Холодный ток

Выбирая наилучшую технологию для передачи постоянного тока высокого напряжения
16.11.2021
Фредерик Лезюр, Жан-Максим Согрен

Как показал европейский проект Best Paths, в рамках которого была разработана, оптимизирована и изготовлена первая сверхпроводящая кабельная система мощностью 3 ГВт, линии постоянного тока высокого напряжения (ПТВН; за рубежом обозначаются HVDC) на сверхпроводниках хорошо подходят для магистральной передачи электроэнергии. Появилась также интригующая идея заменить хладагент (газообразный гелий) на жидкий водород, чтобы сверхпроводящие кабели можно было использовать для одновременной передачи двух энергоносителей - водорода и электричества.

Традиционные высоковольтные силовые кабели с медными и алюминиевыми проводниками обладают сопротивлением, а потому нагреваются от сильных токов. При передаче на большие расстояния потери энергии на нагрев проводов могут составлять около 10%. В случае магистральных линий это означает, что несколько крупных электростанций работают впустую. Отсюда интерес к сверхпроводимости, которая открывает заманчивую перспективу: один сверхпроводящий кабель может передавать мощность нескольких крупных АЭС на большие расстояния без потерь, при том что линия займёт очень небольшую площадь.

Сверхпроводник проявляет свои свойства при охлаждении ниже критической температуры. Диапазон её значений - от почти абсолютного нуля (-273 °C) до -135 °C, в зависимости от конкретного материала. Сверхпроводимость была открыта ещё в 1911 году голландским физиком Хайке Камерлинг-Оннесом. С тех пор это явление нашло применение в ряде областей - как в научных исследованиях, так и в промышленности, например, в ускорителях частиц и аппаратуре для медицинской диагностики: КТ, МРТ и т. п. Однако потенциал сверхпроводимости для передачи энергии оставался неиспользованным в течение десятилетий из-за того, что коммерчески доступные сверхпроводники требовали охлаждения до низких температур.

Сверхпроводящие кабельные линии сегодня вызывают повышенный интерес энергокомпаний благодаря своей компактности, высокой эффективности и малому воздействию на окружающую среду. Эти преимущества усиливаются по мере того, как сетевые операторы по всему миру стремятся модернизировать и расширять свои сети, чтобы приспособиться к переходу на ВИЭ. Яркий пример полностью коммерциализированной инсталляции - проект AmpaCity в центре Эссена (Германия). Использованный там кабель переменного тока длиной 1 км изготовлен из высокотемпературных керамических сверхпроводящих материалов (рис. 1). Охлаждаемый жидким азотом сверхпроводник работает при напряжении 10 кВ и токе 2,3 кА. Кабельная линия AmpaCity находится в непрерывной эксплуатации с апреля 2014 года.

Прокладка сверхпроводящей линии электропередачи в городских районах помогает освободить пространство под другие нужды, а также повысить эффективность работы сети. Однако широкому распространению технологии препятствуют высокая стоимость сверхпроводников на керамической основе из-за применения в них редкоземельных металлов, сложного процесса производства и ограниченного спроса.

Практичный материал

В последние годы усилился интерес к дибориду магния (MgB2) как недорогому сверхпроводнику. Здесь мы видим простое соединение элементов, которые в природе имеются в изобилии. Помимо дешевизны самого материала важно, что из него довольно легко изготовить провода для использования в силовых кабелях. Однако провода эти подходят для передачи только постоянного тока.

В отличие от высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) из керамических материалов, которые охлаждаются недорогим и легкодоступным жидким азотом (кипит при -195 °C), MgB2 необходимо охлаждать до температуры ниже -248 °C. Для этого требуются более сложные и дорогие криогенные системы. В известных решениях сверхпроводящий сердечник заключён во внутреннюю оболочку, наполненную газообразным гелием с температурой -253 °C, а внешняя оболочка охлаждается жидким азотом до -203 °C (см. рис. 2).

Разработчикам линий приходится искать компромисс между стоимостью сверхпроводящего материала и системы охлаждения. В настоящее время в ПТВН-проектах MgB2 может быть более рентабельным, но ситуация изменится, если объёмы производства ВТСП-материалов значительно увеличатся с сопутствующим сокращением затрат.

