№ 1
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2008
УДК 621.3.018
© 2008 г. СЫТНИКОВ В.Е., ВЫСОЦКИЙ B.C.
ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СВЕРХПРОВОДЯЩИХ СИЛОВЫХ КАБЕЛЕЙ
Силовые кабели для передачи электроэнергии, изготовленные из высокотемпературных сверхпроводников - одно из перспективных применений сверхпроводимости, близких к коммерческому внедрению. При их создании необходимо было решить ряд научно-технических задач, связанных с особенностями токонесущей способности и анизотропии критического тока исходных ВТСП лент. В частности, необходимо обеспечить равномерную загрузку повивов током, обеспечить механическую целостность лент при изготовлении и прокладке кабеля, выполнить ряд других, иногда противоречивых, требований. Методы решения этих задач и методы расчета оптимизированных конструкций ВТСП силовых кабелей приведены в настоящей работе. Теоретические расчеты проверены и подтверждены на испытаниях реальных отрезков ВТСП кабелей длиной от 1 до 5 м.
Введение. Эффективность выработки электроэнергии, эффективность ее транспортировки к потребителю, повышение качества поставляемой энергии становятся приоритетами в электроэнергетике в XXI веке. Одновременно повышаются требования к экологическим и ресурсосберегающим параметрам на всех этапах производства и распределения электроэнергии. Удовлетворить растущие требования можно только использованием передовых технологий, в т.ч. сверхпроводниковых.
Использование сверхпроводниковых материалов позволяет выработать принципиально новые подходы к вопросам создания электротехнических устройств. Увеличение плотности токов, повышение удельной мощности, наличие особых, присущих только сверхпроводникам физических свойств, создают предпосылки для разработки высокоэффективных видов электротехнического оборудования. В большинстве промышленно развитых стран мира проводятся интенсивные исследования и разработки новых видов электротехнических устройств на основе сверхпроводников. Интерес к таким разработкам усилился в последние годы в связи с открытием так называемых высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП), не требующих сложных и дорогих охлаждающих устройств. ВТСП способны работать при охлаждении дешевым и легкодоступным жидким азотом.
Исследования и разработки в области технологии ВТСП материалов привели к созданию базовых лент и проводов с достаточно высокой токонесущей способностью. В ряде стран (США, Германия, Япония, Китай и др.) производятся ВТСП ленты первого поколения (на базе висмутовой керамики) с параметрами, позволяющими создавать конкурентоспособные электроэнергетические устройства (см., например, [1]).
В Германии, США, Японии начаты разработки ВТСП второго поколения [2-4]. По-видимому, в этих сверхпроводниках можно будет получить более высокие токонесущие параметры по существенно меньшей цене, приближающейся к ценам на современные низкотемпературные сверхпроводники (НТСП).
Таким образом, можно считать уже существующим промышленное производство базовых сверхпроводников азотного уровня температур.
Наличие производства ВТСП и НТСП дало возможность промышленно развитым странам проводить интенсивные разработки макетных и опытно-промышленных образцов силового оборудования для энергосистем на основе использования как высокотемпературных (азотный уровень), так и традиционных, низкотемпературных (гелиевый уровень) сверхпроводящих материалов. В США существует и поддерживается правительством через Министерство Энергетики (DOE) специальная программа (Superconducting Partnership Initiative - SPI) коммерциализации разработок сверхпроводящих устройств промышленными компаниями. Целый ряд прототипов сверхпроводящих устройств проходит испытания в реальных условиях.
Сверхпроводящие кабели для передачи электроэнергии на основе ВТСП материалов - это самые современные разработки в области использования сверхпроводимости в электроэнергетике. В некоторых странах (США, Япония, Дания и др.) образцы кабелей длиной 30-350 м проходят опытно-промышленную проверку в энергосетях.
В настоящее время новые сверхпроводящие материалы первого поколения обеспечивают возможность изготовления экономически конкурентоспособных сверхпроводящих кабелей. При непрерывном прогрессе в области разработки технологии и конструкции длинномерных токопроводящих элементов с высокими критическими характеристиками в ближайшие годы следует ожидать заметного снижения цен проводов первого поколения и выхода на рынок проводов второго поколения с более высокими параметрами. И вероятно, что сверхпроводящий кабель будет первым устройством, который найдет практическое применение на коммерческой основе уже с использованием ВТСП проводов первого поколения.
Главное преимущество силовых ВТСП кабелей заключается в возможности наращивания передаваемой мощности до 0,5-2,0 ГВА без существенного увеличения габаритов кабеля. Они позволяют снизить габариты кабеля при неизменной мощности и исключить промежуточные трансформаторы, поскольку мощность, передаваемая по ВТСП кабелю, наращивается за счет тока кабеля, а не его напряжения. Важными рабочими параметрами ВТСП кабеля, определяющими его технико-экономические показатели, являются токонесущая способность кабельного проводника, уровень потерь энергии и возможность передачи больших мощностей при пониженном напряжении.
