Силовые ВТСП кабели во ВНИИКП
2006, Tом 3, выпуск 2
Тематика: Российские разработки
«Разработка силовых сверхпроводящих кабелей для электроэнергетики - современное состояние» - доклад на эту тему представили на конференции директор по научной работе ОАО «ВНИИКП» В.Е. Сытников и заведующий лабораторией того же института В.С. Высоцкий.
Экономические перспективы ВТСП.
Среди возможных применений ВТСП наиболее продвинуты силовые кабели для энергетики. Даже при современном уровне цен на исходные ВТСП материалы (~100-180 долл./кА·м) силовые кабели экономически выгодны при уровнях энергии от 0,3-0,5 ГВА. При ожидаемом снижении цен на ВТСП материалы первого поколения (1G) до 50-30 долл./кА·м и при ожидаемых ценах на ВТСП второго поколения (2G) до 10-20 долл./кА·м) ВТСП кабели станen абсолютно экономически выгодными при уровнях передачи энергии порядка десятков – сотен МВА
Состояние работ по ВТСП силовым кабелям в мире.
На сегодня при долевом финансировании промышленными компаниями и правительствами в мире выполняются более 10 крупных проектов.
Некоторые примеры:
ВТСП кабели, установленные в коммерческих сетях:
- 3 х 30 м, 1250 А, 12,4 кВ, 2000 г. в локальной энергосети заводов Southwire, США, общая нара-ботка более 30000 часов;
- 3 х 30 м, 2000 А, 36 кВ, 2001 г. в электросети Копенгагена - Дания;
- 3 х 75 м, 1600 А, 400 В, 2004 г. для энергообеспечения заводов компании Changton в г. Байин, Китай;
- 3 х 30 м, 2000 А, 35 кВ, 2005 г. в локальной сети провинции Юннань, Китай.
Крупные предкоммерческие проекты:
3 х 100 м, 1000 А, 66 кВ Sumitomo-CRIEPI, на демонстрационном полигоне CRIEPI, Токио, Япония;
1 х 500 м, 1000А, 77 кВ испытания закончены в 2005 г. (кабель изготовлен компанией Furukawa, а испытания проведены на демонстрационном полигоне CRIEPI, Япония);
200 м, 3000 А, 13,2 кВ, триаксиальный кабель Columbus, Огайо, США; в процессе изготовления и подготовки к испытаниям;
3 х 350 м, 800А, 34,5 кВ подземный ВТСП-кабель в Олбани, шт. Нью-Йорк, США – планируется запуск в коммерческую сеть 2006 году (1G кабель типа «три в одном» поставлен компанией Sumi-tomo, в дальнейшем планируется сделать вставку длиной 30 м из 2G проводников).
650 м, 2400 А, 138 кВ проект LIPA, запуск в сентябре 2006 г. в Лонг-Айленде, Нью-Йорк, США; (наиболее мощный ВТСП кабель к настоящему времени, кабель изготавливается компанией Nexsans, исходные ленты компании AMSC).
Мировая тенденция свидетельствует о том, что на рубеже 2008-2010 гг. будет начато практическое использование сверхпроводимости в электроэнергетике. Существуют реальные предкоммерческие проекты ВТСП кабелей, есть прототипы с хорошим опытом эксплуатации, возможна экономическая эффективность при нынешних или близких к ним ценам на сверхпроводящий материалы.
Проект ВТСП кабеля ФСК – ВНИИКП – что сде-лано в 2005 году и состояние на сегодня
ВНИИКП имеет давний опыт создания сверхпро-водящих силовых кабелей:
разработки 70-х годов - НТСП кабели; испытан прототип длиной 50 м, кабель Nb3Sn с рекордным током 126кА;
в 2001 году разработан и испытан ВТСП кабель совместно с компанией CONDUMEX (Мексика); с мировым рекордом по токам – ≥10кА (испытания проведены в Мексике);
В мае 2005 при поддержке ФСК «ЕЭС» ВНИИКП приступил к созданию и испытанию на объектах ФСК ЕЭС реально работающего прототипа сило-вого ВТСП кабеля длиной 30 м.
Задачи проекта:
• выбор и оптимизация конструкции кабеля;
• разработка технологии изготовления ВТСП кабеля;
• создание испытательных стендов для малых моделей и демонстрационных прототипов.
Основные параметры создаваемого прототипа:
Длина – 30 м, три фазы
Рабочий ток 1-2 кАrms
Напряжение – не менее 16 кВ
Рабочая температура 65 – 80К
Охлаждение кабеля – жидкий азот.
ВНИИКП провел уникальную работку по оценке качества ВТСП лент различных поставщиков (отечественных и зарубежных). В эксперименте каждая из фаз кабеля была изготовлена из ВТСП лент различных поставщиков при сохранении общих рабочих характеристик кабеля.
В 2005 году проанализированы 11 типов лент от 6 производителей. Исследовали и анализировали следующие параметры:
- токонесущая способность в магнитных полях различной ориентации;
- механические свойства (в том числе, при-укладке кабельных повивов);
- устойчивость к вздутиям (bubbling, ballooning);
- гистерезисные потери;
- технологичность (удобство в работе, пайка);
- цены и условия поставки.
В результате проведенных интенсивных исследований ВНИИКП владеет обширной базой данных по всем мировым производителям ВТСП лент первого поколения (1G). Для проекта ФСК-ВНИИКП выбраны ленты AMSC, Sumitomo и EAS.
В ходе работ в 2005 году разработан и изготовлен испытательный стенд для коротких (до 5 м), но полномасштабных по сечению моделей кабелей.
На сегодня ВНИИКП провел следующие работы по созданию конструкции и технологии произ-водства ВТСП кабеля:
· разработана технология изготовления центрального опорного элемента – формера;
· разработана технология укладки лент;
· изготовлен макет жилы (на рис. 1 – пример);
· отработана технология укладки лент, сохраняющая их сверхпроводящие свойства без изменений;
· изготовлен полномасштабный по сечению отрезок жилы кабеля длиной 5 м (на рис.2 – пример)
В 2006 г. (апрель - май) проведены первые испытания полномасштабной по сечению модели кабеля длиной 5 м:
- максимальный ток, введенный в кабель, составил 4560 А без перехода в нормальное состояние;
- ток величиной 4,5 кА вводили 15 раз при сохранении стабильности.
ВНИИКП завершил первые испытания полномасштабного 5-метрового отрезка сверхпроводящего силового кабеля (из пресс-релиза ОАО «ВНИИКП»). Изготовленный полномасштабный по сечению отрезок жилы кабеля имеет центральный канал и спиральный формер с обмоткой медной лентой. Кабель имеет два повива, каждый из 24-х ламинированных латунью ВТСП лент типа «Герметик» производства компании АМSС (American Superconductor). Испытания кабеля проводили на стенде ВНИИКП. В режиме постоянного тока достигнут максимальный ток в 5.68 кА. Это означает 100% использование сверхпроводящих параметров базовых ВТСП лент. В режиме переменного тока достигнут максимальный ток 3,5 кА действующего значения (около 5 кА амплитудного значения), распределение тока между повивами очень близко к равномерному, разброс не более 2%.
Рис. 1. Макет жилы ВТСП кабеля
Рис. 2. Кабель в защитной обмот-ке из нержавеющей стали