Применения высокотемпературных сверхпроводников в энергетикеВплоть до последнего времени практическое применение сверхпроводников было весьма ограниченным вследствие их низких рабочих температур — менее 20К. Открытие в 1986 г. высокотемпературных сверхпроводников, которые имеют критические температуры  свыше  77К,  изменило  ситуацию,  упростив весь комплекс вопросов охлаждения (рабочая температура обмоток «выросла», они стали менее чувствительны к тепловым возмущениям). Теперь появились возможности  создания  нового  поколения  электрооборудования,  которое  в  случае  использования  низкотемпературных  сверхпроводников  оказалось  бы чрезвычайно  дорогостоящим,  нерентабельным. 

Вторая половина 90-х годов прошлого века — это начало широкого  наступления  высокотемпературной  сверхпроводимости на электроэнергетику. Высокотемпературные  сверхпроводники  можно  использовать  при  изготовлении  силовых  кабелей,  трансформаторов,  электрических  машин,  индуктивных  накопителей  энергии    неограниченным  сроком  ее  хранения), ограничителей тока и т.д. В сравнении с установленными  они  характеризуются  уменьшенными  потерями  и габаритами и обеспечивают повышение эффективности производства, передачи и распределения электроэнергии. Так, сверхпроводящие трансформаторы будут обладать  меньшей  массой  и  более  низкими  потерями,  чем трансформаторы той же мощности, имеющие обычные обмотки. Кроме того, сверхпроводящие трансформаторы  способны  ограничивать  ток  в  случае  перегрузки,  не нуждаются в минеральном масле, а значит экологичны и не подвержены риску возгорания. Сверхпроводящие ограничители  тока  имеют  лучшие  временные  характеристики, то есть менее инерционны; включение в электрическую сеть сверхпроводящих генераторов и накопителей энергии улучшит ее стабильность.

Токонесущая способность  подземных  сверхпроводящих  кабелей  может быть в 2-5 раз выше, чем у обычных маслонаполненных кабелей. Сверхпроводящие кабели гораздо компактнее, то есть существенно облегчается их прокладка в условиях насыщенной городской/пригородной инфраструктуры.  Показательны  технико-экономические  расчеты южно-корейских  энергетиков,  проведенные  в  рамках долговременного  планирования  электрических  сетей сеульского региона. Их результаты свидетельствуют о том, что прокладка ЛЭП на 154 кВ, 1 ГВт сверхпроводящими  кабелями  обойдется  на  38 %  дешевле,  чем обычными.  Сюда  включаются  расходы  на  конструирование и монтаж кабеля и кабелепроводов (учитывается уменьшение числа требуемых ниток и, соответственно, уменьшение общего количества кабеля в км и уменьшение внутреннего диаметра кабелепроводов).

Европейские специалисты при проработке схожих вопросов обращают внимание на тот факт, что по сверхпроводящим  кабелям  можно  передавать  большие  мощности при  значительно  более  низком  напряжении.  Следовательно, уменьшится электромагнитное загрязнение окружающей  среды.  При  проектировании  электрических сетей  в  густонаселенных  районах  можно  будет  отказаться от линий сверхвысокого напряжения, прокладка которых  уже  сейчас  встречает  серьезное  сопротивление общественности, особенно «зеленых». Вселяет оптимизм и оценка, сделанная в США: внедрение  сверхпроводящего  оборудования  (речь  идет  о генераторах, трансформаторах и двигателях) и кабелей в национальную энергетику позволит сэкономить до 3 % всей электроэнергии. При этом, широкое распространение  последних  можно  ожидать  через  20  лет. 

Было подчеркнуто, что основные усилия разработчиков необходимо сосредоточить на:

1) повышении эффективности криосистем;

2) повышении токонесущей способности  сверхпроводящих  проводов  (важно  снизить  динамические потери и увеличить долю сверхпроводника по сечению провода);

3) снижении стоимости сверхпроводящих проводов (в частности, за счет роста производительности);

 4) снижении расходов на криогенное оборудование.

