Физика

СВЕРХПРОВОДНИКОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ

Эффективность выработки электроэнергии, высокотехнологичные методы ее транспортировки к потребителю, повышение экологических и ресурсосберегающих параметров на всех этапах ее производства и распределения - магистральный путь развития электроэнергетики в XXI в. Эти задачи можно решить только благодаря внедрению передовых технологий, в том числе сверхпроводниковых.

НАЧАЛО ПУТИ

Сверхпроводимость - способность вещества пропускать электрический ток, не оказывая ему сопротивления. Открытие этого явления, не имеющего аналогов в классической физике, принадлежит голландскому ученому, основателю и директору Лейденской криогенной лаборатории Хейке Камерлинг-Оннесу. В 1908 г. при температуре 4,2 К (-269 °С), т.е. почти при абсолютном нуле, он получил жидкий гелий и, будучи единственным его обладателем на Земле, начал проводить эксперименты. Многочисленные опыты привели его в 1911 г. к феноменальному заключению: погруженная в такую жидкость ртуть полностью теряла электрическое сопротивление. При этом ток, текущий по ее "проводам", приходил из точки А в точку Б без потерь.

Сделанное им открытие, удостоенное в 1913 г. Нобелевской премии, сулило огромные выгоды, особенно в электротехнике, ибо позволяло создавать энергетическое оборудование различного назначения с улучшенными массогабаритными характеристиками, более высоким КПД и значительно (в десятки раз) сниженными эксплуатационными расходами.

Слоистая структура сверхпроводящего состава YBa2Cu3O7 (слева) предопределяет микроструктуру материала: для достижения высоких токонесущих характеристик проводник должен обладать биаксиальной текстурой.

Области существования сверхпроводимости в материалах, обладающих практическим значением.

Однако несмотря на перспективность, применять его начали только в середине 1960-х годов - после разработки пригодных для технических приложений сверхпроводящих материалов. Поскольку их критическая температура (Тс) - значение перехода в сверхпроводящее состояние в нулевом магнитном поле -не превышала 23 К, все созданные на этой базе устройства использовали в качестве хладагента жидкий гелий. И даже его дефицитность, большие энергозатраты на ожижение, сложность и высокую стоимость систем теплоизоляции не помешали широкому распространению низкотемпературных сверхпроводников.

В процессе 40-летнего опыта лидирующее положение среди них заняли деформируемый ниобий-титановый сплав (Nb-Ti) и интерметаллическое соединение ниобия и олова (Nb3Sn). Именно они при рабочих температурах от 1,8 до 8 К перекрывают представляющий практический интерес интервал рабочих магнитных полей и плотностей тока в электротехнических и электрофизических устройствах. Их производство, начиная с конца 1960-х годов, было налажено в СССР, США, ФРГ, Японии и некоторых других развитых странах. А использование позволило создать ряд уникальных комплексов: ускорители заряженных частиц на сверхвысокие энергии, детекторы для ядерной физики и физики элементарных частиц, установки для термоядерных исследований с магнитным удержанием горячей плазмы, устройства для специальной техники, измерительные приборы рекордной чувствительности и точности. Однако главным и, наверное, единственным широкомасштабным применением стало производство сверхпроводящих магнитов для диагностических медицинских магниторезонансных томографов. Рынок этой продукции сегодня оценивается в 3 млрд. дол. ежегодно.

Кстати, из Nb-Ti-провода выполнены дипольные магниты построенного в ЦЕРНе (вблизи Женевы, Швейцария) Большого адронного коллайдера - самой крупной экспериментальной установки в мире (периметр 27 км), предназначенной для разгона протонов и тяжелых ионов, а также изучения продуктов их соударений. Они обеспечивают индукцию до 8,5 Тл при рабочей температуре 1,9 К. С 1999 по 2005 г. для этой цели промышленность поставила в Женеву свыше 7000 км, или около 1700 т сверхпроводящего материала. Nb-Ti-сплав и Nb3Sn-соединение будут использованы и в создании сверхмощных соленоидов сооружаемого в Кадараше (Франция) Международного экспериментального термоядерного реактора ИТЭР. Его максимальная магнитная индукция должна составить 12 Тл, а общий вес кабелей - 6540 т.

НОВЫЙ КАЧЕСТВЕННЫЙ СКАЧОК

В 1986 г. произошло еще одно знаковое событие в области сверхпроводимости. Немецкий физик Йоханнес Беднорц и его коллега швейцарец Карл Мюллер, работавшие в исследовательской лаборатории IBM в Цюрихе (Швейцария), обнаружили, что в одном из купратов (сложное соединение оксидов лантана, бария и меди) температура перехода в состояние сверхпроводимости составляет 35 К (-238 °С).

