Сверхпроводящие сети

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Оренбургский государственный университет, Оренбург.

Сверхпроводящие сети

Митрофанов С.В.

Алешина С.К.

Жаворонков А.Е.

Введение

Важнейшей задачей, стоящей перед энергетикой является создание эффективных и энергосберегающих систем передачи электроэнергии. Наиболее эффективным способом увеличения мощности распределительных сетей, без изменения напряжения в сети, может стать замена обычных силовых кабелей сверхпроводящими.

История

Явление сверхпроводимости было открыто в начале ХХ века, его исследование продолжается. Голландский физик Хейке Камерлинг-Оннес 8 апреля 1911 года неожиданно обнаружил, что при 3 градусах Кельвина (около ?270 °C) электрическое сопротивление ртути практически равно нулю. Следующий эксперимент, проведённый 11 мая, показал, что резкий скачок сопротивления до нуля происходит при температуре около 4,2 К (позднее, более точные измерения показали, что эта температура равна 4,15 К). Этот эффект был совершенно неожиданным, и не мог быть объяснён существовавшими тогда теориями.

Позднее было установлено, что сверхпроводники делятся на два больших семейства: сверхпроводников I типа (к ним, в частности, относится ртуть) и II типа (которыми обычно являются сплавы разных металлов). В открытии сверхпроводимости II типа значительную роль сыграли работы Л. В. Шубникова в 1930-е годы и А. А. Абрикосова в 1950-е.

По состоянию на 1 января 2006 года рекорд принадлежит керамическому соединению Hg--Ba--Ca--Cu--O(F), открытому в 2003 году, критическая температура для которого равна 138 К. Более того, при давлении 400 Кбар то же соединение является сверхпроводником при температурах до 166 К.

Критическая температура

Сверхпроводимость возникает скачком при понижении температуры. Температура Tc, при достижении которой происходит скачок, называется критической. Внимательное исследование показывает, что такой переход наблюдается в некотором интервале температур. Высокотемпературными считаются СП с температурой перехода выше 77 К (температура кипения азота). Жидкий азот намного безопасней в эксплуатации, по сравнению с другими охлаждающими веществами (водород, гелий), кроме того, его получение не составляет трудности на сегодняшний день. Стоимость его производства также невелика. Сам жидкий азот, как известно, не поддерживает горения.

Эффект Мейснера

Даже более важным свойством сверхпроводника, чем нулевое электрическое сопротивление, является так называемый эффект Мейснера, заключающийся в выталкивании сверхпроводником магнитного потока. Из этого экспериментального наблюдения делается вывод о существовании незатухающих токов внутри сверхпроводника, которые создают внутреннее магнитное поле, противоположно направленное внешнему, приложенному магнитному полю и компенсирующее его.

Рисунок 1 - Вид «сверхпроводящего перехода». Зависимость сопротивления от температуры для образца 1(более «чистого») и 2 (более «грязного»). Критическая температура Tc обозначает середину перехода, когда сопротивление падает наполовину по сравнению с нормальным состоянием. Начало падения --Tc0, конец -- Tce.

Достаточно сильное магнитное поле при данной температуре разрушает сверхпроводящее состояние вещества. Магнитное поле с напряжённостью Нc, которое при данной температуре вызывает переход вещества из сверхпроводящего состояния в нормальное, называется критическим полем. При уменьшении температуры сверхпроводника величина Нc возрастает. Зависимость величины критического поля от температуры с хорошей точностью описывается выражением:

(1)

где Hc0 -- критическое поле при нулевой температуре.

Сверхпроводимость исчезает и при пропускании через сверхпроводник электрического тока с плотностью, большей, чем критическая jc, поскольку он создаёт магнитное поле, большее критического.

Квантово-механическая теория

Квантово-механическая теория сверхпроводимости (теория БКШ) рассматривает явление сверхпроводимости как сверхтекучесть бозе-эйнштейновского конденсата куперовских пар электронов в металле с присущим сверхтекучести отсутствием трения. Электроны проводимости движутся в сверхпроводнике беспрепятственно - без «трения» о неоднородности кристаллической решетки. Основная особенность сверхпроводников заключается в том, что в них возникает взаимное притяжение электронов с образованием электронных пар (так называемые куперовские пары). Причиной этого притяжения является дополнительное к кулоновскому отталкиванию взаимодействие между электронами, осуществляемое под воздействием кристаллической решётки и приводящее к притяжению электронов.

