ВТСП - кабельные линии электропередачи


Статус статьи

Проверено экспертами


Назначение

Силовые ВТСП кабельные линии признаны во всем мире, поскольку они позволяют решить коренные проблемы передачи больших потоков электроэнергии и энергосбережения. Такое значительное увеличение (в 3 - 8 раз) мощности распределительных сетей (без изменения напряжения) может быть достигнуто путем замены традиционных силовых кабелей сверхпроводящими.


Общие сведения

Упрощенно сверхпроводящий кабель устроен следующим образом (Рисунок 1). В центре обычно находится пучок медных проводов, диаметров около 20 мм, который является несущим элементом. На этот элемент по окружности укладываются ВТСП ламинированные латунью ленты 2-го поколения, то есть, проводников, где ВТСП-жила занимает лишь около 5% сечения (против 40% для ВТСП 1-го поколения) и представляет собой тонкое покрытие на поверхности подложки. Они укладываются спиралью, скручиваются под углом. 24 ленты – это первый слой (повив). Поверх этого слоя укладывается второй слой сверхпроводящих лент с противоположным направлением скрутки. Затем накладывается изоляция от 6 до 12 толщиной мм. Далее кладется еще примерно такое же количество сверхпроводящих лент – это так называемый сверхпроводящий экран. Поверх медный экранчик – это защита сверхпроводника. Этот кабель упаковывается в длинную гибкую трубу из гофрированной нержавейки. Причем труба эта двойная – внутренняя труба обмотана так называемой суперизоляцией, и между двумя трубами откачан воздух – это так называемая высоковакуумная термоизоляция. По внутренней трубе прокачивается жидкий азот. И таким образом сверхпроводящий кабель находится в криостате. Главная проблема – это надежная криогенная система, которая создает этот жидкий азот и качает его по длинному кабелю.

Cold energy 2 600.jpg

Рисунок 1. Пример ВТСП проводника


Предшествующая технология Обычные медные кабели могут пропускать ток не больше тысячи ампер и тоже требуют охлаждения. Сверхпроводящие кабели легко передают 5 кА. Идут испытания кабеля на 20 кА. Стадия разработки На данный момент производятся комплексные испытания ВТСП кабеля и системы криообеспечения. В конце 2014 года планируется ввод установки в опытно-промышленную эксплуатацию. Стадии создания

  1. Расчет, разработка, и изготовление фазы А ВТСП кабеля, и ее поставка на полигон для испытаний.
  2. Расчет, разработка и монтаж автономной системы криообеспечения на полигоне для комплексных испытаний вместе с ВТСП кабельной линией.
  3. Монтаж и ввод опытно-промышленную эксплуатацию ВТСП КЛ с системой криообеспечения на выбранном объекте.


Актуальность использования

Разрабатываемая технология является продолжением научно-исследовательских работ по разработке опытного образца силовой электрической высокотемпературной сверхпроводящей кабельной линии (далее – ВТСП КЛ) 200 м. В рамках разработки данной технологии предполагается доработка существующих, изготовление дополнительных элементов КЛ и проведение комплексных испытаний. Силовые ВТСП кабельные линии признаны актуальными во всем мире, поскольку они позволяют решить коренные проблемы передачи больших потоков электроэнергии и энергосбережения. Такое значительное увеличение (в 3 - 8 раз) мощности распределительных сетей (без изменения напряжения) может быть достигнуто путем замены традиционных силовых кабелей сверхпроводящими. Конструкция предполагаемой разработки состоит из трех сверхпроводящих кабелей и системы автономного криообеспечения. Основной задачей данных работ является разработка на основе экспериментального образца опытно-промышленной модульной высокоэффективной системы криообеспечения ВТСП КЛ на жидком азоте, а также новых токовводов и комплектов основных деталей.


Эффекты от внедрения (использования)

Основные преимущества силовых ВТСП кабелей следующие: высокая токовая нагрузка, малые потери в сверхпроводнике, экологическая чистота (отсутствие масел, минимальное электромагнитное и тепловое воздействие на окружающую среду), высокий уровень пожарной безопасности. При передаче большой мощности при относительно низком напряжении – 10–20 кВ (генераторном) – не требуется промежуточных подстанций, что дает значительную экономию капитальных затрат и городских земельных ресурсов. Области внедрения В рамках разработки данной технологии планируется определение объекта, на котором предполагается внедрение ВТСП КЛ после апробации на полигоне в ОАО «ФСК ЕЭС».


