American Superconductor Corporation (AMSC)

2004, Tом 1, выпуск 2

Тематика: Зарубежные фирмы и их разработки

American Superconductor Corporation (AMSC)http://www.amsuper.com/

AMSC является мировым лидером в разработке и производстве изделий, использующих сверхпроводящие провода для энергосистем. Корпорация основана в 1987 году, центральный офис расположен в Westborough (штат Массачусетс).

Разработки корпорации сосредоточены на ВТСП ма-териалах, провода из которых могут проводить в 140 раз большие токи в сравнении с медными проводами тех же размеров.

Сегодняшние распределительные электросети в США не могут обеспечить возросшие требования к объему и качеству передаваемой мощности. В ближайшие 10 лет в энергосистему США будет инвестировано около 56 млрд. долл. для модификации национальных сетей в соответствии с новыми требованиями растущей экономики.

В настоящее время электрические компании сталки-ваются с проблемами, связанными с возрастанием нагрузки, появлением конкуренции на рынке электро-энергии и настойчивыми требованиями клиентов повысить качество электроэнергии и надежность работы сетей. Усилия, предпринимаемые для децентрализации передачи и распределения электроэнергии,

а также возросшие требования к ее качеству заставляют электрические компании быстро реагировать на изменения условий на рынке и предлагать своим клиентам новые технические решения.

American Superconductor включилась в программы модернизации национальных сетей США с разработками и производством ВТСП проводников и изделий на их основе, которые призваны обеспечить возрастание передаваемых мощностей при сохранении надежности и качества сетей. Уже сегодня ВТСП провода и мощные преобразователи энергии, предоставляемые AMSC, используются в ряде инновационных сетевых решений.

ВТСП провода и кабели

AMSC организовала первое в мире крупномасштабное коммерческое производство ВТСП проводов на своем заводе, расположенном в г. Devens (шт. Массачусетс). Современное оборудование завода способно производить ВТСП провода в объеме, удовлетворяющем растущие запросы промышленности. Большие производственные мощности дают возможность AMSC выполнять заказы клиентов быстро и с низкими затратами.

Токонесущая способность проводов первого поколения (1G – Bi-2223) производства AMSC, имеющих архитектуру многожильных композитов (MFC - multi-filamentary composite), более чем в 140 раз выше, чем у медных проводов такого же сечения. Конструкция проводов с архитектурой многожильных композитов запатентована Г.Юреком и Дж. Вандером (G.Yurek и J.Vander) от имени MIT (Массачусетского технологического института), а AMSC приобрела исключительные права на ее использование вплоть до 2011 г.

В производстве AMSC – широкий ассортимент ВТСП проводов, опимизированных для использования в раз-личных технических устройствах:

HTS Compression Tolerant Wire - противостоит сжимающим напряжениям;

HTS High Current Density Wire – ВТСП провод с наивысшей токонесущей способностью;

HTS High Strength Wire - имеет самую высокую на сегодня механическую прочность;

HTS Hermetic Wire - специально разработан для обеспечения долговечности при эксплуатации в условиях воздействия жидких криогенных сред;

HTS CryoBlock™ Wire – проводник, в котором применена специальная матрица, ограничивающая теплоперенос вдоль температурного градиента (проводник такого типа используется в токовводах CryoSaverВ™).

С 1995г. AMSC проводит интенсивные научные исследования и конструкторские разработки ВТСП проводов второго поколения (2G) на основе иттрий-бариевого купрата (Y-123), так называемые покрытые композитные проводники (ССС - coated conductor composite). Конструкция разрабатываемого 2G ВТСП провода будет пригодной для замены уже через 3-4 года (время создания их производства в коммерческом масштабе) всех функций, выполняемых сегодня 1G ВТСП проводами и не потребует никаких инженерных доработок устройств, но приведет к улучшению их параметров. AMSC ожидает, что запатентованная ею технология 2G проводов позволит снизить их стоимость в 2-5 раз по сравнению с сегодняшними 1G проводами. Вместе с тем 1G провода останутся «рабочей лошадкой» еще в течение следующих 3-4 лет.