Сверхпроводящие высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП-провода)

Использование ВТСП устройств позволяет создавать уникальные на сегодняшний день технические устройства в энергетике, авиации, судостроении, космосе. Но самое большое внимание в мире уделяется разработке и строительству силовых электрических линий большой мощности с использованием ВТСП технологий. Отметим, что революция в физике - открытие высокотемпературной сверхпроводимости произошла в 1986 году. А сами высокотемпературные сверхпроводники для промышленной силовой электроэнергетики были созданы только в последнее десятилетие. Практический температурный диапазон работы сверхпроводников от 65 до 75К.

Рисунок 2 - Сравнительные размеры лент из сверхпроводящего материала

В начале ХХI века начинается переход к производству и использованию сверхпроводящих ВТСП-проводов. Эти провода представляют собой ленты в отличие от более привычных проводов круглого сечения. ВТСП-провода переходят в сверхпроводящее состояние при температурах выше азотной, но имеют при азотной температуре сравнительно малые критические токи. В целом ВТСП-провода характеризуются довольно резкой зависимостью критического тока и напряженности магнитного поля от температуры и при температурах около 20 К имеют критическую плотность тока, которая превосходит параметры обычных низкотемпературных проводов (NbTi и Nb3Sn). Возможность работать при 20-25 К обусловливает гигантский прогресс, поскольку позволяет использовать в прикладных устройствах, например, таких, как томографы, менее мощные и более дешевые охлаждающие устройства.

Среди ВТСП-проводов выделяют провода двух поколений. Провода 1-го поколения - это провода на основе серебряной матрицы с микроканалами, в которых находится сверхпроводящая керамика, как правило, Bi-Sr-Ca-Cu-O. Такие провода доступны на рынке с 2000 года и имеют длины до 1,5 км. Недостатки их - наличие больших теплопритоков и механическая хрупкость.

Конструкция проводов 2-го поколения решает эту проблему. Эти провода представляют собой многослойную структуру, которая напыляется на ленту из нержавеющей стали. Важную роль играет слой MgO, который напыляется непосредственно на нержавеющую ленту под углом 30-40°. Косое напыление создает на поверхности MgO одинаково направленные борозды. Эти борозды служат для ориентации кристаллов ВТСП-керамики, которая напыляется непосредственно на MgO.

Рисунок 3 - Структура ВТСП-провода 2-го поколения: а -- защитный слой Сu; б -- керамика Y-Ba-Cu-O;в -- ориентированный слой MgO; г -- неориентированный слой MgO; д -- лента из нержавеющей стали.

В качестве ВТСП-керамики используется Y-Ba-Cu-O или близкие к ней по структуре керамики. Слой ВТСП-пленки имеет толщину менее 2 мкм. Структура ВТСП-провода 2-го поколения показана на рисунке 3. Новые сверхпроводящие провода разрабатываются очень быстрыми темпами, и в ближайшее время возможно появление новых композитных материалов с уникальными свойствами для технических применений. В целом эта область находится на пороге нового технического бума, который будет связан с разработкой и применением двигателей на основе новых сверхпроводящих проводов с использованием безжидкостного охлаждения систем при помощи охладителей. Кроме того, активно разрабатываются накопители энергии, токоограничители и другие технические устройства для больших энергетических систем.

Необходимо отметить, что на данный момент своего сверхпроводника в России нет. По словам физиков-энергетиков, проблему сверхпроводника проще и дешевле решить, закупая подходящий его вариант у Японской фирмы «Сумитама». На рынке есть и другие фирмы, готовые его продать. Например, такие американские компании как AMSC и Superpower. Что касается американских аналогов сверхпроводников первого поколения, то они уступают японскому по величине критического тока. А американский сверхпроводник второго поколения дороже японского. Вообще помимо России еще четыре страны - США, Япония, Голландия, Китай занимаются опытно промышленной эксплуатацией силовых кабелей. Из них только Китай делает закупки в США.

