Криогенные сверхпроводящие ЛЭП

В конце 1980-х годов, когда только-только была открыта высокотемпературная сверхпроводимость, в научно-популярной литературе много обсуждали ее применение в магистральных ЛЭП (линиях электропередачи). Почти всерьез рассматривалась идея построить где-нибудь в Сибири несколько огромных АЭС, которые будут питать электроэнергией чуть ли не всю Россию. А почему бы и нет, если энергия при передаче из пункта А в пункт B не теряется совершенно?

Однако вскоре выяснилось, что не все так радужно. Изготовить сверхпроводящую проволоку так и не удалось, а вот ленточки, из которых нынче делают длинные сверхпроводящие провода научились делать только в 2006 году. Ленточка прозводится серийно, ее площадь сечения составляет 0.8 мм², при этом ленточка держит ток до 140 ампер. В условиях обычной российской электросети одной такой ленточки хватит, чтобы запитать электроэнергией подъезд жилого дома. Надо только не забывать, что ленточка должна иметь температуру жидкого азота, иначе сверхпроводимость нарушится и произойдет большая красивая вспышка, за которой может последовать пожар. А может и не последовать. На практике ленточки применяют не по отдельности, а свивают из них кабель.

Недавно испанские инженеры из Барселоны, работая по гранту немецкой компании Nexans, установили рекорд пропускной способности сверхпроводящего кабеля, охлаждаемого жидким азотом. Через кабель длиной 30 м передали ток 3,2 кА при напряжении 24кВ.

При этом испытания длились десять суток, в ходе испытаний были моменты, когда напряжение превосходило номинал вдвое. Другими словами, этот весьма скромный кабель рассчитан на суммарную мощность энергопотребителей 76.8 мегаватт и способен выдерживать вдвое большую пиковую нагрузку 4-5 таких кабелей могут снабжать энергией весь центр Москвы.

Криогенная сверхпроводниковая технология при температуре кипения жидкого азота (77,4°К) создала предпосылки для преодоления коммерческого барьера при использовании сверхпроводниковых технологий на основе ВТСП-материалов в электроэнергетике и других областях промышленности. ВТСП-материалы превосходят традиционные НТСП-материалы как по пропускной способности, так и по соотношению качество/цена. Однако, стоимость криогенных ЛЭП остается "внебюджетной", фантастически высокой в стравнении с обычными воздушными и кабельными линиями электропередачи.

От применения криогенного сверхпроводящего оборудования и технологий в электроэнергетике ожидают:

- сокращения потерь электроэнергии примерно в 2 раза,

- снижения массогабаритных показателей оборудования,

- повышения надежности и продление срока эксплуатации электрооборудования за счет снижения старения изоляции,

- повышения надежности и устойчивости работы энергосистем,

- повышения качества электроэнергии, поставляемой потребителям,

- повышения уровня пожарной и экологической безопасности электроэнергетики,

- создания принципиально новых систем энергетики при совмещении с другими инновационными подходами за счет синергетического эффекта.

Ожидается некоторый экономический эффект от криогенных сверхпроводниковых технологий при их применении в мегаполисах и крупных городах для организации глубоких вводов мощности и создания токоограничивающих устройств, когда проведение воздушных ЛЭП просто невозможно.

К 2010 году Федеральной сетевой компанией России были достигнуты следующие результаты:

1. Разработан, изготовлен и испытан экспериментальный образец трехфазной сверхпроводящей кабельной линии длиной целых 30 метров!

напряжением до 20 кВ с целью отработки технологии изготовления кабеля и криогенной системы и проведения комплексных исследований для проверки качества принимаемых решений.

2. В ОАО "НТЦ электроэнергетики" создан полигон для испытаний сверхпроводящего оборудования. Полигон оборудован криогенератором системы Стирлинга (Голландия), современным измерительно-аналитическим оборудованием, позволяющим получать и обрабатывать характеристики сверхпроводящего оборудования.

3. В конце 2009 года ФСК ЕЭС совместно с ОАО "НТЦ электроэнергетики" успешно завершили испытания первой в России высокотемпературной сверхпроводящей (ВТСП) кабельной линии длиной 200 м напряжением 20 кВ на номинальный ток 1,5 кА. В работе принимали участие специалисты электросетевого комплекса (ОАО "ФСК ЕЭС", МГЭК, ОАО "МОЭСК"), ОАО "ЭНИН", ОАО "НТЦ электроэнергетики", ОАО "ВНИИКП", Институт низких температур, МАИ. Также в ходе реализации этого проекта Институтом низких температур МАИ под руководством ОАО "ЭНИН" создана и испытана не имеющая аналогов в мире система криоснабжения и криостатирования, построенная с использованием неона в качестве рабочего тела и содержащая элементы, позволяющие производить дополнительное охлаждение азота по длине кабеля на 10° без увеличения мощности первичного источника холода или сооружения промежуточных криогенных станций при создании ВТСП линий большой длины (до 5 км).

В 2010-2012 годах будут проведены дополнительные ресурсные испытания созданной ВТСП кабельной линии длиной 200 м совместно с новой криосистемой и осуществлен ввод созданного оборудования в опытно-промышленную эксплуатацию на подстанции 110 кВ Динамо в Москве.

В 2010-2013 годах Программой НИОКР ОАО "ФСК ЕЭС" предусмотрено создание:

пилотных проектов сетей с ВТСП-кабелями на постоянном токе и напряжении до 110 кВ, что является альтернативой строительству линий электропередачи напряжением 220-330 кВ,

ВТСП трансформатора напряжением 110/20 кВ, мощностью 50 МВА, устройства ограничения токов короткого замыкания на сверхпроводниках на напряжение 110-220 кВ,

ВТСП кабельной линии постоянного тока напряжением 20 кВ и током 2,5 кА длиной 1500 м.

Реализация программы позволит создать принципиально новую технологическую основу для российской электроэнергетики, существенно повышающую надежность и экономичность ее функционирования.

Знаете ли Вы, низкочастотные электромагнитные волны частотой менее 100 КГц коренным образом отличаются от более высоких частот падением скорости электромагнитных волн пропорционально корню квадратному их частоты от 300 тыс. км/с при 100 кГц до примерно 7 тыс км/с при 50 Гц.