ВТСП кабель несёт свет людям
2008, Tом 5, выпуск 4
Тематика: ВТСП кабели в сетях
Корпорация American Superconductor (AMSC), Энергетическое управление Лонг Айленда шт. Нью-Йорк и Министерство энергетики США (DOE) 25 июня 2008 торжественно отметили первый в истории ввод подземной ВТСП кабельной линии электропередачи в коммерческую эксплуатацию. В основе линии – самый длинный (600 м), самый мощный (574 МВт) и самый высоковольтный (138 кВ) трехфазный ВТСП кабель в мире [1].
Задача о создании такой системы была сформулирована DOE в 2003 году в рамках проекта по технической сверхпроводимости, нацеленного на сотрудничество с промышленностью SPI (Superconducting Partnership with Industry). Первоначальные сроки начала работы над проектом и включения кабеля в сеть – 18.03.2003 – 31.12.2007 [2]. Вклад DOE в реализацию проекта составил 27,5 млн. USD [1].
В осуществлении проекта принимали участие:
1.корпорация AMSC - генеральный подрядчик и производитель ВТСП проводника,
2.компания Nexans - производитель кабеля,
3.Air Liquid - производитель системы криогенного обеспечения,
4.некоммерческая муниципальная электрическая компания Long Island Power Authority (LIPA) - поставщик электроэнергии потребителю.
Рис. 1. Конструкция ВТСП кабеля с «холодным» диэлектриком на 138 кВ/2400 А.
Для изготовления кабеля потребовалось 155 км ВТСП проводника – ленточных проводов ВТСП 1-го поколения Bi-2223 [3]. Скрутка кабеля производилась на заводе Nexans в Норвегии. Конструкция кабеля изображена на рис. 1, а на рис. 2 показаны этапы его изготовления.
Рис. 2. Этапы изготовления кабеля.
Рис. 3. Кабель готов к отправке.
На заводе Nexans в Германии были изготовлены гибкие криостаты для фаз ВТСП кабеля. Этапы изготовления криостатов показаны на рис. 4. Между внутренними и внешними оболочками гибких криостатов наносилось несколько слоев суперизоляции – алюминиевой фольги с прокладкой из стекловолокна. Через каждые 100 м к криостатам приваривались порты для вакуумирования их внутреннего пространства.
Рис. 4 Этапы изготовления гибкого криостата.
Бабины с вакуумированными криостатами были погружены на специальный транспорт (рис. 5) и отправлены к месту назначения.
Рис. 5. Погрузка готового криостата.
Токовводные муфты и изоляторы для ВТСП кабеля были изготовлены и испытаны на заводе Nexans в Кале (Франция). Помимо шести штатных токовводных муфт было также изготовлено три запасных. Конструкция токовводной муфты изображена на рис. 6.
Следующим этапом стала протяжка фаз ВТСП кабеля через гибкие криостаты. Максимальное усилие при протягивании кабеля не превышало 20 кН, что достигалось за счет использования специальных антифрикционных покрытий и смазок. Изменение силы натяжения во время протягивания каждой из трёх фаз кабеля через гибкие криостаты показано на рис. 7.
Рис. 6. Токовводная муфта в сборе с изолятором.
Рис. 7. Сила натяжения при протягивании кабеля.
После протягивания кабеля и монтажа всех токовводных муфт было проведено соединение всех узлов между собой, вакуумная откачка и установка измерительной техники. ВТСП кабель должен быть способен выдерживать токи короткого замыкания величиной до 69 кА в течении 200 мс.
Особое значение для ВТСП кабельных линий имеет система их криогенного обеспечения.
Рис. 8. Криогенная схема ВТСП кабеля.
Система криогенного обеспечения ВТСП кабеля включает в себя два азотных рефрижератора с хладопроизводительностью около 6 кВт каждый, а также буферный танк объемом около 50 куб. метров. Рефрижераторы работают на обратном цикле Брайтона, за счет чего достигается высокий КПД.
В апреле этого года смонтированная кабельная линия была включена на нагрузку, а в июне в коммерческую сеть.
Установленный в электросети ВТСП кабель способен проводить в 150 раз больший ток, чем медные провода аналогичного сечения. Это позволяет ис-пользовать гораздо меньшее количество провода, передавая в 5 раз большую мощность при существенно меньшей ширине полосы отчуждения для прокладки кабеля. При полной нагрузке ВТСП ка-бель LIPA способен передавать до 574 МВт электроэнергии, что достаточно для снабжения электроэнергией около 300 тысяч домов.
Рис. 9. Терминал ВТСП кабеля.
В г. Holbrook (шт. Нью Йорк) в июне этого года отмечались два события. Первое событие – включение в сеть ВТСП кабеля 1-го поколения, второе – начало нового проекта по замене одной фазы ВТСП кабеля с проводом 1-го поколения на кабель на основе ВТСП провода 2-го поколения. Эта задача является частью проекта общей стоимостью 106,3 млн. USD, нацеленного на модернизацию нацио-нальной энергосистемы США, утвержденного DOE 28 июня 2007 и рассчитанного на 5 лет (2007-2012 гг.). Руководителем проекта назначена National Energy Technology Laboratory, финансовая доля участия DOE в проекте составит 50%. Финансы будут распределены между тремя отдельными проектами, три из которых посвящены разработке сверхпроводниковых ограничителей тока, а два дальнейшему совершенствованию ВТСП кабельных сетей.
Задачей компании AMSC будет создание 600 метрового однофазного кабеля на основе ВТСП провода 2-го поколения типа «344», что потребует от AMSC производства 60 км проводника, покрытого стабилизирующим покрытием с высоким удельным сопротивлением. Такой проводник способен ограничивать токи короткого замыкания (КЗ) [6].
При токе меньше критического ВТСП проводник обладает нулевым сопротивлением, а при превышении током в сети критического значения у ВТСП проводника практически мгновенно появляется высокое удельное сопротивление.
Изготовлением кабеля и системы криогенного обеспечения будет заниматься прежняя команда. В рамках проекта будут разработаны новые: ремонтопригодная конструкция криостата; соединительная муфта; не дорогая, надёжная и эффективная система криогенного обеспечения. Известно, что уровень финансирования из федерального бюджета от DOE должен в 2008 году составить 9 млн. USD. Выполнение всех работ планируется завершить за два с половиной года, начиная с лета 2007 года и заканчивая мартом 2010 года. Похоже, что будет создан однофазный кабель на основе ВТСП проводников 2-го поколения длиной 600 м [1] и трехфазный кусок кабеля длиной 30 м [6].
- http://www.superconductorweek.com/pr/0607gys/doe1.htm.
- http://www.amsc.com/newsroom/pr.html?id=290
- Maguire J. et al., “Demonstration of a pre-commercial long-length HTS cable system operating in the power transmission network” presented at Superconductivity for Electric Systems 2006 Annual DOE Peer Review, USA, VA, Arlington (2006).
- Maguire J. et al., “Demonstration of a pre-commercial long-length HTS cable system operation in the power transmission network”, presented at Seventh Annual EPRI Supercon-ductivity Conference, USA, NY, Hauppauge (2007).
- Maguire J. et al., “Development of a pre-commercial long length HTS cable system op-erating in a power transmission grid”, presented at Superconductivity for Electric Systems 2007 Annual DOE Peer Review, USA, VA, Arlington (2007).
- L. Masur, “2G HTS transmission cable for in-stallation in the long island power grid”, presented at Superconductivity for Electric Systems 2007 Annual DOE Peer Review, USA, VA, Arlington (2007).