В свое время Министерство энергетики США (DOE) установило уровни технических характеристик 2G проводов и сроки их достижения: достичь к декабрю 2003 г токонесущую способность на ВТСП проводе длиной 1м - более 100 Ампер на сантиметр ширины провода, а при длине 10 метров – более 50 Ампер на сантиметр ширины провода. Как видно из рис. 7, AMSC уже в октябре 2002г. (за 15 месяцев работы) достигла и превзошла заданные параметры. Совместные испытания Окриджской национальной лабораторией и AMSC подтвердили возможность последней воспроизводимо получать 10 м провода с токонесущей способностью 100 Ампер на сантиметр ширины провода.

Динамика улучшения характеристик 2G ВТСП проводов (при однородности характеристик по длине провода и воспроизводимости параметров от процесса к процессу) исключительно высока (измерения при 77 К):

· февраль 2004 г. – 10 м, 250-270А на см ширины провода;

· июнь 2004 г. – короткий образец, 330 А на см ширины провода;

· июль 2004 г. – 34 м, 186 А на см ширины провода.

Рис. 7. Динамика улучшения параметров 2G ВТСП проводов в корпорации AMSC

Рис. 8. Кабель длиной 1,25 м, изготовленный корпорацией Ultera из 2G ВТСП проводов,

поставленных AMSC

Планируемое снижение стоимости ВТСП проводов

Для производства ВТСП проводов второго поколения AMSC, как, впрочем, и другие компании, работающие в этом направлении, используют несколько модификаций двух основных технологий нанесения тонкопленочных слоев (и/или подслоев), называемых IBAD (Ion Beam Assisted Deposition – ионно-лучевое осаждение ) и RABiTS (Rolling Assisted BIaxially Textured Substrate – прокатка на биаксиально текстурированной подложке).

IBAD технология разработана японской фирмой Fujikura и затем существенно усовершенствована сотрудниками Los Alamos National Laboratory, а вторая разработана в Oak Ridge National Laboratory (в которой ей и была присвоена торговая марка RABiTS). Особенности этих технологий описаны в первом выпуске этого бюллетеня. Отметим, что AMSC развивает высокопроизводительный и недорогой вариант технологии, использующий для осаждения на текстурированную металлическую подложку жидкие металлоорганические соединения. Этот процесс разработан учеными MIT и эксклюзивно лицензирован фирмой AMSC.

В конце мая с.г. AMSC объявила о создании многожильного провода, состоящего из 30 2G проводов длиной 1,5 м по заказу совместной американо-датской фирмы Ultera (рис.8).

AMSC для систем передачи электроэнергии

AMSC предлагает серию изделий, предназначенных для увеличения надежности и безопасности электрических сетей. Центральными элементами ее систем динамической стабилизации реактивной мощности в сетях являются силовой модуль AMSC PowerModule™ 250 (PM250), новые силовые электронные преобразователи - системы D-VAR® и D-SMES и синхронные компенсаторы SuperVAR™. Каждое из этих устройств способно поднимать уровень активной и/или реактивной мощности в сети, чтобы в течение нескольких миллисекунд увеличить напряжение в сети (упавшее ниже номинального вследствие аварии или перегрузки).

Основные свойства систем D-SMES и D-VAR

Устройства динамической компенсации реактивной мощности AMSC способны:

· устранять частичное снижение напряжения в сети или полное его падение, препятствующие повышению пропускной способности электрической сети (повышение на 10-50%);

· обеспечивать генерацию как активной, так и реактивной мощности, чтобы в течение нескольких миллисекунд уменьшить негативное воздействие от нестабильности величины напряжения в сети;

· устранять необходимость строительства новых линий электропередачи, до тех пор, пока не достигнуты пределы термической нагрузки на действующую линию.

Системы D-SMES и D-VAR являются мобильными, они могут быть размещены именно там, где наиболее требуется снижение нестабильности напряжения в электрической сети.