Отметим, что наивысшая достигнутая на сегодняшний день «инженерная» критическая плотность тока (критический ток, деленный на полную площадь сечения) двухсотметрового отрезка ленты на основе Bi-2223 составляет 14-16 кА/см 2 при температуре 77К. В развитых странах осуществляется плановая коммерциализация  технологий  высокотемпературных сверхпроводников. Показательна с этой точки зрения американская программа «Сверхпроводимость для электроэнергетики 1996-2000 гг.». Согласно этой программе,  включение  сверхпроводящих  компонент  в электрооборудование обеспечит глобальное стратегическое  преимущество  промышленности  США  в  ХХI в. При этом, следует иметь в виду, что по оценкам Всемирного банка за грядущий 20-летний период (то есть к 2020 г.) ожидается 100-кратный рост объема продаж сверхпроводящего  оборудования    рынок  электроэнергетических  устройств  вырастет  до  32 млрд долл. (общий  рынок  сверхпроводников,  включающий  такие области применения, как транспорт, медицина, электроника и наука, достигнет уровня 122 млрд долл.).

 Заметим, что Россия наряду с США и Японией сохраняла лидерство  в  области  развития  сверхпроводящих  технологий до начала 90-х годов ХХ в. С другой стороны, интересы  промышленно-технической  безопасности России несомненно требуют их энергичного использования как в электроэнергетике, так и в других отраслях. Прогресс сверхпроводящей технологии и ее «продвижение» на мировой электроэнергетический рынок сильно  зависят  от  результатов  демонстрации  и  успешной работы полноразмерных прототипов по всем видам продукции. Каковы  же  достижения  мирового  сообщества  в этом направлении? В Японии под патронажем Министерства экономики, торговли и промышленности осуществляется долговременная  программа  «Super-ACE  project»  в  области разработки  мощного  ВТСП-оборудования,  в  первую очередь, силовых кабелей.

 Проект разделен на две фазы: фаза 1 (2001-2004 гг.) и фаза 2 (2005-2009 гг.).

Координаторами  проекта  являются  Организация  по  развитию новых технологий в энергетике и промышленности (NEDO) и Исследовательская ассоциация по сверхпроводящему оборудованию и материалам (Super-GM). В  проекте  задействованы  TEPCO,  CHUDEN,  KEPCO, Furukawa, Sumitomo, Fujikura, Hitachi и др. (ВТСП-кабели); KEPCO, Sumitomo, Toshiba и др. (ВТСП-ограничители тока); TEPCO, KEPCO, Fuji Electric и др. (ВТСП-магниты). В области кабелей работы сосредоточатся на разработке  ВТСП-проводни-ка  с  малыми  динамическими потерями  и  охлаждающей  системы,  способной  долговременно  поддерживать  рабочую  температуру  кабеля (около 77К) длиной 500 м. Согласно программе, фаза 1 заканчивается изготовлением десятиметрового кабеля на 66-77 кВ (3 кА), имеющего динамические потери не более 1 Вт/м, а фаза 2 — изготовлением пятисотметрового кабеля на 66-77 кВ (5 кА) с такими же потерями. Работы  в  рамках  фазы  1  идут  успешно    отработана конструкция  кабеля,  изготовлены  и  испытаны  первые отрезки, создана и испытана система охлаждения.

 Параллельно,  с  1993  г.,  фирмы  TEPCO,  Furukawa, Sumitomo ведут еще один проект по развитию электрических  сетей  токийского  региона,  в  том  числе  сверхпроводящих. В рамках этого проекта проанализирована возможность подземной прокладки ВТСП-кабеля на 66 кВ (три фазы), имеющего диаметр 130 мм (его можно монтировать в существующих кабелепроводах диаметром 150 мм), вместо обычного однофазного кабеля на 275 кВ. Оказалось, что даже в случае строительства новых  кабелепроводов,  расходы  на  сверхпроводящую линию будут на 20 % ниже (исходя из цены сверхпроводящего провода 40 долл. за 1 кА•м). Этапы проекта последовательно выполняются: к 1997 г. смонтирована тридцатиметровая  (однофазная)  прототипная  линия  с замкнутым циклом охлаждения. Она была испытана под нагрузкой 40 кВ/1 кА в течение 100 час. К весне 2000 г. изготовлено 100 метров кабеля на 66 кВ (1 кА)/114 МВА — полноразмерного прототипа диаметром 130 мм (конструкция с «холодным» диэлектриком). Масштабный подход к этой проблеме демонстрируют США. В 1989 г. по инициативе EPRI началось детальное исследование применения высокотемпературных сверхпроводников, и уже в следующем году фирмы Pirelli  Cables  and  Systems  и  American  Superconductor Corp. разработали технологию изготовления сверхпроводящих  лент  Bi-Sr-Ca-Cu-O  (метод  «порошок  в  трубке»).

 В дальнейшем American Superconductor постоянно наращивала  производственные  мощности,  добившись показателя 100 км ленты в год, а в ближайшем будущем, с вводом в строй нового завода в г. Дивенсе (штат Миннесота), эта цифра дойдет до 10000 км в год. Прогнозируемая цена ленты составит 50 долл. за 1 кА•м (сейчас фирма предлагает ленту по 200 дол. за 1 кА•м). Следующий  важнейший  этап    это  появление  так называемой партнерской инициативы в области сверхпроводимости (Superconductivity Partnership Initiative — SPI)  для  ускоренной  разработки  и  внедрения  энергосберегающих электрических систем. Вертикально интегрированные  SPI-команды,  включающие  партнеров из  промышленности,  национальные  лаборатории  и эксплуатационные  компании,  уже  осуществили  два серьезных проекта. Одним из них является полноразмерный прототип — сверхпроводящая трехфазная линия (Pirelli Cavi e Sistemi,  American  Superconductor  Corp.,  EPRI,  LANL  и др.),  связавшая  низковольтную  сторону  трансформатора 124 кВ/24 кВ (мощность 100 МВА) с 24 кВ-шинами двух распределительных подстанций, находящихся на расстоянии 120 м (станция Фрисби компании Детройт Эдисон, г. Детройт).

Успешные испытания линии прошли  в  1999  г.,  после  чего,  впервые  в  мире,  электроэнергия поступила к потребителям, «пройдя» по сверхпроводящим кабелям на основе Bi-Sr-Ca-Cu-O. Три таких  кабеля  (конструкция  с  «теплым»  диэлектриком, причем каждый проводник был изготовлен одной длиной  в  420  м)  заменили  девять  обычных  кабелей  при одинаковой  токонесущей  способности    каждый  кабель рассчитан на 2400 А (потери 1 Вт/м на фазу) и проложен в существующих стомиллиметровых подземных каналах. При этом, траектория прокладки имеет повороты на 90 о : кабель допускает изгиб с радиусом 0,94 м. Подчеркнем, что это первый опыт прокладки сверхпроводящего  кабеля  в  действующей  распределительной сети, в энергетическом хозяйстве большого города. Второй  проект    это  тридцатиметровая  сверхпроводящая  линия  (Southwire  Company  и  ORNL)  на 12,4 кВ/1,25 кА (60 Гц) которая была пущена в эксплуатацию 5 января 2000 г. (рабочая температура 70-80К, охлаждение  жидким  азотом  под  давлением).

 Линия, представляющая собой три трехфазных сверхпроводящих  кабеля,  обеспечивает  электроэнергией три  промышленные  установки  в  штаб-квартире Southwire Company, в Каролтоне (штат Джорджия). Потери при передаче составляют около 0,5 % по сравнению с 5-8 %, а передаваемая мощность в 3-5 раз выше, чем при использовании традиционных кабелей того же диаметра.  В  январе  2001  г.  в  праздничной  атмосфере была отмечена годовщина успешной работы линии со 100 %-ной нагрузкой в течение 5000 час. Еще три проекта стартовали в 2003 г., работы по ним находятся  в  начальной  стадии.  Самый  интересный  из них  (American  Superconductor  и  др.)  включает  монтаж подземной сверхпроводящей линии на 600 МВт/138 кВ длиной около 1 км, которая будет включена в действующую  сеть  Long  Island  Power  Authority  на  полную  нагрузку и пройдет по существующим кабелепроводам в Ист-Гарден-Сити  на  Лонг-Айленде.  Необходимый  кабель будет  изготовлен  специалистами фирмы Nexans (Германия), на основе сверхпроводника, выпущенного на уже упоминавшемся заводе в Дивенсе, а криогенное оборудование  поставит  фирма  Air  Liquide.  При  этом, Министерство энергетики США финансирует эти работы наполовину, вкладывая около 30 млн долл.; остальное обеспечивают партнеры. Данную линию планируется ввести в строй к концу 2005 г.

 В  Дании  (NKT)  в  1994 г.  начался  проект,  в рамках  которого  сначала  был  изготовлен  трехфазный сверхпроводящий кабель, рассчитанный на 36 кВ/2 кА (конструкция  с  «теплым»  диэлектриком,  охлаждение жидким азотом под давлением; критический ток достигает 2,7 кА на одну фазу (Т=79К)). При этом особое внимание  уделялось  разработке  проводника  (всего  19  км ленты на основе Bi-2223), концевых устройств, а также его  подключению.  Затем,  в  конце  2000  г.,  кабель  был проложен,  а  к  весне  2001  г.  успешно  испытан  на  подстанции острова Амагер (южная часть Копенгагена), которая поставляет электроэнергию 50 тыс. потребителей, включая  частные  дома,  офисы  и  осветительную  сеть (мощность выходного трансформатора 100 МВА). Тридцатиметровая сверхпроводящая линия начала функционировать 28 мая 2001 г.: сначала сверхпроводящий кабель включили параллельно с обычным, а позже он работал уже «в одиночку», причем номинальный ток составил 2 кА, потери — менее 1 Вт/м (рабочая температура лежала в пределах 74-84К). Кабель передает 50 % всей энергии подстанции и заменяет медные кабели с суммарным сечением жил 2000 мм 2 . К маю 2002 г. кабель эксплуатировался 1 год, находясь в захоложенном состоянии; за это время он «поставил» 101 МВт•ч электроэнергии 25 тыс. датчан — владельцам частных домов. Изменения характеристик кабеля не отмечено, все криогенные системы действуют стабильно. Кроме датского, любопытен общеевропейский проект  по созданию межсистемной связи — специальной трехфазной сверхпроводящей линии длиной 200 м, которая рассчитана на 20 кВ/28 кА.

Для его реализации организован  консорциум,  в  который  входят  Nexans (Германия),  Alsthom  (Франция),  Laboralec  (Бельгия),  а также  специалисты  из  Геттингена  (ZFW)  и  Тампере (Tampere University of Technology). Среди европейских изготовителей сверхпроводящих кабелей выделяется фирма Pirelli Cavi e Sistemi. Ее производственные  мощности  позволяют  выпускать  12  км сверхпроводника в год. Значительное событие — изготовление  фирмой  двадцатиметрового  коаксиального сверхпроводящего  кабеля  (конструкция  с  «холодным» диэлектриком), рассчитанного на 225 кВ. Pirelli совместно с американскими специалистами (Edison и CESI) участвует  в  проекте  по  созданию  тридцатиметрового кабеля-прототипа на 132 кВ/3кА (1999-2003 гг.). Переходя от кабелей к крупному электрооборудованию — трансформаторам, отметим, что из всей энергии, теряемой при передаче, на них приходится 50-65 %. Ожидается, что с внедрением сверхпроводящих трансформаторов  эта  цифра  уменьшится  вдвое,  причем  их КПД  будет  доходить  до  99,94 %. 

Сверхпроводящие трансформаторы смогут успешно конкурировать с обычными только при выполнении соотношения (P s /k) < P c , где Р с — потери в обычном трансформаторе, P s — потери  в  сверхпроводящем  трансформаторе  (при  рабочих температурах), k — холодильный коэффициент рефрижератора. Современная технология, в частности криогеника, позволяет удовлетворить это требование. В Европе первый прототип трехфазного трансформатора (630 кВА; 18,7 кВ/420 В) на высокотемпературных сверхпроводниках был изготовлен в рамках совместного  проекта  ABB,  EdF  (Electricite  de  France), American  Superconductor  и  SIG  (Services  Industriels  de Geneve) и пущен в строй в марте 1997 г. — его включили в электрическую сеть Женевы, где он проработал более года,  обеспечивая  энергией  здание  SIG.  Обмотки трансформатора  выполнены  проводом  на  основе Bi-2223,  охлаждаемым  жидким  азотом,  а  сердечник трансформатора находится при комнатной температуре. Потери оказались довольно высокими (3 Вт на 1 кА•м), поскольку конструкция проводника не была оптимизирована для использования на переменном токе.

Второй проект тех же участников — ABB, EdF и ASС — это трансформатор на 10 МВА (63 кВ/21 кВ), который в 2001 г. прошел полный цикл лабораторных испытаний и в 2002 г. был включен во французскую энергосистему. Специалисты АВВ еще раз подчеркнули, что сейчас основной  проблемой  разработки  экономичного  сверхпроводящего оборудования, в частности трансформаторов, является наличие провода с малыми потерями и высокой  критической  плотностью  тока  в  магнитном  поле, генерируемом обмотками. Провод должен, кроме того, обеспечивать токоограничивающую функцию. В Японии (Fuji Electric, KEPCO и др.) сконструировали прототип сверхпроводящего трансформатора на 1 МВА (22 кВ (45,5 А)/6,9 кВ (145 А)), который в июне 2000 г. был включен в сеть лектроэнергетической компании Kyushu. В  завершающей  стадии  находится  разработка  (Kyushu University  и  Railway  Technical  Research  Institute  (Токио)) трансформатора  на  2,5 МВА  (25  кВ/1,2  кВ),  который предназначен  для  установки  на  электроподвижном  составе. Предварительные расчеты свидетельствуют о том, что его масса должна быть на 20 % меньше, чем у обычного трансформатора той же мощности.

В США успешно прошла демонстрация сверхпроводящего трансформатора на 1 МВА, начаты работы по  аппарату  мощностью  5  МВА  (фирмы  Waukesha Electric  Systems,  IGC-Superpower,  Rochester  Gas  and Electric, а также ORNL). Немецкие специалисты (Siemens) создали прототип трансформатора  на  1  МВА    перспективе  разработка аппаратов на 5-10 МВА) с обмотками на основе Bi-2223, который можно устанавливать на локомотивах электроподвижного  состава  в  корпус,  предназначенный  для обычного  трансформатора.  Масса  сверхпроводящего трансформатора на 35 % меньше, чем у обычных, а КПД достигает 99 %. Расчеты показывают, что его применение обеспечит экономию до 4 кВт на один состав и годовое снижение выбросов СО 2 на 2200 т на один состав. Сложнее обстоит дело с синхронными электрическими машинами на высокотемпературных сверхпроводниках.

Известно, что мощность обычной электрической машины пропорциональна ее объему V; нетрудно показать, что мощность сверхпроводящей машины пропорциональна V 5/3 , поэтому выигрыш в снижении габаритов будет иметь место только для машин большой мощности,  например,  генераторов  или  корабельных  двигателей.  Именно  здесь  следует  в  первую  очередь  ожидать внедрения сверхпроводящих технологий (рис. 1).

Некоторые аспекты применения высокотемпературных сверхпроводников в энергетике 1

 С  другой  стороны,  оценки  свидетельствуют  о  том, что для генератора мощностью 100 МВт необходим высокотемпературный сверхпроводник, имеющий критическую плотность тока 4,5•10 4 А/см 2 в магнитном поле 5 Тл. При этом, его механические свойства, а также цена, должны быть сравнимы с Nb 3 Sn. К сожалению, пока не  существует  высокотемпературных  сверхпроводников, полностью удовлетворяющих этим условиям. С  этим,  видимо,  и  связана  невысокая  активность американских,  европейских  и  японских  фирм  в  данной области. Среди них — успешный демонстрационный  проект  American  Superconductor  совместно  с Rockwell Automation/Reliance Electric (партнеры по уже упоминавшейся  SPI)  синхронного  двигателя  на 746 кВт и дальнейшая разработка машины на 3730 кВт.

Сейчас  специалисты  American  Superconductor  конструируют  также  судовой  двигатель  и  генератор.  В Германии фирма Siemens предлагает синхронный двигатель 380 кВт на высокотемпературных сверхпроводниках.  В  Финляндии  создана  и  испытана  четырехполюсная синхронная машина на 1,5 кВт с трековыми обмотками, выполненными проводом на основе Bi-2223; ее рабочая температура составляет 20К. Кроме того, существует ряд других применений высокотемпературных сверхпроводников в электромашиностроении.  Так,  керамику  высокотемпературных сверхпроводников можно использовать при изготовлении пассивных магнитных подшипников для небольших высокоскоростных двигателей, например, для насосов, перекачивающих сжиженные газы.