Сверхпроводящие ПТВН-кабели

Как видно на рис. 3, на постоянном токе используется биполярная кабельная система, в которой электрический ток течёт в обоих направлениях. При большой длине кабеля вдоль линии можно разместить несколько систем охлаждения и развязки.

Многогигаваттные ПТВН-линии были предметом научно-исследовательского проекта Best Paths (2014-2018 годы), финансируемого Европой. В рамках проекта разработана ПТВН-система для передачи токов, превышающих 3 кА. (С более низкими токами лучше справляются обычные медные и алюминиевые кабели.) За четыре года в рамках проекта был концептуально проработан, спроектирован, оптимизирован, изготовлен и испытан на промышленных тестовых платформах полноразмерный демонстрационный образец кабельной системы, работающий при напряжении 320 кВ и токе 10 кА.

Рабочее напряжение 320 кВ выбрано с тем, чтобы облегчить включение в сеть, а ток 10 кА был максимальным для доступных на тот момент преобразователей переменного тока в постоянный. Программа испытаний основывалась на отраслевых рекомендациях и стандартах для кабелей ПТВН.

На подготовительной фазе проекта Best Paths было принято ключевое решение: в качестве сверхпроводящего материала взят диборид магния, что определило конструкцию кабеля и выбор остальных компонентов системы. Сверхпроводящий сердечник был вложен в многослойную криогенную оболочку, поддерживающую рабочую температуру сразу по всей длине линии. Использовались гибкие конструктивные элементы, которые упрощают прокладку кабеля, коммерчески доступны и давно доказали свою надежность.

Цель проекта Best Paths - продемонстрировать возможность создания сверхпроводящей кабельной системы ПТВН, способной передавать электрическую мощность выше 3 ГВт, - была достигнута. Несмотря на то, что кабель (см. фото) был рассчитан на 320 кВ, его протестировали на напряжениях вплоть до 600 кВ, чтобы проверить соответствие рекомендациям CIGRE (Международный совет по большим электрическим системам высокого напряжения). В дальнейшем разработчики ради уменьшения диаметра кабеля могут снизить напряжение, увеличив ток для сохранения гигаваттных уровней мощности.

Фото. Образец кабеля, применённый в проекте

Тесты на перегрузку

Защита кабельной системы в Best Paths была разработана с учётом технологии и характеристик преобразователей напряжения и доступных автоматических выключателей. Сценарии повреждений сети показывали, что в аварийных условиях ток может достигать нескольких десятков килоампер.

Если в обычных кабелях в момент короткого замыкания важно предохранить от повреждения изоляцию, то в сверхпроводящих главный предмет заботы - сам сверхпроводящий материал, который может в результате короткого замыкания перейти в резистивное состояние. Для возвращения линии к работе после такого перехода нужно отключить напряжение и восстановить номинальную температуру в криостате.

Линия была проверена на перегрузку по току 35 кА длительностью 100 мс. Это типичный уровень тока короткого замыкания, который задаётся операторами длинных кабельных соединений ПТВН. Компьютерное моделирование показало, что во время и после такой перегрузки температура сверхпроводящего сердечника не превысит -183 °C. Впрочем, на практике ток короткого замыкания следует рассчитывать с учётом реальной архитектуры сети, в частности, доступной мощности и импеданса всех цепей, соединённых вместе.

Практические соображения

При выборе сверхпроводящего кабеля ПТВН нужно учитывать ряд практических аспектов. Например, конструкция кабеля должна допускать крупномасштабное производство отрезков большой длины с минимальным количеством технологических стыков. Кабель должен быть приспособлен к транспортировке и закладке в траншею, в кабельный блок или коллектор. Для эксплуатации крайне важно, чтобы кабельная система была надёжной и удобной в обслуживании.

Об авторах: Фредерик ЛЕЗЮР - инженер по высоковольтным изделиям и кабельным системам компании Nexans; Жан-Максим СОГРЕН - вице-президент по механизации, криогенным и полупроводниковым системам Nexans.

Источник: Энерговектор

Читайте другие наши материалы