Применение криогенных энергетических кабелей

ВВЕДЕНИЕ

Развитие способов доставки электрической энергии потребителям играет важную роль в общей структуре энергетического хозяйства, поскольку рост нагрузки характеризуется ее удвоением в среднем за каждые 10 лет. При перспективном планировании развития этих способов основными исходными данными являются количество производимой энергии и географическое размещение центров ее выработки, преобразования и потребления. Наличие дешевых энергетических ресурсов на востоке страны при концентрации потребителей электроэнергии в основном в западной части России диктует необходимость транспорта электроэнергии в широтном направлении на большие расстояния /2/.

Основной вид протяженных электропередач - воздушные высоковольтные линии переменного тока - по современным представлениям не может обеспечить передачу мощности более 10-12 ГВт на цепь при предельно высоких напряжениях. Тем не менее, в будущем масштабы передачи энергии могут настолько возрасти, что сооружение нескольких таких цепей окажется неэкономичным по сравнению с каким-либо новым способом передачи, обеспечивающим передачу заданной мощности по единичной линии.

Весьма острыми в самом недалеком будущем станут также проблемы передачи больших количеств энергии и на относительно малые расстояния. Здесь в первую очередь возникает проблема электроснабжения современных быстрорастущих городов. Основной путь ее решения -- создание глубоких вводов высокого напряжения в центры нагрузки, позволяющее существенно снизить длину распределительной сети. При этом использование воздушных линий неэкономично из-за высокой стоимости полосы отчуждения. В свою очередь создание и эксплуатация обычных кабельных линий при мощностях свыше 1 ГВА затруднены из-за необходимости отвода больших количеств тепла от кабельных жил. Для облегчения температурного режима приходится увеличивать число параллельных цепей, расширять траншеи, использовать их засыпку грунтом более высокой теплопроводности, смачивать землю вдоль трассы кабеля и, наконец, форсировать охлаждение кабеля с помощью непосредственного омывания тепловыделяющих элементов водой, газом или маслом. Транспорт больших токов при относительно малых рабочих напряжениях (станционные и промышленные токопроводы) также требует новых решений, при которых конструктивное выполнение должно быть компактным, ограничивать внешние поля до минимума и характеризоваться предельно низкими потерями. Характерно, что в большинстве стран с высокой плотностью нагрузки и высокой концентрацией генерирующих мощностей непосредственно в центрах потребления в последние годы на повестку дня встал вопрос выдачи мощности крупных блоков конденсационных и атомных электростанций на относительно короткие расстояния. Тривиальным решением здесь является увеличение генераторного напряжения, которое естественно имеет предел, определяемый экономичностью конструкции самого синхронного генератора. В перспективе, когда единичные мощности турбогенераторов достигнут 2-2,5 ГВт, проблема выдачи мощности непосредственно на генераторном напряжении, минуя две ступени трансформации, при допустимых плотностях тока в обмотках статора может быть экономично решена только при использовании нетрадиционных способов передачи энергии.

Таким образом, можно констатировать, что проблемы передачи энергии на большие и малые расстояния требуют форсирования научно-исследовательских и инженерных работ в области новых практических способов передачи электроэнергии, с помощью которых можно было бы преодолеть ограничения, присущие применяемым в настоящее время способам передачи.

К таким способам можно отнести:

- применение новых проводниковых материалов и диэлектриков;

- охлаждение токоведущих элементов передачи, сопровождающееся увеличением электропроводности вплоть до перехода в сверхпроводящее состояние и обеспечивающее резкое повышение рабочих плотностей тока;

- использование электромагнитных колебаний сверхвысокой частоты, обеспечивающее значительное увеличение плотности потока энергии.

Для распределения сетей относительно низкого напряжения (до 20-35 кВ) начинают применяться натриевые кабели с полиэтиленовой изоляцией, которые обладают рядом достоинств (дешевизна, малый вес, гибкость, высокая термическая устойчивость). Тем не менее, натриевые провода, удачно дополняя имеющуюся гамму кабелей с медными и алюминиевыми жилами, имеют примерно такую же токонесущую способность.

Сравнительно недавно появились и первые промышленные образцы газонаполненных кабелей. Известно, что электрическая прочность ряда газов, в частности элегаза, двуокиси углерода, выше, чем у воздуха. Применение таких газов в качестве электрической изоляции позволяет существенно повысить рабочие напряжения кабелей по сравнению с достигнутым уровнем. Конструктивно такие системы передачи представляют собой трубу, заполненную соответствующим газом под давлением, внутри которой размещены токонесущие проводники. По сравнению с маслонаполненными кабелями такие газопроводы имеют некоторые преимущества: повышенная электрическая прочность и улучшенное охлаждение жил. Однако здесь мы сталкиваемся лишь с модификацией традиционного пути повышения рабочих напряжений, который не можем привести к радикальному увеличению пропускной способности электропередач.

Этой цели отвечают лишь два последних из упомянутых направлений. Первое из них может быть реализовано в охлаждаемых до сверхнизких температур кабельных линиях постоянного и переменного тока; второе -- в СВЧ-волноводах или при беспроводной передаче с помощью антенных устройств.

Более реальным с точки зрения технической осуществимости и приемлемости экономических показателей средством резкого повышения пропускной способности электропередач является применение гипер- и сверхпроводящих кабелей, рассматриваемых в настоящей работе.

1. КРИОГЕННЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ КАБЕЛИ

1.1 ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА И КОНСТРУКЦИИ

КРИОГЕННЫХ КАБЕЛЕЙ

Логическим продолжением идеи увеличения пропускной способности кабельной линии за счет непосредственного внутреннего охлаждения является использовании низких температур. Всю шкалу температур от абсолютного нуля до 273 К (0°С) можно условно разбить на 4 диапазона. Первый из них (273-200 К) соответствует умеренному, второй (200-120 К) -- глубокому охлаждению. Интересующий нас диапазон криогенных температур охватывает значения от 120 до 0,3 К. Наконец, последний (четвертый) диапазон характеризуется значениями температур меньшими 0,3 К, называемыми сверхнизкими /2/.