Это была настоящая революция: необычные свойства открыли не у металлов, а у керамики, традиционно считавшейся диэлектриком. Кроме того, ученые доказали: "виноваты" во всем слои оксида меди (CuO). И практически сразу, в следующем году, что само по себе уникально, Беднорц и Мюллер получили за исследования Нобелевскую премию. Вслед за этим уже в начале 1987 г. были открыты керамические сверхпроводники с критической температурой, превышающей температуру кипения жидкого азота (~77 К). Новые вещества и материалы стали называть высокотемпературными сверхпроводниками (ВТСП).

Эти события принципиально меняли экономические показатели сверхпроводящих устройств, т.к. использование для охлаждения дешевого и доступного жидкого азота вместо дорогостоящего гелия снижало энергозатраты в 50 - 100 раз! Кроме того, они сняли "запрет" на дальнейшее повышение критической температуры. За прошедшие с момента обнаружения явления 20 с лишним лет Tc поднялась с 30 до 130 К. Рекордная же, составляющая примерно 135 К, измерена в 1993 г. для соединения HgBa2Ca2Cu1Ox.

ДВА ЛИДЕРА - ДВА КОНКУРЕНТА

В настоящее время известны десятки оксидных соединений, демонстрирующих сверхпроводимость при температурах выше 77 К. Но, пожалуй, полнее всего запросам электроэнергетики отвечают (что подтверждено 20-летним опытом) два из них: на основе висмута - (Bi,Pb)1Sr2Ca2Cu1Ox (сокращенно BSCCO или Bi-2223) с Tc = 105 - 120 К и на основе иттерия - YBa2Cu3O7 (YBCO или Y-123) с Tc = 90 - 92 К.

При выборе этих перспективных материалов учитывалось много факторов. Однако самый важный - "врожденная" анизотропия (пространственная изменчивость). Непременный структурный признак всех оксидных ВТСП - атомные слои состава CuO2.

Они отвечают за сверхпроводимость, и наибольший ток течет параллельно именно этим слоям. Данное обстоятельство определяет особенности технологии ВТСП-проводов: для достижения высоких характеристик зерна материала должны быть ориентированы по возможности одинаково, т.е. обладать текстурой. Если она несовершенна, то сверхпроводник не сможет нести высокие токи, что в конечном счете сделает его бесполезным для электротехнических применений.

Пути к созданию проводов из хрупкой оксидной керамики, обладающей к тому же сильной анизотропией, искали, по сути, с момента открытия высокотемпературной сверхпроводимости. К середине 1990-х годов были разработаны так называемые ВТСП-ленты первого поколения на основе BSCCO - опытно-промышленные партии выпускали в США, Японии, ряде стран Европы (попытки наладить производство делали и в России). Второе поколение появилось позже - на основе YBCO. Но и в том, и в другом случае сверхпроводниковый материал обладал достаточно высокой текстурой. Причем его сечение составляло лишь малую часть общего размера провода: у первых эта величина обычно не превышала 40%, у вторых еще меньше - 5%. Кроме того, если в лентах на основе BSCCO жила ВТСП заключена в матрицу из серебра или его сплава, то в иттерий-бариевых проводниках, создающихся на подложках из никелевых сплавов или подобных нержавеющей стали, она представляет собой тонкое покрытие на поверхности ленты. Для создания нужной кристаллической структуры, обеспечивающей переход от подложки к сверхпроводнику YBCO, используют так называемый "буферный слой" - ключевое звено в данной технологии. Он, в свою очередь, может состоять из нескольких составляющих, постепенно формирующих необходимую структуру подложки. Поверх напыляют еще один слой, как правило, из серебра, защищающий проводник от реакции с парами воды и CO2 воздуха, механических повреждений и соединяющий его с подводящими токовыми вводами.

По сути, это две конкурирующие технологии создания ВТСП-проводов, причем если первая уже продемонстрировала свой потенциал (получены многие сотни километров провода, созданы и введены в эксплуатацию кабели и устройства), то второй еще предстоит найти свое место на рынке прикладной сверхпроводимости.

СТАВКА НА СИЛОВЫЕ КАБЕЛИ

Стремление к повышению передаваемой мощности с использованием силовых кабелей и минимизации потерь энергии имеет давнюю историю. В кабелях из традиционных материалов (медь, алюминий) она решается в основном за счет увеличения электрического напряжения. Максимальные же достижения находятся на уровне 500 кВ и не превышают 750 кВ для разработок, что ограничивает передаваемую мощность в пределах 0,5 - 1,5 ГВт и порождает ряд экологических проблем: блуждающие токи, электромагнитные излучения, разогрев почвы и ее засорение маслами вблизи подстанций и в местах повреждения провода. Кроме того, технология требует создания компенсаторов реактивной мощности, при этом длина линии электропередачи ограничивается до нескольких десятков километров. К тому же отчуждение значительных участков земли для высоковольтных подстанций и линий ведет к вводу больших мощностей в мегаполисах.