Принцип функционирования

Криогенная кабельная линия включает три основных компонента: собственно, криогенный кабель, систему криогенного обеспечения, концевые устройства (токовводы). Токовводы сверхпроводниковой кабельной линии сочетают функции высоковольтной концевой кабельной муфты и теплового моста между холодной зоной и окружающей средой. Схематическое изображения кабеля в разрезе отображено на рисунке 1. Преимущества такой конструкции заключаются в том, что при нарушении вакуума в одном из модулей линия может оставаться работоспособной продолжительное время, а место нарушения вакуума легко может быть обнаружено. В конструировании ВТСП кабелей для передачи малой мощности на относительно небольшие расстояния (внутри города, через небольшие водные преграды и пр.) прослеживается тенденция создания гибких кабелей большой единичной длины куска (> 1 км) с криогенной электрической изоляцией и узкой концентрической щелью для прокачки хладагента (проект LIPA, выполняемый компанией Nexans совместно с AMSC). Для линий большой протяжённости, предназначенной для передачи больших мощностей (Р > 1 ГВА), вполне подходят модули небольшой (~50 м) протяжённости, с раздельным для каждого модуля вакуумом, где в каче-стве основной электрической изоляции используется сверхкритический азот (рис. 2). Модули могут соединяться между собой посредством муфт, имеющих раздельный вакуум. Соединительная муфта может закрепляться на месте спая ВТСП кабелей, как при помощи болтов, так и сваркой. Прокладка такой линии ненамного сложнее, чем прокладка магистрального газопровода. По такой линии легко прокачивать требуемые количества сверхкритического азота на большие расстояния при разумных (D < 200 мм) поперечных сечениях ЛЭП. Потери на спаях при токе ~7 кА остаются более чем на порядок меньше потерь на теплоприток из окружающей среды.


Msg594 php5HSHGC.jpg

Рисунок 2. Схематичное изображение кабеля в разрезе: 1 – наружный вакуумный кожух, 2 – вакуум, 3 – многослойная экрановакуумная изоляция, 4 – сверхкритический азот, 5 – стеклотекстолит, 6 – ВТСП, 7 – медный формер (он же защита), 8 – внутренний кожух.


Опыт применения

Мировой опыт В данный момент в мире испытано три достаточно больших кабеля: 200 метров в штате Огайо, 350 метров на севере штата Нью-Йорк в городе Олбани и 600-метровый на Лонг-Айленде в Нью-Йорке. Готов к внедрению 200-метровый кабель ВНИИКП. 100-метровые кабели сейчас испытываются в Корее, и там же делается 500-метровый кабель.