Техника получения и поддержания криогенных и сверхнизких температур получила название криогеника. Для охлаждения до криогенных температур в качестве хладагентов в принципе могут быть использованы такие сжиженные газы, как метан, кислород, аргон, азот, неон, водород и гелий, температуры кипения которых при атмосферном давлении соответственно равны 117,7; 90,2; 87,3; 77,3; 27,2; 20,4 и 4,2 К. Их свойства и целесообразность использования в криогенных установках.

Криогенная кабельная линия, схематично изображенная на рис. 1.1, включает в себя три основных вида оборудования: собственно криогенный кабель, концевые устройства (токовводы) и рефрижераторные установки.

В соответствии с уровнем рабочей температуры и материалом токоведущих жил различают два типа криогенных кабелей:

-- криопроводящие (КПК) с жилами из металлов, не переходящих в сверхпроводящее состояние в диапазоне температур 20-120 К, для охлаждения которых могут быть в принципе использованы все перечисленные выше хладагенты, за исключением жидкого гелия;

-- сверхпроводящие (СПК) с жилами из сверхпроводниковых материалов, где в качестве хладагента используется жидкий гелий.

Принципиальная схема криогенной кабельной линии

Рис. 1.1

1 - криогенный кабель; 2 - токоввод; 3 - рефрижираторная установка.

Исследования криогенных систем передачи электроэнергии развиваются в течение двух последних десятилетий (с 1961 г.). Современная стадия характеризуется осуществлением ряда национальных программ исследований в таких странах, как России, США, Японии, Германии, Англия, Франция и др., промежуточным результатом которых является создание относительно коротких экспериментальных участков (до 50-100 м длиной). В ближайшем будущем в ряде стран намечено сооружение опытных полигонов для испытания в естественных условиях криогенных кабелей длиной до 1 км.

1.2 ОБЗОР КОНСТРУКЦИЙ КРИОГЕННЫХ КАБЕЛЕЙ.

ГИПЕРПРОВОДЯЩИЕ КАБЕЛИ

Использование хладогентов с низкими температурами кипения (от фреонов до жидкого азота, водорода или гелия) позволяет снизить омическое сопротивление проводникового материала и джоулевы потери в среднем на 10% при охлаждении на каждые 27°С. Затраты на охлаждение при этом увеличиваются тем больше, чем ниже рабочая температура, поэтому следует найти ту температуру токоведущих элементов, при которой затраты на сооружение и эксплуатацию кабеля минимальны.

С точки зрения к. п. д. оптимальный диапазон рабочей температуры проводников линии электропередачи составляет 15-30°К. При этом сумма потерь мощности в охлаждаемых проводниках и затрат мощности на их охлаждение в 10-15 раз меньше, чем потери в обычных голых проводниках кабелях при температурах 80-100 С. Общая зависимость капиталовложении в линии электропередач от температуры проводников еще не определена окончательно. Для того чтобы оценить достоинства и недостатки кабелей на обычных проводниковых материалах, охлаждаемых до низких температур, рассмотрим их ожидаемые показатели.

Поскольку электрическая часть кабеля заключается в теплоизоляционную оболочку, все три фазы целесообразно объединить в общую группу, чтобы снизить теплоприток извне. По мере того как температура жил растет, теплоприток извне становится меньше джоулевых потерь, и поэтому при температурах выше 70°К можно использовать пофазно изолированные однофазные кабели.

Поскольку теплоизоляционная оболочка содержит металлические слои для снижения теплопритока лучеиспусканием, магнитное и электрическое поля должны ограничиваться объемом, занятым жилами, и экранами, этот объем для повышения компактности конструкции следует свести до минимума, определяемого электрической прочностью изоляции и потерями на вихревые токи.

Поскольку при понижении температуры удельное сопротивление проводниковых материалов снижается, глубина проникновения поля уменьшается в зависимости

д =(2 с/щмм₀)^0,5, (5)

где с -- удельное сопротивление;

щ -- круговая частота;

м --магнитная проницаемость.

Для меди и алюминия промышленной чистоты при частоте 50 гц значения с и д в табл. 1.1

Таблица 1.1

Температура, К	с, мкОмЧсм		д,см
	Медь	Алюминий	Медь	Алюминий
300	1,70	2,80	0,94	1,26
77	0,22	0,35	0,33	0,45
20	0,0035	0,0056	0,04	0,00
5	0,003	0,005	0,04	0,05

Для снижения потерь от вихревых токов в гиперпроводящих кабелях жила выполняется в виде концентрических слоев из фольги или в виде транспонированного пучка тонких проволок, радиус которых должен быть меньше глубины проникновения д. Транспозиция должна использоваться для того, чтобы все провода были нагружены одинаково и их индуктивности были равны между собой. Можно показать, что минимум числа проводов отвечает минимуму общих потерь, когда потери за счет вихревых токов равны половине потерь проводимости.

В конечном итоге идеальное транспонирование витой жилы из множества очень тонких проволок диаметром 0,01-0,03 см позволяет в 2-4 раза снизить активное сопротивление каждой жилы. Тем не менее, удорожание кабеля за счет усложнения жилы так велико, что оказывается целесообразным использовать гладкие тонкостенные трубы, несмотря на то, что при этом увеличиваются вихревые токи.

Для всех случаев толщина проводника выбрана оптимальной, за исключением витой жилы в жидком азоте. Можно бы снизить сопротивление этой жилы увеличением числа нитей, но пришлось бы повысить стоимость жилы. Данные по ниобию -- сверхпроводящему материалу -- будут использованы ниже.

