Новости Электротехники 3(117) 2019





<  Предыдущая  ]  [  Следующая  >
Журнал №4(34) 2005

СВЕРХПРОВОДНИКОВЫЕ КАБЕЛИ РЕАЛЬНЫЕ ОЧЕРТАНИЯ БУДУЩЕЙ ЭНЕРГЕТИКИ

Сверхпроводники – вещества, переходящие в сверхпроводящее состояние при температурах ниже критической, – на протяжении последних лет находят всё большее применение в мировой электроэнергетике.
В предыдущих номерах журнала мы уже рассказывали о сверхпроводниковом оборудовании – высокотемпературных трансформаторах (№ 1(31) 2005) и токоограничителях (№3(33) 2005). Сегодня Павел Вячеславович Елагин подробно остановится на сверхпроводниковых кабелях различных классов напряжения.


Павел Елагин, инженер, ООО «Росполь-Электро»

К середине 80-х годов наметился явный разрыв между пропускной способностью обычных кабелей и растущей потребностью в передаваемых мощностях. Ученые всего мира работали над решением этой задачи и к тому времени достаточно большие успехи были достигнуты в области низкотемпературных сверхпроводниковых (НТСП) кабелей. В качестве примера можно привести кабель Всероссийского НИИ кабельной промышленности (ВНИИКП) на 3 ГВА (рис. 1). Однако огромным минусом, сдерживающим развитие и применение этих кабелей, было условие охлаждения жидким гелием, т.к. НТСП-кабели работали при температуре 4 К. Открытие в 1986 году Беднорцем и Мюллером высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП), имеющих рабочую температуру 77 К, дало новый толчок развитию кабелей, основанных на эффекте сверхпроводимости.

Рис. 1. НТСП-кабель на 3 ГВА (ВНИИКП)


Преимущества
С полной уверенностью можно сказать, что ВТСП-кабели по сравнению с обычными обладают уменьшенными потерями, большей пропускной способностью даже при снижении класса напряжения.
При одинаковой мощности по сравнению с обычным кабелем ВТСП-кабель более компактен и имеет низкий вес, что облегчает транспортировку и монтаж, для него требуется меньшее количество муфт, соответственно уменьшается площадь прокладки. Особенность внутреннего охлаждения ВТСП-кабелей (с помощью жидкого азота) позволяет избежать нежелательного перегрева электрической изоляции. По сравнению с традиционно применяемыми кабелями ВТСП-кабели экологичны и пожаробезопасны, что также играет немаловажную роль.
Сравнительные технико-экономические расчеты Российского научного центра «Курчатовский институт» (РНЦ КИ), ВНИИКП, Всероссийского НИИ неорганических материалов имени академика А.А. Бочвара (ВНИИНМ) и Всероссийского электротехнического института (ВЭИ) показали, что даже при сегодняшней достаточно высокой цене на ВТСП-материалы полные затраты (учитывая прокладку и эксплуатационные расходы) для обычного и ВТСП-кабеля примерно одинаковы. При этом следует учитывать, что 90% стоимости кабеля – это стоимость ВТСП-материала. Есть основания полагать, что в ближайшие годы разработчики и производители сверхпроводниковых материалов добьются снижения цены в несколько раз. Тогда и станет очевидной выгода разработки и применения ВТСП-кабелей.

Рис. 2
Конструкция ВТСП-кабеля с холодным диэлектриком




1. Жидкий азот
2. Жидкий азот
3. ВТСП-токопроводящая жила
4. Диэлектрик
5. ВТСП-экран
6. Криостат
7. Оболочка


Рис. 3
Конструкция ВТСП-кабеля с теплым диэлектриком




1. Жидкий азот
2. ВТСП-токопроводящая жила
3. Криостат
4. Оболочка
5. Экран


Рис. 4
Испытательный стенд компании Pirelli, Милан (Италия)




Рис. 5
ВТСП-кабельная установка Southwire в г. Карроллтон




Область применения
Перечислим наиболее важные предназначения ВТСП-кабелей:

