития
сверхпроводниковой
и
кри
-
огенной
техники
возможно
созда
-
ние
длинных
сверхпроводящих
кабельных
линий
постоянного
тока
для
передачи
энергии
на
расстоя
-
ния
в
десятки
и
сотни
километров
.
При
этом
мощность
единичной
ли
-
нии
может
достигать
нескольких
гигаватт
,
а
потери
энергии
в
ней
будут
существенно
ниже
,
чем
в
воздушных
ЛЭП
.
Электрическое
напряжение
на
линии
и
преобра
-
зовательной
подстанции
может
быть
снижено
до
200
кВ
и
менее
,
однако
его
уровень
должен
быть
оптимизирован
с
точки
зрения
эффективности
работы
и
кабеля
и
преобразовательной
установки
.
Криогенные
станции
для
охлаж
-
дения
линии
могут
располагаться
на
ее
концах
при
длине
линии
до
30
км
(
в
перспективе
до
60
км
).
При
создании
линий
большей
длины
криогенные
станции
должны
раз
-
мещаться
вдоль
трассы
с
шагом
20–60
км
.
Максимальная
длина
линии
при
таком
подходе
не
имеет
технических
ограничений
.
Успешная
опытная
эксплуа
-
тация
первых
линий
постоянного
и
переменного
тока
может
стать
существенным
ускорителем
про
-
цессов
внедрения
ВТСП
устройств
в
электроэнергетику
.
Основными
сдерживающими
факторами
широкого
внедрения
ВТСП
кабельных
линий
являются
:
–
высокая
стоимость
сверхпро
-
водников
и
криогенной
техники
;
–
высокая
стоимость
НИОКР
;
–
низкая
эффективность
крио
-
генного
оборудования
и
тепло
-
вой
изоляции
;
–
отсутствие
стандартов
по
про
-
изводству
и
испытаниям
ВТСП
кабелей
;
–
отсутствие
реального
длитель
-
ного
опыта
эксплуатации
.
Тем
не
менее
,
есть
все
основа
-
ния
надеяться
,
что
в
обозримом
будущем
мощные
сверхпроводя
-
щие
кабельные
линии
позволят
оптимизировать
электрические
сети
мегаполисов
и
сформиро
-
вать
глобальную
энергетическую
сеть
с
передачей
электроэнергии
на
сверхдальние
расстояния
,
вы
-
полнять
межсистемные
связи
,
со
-
единять
несинхронизированные
энергосистемы
,
строить
длинные
подводные
линии
и
пр
.
Все
это
позволит
существенно
увеличить
эффективность
и
надежность
электрических
сетей
.
ВТСП
ленты
+
–
Криостат
Прямой
поток
Обратный
поток
N
2
ВТСП
ленты
+
+
+
Криостат
Прямой
поток
N
2
Рис
. 12.
Схемы
криостата
с
одним
(
две
оболочки
)
и
двумя
(
три
оболочки
)
потоками
хладоагента
№
1 (46) 2018
100
ЛИТЕРАТУРА
1.
Larbalestier D.C. 50 Years of Applied Superconductivity.
Journal of the Cryogenic Society of Japan, Vol. 50,
№
5 (Jan.
2015), pp. 214–217.
2.
Сытников
В
.
Е
.
Состояние
работ
по
созданию
сверхпро
-
водящих
кабельных
линий
в
России
и
в
мире
.
Краткий
обзор
//
Энергия
единой
сети
, 2017,
№
1(30).
С
. 14–27.
3. Dai S., Xiao L., Zhang H., Teng Y., Liang X. et al. Testing
and Demonstration of a 10-kA HTS DC Power Cable IEEE
Transactions on Applied Superconductivity. Vol. 24, Issue 2,
April 2014. Article 5400104.
4. Park M. Development of Superconducting Power Cable and
Power Grids in Korea. Report
№
3 in Ishikari international
forum of superconducting transmission. Ishikari, Japan, June
2017.
5. Watanabe H., Ivanov Yu., Chikumoto N., Takano H. et al.
Cooling and Liquid Nitrogen Circulation of the 1000m
Class Superconducting DC Power Transmission System in
Ishikari. IEEE Transactions on Applied Superconductivity.