Экранировать магнитные поля токоведущих жил для исключения вихревых потерь в теплоизоляционной оболочке можно различными способами. Если используется однофазный кабель, то наружная проводящая труба может служить экраном (в этом случае она заземляется) или обратным проводом. В первом случае потерь в экране определяются вихревыми токами, во втором -- и вихревыми токами и токами проводимости, но экранирующее действие при этом идеальное. В трехфазной конструкции допустимо как пофазное экранирование, так и общее, когда все три фазы заключены внутри общего экрана. Во втором случае потери в экране составляют от 20 до 100% потерь в одной фазе.

В качестве электрической изоляции между фазами и экранами могут использоваться твердые диэлектрики, жидкие газы или вакуум.

Электрическая прочность этих сред, как правило, выше, чем у обычно используемых изоляционных материалов (масло, бумага, пластмассы, воздух).

Прокачиваемый вдоль кабеля хладоагент может идти в одну сторону по одной цепи, в другую -- по другой. В пределах одной цепи потоки могут циркулировать внутри полостей фазных проводников в разные стороны. Поскольку хладоагент должен прокачиваться под давлением, то стенки полостей должны иметь достаточную механическую прочность. Хладоагент должен отводить, не только тепло, генерируемое в проводниках, экранах и изоляции, но и тепло из-за трения в потоке, а также тепло, проникающее через теплоизоляционную оболочку извне.

На каждый ватт тепла, выносимого из зон с температурами 77, 20 и 5°К, требуется затратить примерно 10, 40 и 500 Вт мощности на привод рефрижератора. Мощность рефрижераторных установок и расстояние между ними вдоль трассы кабеля определяются на основе технико-экономического анализа.

Достаточно сложно должны решаться вопросы монтажа кабеля в полевых условиях при стыковке его секций, первичного захолаживания, при котором «холодные» части конструкции должны сокращаться в размерах, и т. д. Для более полной характеристики гиперпроводящих кабелей проанализируем ряд известных проектов

ЖИДКОАЗОТНЫЕ КАБЕЛИ

Назовем жидкоазотными такие кабели, проводники которых охлаждаются до 60-100°К (температура кипения азота при 1 ат равна 77,2 °К). По температурному уровню к ним примыкают электропередачи, 1где в качестве хладоагента используется природный газ с температурой кипения 110°К. Совмещение трубопровода сжиженного природного газа (110°К) с линией электропередачи. При этом сопротивление меди снижается до 0,45 Ч 10^-6 ОмЧсм, что в 4 раза меньше, чем при комнатной температуре (300°К). В кабеле на 1000 МВА при температуре 110°К активные потери составляют около 750 кВт/км, и если такой кабель совместить с трубопроводом, по которому прокачивается 1,5Ч10⁶ м³ природного сжиженного газа, то на длине 7 км весь газ должен испариться.

Для того чтобы избежать парообразования газа вдоль линии, нужно устанавливать рефрижераторы, а для снижения джоулевых потерь сечение жил можно увеличить. Целесообразность такого решения зависит от ряда фактов: совпадения трасс для передачи природного газа и электроэнергии, полной стоимости и к. п. д. совмещенной линии по сравнению с суммой стоимостей и потерями раздельных линий трубопровод сжиженного природного газа, совмещенный с кабелем на 3 ГВА, вдвое дороже эквивалентной линии, охлаждаемой до 20°К.

Следующей после природного сжиженного газа ступенью является температура сжиженного азота, стоимость которого невелика, причем промышленностью освоен выпуск мощных рефрижераторов и ожижителей. Одна из первых работ по расчету характеристик таких конструкций принадлежит Вилкинсону, который рассмотрел случай применения бериллия чистотой 99,94% с сопротивлением 2 Ч 10^-8 ОмЧсм в магнитном поле 0,05 Тл при температуре 77°К. Для снижения потерь на вихревые токи жила однофазного кабеля диаметром 6 см выполняется из 16000 транспонированных проволок диаметром 0,3 мм. При передаче по каждой жиле трехфазной линии тока 1,6 кА (напряжение 275 кв, мощность 760 МВА) потери за счет вихревых токов равны 160 Вт/км, а потери проводимости 460 Вт/км. Оптимальное расстояние между азотными рефрижераторами составило по расчету 658 м, а полная стоимость кабеля с учетом потерь в жилах за счет трения в потоке перекачиваемого азота и за счет теплопритока извне составила примерно 1,05Ч10³ ст/МВА, что примерно в 60 раз выше, чем для обычного медного кабеля.

В практически вся стоимость жидкоазотного кабеля определяется стоимостью проволоки из бериллия ценой 440 ф. ст/кг или 800 тыс. ф. ст/км. Выводы Вилкинсона о бесперспективности жидкоазотных кабелей впоследствии были опровергнуты, поскольку в его расчетах не было учтено удешевление земляных работ, возможное изменение плотностей тока, снижение стоимости рефрижератора в 1,2 раза, улучшение качества теплоизоляции, использование вместо бериллия алюминия и т. д. Так, для кабеля длиной 10 км с алюминиевой трубкой диаметром 10 см и толщиной стенки 0,68 см при средней температуре азота 89°К и перепадах температур и давлений по концам кабеля 23°К и 20 ат сопротивление трубы должно составить 25Ч10³ Ом, а номинальный ток равен 3,61 кА вместо 1,6 кА по Вилкинсону.

На рис. 1.2 представлено сечение жидкоазотного кабеля, рассчитанного на передачу мощности 4,325 ГВА при напряжении 500 кВ на расстояние 8 км. Каждая фаза выполнена из медной или алюминиевой трубы диаметром 150 мм, покрытой сверху пленкой из диэлектрика для повышения электрической прочности вакуума. С той же целью (повышение работы выхода) экран делается из алюминия с покрытием из никеля или нержавеющей стали. Для вакуумирования зазора экран - фаза 20% поверхности экрана перфорируются Наружная никелевая труба заземляется и вакуумируется до 10⁸ мм рт. ст. Жидкий азот под давлением 10 ат и при температуре 88°К подается внутрь одной фазы и возвращается по двум другим к рефрижератору с параметрами 3 ат и 88°К.