  • глубокие вводы в мегаполисы (например, Москва, Санкт-Петербург, Екатеринбург и т.д.) и крупные энергоемкие комплексы (металлургические, нефтеперерабатывающие и т.д.), что позволит не только увеличить передаваемую мощность, но и отказаться от подстанций высокого напряжения в пользу среднего;
  • связи между энергетическими системами;
  • ЛЭП постоянного тока;
  • перемычки между воздушными ЛЭП при прохождении водных преград (изоляция обычных кабелей в данных условиях может перегреваться, что уменьшает их пропускную способность на 30–40%);
  • сильноточные токопроводы на больших электростанциях.
Конструкция
Рассмотрим два типа конструкции ВТСП-кабелей, принципиально отличающихся друг от друга: с теплым и с холодным диэлектриком.
В кабеле с холодным диэлектриком (рис. 2) элемент кабеля окружен коаксиальным сверхпроводящим слоем, предназначенным для экранировки магнитного поля. Диэлектрик, «пропитанный» жидким азотом, располагается между токопроводящей жилой (из ВТСП-материала) и внешним экранирующим слоем. Преимуществом такой конструкции является устранение потерь на переменном токе, вызванных воздействием магнитного поля, создаваемого токами в соседних фазах, а также вихревыми токами, наведенными в металлических частях соседнего оборудования.
В кабелях с теплым диэлектриком (рис. 3) нет такого сверхпроводящего слоя. Данная конструкция требует меньшего расхода сверхпроводящего материала, применяются обычные изоляционные материалы, поэтому стоимость этих кабелей существенно ниже.
Т.к. кабель с теплым диэлектриком конструктивно сходен с обычным кабелем, то при его изготовлении, монтаже и соединении можно использовать многократно проверенные технологии. Однако ВТСП-кабель с теплым диэлектриком по техническим свойствам уступает кабелю с холодным диэлектриком.

Разработки и проекты
Понимая огромные преимущества применения ВТСП-кабелей, многие компании из самых различных стран мира ведут свои разработки в этой области.
1. Самой богатой на проекты является компания Pirelli (Италия), начавшая свою научную деятельность в данном направлении еще в 1987 году. В 1998 году она удачно протестировала прототип 50-метрового однофазного кабеля с теплым диэлектриком, переходной и концевой муфтами 115 кВ 400 МВА, созданный совместно с правительством США и компанией American Superconductor (производитель ВТСП-провода). Лабораторная установка показана на рис. 4.
В 1998 году Pirelli начала проект по замене трех обычных трехфазных кабелей на один трехфазный ВТСП-кабель 24 кВ 100 МВА длиной 122 метра на действующей электростанции Frisbie компании Detroit Edison, расположенной в районе города Детройта (США). Несмотря на задержку, в конце 2002 года была проведена успешная демонстрация работы данной системы.

Рис. 6. Однолинейная схема подстанции АМК, Копенгаген



Рис. 7. Схематичный разрез подстанции АМК, Копенгаген


1. Муфты
2. Контур охлаждения
3. Охлаждающая установка
4. ВТСП-кабель
5. Медные шинопроводы
6. РУ


Рис. 8. Концевые муфты ВТСП-кабеля (монтаж)


Рис. 9. Монтаж ВТСП-кабеля на подстанции АМК


Рис. 10. ВТСП-кабельная установка на подстанции АМК




На сегодняшний день компания Pirelli ведет работы по разработке кабелей 110 кВ 400 МВА (при поддержке немецкого правительства), 132 кВ 680 МВА (для итальянских электроэнергетических систем EDISON и ENEL) и 225 кВ 1000 МВА (для французской электроэнергетической системы Electricite de France).
2. Больших успехов добилась компания Southwire (США). В начале 2000 года ею была запущена в эксплуатацию кабельная система, состоящая из трех однофазных кабелей 12,4 кВ 1250 А длиной 30 метров с холодным диэлектриком, для питания производственного цеха компании в городе Карроллтон (рис. 5).
3. В мае 2001 года компания NKT Cables (Дания) запустила в эксплуатацию ВТСП-кабели в действующей энергосистеме. Кабели с теплым диэлектриком были установлены на подстанции АМК (Копенгаген). Однолинейная схема подстанции приведена на рис. 6. Для наглядности на рис. 7 схематично показан разрез подстанции (ВТСП-кабель обозначен красным цветом). Наибольшее рабочее напряжение – 36 кВ, номинальный ток – 2000 А. Целью проекта является демонстрация работы кабеля в реальных условиях (кабель питает достаточно большую часть города), а также получение опыта по монтажу и эксплуатации (на рис. 8, 9 и 10 показаны некоторые фотографии с объекта).
На сегодняшний день компании Southwire и NKT Cables приступили к производству триаксиального (коаксиального трехпроводного) ВТСП-кабеля (конструкция схематично изображена на рис. 11) длиной 300 метров, который будет установлен на подстанции Bixby электроэнергетической компании American Electric Power в городе Колумбус (США). На рис. 12 показана фотография испытания концевой муфты этого кабеля. Напряжение сети – 13,2 кВ, номинальный ток – 3000 А. Сдача объекта намечена на середину 2006 года.
4. Японская компания Sumitomo Electric также имеет ряд проектов, которые нельзя не упомянуть. В июне 2002 года совместно с токийской электроэнергетической компанией (TEPCO) она закончила испытание трехфазного ВТСП-кабеля, длившееся 1 год. Номинальное напряжение кабеля – 66 кВ, номинальный ток 1000 А, длина кабеля – 100 метров.
В 2003 году группа, состоящая из Intermagnetics General Corporation (включая компанию SuperPower – известного производителя сверхпроводниковых материалов), Sumitomo и Министерства энергетики США, объявила о начале проекта, в результате которого будет произведен ВТСП-кабель 34,5 кВ 800 А 48 МВА длиной 350 метров и установлен между двумя подстанциями Нью-Йорка. Строительство началось в 2004 году и сейчас уже подходит к завершению – в феврале 2006 года планируется проложить сам кабель, а в декабре, уже после получения опыта эксплуатации, заменить кусок кабеля (30 метров) на кабель с новым ВТСП-материалом.
Параллельно Sumitomo совместно с корейским институтом KEPRI ведет работы по созданию 100-метрового ВТСП-кабеля 22,9 кВ 1250 А. В конце 2005 года планируется смонтировать кабель на испытательном стенде KEPRI. 5. Известная компания NEXANS тоже ведет работы в области сверхпроводимости. В апреле 2003 года правительство США подписало с ней контракт, по которому она должна произвести ВТСП-кабель 138 кВ длиной 610 метров. Кабель планируется установить в сети Лонг Айлэнд (США), питающей 300 000 жилых домов, в конце 2005 года. Наряду с этим проектом NEXANS и китайская компания Innopower Superconductor Cable ведут испытания трехфазного кабеля с теплым диэлектриком 35 кВ 2000 А, установленного в 2004 году на севере Китая в провинции Юннань.
6. В апреле 2005 года группа китайских разработчиков (CAS, IEE, TIPC) и компания American Superconductor объявили об успешной демонстрации 76-метрового трехфазного кабеля с теплым диэлектриком в действующей сети. С декабря 2004 года по апрель 2005 года данный кабель питал заводы компании Changtong Power Cable в городе Байин (Китай). Номинальное напряжение кабеля 6,6 кВ. 7. В мае этого года компания Condumex Cable (Мексика) объявила о старте проекта по созданию ВТСП-кабеля с теплым диэлектриком для работы на одной из подстанций Мехико-Сити. Кабель будет иметь длину 33 метра и рассчитан на напряжение сети 15 кВ, номинальный ток 1800 А. Запуск объекта в эксплуатацию намечен на следующий год.

Рис. 11. Триаксиальный ВТСП-кабель


Рис. 12. Концевая муфта триаксиального ВТСП-кабеля


Из вышеприведенных примеров видно, что ВТСП-кабели всё чаще устанавливаются в действующие сети. Стоит ожидать, что лет через 5 они перестанут быть чем-то особенным и будут применяться наряду с обычными кабелями, постепенно вытесняя их из электроэнергетики как устаревшие.





Очередной номер | Архив | Вопрос-Ответ | Гостевая книга
Подписка | О журнале | Нормы. Стандарты | Проекты. Методики | Форум | Выставки
Тендеры | Книги, CD, сайты | Исследования рынка | Приложение Вопрос-Ответ | Карта сайта




Rambler's Top100 Rambler's Top100

© ЗАО "Новости Электротехники"
Использование материалов сайта возможно только с письменного разрешения редакции
При цитировании материалов гиперссылка на сайт с указанием автора обязательна

Segmenta Media создание и поддержка сайта 2001-2019