 Работа одного из таких двигателей, на 12000 об/мин, недавно была продемонстрирована в Германии. В рамках совместной российско-германской программы сконструирована серия гистерезисных  двигателей  (мощностью  100-1000  Вт), содержащих элементы из текстурированной керамики Y-Ba-Cu-O. В сравнении с обычными эти двигатели имеют более высокие характеристики (момент и удельную мощность) и могут применяться в крионасосах. Еще  одна  сфера  «деятельности»  высокотемпературных сверхпроводников — устройства, ограничивающие ток короткого замыкания до номинальной величины. Наиболее подходящими материалами для сверхпроводниковых ограничителей считаются керамики  Bi-Sr-Ca-Cu-O  (Bi-2212)  и  Y-Ba-Cu-O,  причем разработки  этих  аппаратов  ведут  основные  электротехнические  фирмы  в  Великобритании,  Германии, Франции, Швейцарии, США, Японии и других странах. Одной из первых моделей (фирма АВВ) был ограничитель индуктивного типа на 10,5 кВ/1,2 МВА, имеющий элемент из Bi-2212, помещенный в криостат. Эта же фирма выпустила компактный прототип — ограничитель резистивного типа на 1,6 МВА, который значительно меньше первого. В ходе испытаний ток 13,2 кА был ограничен в первом пике до 4,3 кА. Из-за нагрева ток 1,4 кА ограничивается за 20 мс и 1 кА за 50 мс.

Конструкция  ограничителя  представляет  собой  экран  из Bi-2212,  имеющий  площадь  0,25  м 2 и  толщину  3  мм (масса 50 кг). В нем прорезаны каналы, что позволяет иметь  эквивалентную  длину  сверхпроводника  200  м. Следующий  прототип  по  этой  схеме  был  испытан  на 6,4 МВА. Уже сейчас возможно создание ограничителя на 10 МВА, а выпуск коммерческих ограничителей такого типа можно ожидать в ближайшее время. Следующей целью АВВ является ограничитель на 100 МВА. Специалисты фирмы Siemens опробовали индуктивные  ограничители:  трансформатор  с  экранированием стального сердечника сверхпроводниковой обмоткой и второй вариант — сверхпроводник выполнен в виде цилиндра, на нем намотана медная обмотка. У ограничивающего  сопротивления  имеются  омическая  и  индуктивная компоненты. Из-за возможных перегревов в зонах с омическим сопротивлением ток короткого замыкания должен как можно быстрее отключаться обычным выключателем.  Возвращение  в  сверхпроводящее  состояние  в  жидком  азоте  требует  нескольких  десятков секунд, после этого ограничитель готов к работе. В  дальнейшем  был  принят  более  простой,  резистивный  ограничитель,  в  котором  сверхпроводник включается непосредственно в сеть и быстро теряет сверхпроводимость, как только ток короткого замыкания  превысит  критическое  значение.  Из-за  нагрева сверхпроводника механический выключатель должен разорвать  цепь  в  течение  нескольких  полупериодов; охлаждение  сверхпроводниковой  части  приводит  к сверхпроводящему состоянию. Время возврата ограничителя составляет 1-2 с.

Однофазную модель такого ограничителя мощностью 100 кВА испытали на рабочем напряжении 6 кВ при номинальном токе 100 А. Возможный  ток  короткого  замыкания,  равный  11  кА, был ограничен до тока 300 А менее чем за 1 мс. Фирма Siemens продемонстрировала также ограничитель на 1 МВА на стенде в Берлине, причем запланировано изготовление прототипа мощностью 12 МВА. В США первый ограничитель — он имел индуктивно-электронную  схему    разработан  компаниями General Atomic, Intermagnetics General Corp. и др. Десять лет назад в качестве демонстрационного образца был установлен ограничитель тока на испытательном стенде Norwalk энергокомпании Southern California Edison. При номинальном токе 100 А максимально возможный ток короткого замыкания 3 кА ограничивается до 1,79 кА. В 1999 г. сконструирован аппарат на 15 кВ с рабочим током 1,2 кА, предназначенный для ограничения тока короткого замыкания 20 кА до значения 4 кА. Во Франции специалистами компаний GEC Alsthom, Electricite de France и др. испытан ограничитель на 40 кВ: он снизил ток короткого замыкания с 14 кА (начальный ток до замыкания составлял 315 А) до 1 кА за несколько микросекунд. Остаточный ток короткого замыкания был отключен в течение 20 мс обычным выключателем. Варианты ограничителей разработаны на 50 и 60 Гц. В Великобритании компания VA TECH ELIN Reyrolle разработала ограничитель гибридного (резистивно-индуктивного) типа, который в ходе испытаний на стенде (11 кВ, 400 А) снижал ток короткого замыкания с 13 кА до 4,5 кА. При этом, время реакции ограничителя менее 5 мс, ограничивается уже первый пик; время работы ограничителя 100 мс. Ограничитель (трехфазный) содержит 144 стержня из Вi-2212, а его габариты 1 х 1,5 х 2 м.  