Сечение жидкоазотного кабеля с пофазным экранированием.

Рис. 1.2

1 - хладоагент; 2 - фазные проводники; 3 - пластмассовая пленка; 4 - изоляторы; 5 - перфорированные экраны для выравнивания электрических потенциалов, 6 - бандаж; 7 - вакуум; 8 - наружная труба.

Особенно детально разработаны проекты жидкоазотного кабеля Грано, в которых рассматривается конструкция из трех алюминиевых труб чистотой 99,9%, анодированных и имеющих сечение 48 см² на фазу. Эти трубы диаметром около 11,5 см раскреплены по углам треугольника в вакуумированной алюминиевой трубе чистотой 99,8%, служащей экраном. Между экраном и наружной антикоррозийной трубой диаметром. 38 см из углеродистой стали находится слой суперизоляции. Жидкий азот под давлением 10-20 ат прокачивается внутри фазных проводников. Расчеты показали, что при напряжении 345 кВ по двум цепям длиной 10 км можно передать мощность 3 660 МВА.

Жидкоазотная кабельная конструкция должна обладать следующими достоинствами: 1) простота изготовления; 2) снижение объема земляных работ; 3) возможность нормальных и аварийных перегрузок и работы в резкопеременном режиме; 4) пониженная емкость, что позволит обойтись без компенсирующих устройств на длинах до 50-80 км; 5) возможность использования испарительного охлаждения при пиковых нагрузках. За счет упрощения конструкции и малой стоимости азота и азотных рефрижераторов стоимость такой линии может быть снижена до стоимости воздушных ЛЭП.

Высоковольтные испытания однофазного участка длиной 5 м подтвердили расчетные параметры жидкоазотной линии. В 1971 г. отрезок трехфазной ЛЭП на 230 кВ, 400 МВА длиной 305 м должен быть испытан в полевых условиях. Охлаждение должно обеспечиваться заливкой жидкого азота из танка емкостью 3 м³ с выбросом паров в атмосферу.

ЖИДКОАЗОТНЫЕ КАБЕЛИ

Первый проект кабеля с алюминиевыми жилами, охлаждаемыми жидким водородом, выполнен Вилкинсоном. При удельном сопротивлении алюминия 3-10^-9 ОмЧсм и глубине проникновения 0,038 см потери в витой жиле диаметром 6 см из 10 000 проволок диаметром должны составить 168 Вт/км, а полная стоимость кабеля на 760 МВА, 275 кВ оказалась на 85% больше, чем для маслонаполненного кабели на те же параметры.

Более подробное рассмотрение показателей жидководородного кабеля позволило выбрать трехфазную конструкцию общим диаметром 47 см, в которой фазы экранированы отдельными экранами, зазор фаза -- экран заполнен твердой электрической изоляцией, а зазор между фазами -- жидким водородом. Фазный проводник диаметром 7,63 см из алюминия толщиной по углам треугольника в вакуумированной алюминиевой трубе чистотой 99,8%, служащей экраном. Между экраном и наружной антикоррозийной трубой диаметром. 38 см из углеродистой стали находится слой суперизоляции. Жидкий азот под давлением 10-20 ат прокачивается внутри фазных проводников. Расчеты показали, что при напряжении 345 кВ по двум цепям длиной 10 км можно передать мощность 3 660 МВА.

Конструкция кабеля /3/ может быть представлена в двух основных вариантах, как показано на рис.1.3 и 1.4. Оболочки (или труба) могут быть наложены либо на каждую изолированную жилу; либо на три жилы вместе.



Рис. 1.3 - Конструкция кабеля в отдельных оболочках

1 - жила; 2 - изоляция; 3 - оболочка; 4 - теплоизоляции; 5 - канал; 6 - обратные трубы.

Рис. 1.4 - Конструкция кабеля в трубе

1 - жила; 2 - изоляция;3 - теплоизоляция; 4 - канал в жиле; 5 - труба; 6 - оболочка.

Принципиальное отличие конструкции кабелей:

1. Глубина проникновения тока в материале оболочки значительно больше толщины оболочки (или трубы).

2. Глубина проникновения тока в материале оболочки равна или меньше толщины оболочки.

КАБЕЛЬ С ГЕЛИЙНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ

В 1969 г. во Франции была испытана однополюсная конструкция гиперпроводящего кабеля постоянного тока, алюминиевая жила которого охлаждалась до 20°К газообразным гелием.



Рис. 1.5 - Конструкция гиперпроводящего кабеля на 4 кА, ±20 кВ.

1 - гелий 20°К, 20 ат; 2 - закрытый канал; 3 - четыре слоя алюминиевых проводников; 4 - эквипотенциальные поверхности; 5 - ленточная электроизоляция; 6 - защитная оболочка; 7 - оболочка 20°К, 20 от; 8 - кожух с комнатной температурой.

На рис. 1.5 представлена конструкция кабеля с алюминиевыми жилами чистотой 99,997%, сопротивление которого примерно равно 4Ч10^-9 ОмЧсм. Для снижения числа стыков жила кабеля сделана витой и может протягиваться через оболочку на роликах. Гелий подают во внутреннюю гофрированную трубку диаметром 7 см, сечение жилы равно 20 см², рабочая плотность тока 2 А/мм². Изоляция выполнена майларовой лентой толщиной 0,25 мк при полной толщине слоя 3 мм и рассчитана на рабочее напряжение 20 кВ (пробой при 40 кВ).

Экспериментальный участок состоит из двух соосных секций длиной по 8 л с компенсатором теплового расширения между ними. Суперизоляция выполнена из нескольких десятков листов алюминизированного майлара, вакуумированных до 10⁴ мм рт. ст. Ввод тока из «теплой» в «холодную» зону осуществляется по теплоизолированной шине, разбитой на три секции, между которыми врезаны теплообменники с температурами 55 и 77°К.