Синхронные компенсаторы SuperVAR

Рис. 9.

Динамический синхронный компенсатор SuperVAR (рис. 9) является новейшим изделием, стабилизирую-щим напряжение в сети, повышающим надежность

ее эксплуатации и способствующим увеличению ее пропускной способности. Компания AMSC поставила первый динамический синхронный компенсатор SuperVAR электрической компании Tennessee Valley Authority в ноябре 2003г. В настоящее время он успешно работает в одной из электрических сетей штата Огайо, став тем самым важным этапом внедрения ВТСП технологий для коммерческого использования в системах передачи электроэнергии.

Синхронные компенсаторы SuperVAR - электрические машины (синхронные двигатели, работающие без нагрузки на вал, то есть на холостом ходу), в конструкции которых AMSC использует магнитные системы из ВТСП элементов. Эти машины работают как «амортизаторы» реактивной мощности в электрических сетях, генерируя или потребляя реактивную мощность в динамическом режиме, в зависимости от величины напряжения в электрической сети.

Системы D-SMES (Distributed Superconductor Magnetic Energy Storage - распределенные сверхпроводящие магнитные системы накопления энергии) обеспечивают кратковременную величину активной мощности до 3 МВт, получаемую от сверхпроводящего индуктивного накопителя энергии (СПИН) и до 8 МВА реактивной мощности от силовых преобразователей PowerModule. Одна из первых разработок системы D-SMES была выполнена в 2000г. и работает в электрической сети напряжением 115 кВ электрической компании Wisconsin Public Service в северной части шт. Висконсин.

Сегодняшний рынок сетевых изделий корпорации AMSC

Проникновение на рынок изделий AMSC, предназначенных для динамической компенсации реактивной мощности, осуществляется компанией GE Industrial Systems. В соответствии с достигнутым соглашением, компания GE имеет исключительное право продажи серий изделий D-SMES и D-VAR электрическим компаниям США и некоторым производственным отделениям GE в других странах.

Систему D-SMES установила у себя в течение лета 2000 г. электрическая компания Wisconsin Public Service Corp. (WPS). Эффективное сочетание динамической системы регулирования реактивной мощности и системы регули-рования активной мощности с помощью установленных в ее сети ВТСП устройств позволило компании WPS решить проблему нестабильности напряжения сети и увеличить пропускную способность сети на 15%.

Система передачи электроэнергии WPS Northern Loop имеет протяженность 320 км (от города Уосо (Wausau) до города Райнлэндер (Rhinelander) в штате Висконсин), напряжение 115 кВ. В этом регионе расположены бумажные фабрики, потребляющие значительную часть пиковой мощности системы, составляющей приблизительно 200 МВт. В летние месяцы, когда происходит наплыв туристов в живописные леса штата, электродвигатели систем кондиционирования воздуха в коттеджах для размещения туристов создают дополнительную нагрузку на систему.

Для решения проблемы неустойчивости компания установила, в частности, предлагаемую компанией AMSC систему D-SMES. Из всех рассмотренных вариантов она оказалась наиболее дешевой и имеющей самый короткий срок ввода в эксплуатацию. Так как система D-SMES сде-лана мобильной и может быть передислоцирована, то для WPS выбор системы D-SMES стал очевидным. Все передвижные контейнеры с D-SMES’ами для WPS прошли тщательную заводскую проверку перед отправкой потребителю, а полное время размещения каждого из контейнеров составило лишь двое суток.

Одно из первых значительных коротких замыканий в сети WPS Northern Loop после установки системы D-SMES произошло 1 сентября 2000 г. на одной из подстанций - трехфазное короткое замыкание снизило напряжение до 0,5 от номинального на одну установку. Менее чем через 0,5 сек после возмущения сеть стала работать с номинальным напряжением - в данной ситуации, одно единственное устройство D-SMES легко устранило последствия КЗ.