Между тем сверхпроводящие силовые кабели позволяют увеличить уровень передаваемой энергии от единиц до десятков гигавольтампер (ГВА) при напряжении 110 - 220 кВ. Причем КПД передачи удается повысить до 98 - 99%! Заметим также: кабели коаксиальной конструкции почти идеальны с точки зрения экологии, ибо экранируют электромагнитное поле полностью, не разогревают почву и не загрязняют ее маслами.

Работать над ними в развитых странах мира начали в конце 1960-х годов после открытия интерметаллического соединения Nb3Sn и продолжали до 1985 г., а в России, США и Японии - почти до 1990 г. За это время специалисты предложили и испытали множество образцов и моделей сверхпроводящих кабелей от 1 до 115 м, подтвердив их работоспособность. За рубежом последовательно вели изыскания в Брукхэйвенской национальной лаборатории (Нью-Йорк, США), у нас - в московских Энергетическом институте им. Г. М. Кржижановского и Всероссийском электротехническом институте им. В. И. Ленина, а также во Всероссийском научно-исследовательском, проектно-конструкторском и технологическом институте кабельной промышленности. К 1980-м годам из всех предложенных моделей возобладала концепция кабеля с гибкими жилами и криостатирующими оболочками, ее сторонниками были Брукхэйвенская лаборатория и наш институт. Они и достигли самых значительных результатов в этой области.

В Брукхэйвенской национальной лаборатории в 1970-х годах испытали на номинальные рабочие параметры 115-метровый отрезок кабеля. В нашем институте - одну фазу кабеля переменного тока в 8.6 кА с электрическим напряжением до 110 кВ. А в 1984 и 1986 гг. изготовили два кабеля по 50 м с критическими токами в 78 и 126 кА. Реализованные в экспериментах, они по сегодняшний день являются рекордными в мире. Однако высокая стоимость сверхпроводника и гелия, а также криогенно-вакуумного оборудования привела к экономической нецелесообразности замены традиционных кабелей на сверхпроводящие низкотемпературные, и работы были свернуты повсеместно.

ТЕХНОЛОГИИ БУДУЩЕГО

Наибольший коммерческий интерес, несомненно, представляют ВТСП-силовые кабели, позволяющие значительно улучшить характеристики линий электропередачи. Причем именно они - самый разработанный и продвинутый продукт применения сверхпроводимости в электроэнергетике. Мало того, на прошедшем 30 сентября 2009 г. совещании Президентского совета в РНЦ "Курчатовский институт" специалисты признали их разработку и внедрение одним из основных направлений инновационного развития отечественной промышленности и важнейшей народнохозяйственной задачей. Это подтвердил Президент РФ Дмитрий Медведев в недавнем послании Федеральному собранию РФ 12 ноября 2009 г.

Исходные базовые ВТСП-провода (их может быть несколько десятков), выпускаемые сегодня в промышленном масштабе, как правило, в виде лент, обычно объединяют в различные комбинации. Основной параметр при их изготовлении - токонесущая способность. Она зависит от таковой в исходных материалах, которая, в свою очередь, определяется конфигурацией и величиной их магнитного поля. В кабелях оно параллельно поверхности сверхпроводника - почти идеальное расположение в отличие, например, от трансформаторов. Поэтому ВТСП даже первого поколения можно использовать для создания силовых кабелей.

Важен вопрос и о иене. В связи с тем, что провода первого поколения имеют весьма высокие технические характеристики, кабели на их основе при мощностях передачи энергии в несколько сотен мега-вольтампер (МВА) и нынешних ценах (100 - 150 дол. за кА) уже сегодня могут конкурировать с обычными. А при дальнейшем снижении стоимости, как обещают производители материалов, они станут конкурентоспособными при уровнях мощности в несколько десятков МВА.

Но главная цель в конструировании такого кабеля - достичь равномерного распределения тока между повивами (намотками) и полного использования в них сверхпроводящих свойств базовых лент. Эта задача решена в нашем институте путем расчетных методов и компьютерных программ. Причем их сравнение с независимыми измерениями, сделанными например, крупной мировой корпорацией "Сименс" (Германия), подтвердили правильность отечественных идей.

