Нтсп- кабели

К середине 80-х годов наметился явный разрыв между пропускной способностью обычных кабелей и растущей потребностью в передаваемых мощностях. Ученые всего мира работали над решением этой задачи и к тому времени достаточно большие успехи были достигнуты в области низкотемпературных сверхпроводниковых (НТСП) кабелей.

В качестве примера можно привести кабель ВНИИКП на 3 ГВА (рис. 2). О днако огромным минусом этих кабелей было условие охлаждения жидким гелием, т.к. НТСП-кабели работали при температуре 4 К.

Рис.2. НТСП-кабель на 3 ГВА (ВНИИКП)

Несколько видов сверхпроводящих кабелей было разработано и испытано в ВНИИКП в 1975-1985 годах на основе низкотемпературных металлических сверхпроводников. Максимальная длина кабеля 50 м и максимальный ток 126000 А.

Втсп-кабели

Появление на рынке высокотемпературных сверхпроводящих (ВТСП) материалов с высокими токонесущими характеристиками создало принципиально новые возможности для практического использования этого явления. ВТСП – кабели построены на керамических сверхпроводниках и работают при температуре жидкого азота – 90К.

С полной уверенностью можно сказать, что ВТСП-кабели по сравнению с обычными обладают уменьшенными потерями, большей пропускной способностью. При одинаковой мощности по сравнению с обычным кабелем ВТСП-кабель более компактен и имеет малый вес.

Основные преимущества силовых ВТСП кабелей следующие:

- высокая токовая нагрузка

- малые потери в сверхпроводнике

- экологическая чистота

- высокий уровень пожарной безопасности.

 -При передаче большой мощности при относительно низком (10-20 кВ) напряжении не требуется промежуточных подстанций, что дает значительную экономию капитальных затрат и городских земельных ресурсов.

-Крупные проекты по разработке ВТСП-кабельных линий ведутся в Японии, США, Корее и Китае. В июле и августе 2006 года запущены в опытную эксплуатацию ВТСП кабельные линии длиной 350 м и 200 м в США.

-В РФ в работе по созданию ВТСП кабельных линий участвуют ОАО «ВНИИКП», МАИ, ОАО НТЦ-Э, ОАО «ЭНИН», ФСК ЕЭС. 

При реализации проекта был создан опытный образец силовой ВТСП кабельной линии длиной 200 м на напряжение 20 кВ мощностью 50/70 МВА, запланированной для эксплуатации в энергосети г. Москвы.

Втсп кабели компании Furukawa Electric

1. Кабель со сниженными потерями на переменном токе

Высокий уровень потерь на переменном токе в ВТСП проводниках существенно затрудняет коммерциализацию ВТСП-устройств. Компания Furukawa Electric совместно с университетом Йокогамы разработали ВТСП-кабель со сниженными потерями на переменном токе. Длина ВТСП кабеля - 10 м, рабочее напряжение 66 кВ, номинальный ток 1 кА. Кабель был изготовлен из ВТСП проводников 2-го поколения.

Снижение потерь на переменном токе достигалось за счет ВТСП лент уменьшенной ширины, для чего исходная ВТСП лента разрезалась лазером на 5 ленточек шириной по 2 мм каждая. Испытания ВТСП кабеля показали, что потери на переменном токе в ВТСП-кабеле составляют 0,09 Вт/м при токе 1 кА (T = 68,8 К), что в три-пять раз меньше, чем потери на переменном токе в кабелях на основе ВТСП лент первого поколения.

2. Соединительная муфта для ВТСП кабелей (устройство, предназначенное для соединения электрических и оптических кабелей в кабельную линию. Способы соединения жил в кабеле-скрутка, пайка, c помощью зажимов. Жилы силовых кабелей соединяют с помощью наконечников, которые стягиваются болтами, наконечники крепятся к жиле либо с помощью болтов, либо обжимом).

Компании Furukawa Electric и Sumitomo Electric Industries разработали макет 20-метрового трехфазного ВТСП кабеля (рис. 3), состоящего из двух кусков, соединенных при помощи муфты.

ВТСП кабель был выполнен по схеме «три-в-одном», все его фазы размещались в общем криостате. Рабочее напряжение кабеля составляет 66 кВ, критический ток 1500 А. Изоляция фаз кабеля была выполнена из полипропиленовой бумаги. Куски кабеля изготовлены из ВТСП проводников 2-го поколения (YBCO).