Испытанный кабель мощностью 160 МВт (±20/се, 4 кА) служит прототипом линии на 2000 МВт (±125 кВ, 8 кА), которая должна собираться из секций длиной по 20 м.

2. БЕСКОНТАКТНЫЕ СИЛОВЫЕ УПРАВЛЯЮЩИЕ УСТРОЙСТВА

НА ОСНОВЕ ФАЗОВОГО ПЕРЕХОДА

Использование явления фазового перехода вида сверхпроводник-несверхпроводник позволяет создать переключатели магнитного потока (ПМП) аналогичные по своим свойствам вентильным элементам. Подобные переключатели могут быть выполнены на базе управляемых сверхпроводящих экранов, управление которыми может магнитного поля, например, поля трансформатора, или с помощью обмотки управления. Были проведены расчеты коммутационных процессов в токоограничиващем устройстве трансформаторного типа (ТОУТ), которое совмещает в себе функции трансформатора, токоограничители и выключателя тока и состоит из магнитопровода, на котором размещены первичная и вторичная обмотки устройства и управляемый сверхпроводящий экран. Причем, одна из обмоток состоит из секций, расположенных на разных стержнях магнитопровода и включенных встречно. Магнитный экран выполнен из одного или нескольких витков ленты из сверхпроводящего материала, концы которой соединены со сверхпроводящим ключом. При замкнутом экране ТОУТ работает как обычный трансформатор, а при разомкнутом общая магнитная связь первичной и вторичной обмоток сводится к нулю и трансформация энергии в линии электропередачи прекращается. Проведенные авторами исследования позволили сделать вывод о возможности полного и многократного ограничения тока с высоким быстродействием при использовании переключателей магнитного потока в ТОУТ на основе явления фазового перехода сверхпроводник-несверхпроводник.

Использование этого явления фазового перехода привело к созданию сверхпроводящих ключей (СПК), которые могут использоваться в сверхпроводящих преобразователях тока (СПТ), позволяющих вводить сверхпроводящую обмотку большие токи (тысячи ампер) без специальных мощных токовводов. Конструкции СПК в основном определяются выбранным сверхпроводящим материалом токонесущего элемента и способом его перевода в нормальное состояние. В существующих СПТ в одинаковой степени применяются как магнитный, так и тепловой способы перевода токонесущего элемента в нормальное состояние. Конструкции, способы управления СПК и требования к ним подробно.

Значительное изменение удельного сопротивления ФЭЛов открывает широкие перспективы применения их в качестве выключателей, токоограничителей и короткозамыкателей в мощных системах электропередачи и системах электроснабжения ЭТУ, где требуется иметь быстродействующие переключатели и токоограничители на большие токи.

Известно, что лучшие механические выключатели имеют время включения до нескольких миллисекунд и контактное сопротивление порядка 10^-6 Ома. Дальнейшее уменьшение времени коммутации механических выключателей связано с большими трудностями и вряд ли осуществимо.

Использование же ФЭЛов на базе явления фазового перехода сверхпроводник-несверхпроводник, как это показано, открывает перспективы создания выключателя, имеющего время коммутации порядка одной микросекунды и менее и контактное сопротивление порядка 10^-8-10^-12 Ома.

Такие выключатели найдут широкое применение при проведении ядерно-физических экспериментов, для которых необходимы токовые импульсы большой мощности, чего невозможно получить непосредственно от сети электроснабжения. Для создания мощных токовых импульсов используются сверхпроводящие индуктивные накопители энергий (СПИН), которые также могут подключаться для подпитки к системам электроснабжения в пиковый период нагрузки. Для подключения СПИН к системе электроснабжения могут быть использованы сверхпроводящие выключатели (СПВ), выполненные из ниобий-титановой фольги или провода. Полученное экспериментально время коммутации такого выключателя составляет менее 10 мкс при импульсе напряжения до 10 кВ.

Кроме того, ФЭЛ на основе этих металлов могут быть использованы и как токоограничивающие омические и индуктивные устройства. Экспериментально показано, что при использовании омического токе ограничивающего устройства возможно уменьшение тока короткого замыкания более чем на порядок. При этом время ограничения не превышает 100 мкс. Использование же индуктивных токоограничивающих устройств позволяет резко уменьшить объем используемого сверхпроводникового материала и снизить джоулевы потери в проводнике.

Перспективность использования ФЭЛ в качестве выключателей и токоограничителей потребовало проведения технико-экономических исследований и разработки конструктивных решений. Описанию конструктивных решений сверхпроводящих выключателей посвящены работы. Было показано, что при удельном сопротивлении сверхпроводника в нормальном состоянии равном с_Н=0,05 0м/м стоимость выключателя существенно зависит от критической плотности тока и материала сверхпроводника.

В работе анализ технико-экономических показателей СПВ показывает, что стоимость их значительно превышает стоимость обычных выключателей, причем наибольший вклад в нее вносит рефрижераторная установка. Кроме того, на стоимость выключателя сильно влияет удельное сопротивление материала ФЗЛ в нормальном состоянии и значение критической плотности тока.

Разрабатываемые на ФПМД фазовые элементы могут непосредственно включаться в силовые высоковольтные сети, в которых их предполагается использовать в качестве выключателей и токоограничителей, например, в системах электроснабжения различных ЭТУ, особенно дуговых печей.

По мере снижения стоимости рефрижераторных установок и разработку "теплых" сверхпроводников эти устройства смогут успешно конкурировать с существующими выключателями и токоограничителя

2.1 ЭЛЕМЕНТ “СВЕРХПРОВОДНИК-НЕСВЕРХПРОВОДНИК”

Переходы этого типа изучались с момента открытия в 1911 г. явления сверхпроводимости. До не давнего времени объектом исследования были металлы и сплавы. В последние годы в связи с формированием основных напряжений исследований в области высокотемпературной сверхпроводимости большое внимание уделяется изучению переходов «сверхпроводник-несверхпроводник» (СП-переход) в полупроводниках и даже диэлектриках. Теоретическое и практическое значения этих исследований трудно переоценить. В то же время конкретные интересы электроэнергетики определяют необходимость внесения дополнительных коррективов в исследование этих переходов.