Силовые кабельные линии с использованием высокотемпературных сверхпроводящих кабелей. сверхпроводящий сеть провод силовой кабельный

Упрощенное устройство сверхпроводящего кабеля показано на рисунке 4. В центре обычно находится пучок медных проводов, диаметров около 20 миллиметров, который является несущим элементом. На этот элемент по окружности укладываются сверхпроводящие ленты. Они укладываются спиралью, скручиваются под углом. Два десятка лент - это первый слой. Поверх этого слоя укладывается второй слой сверхпроводящих лент с противоположным направлением скрутки. Затем накладывается изоляция от 6 до 12 миллиметров толщиной. Далее укладывается еще примерно такое же количество сверхпроводящих лент - это так называемый сверхпроводящий экран. Поверх сверхпроводящего проводника - медный экран. Он является защитой сверхпроводника. Этот кабель упаковывается в длинную гибкую трубу из гофрированной нержавеющей стали. Причем труба эта двойная - внутренняя труба обмотана так называемой суперизоляцией, и между двумя трубами откачан воздух - это так называемая высоковакуумная термоизоляция. По внутренней трубе прокачивается жидкий азот. И вот сверхпроводящий кабель засовывается в этот криостат. Главная проблема - это надежная криогенная система, которая создает этот жидкий азот и качает его по длинному кабелю.

Криогенные системы для сверхпроводящих кабельных линий

С 12 декабря 2009 г. Россия преодолела 15 летнее отставание в практическом использовании ВТСП технологий. Тогда была запущена ВТСП силовая линия длиной 200 метров на опытном полигоне в Научно-техническом центре электроэнергетики. Над воплощением этого проекта приняли участие сотрудники МАИ в рамках НТЦ МАИ. Они создавали систему криообеспечения на жидком азоте «СК 001», то есть систему поддерживающие температуру кабеля от 65 до 75 К. В целом, одна из ключевых проблем при создании ВТСП устройств - создание систем криообеспечения (СК), обеспечивающих надежное поддержание необходимого уровня температуры ВТСП проводников.

В результате за 2 года в МАИ была создана принципиально новая автономная высокоэффективная азотная система криообеспечения СК 001 для силовых высокотемпературных сверхпроводящих систем различного назначения.

Система криообеспечения имеет следующие параметры: холодопроизводительность криорефрижератора до 8 кВт при температуре 65 К; давление подачи на входе в криостаты до 15 бар; массовый расход жидкого азота от 0.1 до 2 кг/с; температура жидкого азота в контуре от 65 до 75 К; объём жидкого азота в расходной ёмкости 1 м3; запас жидкого азота в ёмкости хранения - 6 м3; потребляемая электрическая мощность до 107 кВт; ресурс не менее 30 000 часов без регламентных работ; масса системы криообеспечения - 2600 кг; габариты системы криообеспечения 4Ч6Ч3.5 м.

Рисунок 4 - Изображение упрощенной конструкции ВТСП кабеля.

Рисунок 5 - Внешний вид криогенной системы «СК 001».

Уникальность и новизна российской, созданной в МАИ, системы криообеспечения СК 001 заключается в следующем. Созданы уникальные «погружные» криогенные насосы с ВТСП электроприводом, обеспечивающие циркуляцию жидкого азота в системе криообеспечения; криорефрижератор на основе компактных радиальных высокоресурсных турбомашин с использованием неона в качестве рабочего тела, при высоком коэффициенте полезного действия (в 1.5 раза выше существующих в мире), с минимальными массой и габаритами, без водяной системы охлаждения.

Центробежный криогенный насос подачи жидкого азота с ВТСП электроприводом (одно из применений космических технологий) имеет более высокий КПД и улучшенные в 1,5-2 раза массогабаритные характеристики по сравнению с традиционными центробежными криогенными насосами. Ротор электропривода изготовлен из высокотемпературного сверхпроводника.

Основные параметры криогенного насоса: массовый расход от 0.01 до 2 кг/с; давление на выходе 0,2-2,0 МПа; подогрев жидкости в насосе не более 2 К при температуре жидкости на входе в насос 65…80 К; давление на входе в насос 0.05…0.15 МПа; мощность на валу привода 7.5 кВт; число оборотов насоса от 3000 до 12500 об/мин; КПД до 0.51.

Преимущества использования сверхпроводящих кабельных линий.

Использование сверхпроводящих сетей позволяет во много раз увеличить эффективность использования сильноточных систем: увеличение мощности электрических распределительных сетей в 3-5 раз может быть достигнуто путем замены обычных силовых кабелей на сверхпроводящие при существующем распределительном напряжении в 10 и 20 кВ. Один ВТСП (высокотемпературный сверхпроводящий) кабель может заменить 8 обычных. Основные преимущества применения сверхпроводящих силовых кабелей связано с минимальными электрическими потерями (как известно, в современных электрических сетях теряется до 10% передаваемой энергии), экологической чистотой (отсутствие масел, минимальное электромагнитное и тепловое воздействие на окружающую среду), высоким уровнем взрыво - и пожарной безопасности.

