Первый российский экспериментальный силовой ВТСП кабель доставлен на испытательный стенд
2008, Tом 5, выпуск 2
Тематика: ВТСП провода и кабели, Российские разработки
27 февраля 2008 года на территории ОАО «НТЦ-Электроэнергетики» состоялось выездное заседание Координационного совета по сверхпроводящим технологиям ОАО РАО «ЕЭС России» под председательством А.Б. Чубайса, членами которого, наряду с руководителями структур ОАО «РАО ЕЭС России», являются представители различных российских организаций, связанных с электроэнергетикой или с разработками в области сильноточной сверхпроводимости (рис. 1).
Рис. 1. Заседание открыто, председательствует А.Б. Чубайс.
На заседании был представлен совместный доклад генерального директора ОАО «НТЦ электроэнергетики» В.Н. Вариводова и директора по научной работе ОАО «ВНИИКП» В.Е. Сытникова о реализации проекта ВТСП кабеля на напряжение 20 кВ длиной 30 метров на базе ВТСП материалов первого поколения. В докладе также рассказывалось о создании в «НТЦ-Э» испытательного полигона для испытаний элементов сетей, использующих сверхпроводниковые технологии, в том числе и ВТСП кабелей длиной до 200 м. Основными задачами на 2007-2008 гг. являлись: разработка и изготовление ВТСП кабеля длиной 30 м, разработка проекта полигона для испытаний ВТСП кабеля длиной 30-200 м, разработка методик испытаний, закупка и монтаж оборудования полигона с его последующей наладкой и вводом в эксплуатацию, после чего должен следовать монтаж и испытания ВТСП кабеля длиной 30 м.
Все запланированные по графику к марту 2008 г. работы были успешно выполнены. Испытательный полигон полностью подготовлен к установке оборудования. ВТСП кабель был успешно изготовлен, изготовлены криогенные токовые муфты (токовводы), начаты работы по монтажу кабеля на полигоне.
Создание ВТСП кабеля длиной 30 м является первым этапом работ по использованию и применению в электроэнергетике технологий и оборудования на основе сверхпроводимости на 2007-2015 гг. по программе, утвержденной 16 мая 2007 года А.Б.Чубайсом. Программой предусматривается создание и испытания в 2007-2008 гг. экспериментального кабеля длиной 30 м, разработка, изготовление и ввод в опытно-промышленную эксплуатацию ВТСП кабеля длиной 200-500 м в 2009 г. и ввод в эксплуатацию в схемах энергоснабжения г. Москвы к 2010-2011 гг. ВТСП кабеля длиной более 1 км.
Рис. 2. Первый российский силовой ВТСП кабель длиной 30 м, созданный в ОАО "ВНИИКП" на полигоне ОАО «НТЦ электроэнергетики».
Целью проекта экспериментального кабеля длиной 30 м является отработка технических решений для создания опытно-промышленного образца ВТСП кабеля (см. также Силовые ВТСП кабели во ВНИИКП, “Сверхпроводники для электроэнергетики” т. 3, № 2, стр. 3 (2006)). Кабель выполнен в трехфазном исполнении, каждая фаза находится в своем собственном криостате (рис. 2). Конструкция ВТСП кабеля (рис. 3) разрабатывалась в соответствии со следующими техническими требованиями:
· Номинальное напряжение - 20,0 кВ
· Максимальное рабочее напряжение - 24 кВ
· Номинальный ток - 1500 А
· Допустимая перегрузка по току - 30 % (~2000А) в течение 6 часов
· Установившееся значение тока трехфазного КЗ в кабеле - (12,5 - 31,5 кА)
· Время существования режима КЗ - (0,25 - 1,5) секунды.
· Удельная мощность потерь в кабеле на номинальном токе - до 6 Вт/м на три фазы
· Теплопритоки через токовые вводы и гибкие криостаты - до 1200 Вт.
Для исследования технологичности различных ВТСП лент при производстве кабеля, а также потерь на переменном токе, в кабеле использовалось два типа сверхпроводящих ВТСП лент: производства American Superconductor (США) с критическим током 115-120 А и Sumitomo Electric Industry (Япония) с критическим током около100 А. Для изучения теплопритоков в гибких криостатах с различной толщиной экранно-вакуумной изоляции были закуплены криостаты производства компании Nexans с различными внешними диаметрами – 110 мм и 92 мм и длиной 30 м каждый. Расчетные теплопритоки в них составляют порядка 2 Вт на погонный метр. Для изучения различных подходов к конструированию концевых токовводных муфт и определения оптимального варианта их конструкции были изготовлены два их варианта, один – разработки РНЦ Курчатовский институт (слева на рис. 4), другой – разработки НИИЭФА им. Д.Ф. Ефремова (справа на рис. 4). Согласно техническому заданию, токовводные муфты должны выдерживать перегрузки по току до 4 кА, их электрическая изоляция должна выдерживать кратковременные перенапряжения до 70 кВ в течение 1 минуты.