Дело в том, что основные усилия теоретиков и экспериментаторов направлены в настоящее время на получение «среднетемпературных» (20К ? Т_с ? 70 К) и «высокотемпературных» (Т_С > 90 К) сверхпроводников. При этом параметрам сверхпроводников в нормальном состоянии уделялось второстепенное значение. Если же рассматривать возможность использования сверхпроводников для создания переходных элементов электроэнергетического назначения, то их важнейшими свойствами будут высокое удельное сопротивление в нормальном р_н и значительный критический ток в сверхпроводящем состояниях. Критическую температуру СП-перехода Т_с желательно иметь, естественно, возможно более высокий, однако, это имеет уже второстепенное значение.

Возможно ли создание сверхпроводников со значениями р_н ? 10^-3 ОмЧсм? По-видимому, да. Величина р_н зависит от концентрации свободных носителей заряда N_min а каких-либо жестких ограничений снизу для сверхпроводников относительно N не существует. Можно лишь предполагать, что при некоторых значениях будет происходить разрушение сверхпроводимости из-за эффектов, связанных с конечностью жизни возмущений. В то же время экспериментальные исследования последних лет установили наличие сверхпроводимости у целого ряда высокоомных в нормальном состоянии полуметаллов и полупроводников и даже диэлектриков.

2.2 ЭЛЕМЕНТ “МЕТАЛЛ-ДИЭЛЕКТРИК”

Определим требования к элементам с СП-переходом. В отличие от фазовых элементов «металл-диэлектрик» ПЭЛ на основе СП-переходов необходимо термостабилизировать только в нормальном состоянии.

При переходе ПЭЛ в непроводящее состояние:

(1)

где U_H - напряжение на ПЭЛ;

R_н - сопротивление ПЭЛ в несверхпроводящей фазе.

Для эффективной термостабилизации ПЭЛ должно выполняться условие, а наилучшей формой его является тонкая пластина, толщина которой h много меньше ширины b и длины l. Исходя из этих предпосылок, предельное напряжение:

(2)

Максимальная температура современных проводников не превышает 24 К, вследствие практически единственным хладоагентом может быть только жидкий или сверхкритический гелий не рекомендуется принимать более 0,4 Вт/см². Минимальная толщина проводящего ПЭЛ не может быть меньше двойной глубины проникновения электромагнитного поля которая составляет примерно 2-10^-5см. Он может быть выполнен в виде бифилярной малоиндуктивной катушки значительной длины, вплоть до скольких километров, если это возможно по технологическим параметрам данного сверхпроводника. Если активный материал имеет неметаллическую природу, ПЭЛ может быть выполнено в виде отдельного моноблока или набора моноблока. Таким образом, длина сверхпроводящих ПЭЛ может колебаться от нескольких метров до километров. Считая предельной длинной бифилярного ПЭЛ 10⁴ м, а ПЭЛ блочного типа получим, что при напряжении 10³ кВ Т=Т_С, активный материал ПЭЛ обладать соответственно с_н=25Ч10^-6 и с_н=25 ОмЧсм.

Однако, если для ограничительно-отключительных устройств имеет основное значение предельное напряжение и предельный ток ПЭЛ, то выпрямительно-инверторных устройств чрезвычайно важно иметь высокий к. п. д. Исходя из того что сечение сверхпроводящего ПЭЛ

(3)

Рис. 1 - Диаграмма фазового состояния

Однако в сетях переменного тока можно использовать значительную коммутационную способность таких ПЭЛ путем включения их во вторичные трансформаторные цени управления не электрическим током, а магнитам потоком. Показать такое управление можно на наиболее простом токоограничивающем устройте (рис. 2), состоящем из двух магнитосвязанных обмоток, одна из которых включена в защищаемую сеть, а другая замкнута на ПЭЛ. Когда фазовый элемент находится в проводящем состоянии, устройстве имеет место эффект самокомпенсации магнитного потока, который исчезает при переходе ЭЛ в непроводящее состояние. Очевидно, что индуктивность устройства в первом случае значительно меньше, чем во втором.

Рис. 2 - Схема токоограничивающего устройства на основе управления

магнитным потоком

На данном принципе могут быть синтезированы самые различные схемы ограничительно-выключательных и выпрямительно-преобразовательных устройств как однофазного, так и трехфазного типа. В схемах с разветвленными магнитопроводами наряду с обычными ферромагнитными сердечниками могут быть использованы и сверхпроводящие экраны распределения магнитного потока. Естественно, эффективное управление магнитным потоком возможно только в случае, если в одном режиме

(4)

а в другом режиме

(5)

где L_у- индуктивность обмотки управления.

Принимая «много больше» и «много меньше» 10²-10³, определим минимальную глубину коммутации. Эти значения вполне могут быть обеспечены ПЭЛ на основе как МД, так и СП-переходов.

3. ВЫБОР КРИОКАБЕЛЯ

Конструктивное выполнение криопроводящего кабеля исходит из размещения в простой жесткой теплоизоляционной оболочке (без промежуточного экрана) трех гибких токоведущих жил из алюминиевых проволок, навитых на опорную спираль или трубку, внутреннее пространство которых служит каналом для прокачки прямого потока жидкого азота /2/. Свободное пространство в оболочке холодной зоны используется для обратного потока, хотя в некоторых проектах для этих цели применяется отдельный трубопровод. Эскиз поперечного сечения криопроводящего кабеля показан на рис. 3.1 Изоляцией служит вакуумно-порошковая изоляция. Слой электрической изоляции пропитывается жидким азотом и экранируется для создания в изоляции радиального электрического поля. Внешний диаметр кабеля такой конструкции на напряжение 500 кВ и номинальную мощность 3500 MBА составляет примерно 0,5 м . Экономическая плотность тока для жидкоазотных кабелей с алюминиевыми жилами лежит диапазоне 0,8-1,5 А/мм² , т. е. несколько меньше чем для кабелей с бумажно-масляной изоляцией. Зависимости удельных, приведенных затрат З'уд (на МВтЧкм) на сооружение и эксплуатацию жидкоазотной кабельной от номинальной активной мощности Рном они показывают, что при мощностях, характерных для глубоких вводов в города в перспективе, необходимо использовать напряжение 500 кВ или выше.