Рис. 3. Трехфазный ВТСП кабель 66 кВ.

Во время опыта короткого замыкания к ВТСП кабелю прикладывался ток в 31,5 кА в течение 2 с (ударный ток короткого замыкания достигал 70 кА). Было установлено, что многократные короткие замыкания не повлияли на критический ток кабеля. Температура ВТСП кабеля во время 2-х секундного опыта короткого замыкания не превышала 70 К.

Рис. 4. ВТСП кабель, соединительная и токовводные муфты.

3. Высоковольтный ВТСП кабель

Furukawa Electric планирует создать 30 метровый высоковольтный кабель

(3 кА, 275 кВ) на основе ВТСП 1-2-3. ( на рис. 5).

Рис. 5. Высоковольтный

ВТСП кабель 275 кВ/3 кА.

Кабель должен обеспечить низкие потери на переменном токе (меньше чем 0,8 Вт/м на фазу при токе 3 кА) и устойчивость к перегрузкам. Внешний диаметр кабеля не должен превышать 150 мм, чтобы он мог легко помещаться в кабельный канал. Также требуется, чтобы кабель выдерживал перегрузку в 63 кА в течение 0,6 с.

Преимущества высокотемпературных сверхпроводящих кабелей С полной уверенностью можно сказать, что ВТСП-кабели по сравнению с обычными обладают уменьшенными потерями, большей пропускной. При одинаковой мощности по сравнению с обычным кабелем ВТСП-кабель более компактен и имеет малый вес, что облегчает транспортировку и монтаж, для него требуется меньшее количество муфт, соответственно уменьшается площадь прокладки. Особенность внутреннего охлаждения ВТСП-кабелей (с помощью жидкого азота) позволяет избежать нежелательного перегрева электрической изоляции. По сравнению с традиционно применяемыми кабелями ВТСП-кабели экологичны. Сравнительные технико-экономические расчеты показали, что даже при сегодняшней достаточно высокой цене на ВТСП-материалы полные затраты (учитывая прокладку и эксплуатационные расходы) для обычного и ВТСП-кабеля примерно одинаковы. При этом следует учитывать, что 90% стоимости кабеля - это стоимость ВТСП-материала. Есть основания полагать, что в ближайшие годы разработчики и производители сверхпроводниковых материалов добьются снижения цены в несколько раз. Тогда и станет очевидной выгода разработки и применения ВТСП-кабелей.

Открытие в 1986 году Беднорцем и Мюллером высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП), имеющих рабочую тем- пературу 77 К, дало новый толчок в разработке сверхпроводящих кабелей.

КонструкцияВТСП-кабелей Рассмотрим два типа конструкции ВТСП-кабелей, принципиально отличающихся друг от друга: с холодным и с теплым диэлектриком. 1.Жидкий азот, 2.ВТСП-жила, 3.Диэлектрк, 4.ВТСП-экран 5.Криостат, 6.Оболочка

Рис.6 Конструкция ВТСП-кабеля с холодным диэлектриком

В кабеле с холодным диэлектриком (рис. 6) элемент кабеля окружен коаксиальным сверхпроводящим слоем, предназначенным для экранировки магнитного поля. Диэлектрик, «пропитанный» жидким азотом, располагается между токопроводящей жилой (из ВТСП-материала) и внешним экранирующим слоем. Преимуществом такой конструкции является устранение потерь на переменном токе, вызванных воздействием магниитного поля, создаваемого токами в соседних фазах.

1.Жидкий азот, 2.ВТСП-СП-жила 3.Криостат,4.Оболочка,5.Экран

Рис.7 Конструкция ВТСП-кабеля с теплым диэлектриком

В кабелях с теплым диэлектриком (рис. 7) нет сверхпроводящего слоя, предназначенного для экранировки магнитного поля. Данная конструкция требует меньшего расхода СП-материала, применяются обычные изоляционные материалы, поэтому стоимость этих кабелей меньше. Так как кабель с теплым диэлектриком конструктивно сходен с обычным кабелем, то при его изготовлении, монтаже и соеди- нении можно использовать многократно проверенные технологии. Однако ВТСП-кабель с теплым диэлектриком по свойствам уступает кабелю с холодным диэлектриком.

Рис.8 Кабельная установка Southwire в г. Карроллтон