В другой ситуации - 2 ноября 2000 г. - в результате удара молнии между двумя подстанциями сети напряжение упало до 0,2 от номинального значения. Запуск всех ста-билизирующих устройств произошел автоматически с независимым откликом каждого из них на локальные изменения напряжения, и через 0,5 сек напряжение во всей сети было восстановлено до номинального. Если бы в сети не было системы D-SMES, то подобная авария могла бы вызвать массовые перебои в электроснабжении на значительной территории.

Другие ВТСП разработки AMSC - двигатели и генераторы

Подразделение AMSC - SuperMachines™ Business Unit - занимается разработкой и изготовлением ВТСП электрических машин и устройств.

Основные направления работ подразделения.

Промышленные моторы (рис. 10) - с высокой производительностью и низкой стоимостью технического обслуживания. AMSC разрабатывает ВТСП промышленный мотор на 5000 л.с. По оценкам, ежегодный рынок промышленных моторов составляет 1,2 млрд. долл. Ниша ВТСП моторов в этом рынке – применения, в которых вес и размеры мотора играют ключевую роль.

Рис. 10.

Генераторы для морских судов (рис.11) - для военных и коммерческих приложений с низким уровнем шумов, малым весом при большей эффективности.

Рис. 11.

Магниты специального назначения – ВТСП ка-тушки для магнитной сепарации.

Движительные системы для судов (Ship Propulsion Systems) - для военных и коммерческих приложений с повышенной эффективностью, ударной прочностью, низким уровнем шумов, небольшими раз-мерами, допускающими повышенные нагрузки. В фев-рале 2003 г. Naval Research заключила с AMSC кон-тракт (70 млн. долл.) на создание и поставку 36.5 МВт (49000 л.с.) ВТСП мотора (вес мотора - 69 тонн в срав-нении с 200-тонным традиционным аналогом). Этой разработке предшествовали два ВТСП мотора – на 1000 и 5000 л.с., исследования и испытания по которым заложили основу успеха для новой разработки 36,5 МВт мотора, планируемого к выпуску в 2006 г.

В настоящее время изготовлен макетный образец ВТСП электродвигателя мощностью 5 МВт (230 об/мин, напряжение 4160 В) с электронной системой управления для испытания на морских судах. 5 МВт низкооборотный ВТСП электродвигатель с большим вращающим моментом – первый шаг в разработке двигателей с номинальными мощностями 25 МВт и 36 МВт для полностью электрифицированных военных кораблей. Ожидается, что ВТСП электродвигатели мощностью 25 МВт и 36 МВт будут обладать в пять раз лучшими массогабаритными показателями по сравнению с двигателями традиционного исполнения (рис.12).

Рис. 12. Сравнение размеров традиционного и ВТСП моторов

В настоящее время AMSC инвестировала свыше 64 млн. долл. в разработку электрических машин на основе ВТСП. Жесткая инвестиционная политика AMSC приведет в дальнейшем к экспансивному насаждению ВТСП технологий сначала в военной технике, а затем и в промышленности. Притом не только в США, но и во всем мире…

Партнеры AMSC по бизнесу

· Electricite de France – французская компания-поставщик электроэнергии

· Electric Power Research Institute) - Исследовательский электротехнический институт (США)

· GE Industrial Systems – производитель электро-технического оборудования для распределения, защиты и управления электрической мощностью

· Northrop Grumman Ship Systems - производитель морских судов

· Alstom – компания по производству электротехнического оборудования

AMSC тесно сотрудничает с ВВС США в рамках программ Dual Use (технологии двойного назначения, в первую очередь для Министерств обороны и энергетики) и SBIR (Space-Based Infra-Red System). Она также сотрудничает с Naval Research Lab (измерение параметров ВТСП-проводов), а также с Национальными лабораториями (Los Alamos and Argonne) и University of Wisconsin (характеризация материалов и оценка альтернативных технологий). Развитию технологии ВТСП проводов второго поколения также способствуют контакты с EPRI и National Institutes of Health, а также сотрудничество с учеными Electricity de France и Industrial Research Limited of New Zealand.