Рис. 3.1 - Эскиз поперечного сечения кабеля переменного тока,

охлаждаемого жидким азотом:

1 - перфорированная гибкая труба-подложка; 2 - многожильный алюминиевый проводник; 3 - синтетическая изоляция, пропитанная жидким азотом; 4 - каналы прокачки жидкого азота; 5 - оболочка холодной зоны из нержавеющей стали; 6 - теплоизоляция («суперизоляция»); 7 - внешняя защитная стальная труба с антикоррозийным покрытием.

Вакуумно-порошковая теплоизоляция.

Если заполнить теплоизолирующее пространство порошком, то можно обеспечить достаточно низкие значения эквивалентного коэффициента теплопроводности л_п /2/, особенно если создать в этом пространстве вакуум. Наиболее распространенные материалы для вакуумно-порошковой теплоизоляции -- аэрогель, перлит, кремнегель. При вакууме 10^-2-10^-3 мм рт. ст. и менее (л_п практически не зависит от давления и примерно на порядок ниже, чем для обычной порошковой изоляции при атмосферном давлении. Так, при разряжении 10^-2-10^-3 мм рт. ст. в диапазоне температур 300-77 К перлит и аэрогель в виде порошка с частицами размером около 0,25 мм характеризуются значениями л_п = (2-3)Ч10^-3 Вт/(м-К). Дальнейшее снижение возможно за счет добавления к порошку мелких металлических частиц (медной или алюминиевой пудры), обеспечивающих уменьшение лучистого теплопритока к холодной зоне. Так, добавка такой пудры в размере 40-60% по массе к аэрбгелю или перлиту позволяет достигнуть значений л_п =(3-5)Ч10^-4 Вт/(м-К), что примерно на порядок хуже по сравнению с высоковакуумной изоляцией.

Достоинством вакуумно-порошковой изоляции является более низкая степень вакуумирования изолирующей полости по сравнению с высоковакуумной. Так же, как и последняя, она может применяться в сочетании с промежуточными охлаждаемыми экранами. Такое сочетание предлагалось использовать и в некоторых проектах сверхпроводящих кабелей, где промежуточный экран охлаждался жидким азотом. Недостатками вакуумно-порошковой изоляции является газовыделение порошка при первоначальном вакуумировании полости, что увеличивает его время, а также возможность уплотнения порошка, приводящего к некоторому ухудшению ее теплоизолирующих свойств. Несмотря на это, она используется для изоляции довольно крупных объектов, какими являются корпуса ожижителей, криогенные трубопроводы и емкости для хранения криогенных жидкостей, начиная с жидководородных температур 20⁰К и выше.

3.1 РАСЧЕТ ТЕПЛОВЫХ ПОТЕРЬ

Значение теплопритока /2/ к холодной зоне через кольцевое пространство между коаксиальными цилиндрами, содержащее вакуумно-порошковую теплоизоляцию, определяется выражением

q₂=3р л_п ДT(lnR₁/R₂)^-1Dl (6)

q₂=3Ч3.14Ч4Ч10^-4Ч213Ч(ln0.25/0.2)^-1Ч0.5Ч1.2Ч10³=1.2 кВт (7)

где ДT - разность температур,

R₁, R₂ - внешние и внутренние радиусы цилиндров, м,

D - внешний диаметр цилиндра, м;

l - общая длина кабеля.

Также учитывается теплоприток /4/ через токовводы:

(8)

(9)

л_тср, с_тср - значение теплопроводности (Вт/мК) и удельное электрическое сопротивление.

Для уровня охлаждения жидким азотом

(лЧс)_тср =4Ч10^-6 Вт Ом/К.

Рассмотрим расчет конструкции /5/. По мере движения по кабелю жидкий азот нагревается от температуры 78 К в начале линии до 90 К в конце линии. При движению по обратным трубам азот также будет нагреваться. Давление при входе азота в линию целесообразно выбирать не более 2,0 МПа, в конце линии давление снизиться до 1,0 МПа, а после прохождения по обратным трубам примерно до 0,8 МПа. При этом для того, чтобы азот оставался жидким, необходимо, чтобы его температура не превышала 100 К.

Для рассматриваемой конструкции можно записать систему уравнений:

V_a=V₁+p_ж(S_aЧ(1+y_об)+S_изy_об)+p₁Ч(S_a+S_из) (10)

V₁=S₁₁Чp₁+S₁₂p₂ (11)

V₂=S₂₁Чp₁+S₂₂Чp₂ (12)

cЧQЧ(dV_a/dx)=p_жЧ(1+y_об)+p_{тр 1}+р₁ (13)

cЧQЧ(dV₂/dx)=p_{тр 2}+p₂ (14)

где V=T₀-T,

T₀ - температура окружающей среды,

Т - температура соответствующей точки в кабеле;

Va - перепад температуры для азота в начале жилы;

V₁ - перепад температуры на поверхности кабеля;

V₂ - перепад температуры на поверхности обратной трубы;

P_ж - потери в жиле;

Y_об - коэффициент потерь в оболочке (y_об=p_об/p)

p₁, p₂ - теплоприток через теплоизоляцию к кабелю и к обратной трубе;

S₁₁, S₂₂, S₁₂, S₂₁ - частичные тепловые сопротивления теплоизоляции

c, Q -теплоемкость и расход жидкого азота;

S_a -тепловое сопротивление теплопередачи от хилы к жидкому азоту;

S_из -тепловое сопротивление электрической изоляции;

p_тр1, p_тр2 - тепловое давление от трения при движении азота.

