регулятор реактивной мощности Компенсация реактивной мощности, УКРМ
По всем вопросам пишите и звоните: E-mail: ukrm2014@gmail.com  моб:8-987-961-7173  Skype: ukrm2010  
Что, где и почем?
Индикаторы ЕЭС

Системный оператор Единой энергетической системы

Авторизация !





Забыли пароль?
Вы не зарегистрированы. Регистрация
Оборудование для ФСК ЕЭС
Реестр №2 ФСК ЕЭС
Реестр №2 ФСК ЕЭС
Последние новости
 
Главная arrow Статьи arrow Сверхпроводники – инновационный путь к энергосбережению в электроэнергетике
Качество электроэнергии и энергосбережение
    Нормативные документы по качеству электроэнергии и энергосбережению             Производители приборов - анализаторов электросети             Энергоаудит, консалтинг и инжиниринг             Библиография и глоссарий     
Сверхпроводники – инновационный путь к энергосбережению в электроэнергетике Версия для печати Отправить на e-mail
06.06.2010
Image Использование высокотемпературных сверхпроводников - инновационный путь
к энергосбережению в электроэнергетике


     По материалвм VI Международной конференции ТРАВЭК "Энергосбережение в электроэнергетике и промышленности" Москва, 17-18 марта 2010г.
    
     Сегодня главными направлениями в развитии электроэнергетики  становятся   качество электроэнергии, эффективность ее выработки  и  энергосбережение при распределении и использовании.  Сделать это можно только с внедрением  нового поколения электротехнических устройств, основанных на передовых технологиях, в том числе и с использованием эффекта сверхпроводимости.

История вопроса

      Реальные работы в этой области начались после открытия интерметаллического соединения Nb3 Sn. Это было время низкотемпературной сверхпроводимости, так как рабочие температуры сверхпроводящих материалов не превышали 10К  и  хладагентом  мог служить только жидкий гелий. Именно это было главным  препятствием для  широкого применения  сверхпроводников:  высокая стоимость сверхпроводника и жидкого гелия, а также криогенно-вакуумного оборудования.  
      Новые возможности перед разработчиками сверхпроводящих электротехнических устройств  появились с открытием  высокотемпературных сверхпроводящих материалов (ВТСП): использование в системе охлаждения  жидкого азота вместо гелия позволило проектировать и создавать экономически выгодные сверхпроводящие устройства.  В настоящее время  применяются практически два вида сверх проводящих материалов: керамические соединения на основе висмута ( BSCCO) и иттрия (YBCO) с критической температурой  105-120К и  90-92К соответственно (Рис.1):


Image
Рис.1

 

      Надо отметить, что у ВТСП есть характерные особенности, которые используются при создании электротехнических устройств на их основе:

1. Очень малые потери при большой плотности тока;
2. Переход от практически нулевого сопротивления к высокому сопротивлению
  при превышении током определенного значения (так называемого критического тока).

      Сегодня в мире ведутся активные исследования и разработки различного электрооборудования на основе высокотемпературных сверхпроводников: трансформаторов, силовых кабелей, токоограничителей  и электродвигателей.  Наиболее значительные успехи достигнуты в создании силовых кабелей и токоограничивающих устройств.

Силовые кабели  на основе ВТСП.

     Повышение передаваемой мощности с использованием силовых кабелей из традиционных материалов (медь, алюминий) решается сегодня, в основном, за счет увеличения электрического напряжения и снижения номинальной плотности тока. Максимально достигнутые значения электрического напряжения находятся на уровне 500 кВ и не превышают значения 800 кВ для разработок. Это ограничивает передаваемую мощность на уровне 0,5 – 1.5 ГВт. При этом требуются особые условия прокладки, и возникает ряд экологических проблем: блуждающие токи, разогрев почвы, электромагнитные излучения и засорение почвы маслами вблизи подстанций и в местах повреждения кабеля. Кроме того, необходимо создание компенсаторов реактивной мощности, а длина кабельной линии ограничивается на уровне нескольких десятков километров.
     Наиболее эффективным способом значительного (в 3…8 раз) увеличения мощности распределительных сетей (без изменения напряжения в сетях) может быть достигнуто путем замены традиционных силовых кабелей сверхпроводящими кабелями. Появление высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) создало принципиально новые возможности для практического использования этого явления. 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.
     Использование сильноточных сверхпроводящих кабельных линий позволяет, прежде всего, изменить и упростить архитектуру сети. Это связано с тем, что сверхпроводящие кабели по своим интегральным характеристикам находятся существенно ближе к генераторам, чем другие системы передачи электроэнергии. Генераторы производят электроэнергию при сравнительно низком напряжении (до 24кВ). После генератора обычно устанавливается повышающий трансформатор напряжения, чтобы увеличить эффективность передач электроэнергии на большие расстояния, а вблизи потребителей располагаются понижающие подстанции. Все эти повышающие и понижающие подстанции и воздушные ЛЭП в ряде случаев могут бать заменены сверхпроводящей кабельной линией, передающей всю вырабатываемую генератором электроэнергию на генераторном напряжении без его преобразования. Такая схема особенно эффективна при энергоснабжении крупных потребителей электроэнергии: мегаполисов, больших металлургических и химических предприятий и т.д.
     Исследования и разработки сверхпроводящих кабелей (СПК)  начались в 70-х годах прошлого века. Использовались сверхпроводники первого поколения, а в качестве хладагента использовался жидкий гелий. Были разработаны и испытаны модели СПК длинами от 1м до 115 м. Испытания подтвердили работоспособность и высокие рабочие параметры СПК. За рубежом наиболее последовательно эти работы проводились в Брукхэйвенской национальной лаборатории (Brookhaven National Laboratory, BNL),США. В России над созданием СПК работали в ЭНИН, ВЭИ и во ВНИИКП примерно с 1970 г. К 80-м годам из всех возможных концепций конструктивного исполнения кабеля возобладала концепция полностью гибкого кабеля (ГСПК) с гибкими жилами и криостатирующими оболочками (Рис.2):