На современном этапе критическая плотность тока Jc = ВТСП материалов сравнительно низка, а предельная величина критического тока одной ВТСП ленты не превышает 200 А в собственном поле. Поэтому увеличение рабочего тока ВТСП кабеля возможно только за счет увеличения числа используемых лент (общего сечения сверхпроводника) и увеличения числа повивов сверхпроводящих лент. Однако критический ток Ic и потери в кабеле являются функцией не только критических характеристик используемых материалов, но существенно зависят от конструктивных параметров кабеля, направления и характера скрутки повивов. Например, использование традиционных многоповивных кабельных скруток (когда направление скрутки меняется от одного повива к другому) приводит к резко неравномерному распределению токов между повивами и неэффективному использованию сверхпроводимости. Существуют и другие конструктивные проблемы, связанные с особенностями токонесущей способности исходных ВТСП лент, например, с их высокой анизотропией.
В настоящей работе описаны базовые принципы конструирования ВТСП кабелей, позволяющие создавать силовые сверхпроводящие кабели с оптимальными параметрами и с максимальным использованием свойств исходных сверхпроводящих лент. Эти принципы стали результатом многолетних исследований сверхпроводящих силовых кабелей во ВНИИКП . Они также были подтверждены при создании рабочих прототипов ВТСП кабелей с длинами от 1 до 5 м.
* Всероссийский научно-исследовательский институт кабельной промышленности.
Принципы конструирования ВТСП жил кабеля
В отличие от обычных кабелей в основе расчета сверхпроводящей кабельной системы находятся критические характеристики сверхпроводников и электродинамика жилы кабеля. На современном этапе развития ВТСП кабелей основное внимание уделяется его токопроводящей части - три фазы кабеля. Перспективным решением, в особенности для дальних линий передач, является конструкция, в которой каждая фаза выполняется с пофазным экранированием и представляет собой коаксиальную пару проводников, разделенных электрической изоляцией. Каждый проводник имеет спиральную структуру и выполнен в виде N повивов из плоских сверхпроводящих элементов на сердечнике заданного диаметра. При этом должны быть обеспечены следующие условия.
I. Гибкость кабеля. Обеспечивается спиральной структурой проводников и электрической изоляции, критерием является условие
s¡ = 2c¡/2a > D;/Dmn, (1)
где s¡ - относительный азимутальный зазор между ленточными элементами кабеля, обычное значение параметра 0,030-0,050; 2c¡ - величина зазора между лентами; 2a -ширина ленты; D¡ - диаметр ¡-го повива проводника; Dmin - минимальный диаметр изгиба кабеля на барабане, в траншее или в тоннеле.
II. Условие сохранения сверхпроводящих свойств токонесущих элементов:
- при изгибе лент вокруг сердечника при изготовлении кабеля (при скрутке) без учета усилия натяжения ленты
emax >( 2 5 / D¡) sin ß ¡; (2а)
- при изгибе кабеля на барабане или в траншее
Emax > (2п5/Pmax) Cos ßmin + (Pmax/ПDmin) sin ßmin. (2б)
где emax - максимально допустимая относительная деформация растяжения сверхпроводника; P - допустимый шаг скрутки лент в повиве; 25 - толщина ленты по сверхпроводнику; ß - угол скрутки лент в рассматриваемом повиве.
Уравнение (2а) определяет минимальный шаг скрутки ленты в повиве, уравнение (26) - максимальный шаг. Для сверхпроводящих ленточных проводников допустимое значение emax = 0,002-0,004, тогда при D ¡ = 40 мм и 25 = 0,2 мм минимальное значение шага скрутки Pmin должно быть >157 мм, а при D¡ > 60 мм ограничение по Pmin отсутствует.
Теоретический анализ напряженно-деформационного состояния сверхпроводящих лент при изгибе кабеля показал, что если условие I (уравнение (1)) выполняется, то максимальное значение шага скрутки лент Pmax ограничено техническими возможностями кабельного оборудования и необходимостью сохранить ленты в слоях от разрушения при намотке кабеля на барабан. В зависимости от диаметра проводника реализуемое значение Pmai лежит в пределах 750-1500 мм.
III. Минимизация потерь на вихревые токи в опорном элементе и стабилизаторе внутреннего проводника обеспечивается при нулевой индукции аксиального результирующего магнитного поля на оси кабеля
Ni + N2 I
= I -P = 0, (3)
¡ = 1 u ¡
где B - индукция аксиального магнитного поля для ¡-го повива; N1 и N2 - числа повивов лент во внутреннем и наружном проводниках каждой фазы; P¡ , у¡ - шаг и направление скрутки лент в i-м повиве; у¡ = 1, у¡ = -1 - правая и левая скрутки соответственно; I¡ -ток в i-м повиве.
IV. Минимизация потерь на вихревые токи в стабилизаторе наружного проводника и криостатирующих оболочках обеспечивается при нулевом суммарном аксиальном магнитном потоке
м1 + N 1
И I Тр ¡йА = 0, (4)
г = 1
где йА - элемент поверхности.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.