Сверхпроводниковая электротехника в США (2006-2007)
2008, Tом 5, выпуск 1
Тематика: Крупные проекты
На ежегодной отчетной сессии Министерства энергетики США (DOE) были представлены научные и финансовые отчеты правительственных организаций и частных компаний [1], занимающихся разработками ВТСП-технологий для электроэнергетики, выполненные в 2006 - 2007 гг. под патронажем и при финансовой поддержке DOE. Отчетная сессия проходила с 7 по 9 августа 2007 г. в Арлингтоне, США. Было представлено несколько опытных образцов сверхпроводникового электротехнического оборудования, разрабатываемых при поддержке DOE.
Криогенные диэлектрики
Оак-Риджская Национальная Лаборатория (ORNL) представила отчет о разработке низкотемпературных изоляционных материалов для высоковольтных ВТСП устройств. В настоящее время нет точных данных по поведению диэлектриков в импульсных и неоднородных электрических полях при низких температурах. В ORNL была измерена электрическая прочность при различных температурах для различных электроизоляционных материалов, таких как: Tyvek (пористый полиэтилен высокой плотности), Kapton, PPLP (полипропилен). Были рассчитаны вероятности пробоя в жидком азоте для разной геометрии электродов. Композитные электроизоляционные материалы способны обеспечить высокую механическую прочность, хорошую теплопроводность, при заданном значении диэлектрической постоянной. Однако, обычно, при введении в диэлектрик наполнителя его диэлектрическая прочность снижается. В ORNL были разработаны нанокомпозитные диэлектрические материалы (например, с добавлением частиц PVA-TiO2, PVA-BaTiO3 размером в 10 нм), чья диэлектрическая прочность даже выше чем у исходного материала. Для диэлектрика на основе PPLP с добавлением 20–30% нанодисперсного TiO2 пробивное напряжение составляет 130 кВ/мм, в то время как у исходного PPLP лишь 107 кВ/мм. Финансирование проекта в 2007 г. составило 500 тыс. USD.
Снижение потерь на переменном токе в ВТСП проводах 2-го поколения
Национальная Лаборатория в Лос-Аламосе (LANL) представила отчет по изучению потерь на переменном токе в одиночных ВТСП проводах 2-го поколения, в токонесущих элементах на их основе, а также в различных обмотках. Исследовались ВТСП материалы, полученные как путем напыления ВТСП слоя на немагнитную подложку по технологии IBAD (Su-perPower), так и методом химического осаждения ВТСП на текстурированную ферромагнитную подложку (технология RABiTS, разрабатываемая компанией AMSC). Для проводников с текстурированной ферромагнитной подложкой, помимо потерь в ВТСП слое, возникают также гистерезисные потери в подложке, составляющие около 70% от всех потерь (при работе в магнитных полях 0,1 Тл). Бюджет проекта за 2007 г. составил 300 тыс. USD.
Высоковольтные ВТСП токоограничители
Компания AMSC совместно с Siemens, Nexans, LANL, University of Houston и Southern California Edison заявила о возможности создания высоковольтных ВТСП токоограничителей (115 кВ, 1200 А), способных снизить токи КЗ с 80 кА до 55 кА. Проект высоковольтного токоограничителя основывается на опыте разработки устройств для сетей 6-10 кВ. В январе 2007 г. компанией Siemens совместно с AMSC был успешно испытан однофазный токоограничитель резистивного типа на 2,25 МВА, 13 кВ [2].
Компания SuperPower совместно с ORNL уже несколько лет ведет работы над высоковольтными (138 кВ) ВТСП токоограничителями на основе ВТСП проводов 2-го поколения SuperPower. Уже созданы и прошли испытания концепт-прототип и однофазный альфа-прототип. Бета-прототип токоограничителя скоро должен будет пройти эксплуатационные испытания в сети American Electric Power. В 2007 г. был разработан проект системы охлаждения, оптимизированы рабочие характеристики проводника, проведены высоковольтные испытания узлов токоограничителя при криогенных температурах. Бюджет проекта за 2007 г. составил около 2,8 млн. USD.
ВТСП-трансформаторы
Waukesha Electric Systems (WES) совместно с ORNL продемонстрировали как техническую возможность, так и экономическую целесообразность ВТСП трансформаторов с мощностью 10 МВА и выше. Ранее был разработан, и успешно испытан прототип трехфазного ВТСП трансформатора мощностью 10 МВА (первичное напряжение 24,9 кВ, вторичное 4,2 кВ) на основе ВТСП проводников первого поколения. В 2007 г. ORNL и WES начали разработку специальной высоковольтной изоляции и токовых вводов, для того чтобы максимально упростить и удешевить конструкцию ВТСП трансформатора на 138 кВ. ВТСП трансформаторы должны быть конкурентоспособны по цене, весу, габаритам, затратам на эксплуатацию и сроку службы. Концепт ВТСП-трансформатора мощностью 18 МВА, охлаждаемого жидким азотом, показан на рис. 1. В таблице 1 приведено сопоставление капитальных затрат и расходов на эксплуатацию 18 МВА ВТСП и 24 МВА обычного трансформаторов в течение 30 лет. Бюджет проекта за 2007 г. составил 475 тыс. USD.