Vol. 27, No. 4, June 2017. Article 5400205.
6. Sytnikov V.E., Bemert S.E., Kopylov S.I., Romashov M.A.,
Ryabin T.V., Shakaryan Yu.G., Lobyntsev V.V. Status of HTS
cable link project for St. Petersburg grid. IEEE Trans. Appl.
Supercond, Vol. 25, No. 3, June 2015. Art. 5400904.
7. Sytnikov V. Superconducting Power transmission cable to
connect the substations in St. Petersburg. Report
№
6 in
Ishikari international forum of superconducting transmission.
Ishikari, Japan, June 2017. URL: http://www.bestpaths-
project.eu/en/demonstration/demo-5; http://www.global-sei.
com/super/hts_e/type_h.html.
8. Ivanov Y., Romashov M., Bemert S., Sytnikov V. Choice of
fl
exible cryostat for 2.5 km DC HTS cable to be laid in St.
Petersburg. Advances in Cryogenic Engineering. Transaction
of the CEC, v. 1573 (2014), p. 887.
REFERENCES
1.
Larbalestier D.C. 50 Years of Applied Superconductivity.
Journal of the Cryogenic Society of Japan, Vol. 50,
№
5 (Jan.
2015), pp. 214–217.
2. Sytnikov V.E. Activity progress on the creation of super-
conducting cable lines in Russia and in the world. Short
review.
Energiya edinoy seti
[Energy of uni
fi
ed grid], 2017,
no. 1(30), pp. 14–27. (in Russian)
3. Dai S., Xiao L., Zhang H., Teng Y., Liang X. et al. Testing
and Demonstration of a 10-kA HTS DC Power Cable IEEE
Transactions on Applied Superconductivity. Vol. 24, Issue 2,
April 2014. Article 5400104.
4. Park M. Development of Superconducting Power Cable and
Power Grids in Korea. Report
№
3 in Ishikari international fo-
rum of superconducting transmission. Ishikari, Japan, 2017.
5. Watanabe H., Ivanov Yu., Chikumoto N., Takano H. et al.
Cooling and Liquid Nitrogen Circulation of the 1000m
Class Superconducting DC Power Transmission System in
Ishikari. IEEE Transactions on Applied Superconductivity.
Vol. 27, No. 4, June 2017. Article 5400205.
6. Sytnikov V.E., Bemert S.E., Kopylov S.I., Romashov M.A.,
Ryabin T.V., Shakaryan Yu.G., Lobyntsev V.V. Status of HTS
cable link project for St. Petersburg grid. IEEE Trans. Appl.
Supercond, Vol. 25, No. 3, June 2015. Art. 5400904.
7. Sytnikov V. Superconducting Power transmission cable to
connect the substations in St. Petersburg. Report
№
6 in
Ishikari international forum of superconducting transmission.
Ishikari, Japan, June 2017. URL: http://www.bestpaths-
project.eu/en/demonstration/demo-5; http://www.global-sei.
com/super/hts_e/type_h.html.
8. Ivanov Y., Romashov M., Bemert S., Sytnikov V. Choice of
fl
exible cryostat for 2.5 km DC HTS cable to be laid in St.
Petersburg. Advances in Cryogenic Engineering. Transaction
of the CEC, v. 1573 (2014), p. 887.
КАБЕЛЬНЫЕ
ЛИНИИ
Оригинал статьи: Сверхпроводящие кабели постоянного тока и перспективы создания на их основе протяженных линий электропередачи
На основе экспериментальных и теоретических результатов, полученных многими научными группами проектов, показана возможность строительства энергомостов с использованием сверхпроводниковых технологий. Будут представлены также оценки мощности передачи, общей длины линии и максимального расстояния между криогенными станциями, потерь энергии и требуемой мощности криогенной установки. В результате будет показано, что при современном уровне развития сверхпроводниковой и криогенной техники реальным является создание сверхпроводящих линий передачи мощностью порядка 10 ГВт практически любой длины. При этом криогенные станции должны размещаться вдоль линии с максимальным шагом 45–75 км. Обсуждается возможность увеличения расстояния между криогенными станциями за счет усовершенствования термической изоляции криостатов.