Сверхпроводник с током более 2,5 килоампер, окружен сверхпроводниковым экраном, который препятствует распространению электромагнитного излучения за пределы этого экрана. Сам жидкий азот, как известно, не поддерживает горение. ВТСП кабели гораздо компактнее, что существенно облегчает их прокладку в условиях насыщенной городской и пригородной инфраструктуры. При передаче большой мощности на низком (генераторном) напряжении не требуется промежуточных подстанций, что дает значительную экономию земли и капитальных затрат. Замена в городах воздушных линий на мощные сверхпроводящие кабельные вводы, закопанные под землю, позволит сократить полосу отчуждения.

Сверхпроводимость в России

В настоящее время НИОКР по созданию силовых ВТСП кабельных линий ведутся во многих промышленно развитых и ряде развивающихся стран мира. Крупные проекты 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 2008 году кабельная линия длиной 600 м.

Рисунок 6 - Токоведущая способность СП кабеля.

Таким образом, работа по созданию силовых ВТСП кабельных линий признаны актуальными во всем мире, поскольку позволяют решить коренные проблемы передач больших потоком электроэнергии и энергосбережения. Работы в этом направлении ведутся широким фронтом, в том числе и в России при поддержке Минобрнауки и ФСК ЕЭС.

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

Производственная и исследовательская база отделения ВНИИКП позволяет производить и исследовать как единичные образцы сверхпроводящей кабельной продукции, так и налаживать выпуск больших количеств сверхпроводящих кабелей практически любого типа.

Базовая технология производства силовых ВТСП кабельных линий для распределительных сетей позволяет выпускать промышленным способом ВТСП кабельные линии любой требуемой длины с передаваемой мощностью до 0,5-1 ГВА и напряжением до 110 кВ.

Планируется использовать в ближайшие 4-5 лет создание более масштабных энергосетевых объектов как по протяженности (1,5 - 2 км) так и по передаваемой мощности (110 МВА).

Опытный образец силовой ВТСП кабельной линии длиной 200м на напряжение 20 кВ и мощностью 50/70МВА запланирован в дальнейшем использовать для опытно-промышленной эксплуатации в энергосети г. Москвы на подстанции ПС № 798 «Динамо» согласно принятому совместному решению ОАО «Федеральная сетевая компания ЕЭС» и ОАО «Московская объеденная электросетевая компания».

Заключение

Несмотря на значительные трудности в освоении новых технологий в сфере сверхпроводимости, возможности ее применения остаются многообещающими, как с технической, так и с экономической точки зрения. Переход на новый тип сетей позволит электроснабжающим компаниям экономить средства, за счет устранения электрических потерь при передаче. Некоторые специалисты считают, что данная технология не принесет выгоды России ввиду сложности, высоких требований к эксплуатационным показателям и капиталоемкости. Однако научно-исследовательские работы в этом направлении в различных организациях продолжаются уже в течение десятилетий, и при удачном стечении обстоятельств, можно с уверенностью говорить о том, что вопрос применения сверхпроводящих сетей в России это вопрос времени. Развитию инновационных технологий также в той или иной мере содействует государственная поддержка.

Все говорит о том, что в скором будущем нас ждет переход на сверхпроводящие кабели, по крайней мере, в узловых точках электроэнергетической инфраструктуры.

Список литературы

В. Л. Гинзбург, Е. А. Андрюшин. Сверхпроводимость -- 2-е издание, переработанное и дополненное. -- Альфа-М, 2006. -- 112 с. --3000 экз. -- ISBN 5-98281-088-6.

Официальный сайт ВНИИКП. [Электронный ресурс]: http://www.vniikp.ru

Алексей Левин. Сверхпроводимость отмечает столетний юбилей. [Электронный ресурс]: http://elementy.ru/news/431549.

Александр Сергеев. Комментарий о рекордном в мире заказе на сверхпроводящие кабели. Статья на официальном сайте ВНИИКП. [Электронный ресурс] http://www.vniikp.ru/cable2.phtml?item_id=2463

Размещено на Allbest.ru