XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

ВВЕДЕНИЕ

Основной причиной, вызывающей потери мощности при передаче электроэнергии, является сопротивление проводов. В существующих сейчас линиях оно отлично от нуля. Но можно добиться нулевого сопротивления, если охладить провод ниже определенной температуры, которая зависит от конкретного материала. Это явление называется сверхпроводимостью. Кабели, использующие подобный эффект, могут значительно сократить потери энергии при передаче.

Наличие электрического сопротивления у проводящих жил кабеля проявляется в снижении напряжения на выходе линии относительно ее входа. Если предположить, что к линии подключена пассивная нагрузка и ее мощность пропорциональна квадрату напряжения, предельное значение потерь по мощности из-за сопротивления проводящих жил достигает 12 %. При передаче на переменном токе к ним прибавляются еще емкостные и индуктивные. Но потери от указанных факторов более чем вдвое меньше, чем потери из-за сопротивления токопроводящих жил [1].

Конструкция сверхпроводящего кабеля

Только из сверхпроводящей керамики невозможно изготовить гибкий провод из-за механических свойств материала. Но поскольку при отсутствии сопротивления проводник не выделяет тепло, он может быть реализован в качестве тонкой пленки. Керамика наносится тонким слоем на основу, которой может являться медь, латунь, нержавеющая сталь или сплавы на основе никеля. Также неотъемлемыми элементами являются герметичная оболочка из гофрированной стали, удерживающая внутри жидкий азот, и внешняя термоизолирующая оболочка, не пропускающая тепло внутрь кабеля. Жидкий азот циркулирует по двум каналам — внутри кабеля и снаружи него. Прокачка жидкого азота в существующих сейчас кабелях происходит, как правило, в одном направлении. Для его циркуляции в обратном направлении дополнительно строится трубопровод. Охлаждение посредством прокачки жидкого азота используется для кабельных линий длиной до 1,2 км [1].

Рис 1. Сверхпроводящий кабель производства Nexan [1]

Преимущества

Преимущества силового сверхпроводящего кабеля были неоднократно доказаны рядом проектов в разных странах (РФ, Южная Корея, Китай, Япония, страны Европы). Среди наиболее значительных экспериментальных и промышленных разработок стоит отметить:

«IEE CAS» (Китай). Линия, соединяющая подстанцию, оборудованную выпрямителем, с предприятием по производству алюминия. Проект продемонстрировал рекордные токонесущие параметры.

«Joju» (Южная Корея). Рекордная по классу напряжения монополярная кабельная линия постоянного тока длиной 0,5 км 80 кВ/60 МВт, питающая энергостистему острова Чеджу ветропарка.

Японские исследовательские проекты Chubu и Ishikari, в перспективе обещающие еще больше снизить затраты на развертывание энергосетей и энергопитание.

BEST PATHS. Европейский проект, направленный на разработку высокотемпературного сверхпроводящего (ВТСП) силового кабеля постоянного тока, который охлаждается гелием или водородом до 20-40 К. Его рабочий ток составит около 10 кА, а напряжение – до 400 кВ. Разработка позволит передавать электроэнергию от возобновляемых источников на значительные расстояния.

Кроме пользы для исследований в данной сфере, эти и другие современные проекты смогли доказать, что энергопотери в сверхпроводящих кабельных линиях даже меньше, чем ожидалось [2].

Недостатки

Наибольшим недостатком современного сверхпроводящего кабеля является необходимость своевременного сервиса. Криогенные системы являются проводящими и способными обеспечить циркуляцию и охлаждение жидкого азота. Также необходимо создать обратный трубопровод, чтобы по нему двигался жидкий гелий. Но данных об эксплуатационной эффективности таких конструкций пока нет. Поэтому неясно, могут ли текущие технологические разработки компенсировать строительные и эксплуатационные расходы за счет экономии электрической энергии [3].

Виды

Сверхпроводящий кабель по изобретению может использоваться в качестве либо кабеля постоянного тока (DC), либо кабеля переменного тока (АС). В частности, в случае кабеля постоянного тока, поскольку нет потерь переменного тока, и потери обусловлены лишь проникновением тепла, можно создавать кабельную линию электропередачи, в которой минимизированы потери за счет эффективной теплоизоляции теплоизоляционного элемента [4].

Способ установки

Для прокладки сверхпроводящего кабеля по изобретению может использоваться любой способ установки: прокладка под землей или в бетоне, прокладка по воздуху или расположение на поверхности земли и т.д. В частности, прокладка под землей или в бетоне позволяет сверхпроводящему кабелю демонстрировать более эффективные параметры теплоизоляции, поскольку земля вокруг сверхпроводящего кабеля выполняет функцию теплоизоляции [4].

Испытания

Захари Хартвиг (Zachary S Hartwig) из Массачусетского технологического института вместе с коллегами представил сверхпроводящий кабель, совмещающий в себе относительно небольшую стоимость изготовления и высокую надежность. Разработка получила название VIPER (Vacuum pressure impregnated, Insulated, Partially transposed, Extruded and Roll-formed) — акроним технологических процессов его изготовления и структуры. В центре кабеля расположен канал для хладагента. Сверху кабель покрыт дополнительной медной оболочкой и опционально может быть обернут нержавеющей сталью. Именно за счет паяной цельной конструкции и оптимального соотношения толщины медного основания и сверхпроводящих лент достигается высокая стабильность кабеля.

Создатели отмечают простоту соединения нескольких кабелей такого типа между собой: конец кабеля покрывают серебром, а контакт происходит с помощью двояковогнутого соединительного элемента из меди с проволокой из индия, в пазы которого вкладываются кабели. Конструкцию легко можно дублировать на большие длины и ее стоимость обещает быть невысокой при ожидаемом спросе 1000 километров в год на сверхпроводящие кабели [5].

Рис 2. Структура сверхпроводящего кабеля VIPER [5]

Разработку испытали в Институте Пауля Шеррера, в Швейцарии на установке для тестирования магнитов и кабелей SULTAN, способной генерировать магнитное поле до 11 Тесла и ток до 100 килоампер. Несколько кабелей подвергали воздействию сил равных от 136 до 382 килоньютон на метр, при прохождении максимального тока до 35 килоампер и магнитного поля 10,9 Тесла на метр, в течение от 150 до 2000 циклов работы. При максимальной нагрузке 382 килоньютон на метр, что почти в четыре раза больше предыдущего рекорда в 102 килоньютон на метр, деградация проводящих свойств оказалось незначительной, и составила не более 4,1 процента. Конструкция кабеля также показала высокую криостабильность и выдержала три последовательных тепловых импульса от нагревателя мощностью 45 ватт, быстро возвращаясь к рабочему значению температуры и сохраняя сверхпроводящие свойства [5].

Список литературы

Сверхпроводящие кабели: технология, опередившая свое время [Электронный источник] https://www.elec.ru/publications/peredacha-raspredelenie-i-nakoplenie-elektroenergi/7221/

Перспективы современных ЛЭП [Электронный источник] https://md-eksperiment.org/ru/post/20201106-silovoj-sverhprovodyashij-kabel-perspektivy-sovremennyh-lep

Достоинства и недостатки [Электронный источник] https://right-level.ru/news/sverkhprovodyashhie-kabeli-chast-2/

Сверхпроводящий кабель [Электронный источник] https://findpatent.ru/patent/237/2379777.html

Ученые испытали надежный сверхпроводящий кабель [Электронный источник] https://nplus1.ru/news/2020/10/19/HTS-superconductor-cable

Код для цитирования: Скопировать