Российский опыт Многообещающие перспективы практического применения высокотемпературной сверхпроводимости дали жизнь множеству интереснейших проектов, в том числе и в России. Один из них, призванный перевести силовую электроэнергетику на рельсы сверхпроводимости, - ВТСП кабельная линия длиной 200 метров. Год назад линия была собрана и испытана в условиях максимально приближенным к реальным. Начало этому проекту было положено в 2005 году. Началось все с изготовления и испытаний во «ВНИИКП» небольшого по длине 5-метрового ВТСП кабеля. Из возможных к применению ВТСП лент отбирались самые технологичные. Прорабатывалась конструкция, готовился испытательный стенд для тестирования кабеля, разрабатывались методики испытаний, отрабатывались технологии производства как самого кабеля, так и его сопряжений с внешними устройствами. Следующим этапом проекта стал 30 метровый образец ВТСП кабеля. Три отрезка ВТСП кабеля длиной по 30 метров, каждый в своем гибком криостате, у каждого на конце находилась криогенная токовводная муфта. Для испытаний данной системы в Москве в НТЦ «Электроэнергетики» был создан испытательный стенд, позволяющий проводить испытания протяженных образцов ВТСП кабельных линий под нагрузкой. В работу над проектом включаются новые организации, расширяется и география проекта. Так для наложения высоковольтной изоляции и медного экрана кабель был доставлен в город Пермь на завод «Камкабель». Следует заметить, что 30-метровый ВТСП кабель изготавливался полностью в заводских условиях с использованием промышленных технологий, а все его элементы являются прототипами устройств для работы в реальных электросетях. Успешные испытания 30-метровой кабельной линии позволили перейти к следующему этапу – созданию высокотемпературной сверхпроводящей (ВТСП) кабельной линии длиной 200 м. Кабельная линия создавалась не как экспериментальный образец, а была адаптирована к реальной сети, разработана с учетом расположения в существующих кабельных коллекторах и была полностью готова к промышленной эксплуатации. После проведения дополнительных комплексных испытаний, предполагается установить кабельную линию на подстанции «Динамо» в Москве для опытной эксплуатации в 2011–2012 гг. На данный момент ВТСП кабельная линия находится на полигоне НТЦ «Электроэнергетики» и проходит дополнительную серию испытаний, таких как испытания при перегрузке, ресурсные испытания, работа в несимметричных режимах и т.п. Для проведения испытаний кабеля током короткого замыкания создан специальный криостат, в котором был расположен 5-метровый образец – свидетель ВТСП кабельной линии. При проведении испытаний удалось достичь тока с максимальной амплитудой в 44 кА и определить термическую и механическую прочность сверхпроводящего кабеля. В результате проведенных испытаний было подтверждено соответствие всех параметров кабельной линии, значениям, заданным в техническом задании на работу. Сверхпроводящая кабельная линия на основе высокотемпературных сверхпроводников успешно выдержала испытания и готова к установке для опытной эксплуатации в энергосеть г. Москвы. Созданный опытный образец силовой ВТСП кабельной линии является по своим параметрам (длина и передаваемая мощность) крупнейшим силовым сверхпроводящим кабелем в Европе и третьим-четвертым в мире. В результате выполнения НИОКР по разработкам силовых сверхпроводящих кабелей на основе высокотемпературных сверхпроводников Россия вышла на передовые позиции в мире. Накоплен многогранный опыт, создан и отработан ряд передовых технологий по изготовлению сверхпроводящих кабельных линий и сопутствующих криогенных устройств.

Ведет активную работу и компания СуперОкс - первый производитель ВТСП-провода второго поколения на территории России, созданная инвестором Андреем Вавиловым. Сверхпроводниковый провод можно применять в производстве силовых кабелей, в системах бесконтактного подвеса и транспорте, в накопителях энергии и высокомощных электродвигателях. В этом году СуперОкс начинает работу по изготовлению и испытаниям первого сверхпроводникового авиационного кабеля, способного передавать мегаваттную мощность на переменном токе и низком напряжении. Работа проводится по заказу Российского исследовательского подразделения лидера аэрокосмической отрасли –Airbus Group Innovations, сети корпоративных исследований и технологий Airbus Group, в работе также примет участие ВНИИКП. Одной из тенденций развития современного транспорта является увеличение доли используемой электрической энергии. Широкое применение электрической энергии приведет к сокращению потребления топлива и выбросов парниковых газов, снижению уровня шума, увеличению системной надежности и маневренности. Прежде чем сверхпроводниковое оборудование найдет применение на борту электрического самолета, необходимо решить ряд инженерных задач, провести разработку и испытания новых кабелей, вращающихся машин и накопителей энергии с учетом авиационной специфики.


Справочные факты – примеры внедрения 6.10.2010 Южнокорейская энергетическая компания LS Power и American Superconductor из США заключили рекордную сделку о поставке 3 миллионов метров сверхпроводящих материалов, полностью избавленных от сопротивления электрическому току. Из них в ближайшие годы корейцы планируют построить 50 километров сверхпроводящих кабельных сетей.

'Участники: производители, проектировщики, поставщики' Производители ВТСП ленты 2-го поколения:

  • СуперОкс (Россия)
  • American Superconductor;
  • SuperPower.

Пример конкретной разработки Создание фазы А ВТСП КЛ переменного тока длиной 200 м на напряжение 20 кВ с током 1500 А

Разработчики:

  • ОАО «ВНИИКП»;
  • ФГБОУ ВПО «МАИ»;
  • ООО «Эйр Сервис»;
  • ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС»
  • ЗАО "СуперОкс".


Ссылки


Архитектурные кейсы, связанные с технологией