Image
Рис.2

 

     В BNL был создан стенд и испытаны на номинальные рабочие параметры 115 метровый отрезок кабеля. Во ВНИИКП был изготовлен кабель длиной 50 м, создан стенд и испытана одна фаза кабеля переменного тока с параметрами: критический ток 8,6 кА и электрическое напряжение до 110кВ. В 1984 г. и 1986 г. изготовлены два кабеля длинами по 50 м  с критическими токами, равными 78 кА и 126 кА (Рис.3):


Image
Рис.3

 

Реализованные в экспериментах токи являются рекордными в мире и по сегодняшний день. Однако, как уже отмечалось, из-за высокой стоимости сверхпроводника и жидкого гелия, а также криогенно-вакуумного оборудования, низкотемпературные СПК не были востребованы и работы над ними к 1990г. были свернуты во всем мире; только с появлением ВТСП сверхпроводящие кабели стали применяться на практике.
Конструктивно кабели можно условно разделить на кабели с «теплой» и «холодной» изоляцией. Все современные кабели с ВТСП изготавливаются с «холодной» изоляцией. Пример конструкции кабеля показан на Рис.4:


Image
Рис.4


 
     В настоящее время проводятся не менее 10-ти крупных проектов СПК на основе ВТСП. В июле 2006 г. компании Sumitomo и SuperPower совместно с энергетической компанией штата Нью-Йорк запитали в г.Олбани 350-м ВТСП кабель. Рабочий ток – 800 А. напряжение 34,5 кВ. Тип кабеля «три-в-одном» - в едином криостате расположены все три фазы кабеля. В процессе эксплуатации в сети произошло одно короткое замыкание с максимальным током 7,5 кА. С кабелем не произошло никаких неприятностей, и после короткой проверки он вновь был поставлен под нагрузку. На втором этапе испытаний в 2007 году в этом кабеле была проведена замена начального участка  длиной 30 м на вставку из ВТСП 2-го поколения (Рис.5 и 6):


Image
Рис.5


 
Image
Рис.6


 
     Наиболее известным проектом силового кабеля является проект LIPA – кабель длиной 600 м в настоящее время установлен на острове Лонг-Айленд в системе энергоснабжения Нью-Йорка. Кабель имеет рабочий ток 2400 А при напряжении 138 кВ и передаваемую мощность 574 МВА. Три фазы кабеля располагаются в отдельных криостатах, кабель проложен в условиях реальной городской застройки (Рис.7 и 8):


Image
Рис.7


 
Image
Рис.8


 
     В России успешно завершены проекты по созданию 3-х фазного кабеля на основе ВТСП длиной 30 и 200метров 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 50МВА (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 (Рис.9).


Image
Рис.9



 
В настоящее время разрабатываются еще ряд крупных проектов:

- кабельная линия 1,5 км в системе питания Нового Орлеана (США);
- кабельные линии с функцией токоограничения, соединяющие две подстанции и потребителей  в Нью-Йорке (проект GIDRA);
- дальнейшее развитие проекта LIPA;
-проект межсистемной связи постоянного тока мощностью до 5 ГВА (Superconductor Electricity Pipeline) (США);
- создание 5 км линии в системе питания Большого Токио;
- создание сверхпроводящего кольца в системе энергопитания Сеула общей длиной более 20 км.

Ограничители тока КЗ на основе ВТСП.

     Разработанные сверхпроводящие ограничители тока (СОТ) резистивного типа на основе ВТСП – принципиально новые электротехнические устройства с большой глубиной ограничения токов КЗ. Принцип действия СОТ основан на переходе ВТСП от состояния сверхпроводимости к высокому сопротивлению при достижении критического тока. То есть в нормальных режимах СОТ практически не оказывает влияния на режим работы сети, а в аварийных вводит в сеть реактанс, необходимый для ограничения токов КЗ до требуемого уровня.
Специалистами Российского научного центра «Курчатовский институт»  создан однофазный макет СОТ на ВТСП 2-го поколения для  железнодорожного транспорта.  Дело в том, что для систем тягового электроснабжения  важной особенностью является высокая частота возникновения коротких замыканий, что приводит к частым повреждениям контактной сети и питающим ее понижающим трансформаторам. Применение же традиционных токоограничивающих устройств – реакторов и индуктивно-емкостных ограничителей недопустимо: первые снижают напряжение на токоприемниках электроподвижного состава, а вторые обладают малой глубиной ограничения токов КЗ. Разработанный СОТ - однофазное устройство с номинальным напряжением 3,5 кВ и током 250 А (действующее значение), представляющее собой размещенную в заполненном жидким азотом криостате сборку из восьми токоограничивающих элементов в виде цилиндрических безиндуктивных катушек намотанных из ВТСП проводника 2-го поколения типа SF12100 производства компании SuperPower (США) Ниже, на Рис.10 показаны
слева сборка СОТ из 8 резистивных элементов, справа - криостат (сосуд Дьюара):


Image
Рис.10


 
На Рис.11 представлены осциллограммы тока и напряжения на одиночном токоограничивающем элементе в ходе опыта по имитации короткого замыкания:


Image
Рис.11


 
Специалистами ВЭИ разработан макет СОТ с эффективным ограничением тока до 1000А при токе КЗ порядка 9 кА, с ВТСП SF 12100 на основе немагнитного высокорезистивного сплава Hastelloy компании SuperPower На Рис.12 показаны слева один элемент СОТ, справа - СОТ в сборе:


Image
Рис.12


 
     Особенность этой разработки состоит в том, что уменьшение объёма ВТСП, а значит и стоимости СОТ в целом, без снижения его эксплуатационных характеристик, в особенности допустимого нагрева ВТСП, достигается путём уменьшения длительности протекания тока в режиме токоограничения. Для этой цели последовательно с ВТСП предлагается включить быстродействующий выключатель, например вакуумный выключатель со сверхбыстродействующим приводом. Осциллограммы тока КЗ Io и тока ограничения Ilim при Uo = 4 кВ представлены на Рис.13:


Image
Рис.13



 
Заключение.

Прогресс в разработке новых ВТСП позволяет создавать экономически выгодные сверхпроводящие электротехнические устройства. Сегодняшний уровень разработок в этой области уже продемонстрировал их существенные преимущества, позволяет реально оценить их характеристики и приступить к разработке и реализации коммерческих проектов.

В статье использованы материалы докладов VI Международной конференции ТРАВЭК:

1. Сытников В.Е., Высоцкий В.С.  «Сверхпроводящие кабельные линии – высокоэффективный элемент энергетических систем будущего»
ОАО «ВНИИКП», г.Москва

2. Благов Е.В., Волков Э.П., Высоцкий В.С., Киселев А.Н., Осетров С.Ф., Сытников В.Е., Фирсов В.П., ШакарянЮ.Г. «Испытания крупнейшей в Европе ВТСП кабельной линии»
ОАО «ЭНИН им. Г.М. Кржижановского» г.Москва
ОАО «ВНИИКП» г.Москва
ОАО «НТЦ Электроэнергетики» г.Москва
МАИ г.Москва

3. Диев Д.Н., Динислов А.С., Лобынцев В.В., Новиков В.С., Щербаков М.И. «Макетный образец сверхпроводникового ограничителя токов короткого за-
мыкания (СОТ) резистивного типа на базе высокотемпературных сверхпроводников второго поколения»
РНЦ «Курчатовский институт» г.Москва

4. Алферов Д.Ф., Ахметгареев Р.М., Волошин И.Ф., Будовский А.И., Дегтяренко П.Н., Евсин Д.В., Иванов В.П., Сидоров В.А. «Сверхпроводящий резистивный токоограничитель с вакуумным выключателем"
ВЭИ, г.Москва

Все права на материал принадлежат сайту www.ukrm.ru

Публикация данного материала сделана только в общеобразовательных целях.

Материал может использоваться только в личных и некоммерческих целях.

При перепечатке и цитировании ссылка на сайт www.ukrm.ru  и первоисточники обязательна.


 

Добавить комментарий

Не допускается:
1.Ненормативная лексика.
2.Пропаганда межнациональной или расовой ненависти.
3.Любая другая информация, не относящаяся к тематике сайта.



< Пред.   След. >
 
ukrm.ru © 2017
Ссылки /// Новости /// Главная