Рис. 3. Конструкция сверхпроводящего силового кабеля: 1, 2, 3 – центральный несущий элемент – формер; 4, 5, 6, 7 – сверхпроводящий токонесущий слой (два повива); 8, 9, 10 – изоляция; 11 – экран; 12, 13, 14, 15, 16 – криостат: внутренняя гофрированная труба, тепловая изоляция, внешняя гофрированная труба; 17–защитная оболочка.
Рис. 4. Токовводные муфты для ВТСП кабеля.
ВТСП кабель был изготовлен с использованием производственных мощностей ОАО «ВНИИКП». Вначале был изготовлен формер, представляющий собой нержавеющую спираль с наложенными пучками медных проводов и обмотанных медной лентой. Поверх формера наматывалось два повива из ВТСП лент (рис. 5), затем кабель был доставлен на завод Камкабель (г. Пермь), где было произведено его изолирование (рис. 6) обычной кабельной бумагой и наложение медного экрана. После изолирования кабель был возвращен во ВНИИКП, где были напаяны наконечники для соединений с токовводными муфтами, после чего фазы кабеля были затянуты в криостаты и подготовлены к монтажу на полигоне.
Рис. 5. Укладка повивов ВТСП лент.
Рис. 6. Изолирование ВТСП кабеля.
На рис. 7. показана компоновочная схема полигона для испытания ВТСП изделий, созданного на территории ОАО «НТЦ электроэнергетики». Технические характеристики полигона позволяют проводить как испытания ВТСП кабелей длиной до 200 м, так и испытания сверхпроводниковых ограничителей тока КЗ, ВТСП трансформаторов и других ВТСП устройств с рабочим напряжением до 110 кВ.
Следует отметить, что создаваемый в ОАО «НТЦ-Э» испытательный стенд будет обладать уникальными возможностями для испытаний сверхпроводящих силовых кабелей и других сверхпроводящих устройств под полной нагрузкой, чего нет ни в одном зарубежном испытательном стенде.
ВТСП кабель будет подвергнут целому ряду испытаний: вакуумным проверкам, испытаниям по захолаживанию и отогреву кабеля, опытам по определению критического тока кабеля, испытаниям диэлектрической прочности изоляции. Затем последуют нагрузочные испытания, в ходе которых будет исследоваться длительная работа кабеля с номинальным током и напряжением, изучено поведение кабеля при коротких замыканиях, а также исследована работа кабеля при кратковременных перегрузках по току и работа кабеля при отключении криогенной системы.
Рис. 7. Схема полигона для испытаний ВТСП кабелей: 1 – ВТСП-кабель, 2 – криогенная установка, 3 – пульт управления криогенной установкой, 4 – токовводы, 5 – кабель (3 фазы 20 кВ 2000 А), 6 – блок распределения нагрузки I, 7 – блок распределения нагрузки II, 8 – центр управления испытательного стенда, 9 – панель СУРЗА, 10 – источник постоянного тока, 11 – сборка собственных нужд 2, 12 – блок реакторов, 13 – вентиляционная установка, 14 – вентиляционная шахта, 15 – вентиляционные короба, 16 – сборка собственных нужд 1, 17 – водоввод, 18 – КРУ с выключателем, 19 – нагрузочные реакторы, 20 – цистерна транспортная криогенная – 8/0,25, 21 – трансформатор, 22 – выключатель.
После окончания заседания, руководителям РАО ЕЭС, членам Координационного совета и приглашенным было продемонстрировано помещение стенда и установленный там кабель с токовводными муфтами. Руководители работ дали пояснения членам Совета и ответили на многочисленные вопросы (рис. 8). Это была первая в России демонстрация реального готового крупного «железа» в области применения высокотемпературной сверхпроводимости в электроэнергетике.
В заключение, хотелось бы пожелать команде разработчиков успешно захолодить и запитать ВТСП кабель током (запланировано на лето текущего года) и того, чтобы испытания подтвердили все заявленные характеристики.
Рис. 8. Демонстрация конструкции ВТСП кабеля высшим руководителям российской электроэнергетики