Некоторые аспекты применения высокотемпературных сверхпроводников в энергетике 2В Японии сверхпроводящий ограничитель тока изготовлен совместно фирмами Toshiba и TEPCO — индуктивного типа, на 2,4 МВА; он содержит элемент из массивной керамики Bi-2212. Все перечисленные проекты — это прототипы «начального периода», которые призваны продемонстрировать  возможности  сверхпроводящей  технологии, ее значимость для электроэнергетики, но все же они являются  не  настолько  представительными,  чтобы можно  было  ожидать  немедленного  промышленного внедрения и успешный маркетинг. Первая причина такой осторожности состоит в том, что проводники на основе Bi-Sr-Ca-Cu-O еще находятся в стадии разработки и в настоящее время изготавливаются  с  критической  плотностью  тока  J c на  уровне 30 кА/см 2 длинами только около километра. Дальнейшее улучшение этих проводников (усиление пиннинга, повышение плотности жил, введение барьеров вокруг них и т.д.) должно привести к увеличению J c до 100 кА/см 2 и более.  Это  окажет  существенное  влияние  на  прогресс сверхпроводящей технологии и стимулирует разработку новых  конструкций  оборудования  и  кабелей.  Определенные надежды связывают также с успехами в получении проводников со сверхпроводящим покрытием (это следующее поколение сверхпроводящих проводов), обладающих заметно более высокой J c в магнитном поле до нескольких Тл. Здесь возможно изготовление сверхпроводящих лент, способных нести токи на уровне 1 кА при разумных производственных расходах. В США эти ленты  разрабатываются  такими  фирмами,  как  3M, American  Superconductor  Corp.,  MicroCoating Technologies,  Midwest  Superconductivity  и  Oxford Superconductor Technology.

Вторая причина кроется в том, что вопросы стандартизации проводников Bi-Sr-Ca-Cu-O и нормативная база, необходимая для их применения в области передачи и распределения электроэнергии, недостаточно проработаны. Как правило, стандарты содержат руководство по проведению механических, тепловых и электрических  испытаний  материалов  и  оборудования.  Поскольку сверхпроводящие устройства нуждаются в криогенных системах, то их тоже необходимо специфицировать. Таким образом, до внедрения сверхпроводимости в электроэнергетику требуется создать целую систему стандартов: они должны гарантировать высокую надежность всей сверхпроводящей продукции (рис. 2).

В  Европе  предпринимается  ряд  мероприятий  в этом направлении. Семь групп специалистов из четырех европейских стран объединены в совместный проект Q-SECRETS (он субсидируется ЕС) по мониторингу качества  сверхпроводников  для  эффективных,  компактных  и  высоконадежных  систем  электропередачи.

 Одна из основных целей проекта — помощь в создании  и  расширении  «сверхпроводящего»  сектора  на рынке передачи и распределения электроэнергии. В  заключение  надо  отметить,  что,  несмотря  на большие  потенциальные  возможности  применения высокотемпературных  сверхпроводников  в  электроэнергетике, потребуются значительные усилия исследователей и разработчиков, чтобы сделать сверхпроводящую продукцию жизнеспособной в условиях современной рыночной экономики. В то же время, оценки на близкое будущее дают повод для оптимизма.

 Автор: Покровский Д.В., ВИНИТИ РАН


Рекомендуйте эту статью другим!