Рис. 1. ВТСП трансформатор ORNL и WES, и его однофазный прототип.
Таблица 1.
ВТСП электродвигатели
Компания Reliance Electric совместно с ORNL провели исследования экономической эффективности ВТСП электродвигателей. Ожидается, что ВТСП электродвигатели будут иметь в 2 раза меньшие потери по сравнению с обычными электродвигателями той же мощности. Расчет экономической эффективности показал, что ВТСП двигатель мощностью 5000 л.с. позволит сэкономить электроэнергии на 50 тыс. USD в год. Сегодня около 1/3 генерируемой в США электроэнергии расходуется для приведения в действие двигателей такой мощности. Объем финансирования работ в 2007 г. составил 500 тыс. USD.
ВТСП кабели Southwire
В 2006 г. компанией Ultera был успешно введен в эксплуатацию на подстанции в Биксби трехфазный ВТСП кабель с передаваемой мощностью 69 МВА, длиной 200 м, напряжением 13,8 кВ и рабочим током до 3000 А. Сейчас Ultera совместно с партнерами разрабатывает проект нового трехфазного ВТСП кабеля Southwire-Entergy триаксиального типа с рабочим напряжением 13,8 кВ, который должен заменить в Новом Орлеане высоковольтный кабель напряжением 230 кВ (рис. 2). Кабель будет состоять из трех секций общей длиной 1760 м, ввод кабеля в эксплуатацию запланирован на 2009 - 2010 гг. Основные параметры ВТСП кабеля приведены в таблице 2.
Рис. 2. Место для установки ВТСП кабеля Southwire-Entergy длиной 1,7 км.
Таблица 2.
В 2007 г. компанией Ultera был произведен целый ряд работ, направленных на дальнейшее развитие ВТСП кабельной технологии. Исследовалось влияние ухудшения вакуума в криостате кабеля на его работоспособность. Прошли испытания новые образцы криогенного диэлектрика Cryoflex, разработанные Ultera. Исследовались как различные образцы диэлектрика, так и короткие куски ВТСП кабеля, изготовленные с использованием Cryoflex. Продолжились работы над системами криогенного обеспечения, криогеника ВТСП кабеля в Биксби была дополнена двумя криокулерами производства Q-drive на основе пульсационных труб с холодо-производительностью в 1000 Вт при 77 К каждый (более подробно о них написано в [3]). Монтаж и системную интеграцию криокулеров осуществляла компания Praxair. Была разработана и испытана в ORNL соединительная кабельная муфта, ее установка в короткий отрезок ВТСП кабеля не привела к снижению его критического тока.
ВТСП кабель LIPA
Компании AMSC, Nexans, Long Island Power Authority и Air Liquide уже несколько лет занимаются созданием высоковольтного ВТСП кабеля для установки в сети Long Island Power Authority (LIPA), Нью-Йорк. Параметры ВТСП кабеля указаны в таблице 3.
Таблица 3.
За 2007 г. были изготовлены и доставлены к месту монтажа: три фазы ВТСП кабеля в индивидуальных криостатах, токовводные муфты вместе с их криостатами, изоляторы токовводов и прочее оборудование (рис. 3). Одна из фаз кабеля уже установлена в кабельном канале, монтаж остальных фаз и окончательная сборка ВТСП кабеля должны быть завершены к началу 2008 г. Система криогенного обеспечения, также была перевезена и смонтирована на месте установки кабеля. В течение нескольких месяцев проходили приемочные испытания криогеники, продемонстрированы приемлемые результаты. Выполнена большая часть работ по подготовке площадок под распределительные устройства на концах кабеля.
Параллельно с работами по проекту LIPA компания AMSC разрабатывает проект высоковольтного кабеля LIPA-2 на базе ВТСП проводников 2-го поколения. Основными отличиями LIPA-2 от предшественника будут:
· Легко-разборный криостат, позволяющего при необходимости осуществлять ремонт кабеля без полного демонтажа фазы.
· Разработка соединительной муфты на напряжение 138 кВ.
· Ограничение тока КЗ самим ВТСП кабелем будет достигаться за счет использования ВТСП проводов типа 344S с высоким удельным сопротивлением.
· Соответствие требованям Secure Super Grids на ограничение тока КЗ.
· Охлаждения высокоэкономичным азотным ожижителем на обратном цикле Брайтона с холодопроизводительностью 20 кВт.
Объем финансирования за 2007 г. составил 7,12 млн. USD.
- Superconductivity for Electric Systems 2007 Annual Peer Review, USA, Virginia, Arlington.
- Сверхпроводники в электроэнергетике, 4, №2, 8 (2007).
- Сверхпроводники в электроэнергетике, 5, №1, 7 (2008).