Вместе с тем мы показали: оптимального распределения тока можно добиться только в определенных конструкциях с заданным чередованием повивов и углами скрутки, что способствует максимально полному использованию сверхпроводящих свойств исходных лент. Наши предложения были подтверждены экспериментально. Разработанный для компании "Кондумекс" (Мексика) шестиповивный кабель продемонстрировал ток в 10 кАс равномерным его распределением по намоткам, что оставалось мировым рекордом до 2009 г. Выходит, можно создавать сверхпроводящие силовые кабели на мощности до 0,5 - 2,0 ГВт. Передача с их помощью электроэнергии увеличивает ее в тех же габаритах до нескольких ГВА, снижает потери, позволяет работать на низких (генераторных) напряжениях, отвечает современным требованиям по экологической чистоте и пожаробезопасности.

МНОГООБЕЩАЮЩИЕ ПРИМЕНЕНИЯ

В настоящее время в мире реализуют более 10 предкоммерческих проектов по сверхпроводящим силовым кабелям. Значительная их часть сосредоточена в США. В 2006 г. в штатах Огайо и Нью-Йорк сначала ввели в эксплуатацию две линии длиной 200 и 350 м, а через 2 года уже запустили в систему питания острова Лонг Айленд под Нью-Йорком крупнейшую 600-метровую мощностью 574 МВА.

В России подобные проекты были инициированы в начале 2000-х годов энергетическим холдингом "РАО ЕЭС", а после его ликвидации в 2008 г. поддержаны Федеральной сетевой компанией "Единые энергетические системы". Наш институт работает по этой программе с 2005 г. В 2005 - 2006 гг. мы изготовили полномасштабный по сечению 5-метровый отрезок кабеля на основе ВТСП-лент от разных мировых поставщиков и испытали его на специальном стенде.

Полученные результаты, подтвердившие правильность расчета отечественной конструкции и адекватность нашей технологии, пригодились для создания трехфазного экспериментального кабеля длиной 30 м с током до 2 кА. В его конструкции мы использовали ВТСП-ленты компаний "American Superconductor Corporation" (США) и "Sumitomo Electric Industry" (Япония), два типа токовых вводов, разработанных в РНЦ "Курчатовский институт" и Научно-исследовательском институте электрофизической аппаратуры им. Д. В. Ефремова (Санкт-Петербург). Гибкие криостаты поставила компания "Nexans" (Ганновер, Германия).

С ноября 2008 г. по июнь 2009 г. первый отечественный силовой кабель на основе ВТСП прошел полный цикл испытаний на полигоне московского Научно-технического центра электроэнергетики. Оснащенный криогенной системой, он позволяет проводить эксперименты при охлаждении жидким азотом до 66 К, давлении до 6 атм. и потоке азота до 100 л/мин. На площадке, подключенной к подстанции "Южная" Московской энергосети, можно проверять эффективность оборудования при полной электрической нагрузке, напряжениях от 6 до 183 кВ и переменных токах до 3000 А, что делает ее уникальной в ряду аналогичных центров.

Итак, эксперимент продемонстрировал полное сохранение в кабеле сверхпроводящих свойств после прохождения технологического маршрута, критические токи трех его фаз были равны сумме токов исходных ВТСП-лент, а параметры соответствовали техническому заданию. Он выдержал без повреждений более чем 13-кратную перегрузку током и 70 кВ постоянного и 50 кВ переменного напряжения при высоковольтных испытаниях. Тем самым мы подготовили базу для следующего шага - создания трехфазного силового ВТСП-кабеля длиной 200 м.

На полигоне уже идет его подключение к электрической и криогенной системам. Рабочие параметры аналогичны 30-метровому кабелю с допустимой перегрузкой до 2000 А-70 МВА. Но в отличие от предшественника он имеет сверхпроводящий экран, что должно заметно улучшить его свойства. Скорее всего, проверки начнутся в конце 2009 г. После их завершения он пройдет опытную эксплуатацию на одной из подстанций Московской энергосети. К слову, по длине и мощности - это крупнейший силовой ВТСП-кабель в Европе.

В середине декабря 2009 г. успешно прошли приемочные испытания трехфазного кабеля длиной 200 м, выдержавшего нагрузку постоянным напряжением 50 кВ. Критический ток превысил 5,2 кА при температуре 74 К. В течение суток по проводнику передавалась мощность порядка 50 МВА при напряжении 20 кВ. Эксперимент показал полное соответствие его параметров техническому заданию и открыл дорогу к длительным проверкам перед установкой в энергосистему Москвы. Этот успех вывел российские разработки сверхпроводящих силовых кабелей на мировой уровень.


Доктор технических наук Виктор СЫТНИКОВ, директор отделения сверхпроводящих проводов и кабелей Всероссийского научно-исследовательского, проектно-конструкторского и технологического института кабельной промышленности, доктор технических наук Виталий ВЫСОЦКИЙ, заведующий лабораторией того же института (Москва)

Авторские права на статьи принадлежат их авторам
Проект компании Kocmi LTD