Совместное решение системы уравнений приводит к двум дифференциальным уравнениям - для температуры азота в канале жилы (V_a) для азота в обратной трубе (V₂):

d²y₀/dx² + mdy/dx + ny = 0 (15)

d²z/dx² + mdx/dx + nz = 0, где (16)

y = V_a + c_a/n; z = V₂ + c₂/n (18)

(19)

(20)

C_a = BЧn C₂ = CЧn (21)

B = Ч(p_жЧ(1+y_об)+ДV₁) +S₁₂ЧДV₁ЧB/p₁-p_жЧ0,123 (22)

C = S₂₁Ч(p_жЧ(1+y_об)+ДV₁) +S₂₂ЧДV₁Чp₂/p₁ (23)

Решение записывается в виде:

Y = k_y Ч e^k₁^x +L_yЧe^k₂^x (24)

или

V_a = k_y Ч e^k₁^x +L_yЧe^k₂^x - B (25)

V₂ = k_z Ч e^k₁^x + L_z Чe^k₂^x - C, (26)

где k_y ,L_y ,k_z ,L_z - произвольные, коэффициенты, которые находятся из граничных условий.

B = C_aЧn C = C₂Чn (27)

(28)

Произвольные коэффициенты находятся из условий в начале и конце линии:

I. x = 0 V_a=V_a0=293-78=215K

2. При x = L (L- длина линии) V_al=V_2l

3. Отвод тепла в фазы кабеля с помощью хладагента равен полному теплопритоку к фазе (при x=0)

cЧQЧ(dV_a/dx)|_x=0 = p_жЧ(1+y_об)+p_{тр 1}+р_1,0 (29)

4. Отвод тепла из обратной трубы равен полному теплопритоку к обратной трубе (при x=0)

cЧQЧ(dV₂/dx)|_x=0 = p_тр2+р_2,0 (30)

Для определения р_1,0 и р_2,0 запишем систему в виде

P₁=в₁₁ЧV₁ + в₁₂ЧV₂ (31)

P₂=в₂₁ЧV₁ + в₂₂ЧV₂ (32)

где в - коэффициент выражаемые через S.

Из записанных четырех условий находим четыре произвольны коэффициента в уравнениях.

Коэффициенты S₁₁, S₂₂, S₁₂, S₂₁ могут быть определены графоаналитическим методом или путем физического моделирования в зависимости от взаимного расположения кабелей в труб, расположенных внутри теплоизоляции.

Графоаналитическое построение жил удобнее производить для двух условий:

1.Зададим определенное значение V₁ и р₂=0 получим

S₁₁=V⁽¹⁾₁/p₁ ; S₂₁=V⁽²⁾2/p₁

При заданных условиях получаем наиболее простое распределение силовых линий теплового поля.

2. Зададим условие V₁=V₂, для которого также наиболее просто построить графоаналитическую картину теплового поля. При этом можно получить отношения:

p₁/p₂=(S₁₂ - S₂₂)/ (S₁₁ - S₂₁) (33)

(p₁+p₂)/V₁ = (S₁₁+ S₁₂ - S₂₁ - S₂₂)/ (S₁₂+ S₂₂ - S₁₁ - S₂₂) (34)

Из этих соотношении q при уже определённых значениях S₁₁ и S₂₁ можно определить S₂₂ и S₁₂. Причем величина

V₁/(p₁+p₂)= ; (35)

где - удельное тепловое сопротивление теплоизолянда;

, - наружный и внутренний диаметр теплоизоляции

Заданному перепаду давлений (Дp=1,0 мПа) соответствует определенная длина линии L, которая зависит от динамического сопротивления канала жилы при течении азота. При турбулентном движении жидкости перепад давления может быть рассчитан по уравнению

, (36)

где f - коэффициент трения, зависящий от величины числа Рейнольдса (Re) и шероховатости стенок канала

- плотность жидкости;

Q - расход азота (м³ /с);

D - диаметр канала в жиле;

для линейной зависимости p=kL запишем

Дp=LQ²K ; k= (37)

Для фазы кабеля можно записать следующее приближенное уравнение теплового баланса

LЧ (38)

Где = p_жЧ(1+y_об)+p_тр1+p_1ср - разность температур азота при выходе и при входе в канал хилы (в конце и начале линии); - средний теплоприток к кабелю.

Решая совместно, получаем

(39)

(40)

Причем для потерь на трение можно записать

P_тр1= QЧdp/dx = QДP₁/L (41)

P_тр2= QДP₂/L (42)

Где ДP₂ и ДP₂ перепад давления в кабеле обратной трубе.

Таким образом общая схема расчета может быть представлена в виде.

1. Необходимо задать ДP₁, ДP₂ ,ДЕ_a, и по этим значениям рассчитать Q и L.

При этом средний теплоприток P_1ср предварительно определяем приближенно, исходя из общего теплового сопротивления.

2. Вычислить температуры. При этом для полученных температур и коэффициентов S в матрице получить уточненные значения ДT_ф и .

3. По уточненному значению уточнить L и Q.

В зависимости от расположения обратных труб (их расстояние от кабелей) может быть получена различная картина распределения температур по длине линии. Если обратные трубы расположены далеко от кобелей и ближе к поверхности теплоизоляции, то теплоприток к кабелям несколько уменьшается, но теплоприток к обратным трубам заметно возрастает. Это приведет к снижению изменения температуры азота вдоль кабеля и к возрастания изменения температуры азота вдоль обратной трубы. При близком расположении обратной трубы к кабелю рост температуры вдоль кабеля увеличивается, а по обратной трубе снижается и даже возможное положение.

Зависимость температуры от расстояния от начала линии в кабеле и обратной трубе при тепловой связи между кабелей и обратной трубой: