УДК 620.9:632.15 СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ

УДК 620.9:632.15
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ СВЕРХПРОВОДЯЩИХ КАБЕЛЕЙ
И ЭНЕРГОМАГИСТРАЛЕЙ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ
ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
Лепешкин А.Р., Качанов А.Н.
Россия, г. Москва, Центральный институт авиационного моторостроения
им. П.И. Баранова,
Россия, г. Орел, ФГОУ ВПО «ГОСУНИВЕРСИТЕТ - УНПК»
Рассмотрены проблемы совершенствования и применения сверхпроводящих кабелей и
энергомагистралей для повышения эффективности передачи электроэнергии и
электроснабжения. Новые сверхпроводящие материалы и криогенные жидкости
двойного применения расширяют возможности использования гибридных
сверхпроводящих
энергомагистралей
в
различных
отраслях
энергетики,
промышленности и физики.
The problems of perfection and application of superconducting cables and power highways of
electricity transmission and electrosupply are considered. The new superconducting materials
and cryogenic liquids of double application expand opportunities of use of the hybrid
superconducting power highways in various branches of power, the industry and physics.
В прошлом году совпали два славных юбилея: 100 лет сверхпроводимости и 25
лет высокотемпературной сверхпроводимости. Сверхпроводимость, открытая в 1911
году голландским физиком Хейке Камерлинг-Оннесом, по сей день остается одним из
наиболее ярких и интригующих физических явлений. Этот эффект возникает, когда
некоторые металлы, такие как олово или свинец, охлаждают до температуры, всего на
несколько градусов отличающейся от «абсолютного нуля», который составляет -273,15
 С. Cиловые сверхпроводящие кабели разрабатывались еще в 70-е и 80-е гг. прошлого
века на основе низкотемпературных сверхпроводниковых технологий (НТСП
технологии) с использованием в качестве хладагента жидкого гелия (температура
кипения жидкого гелия - 4,2 К при нормальном давлении). Несмотря на достигнутые
успехи, применение НТСП-кабелей сдерживалось необходимостью использования для
охлаждения невозобновляемого и дорогостоящего жидкого гелия (5–10 долларов за 1
литр) [1].
В 1986 году ученые из корпорации IBM (NYSE: IBM) Йоханнес Георг Беднорц
и Карл Александр Мюллер положили начало новому захватывающему этапу в
развитии сверхпроводимости, синтезировав металлооксидное соединение, которое
проявляло признаки сверхпроводимости при температуре 35 К (-238 С). Таким
образом, были получены первые высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП-2),
которые в настоящее время достигли критической температуры до -135 К. Применение
ВТСП-оборудования и технологий в электроэнергетике [2-3] обеспечивает многие
преимущества:
- сокращение потерь электроэнергии;
- снижение массогабаритных показателей оборудования в два-четыре раза;
- повышение надежности и продление срока эксплуатации электрооборудования
за счет снижения старения изоляции;
- повышение надежности и устойчивости работы энергосистем;
- повышение качества электроэнергии, поставляемой потребителям;
- повышение уровня пожарной и экологической безопасности
электроэнергетики;
- создание принципиально новых систем энергетики.
Особый эффект в электроэнергетике ВТСП-технологии могут дать при их
применении в системах электроснабжения мегаполисов и крупных городов.
Основой этих направлений является способность сверхпроводников нести
без потерь высокие плотности (109-1010 А/м2) транспортного тока в сильных
магнитных полях при температурах ниже критической. Таким образом, при передаче
по кабельным линиям электропередач мощностей свыше 20 млн. кВт на расстояние
свыше 2000 км ожидается снижение электрических потерь на 10%, что соответствует
сбережению от 7 до 10 млн. т.у.т. в год. При этом приведенные затраты на
сверхпроводящую кабельную ЛЭП могут быть не больше, чем на высоковольтную
ЛЭП традиционного исполнения.
В России успешно завершены проекты и проводятся испытания 3-х фазного
кабеля на основе ВТСП длиной 30 и 200 м с током до 2 кА. Кабель продемонстрировал
полное сохранение сверхпроводящих свойств после прохождения всего
технологического маршрута, критические токи всех трех фаз равны сумме токов
исходных ВТСП лент. Номинальный ток кабеля 1500 А, напряжение 20 кВ. Кабель
способен работать при перегрузке в 30% от номинального тока и выше, и передавать
мощность в 50 МВА (или в 70 МВА при 30% перегрузке). Кабель выдержал без
повреждений более чем 13-ти кратную перегрузку током и 70 кВ постоянного и 50 кВ –
переменного напряжения при высоковольтных испытаниях.
В настоящее время также ведутся интенсивные работы по созданию
сверхпроводящих энергомагистралей (кабелей) с использованием новейших
технологий и новых материалов для применения в энергетике, промышленности и
физике. Создана первая гибридная энергетическая магистраль. ИНМЭ РАН, ВНИИКП
и МАИ совместно участвовали в рамках реализации программ по
развитию
энергетических систем и технологий, включая ВТСП. Создали и успешно испытали
первую в мире гибридную энергетическую магистраль. Энергия в ней передается сразу
в двух видах - в виде потока жидкого водорода и в виде электричества по
сверхпроводящему силовому кабелю.
Создание новых типов линий электропередач - дело весьма актуальное, но не
простое. Представленный выше научный коллектив предложил совершенно новую
идею: кабельная линия энергопередачи, сочетающая сверхпроводник и хладоагент,
который не только поддерживает сверхпроводящее состояние кабеля, но и является
энергоносителем. Эта идея доведена до опытного образца, в качестве хладоагента
использован жидкий водород. Потери на поддержание низкой температуры в
водородных магистралях для передачи электроэнергии составляют десятые доли
процента, а экологичность водородных технологий и подобранный с учетом низкой
стоимости сверхпроводящий материал - дополнительные, но также весомые,
аргументы. Водород - один из наиболее эффективных энергоносителей, он имеет
самую высокую плотность энергии среди других видов топлива. Но кроме этого
водород обладает хорошими охлаждающими свойствами в жидком состоянии, и этот
"бесплатный" холод в потоке водорода позволяет использовать сверхпроводящие
кабели в криогенных магистралях для дополнительной передачи электричества, что
значительно увеличивает плотность потока энергии. В качестве сверхпроводящего
материала в проделанной работе использовались ленты диборида магния MgB2
(производства фирмы Columbus Superconductor, Италия). Для использования в
водородной магистрали он хорошо подходит, в первую очередь потому, что может
работать при температуре жидкого водорода, демонстрируя высокие сверхпроводящие
свойства. По сравнению с известными высокотемпературными сверхпроводниками его
цена в двадцать раз меньше. С учетом двух последних особенностей использование
диборида магния весьма интересно для водородных энергетических магистралей.
Проверка этой идеи являлась целью первого практического эксперимента. Важно
заметить, что созданный во ВНИИКП сверхпроводящий кабель явился вторым случаем
использования диборида магния на практике.
Что касается устройства сверхпроводящего кабеля, то его основной
токонесущий слой состоит из пяти лент диборида магния спирально уложенных на
сердечник их пучком медных проволок. Диаметр кабеля составляет 26 мм, а длина около 10 метров. При этом внутри остаётся изолированный канал диаметром около 12
мм для течения охлаждающего жидкого параводорода. Также параводород
циркулирует и в полости между внешней оболочкой кабеля диаметром 28 мм и
внутренней стенкой криостата диаметром 40 мм.
В процессе работы были созданы макет гибридной энергетической магистрали
(с рабочим давлением до 10 бар) для размещения сверхпроводящего кабеля, собственно
сам сверхпроводящий кабель и токовые вводы. Испытания экспериментальной
энергетической магистрали проводились на специализированном стенде в России. В
настоящее время необходимые величины расстояний передачи электроэнергии
составляет 3000-5000 км, а требуемая мощность - порядка 10 ГВт. В модельной
испытанной магистрали поток жидкого водорода в 200-220 г/с несет около 25 МВт
мощности, плюс по сверхпроводящему кабелю идет электрическая мощность, в нашем
случае это 50 МВт. В промышленной же магистрали, за счет увеличения тока,
напряжения и объема потока водорода (увеличив диаметр трубы), можно пропускать
гораздо более мощные потоки энергии. Работа имеет целый ряд положительных
факторов. Создание гибридной магистрали является, по сути, новым видом
практического применения сверхпроводников. Использование токонесущего элемента
на основе диборида магния, с момента открытия сверхпроводимости в котором прошло
всего 10 лет, показывает, что этот материал является весьма перспективным и для
других возможных применений в технике.
Обсуждение возможности создания гибридных транспортных энергетических
магистралей ведется давно во всем мире. В мае 2011 года в Потсдаме в Institute of
advanced sustainability studies под руководством нобелевского лауреата Карло Руббиа
состоялся симпозиум, на котором рассматривались возможности передачи потоков
энергии порядка 10 ГВт на расстояния в тысячи километров. Был сделан теоретический
расчет, показавший, что оптимальным решением является именно гибридная
магистраль с жидким водородом и сверхпроводящим кабелем на основе MgB2. Однако
такая первая экспериментальная работа была сделана в России.
Развивается прогресс в разработке ВТСП кабелей и энергомагистралей.
Сегодняшний уровень разработок в этой области уже продемонстрировал их
существенные преимущества, позволяет реально оценить их характеристики и
приступить к разработке и реализации экономически выгодных проектов в энергетике.
Литература
1. Черноплеков Н.А. Сверхпроводниковые технологии: современное состояние
и перспективы практического применения // Вестник РАН, № 4, 2001 г.
2. Елагин П. Сверхпроводниковые кабели — реальные очертания будущей
энергетики // Новости электротехники, № 4 (34), 2005 г.
3. Высоцкий В. C., Сытников В. Е., Илюшин К. В. и др. Сверхпроводимость в
электромеханике и электроэнергетике // Электричество, № 7, 2005 г.
Лепешкин Александр Роальдович, член-корреспондент АЭН РФ, д.т.н., начальник
сектора, ФГУП “ЦИАМ им. П.И. Баранова”, 111116, Москва, ул. Авиамоторная, д.2.
Е-mail: lepeshkin.ar@gmail.com.
Качанов Александр Николаевич, академик АЭН РФ, д.т.н., профессор, зав. кафедрой
“Электрооборудование и энергосбережение”, ФГОУ ВПО «ГОСУНИВЕРСИТЕТ УНПК», тел. 41-98-53, e-mail: kan@ostu.ru