Силовой сверхпроводящий кабель. Перспективы современных ЛЭП

Невероятно перспективное явление сверхпроводимости открыли около ста лет назад. Единственным препятствием для его массового применения являлась способность сверхпроводящих материалов пропускать ток без сопротивления только при чрезвычайно низких температурных значениях, стремящихся к полному нулю.

Во второй половине 80-х годов прошлого века было сделано очередное открытие, решившее эту проблему. На научном горизонте появились новые материалы – так называемые высокотемпературные сверхпроводники, способные проявлять упомянутое свойство при температуре «всего лишь» минус 200 градусов по Цельсию.

Ученые, открывшие это явление, получили Нобелевскую премию. А другие создали из специальной YBCO-керамики проводник, длительно работающий при таких температурах.

Выяснилось, что новый материал, рассчитанный на напряжение 10 тыс. вольт, способен заменить типичную высоковольтную ЛЭП с напряжением до 110 тыс. вольт. При этом потери на сопротивление были незначительными по сравнению с традиционным силовым кабелем.

Эти свойства обусловили экономическую выгоду применения силовых сверхпроводящих кабелей. Так как затраты энергии на охлаждение сверхпроводников и контактов намного ниже, чем энергопотери в медных проводниках. При этом охладителем выступает дешевый материал – жидкий азот. Который под давлением циркулирует в каналах охлаждения силового кабеля. Для этого сверхпроводящую кабельную линию оборудуют холодильными устройствами с обоих концов – получается прямой и обратный ток хладагента.

Чем объясняется интерес крупного энергетического бизнеса к сверхпроводящему силовому кабелю?

Эксперты с самого начала прогнозировали массовое использование таких сверхпроводящих силовых кабелей, ведь они позволяют городам экономить крупные суммы, ранее уходившие на поддержание сложной «обычной» высоковольтной инфраструктуры ЛЭП. Плюс – освобождается пространство, ранее занимавшееся обычными высоковольтными ЛЭП. А силовая сеть упрощается – огромные трансформаторные подстанции больше не нужны.

Сегодня исследования и разработка новых видов электротехники на базе сверхпроводников ведутся практически во всех развитых странах. Развитие данной отрасли стимулировало появление высокотемпературных сверхпроводников, которым не нужно сложное и дорогое охлаждающее оборудование.

Итак, какие преимущества сверхпроводящих силовых кабелей делают их чрезвычайно перспективными и желанными для энергетической отрасли?

легкое замещение уже использующихся традиционных кабельных материалов в энергосистеме;
силовой сверхпроводящий кабель имеет меньшие габариты в сравнении с аналогичным по передаваемой мощности обычным кабелем;
малый вес, обусловленный меньшим объемом используемого материала;
простота выполнения электромонтажных работ, ведь чем легче кабель тем его проще прокладывать;
долговечность кабельной линии, обусловленная замедленным старением и разрушением изоляции;
пониженное электрическое сопротивление и значительная критическая длина;
отсутствие тепловых и магнитных полей рассеивания;
экологическая безопасность;
пожарная безопасность;
ограниченные токи КЗ – это дает возможность соединять секторы энергетической системы по низкой стороне;
повышенная отказоустойчивость энергосети и устранение каскадных отключений, что стало возможным благодаря взаимному резервированию энергетических участков;
регуляция распределения мощности в параллельных кабельных линиях;
возможность продуктивного взаимодействия энергосистем без синхронизации;

А наиболее полезными качествами стали возможность передавать большую мощность при относительно низких значениях напряжения и наименьших потерях энергии, а значит – высокая степень эффективности кабельных магистралей.

Наиболее значимые мировые проекты на базе сверхпроводящих кабелей

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.

К примеру, в ВТСП кабельной линии постоянного тока протяженностью 10 километров потери передаваемой мощности 100 мегаватт не превышают 2,5%. Стоит отметить, предварительный расчет потерь в линии электропередач показал, что с увеличением передаваемой мощности процент потерь становится ещё меньше.

Достигнутые на сегодня характеристики сверхпроводящих материалов для кабельных линий позволяют транспортировать 150-300 мегаватт при напряжении 20 киловольт. И до тысячи мегаватт при 110 киловольт.

Таким образом, силовые сверхпроводящие кабели имеют неисчерпаемые перспективы в плане модернизации ЛЭП и оптимизации их рабочих параметров. А значит, имеют отличные экономические перспективы для энергокомпаний и их клиентов.