ВТСП технологии в Китае
2008, Tом 5, выпуск 6
Тематика: Зарубежные фирмы и их разработки
Население 24-х провинций Китая на сегодняшний день составляет 1,3 миллиарда человек, интенсивное развитие промышленности и рост благосостояния населения требуют все большего количества энергоресурсов. Сегодня энергетические потребности страны на 70% обеспечиваются тепловыми электростанциями, работающими на угле, что неизбежно влечет за собой загрязнение окружающей среды. Основными задачами энергетики Китая является поиск высокотехнологичных способов получения, передачи, сбережения энергии, строительство экологически чистых электростанций, реконструкция существующих, строительство новых электрических сетей (на что до 2010 года уже выделено 123 млрд. USD). Решением многих из перечисленных проблем может стать использование ВТСП устройств. Компания American Superconductor (AMSC) уже развернула в Китае проект стоимостью 450 млн. USD по созданию преобразователей для ветрогенераторов. В целом, планируется увеличение суммарной мощности ветряных электростанций в Китае до 10 ГВт к 2011 году и до 120 ГВт – к 2020 г.
В Китае находится самая протяженная в мире линия электропередачи с рабочим напряжением 500 кВ, ее длина составляет 3107 км. В стадии разработки находятся высоковольтная ЛЭП переменного тока на напряжение 1000 кВ (5 ГВт) и длиной 1243 км, а также ЛЭП постоянного тока на 800 кВ (6,4 ГВт). Ожидается, что мощность, передаваемая между регионами Китая, будет расти в геометрической прогрессии: 25 ГВт в 2005 г., 55 ГВт в 2010 г., 100 ГВт в 2020 г. К 2009 г. на проектную мощность в 18 ГВт выйдут 26 гидрогенераторов на строящейся ГЭС Three Gorges Dam, что удовлетворит 1/9 часть общего энергопотребления страны.
В Китае регулярно проводятся различные международные конференции, посвященные проблемам электроэнергетики. Например, в июне 2008 года прошла международная конференция, посвященная исследованию свойств новых материалов, основной темой которой стали ВТСП провода на основе Bi-2223, а также новые (открытые в марте 2008 года) сверхпроводящие материалы на основе арсенидов железа – оксипниктиды. В мае этого года китайскими учеными были открыты новые соединения этой группы на основе Gd, Sm и Pr с критической температурой до 52 К.
Стремительно развивается промышленное производство ВТСП проводов. Работы над созданием Bi-2223 проводников в серебряной матрице ведутся в целом ряде научных центров Китая: Пекин-ском физическом институте Китайской академии наук, Исследовательском институте цветных металлов, Шанхайском университете, Университете электроники и технологии (г. Чэнду) и т.д. В течение 8 лет китайская компания InnoST производит ВТСП проводники на основе Bi-2223 в серебряной матрице в промышленных масштабах, годовой объем производства ВТСП материалов в Китае уже достиг 300 км в год. Критический ток ВТСП лент InnoST (ширина ленты 4,2 мм) превысил 110 А и приближается к показателям лент производства компаний AMSC и Sumitomo. Ближайшая цель компании InnoST – улучшение технических характеристик ВТСП лент и сокращение издержек производства с тем, чтобы к концу 2009 г. достичь критического тока в 150 А при стоимости ВТСП проводника около 60 USD за килоампер-метр.
Усилия китайских технологов также направлены на разработку промышленной технологии производства оригинальных двусторонних ВТСП проводников 2-го поколения (рис. 1). На данный момент уже разработана технология изготовления двусторонних ВТСП длиной до 100 м с критическим током 103 A/см (для обеих сторон).
Рис. 1. Двусторонний ВТСП проводник 2-го поколения.
В Китае было успешно реализовано несколько проектов по созданию опытных образцов ВТСП кабелей. В 2002 году были начаты работы по созданию и прокладке трехфазного ВТСП кабеля на 35 кВ/121 МВА длиной 33,5 м (рис. 2). Кабель был изготовлен китайской компанией InnoPower из ВТСП проводника на основе Bi-2223 производства InnoST.
Кабель состоит из нержавеющего формера, на который навиты два повива ВТСП ленты, внешний диаметр кабеля составляет 35 мм. Каждая фаза кабеля размещена в собственном криостате, кабель был выполнен по схеме с «теплым» диэлектриком. Гибкие криостаты поставила компания Nexans, их внешний и внутренний диаметры составляют 43 и 70 мм, соответственно. Жидкий азот прокачивается через полый формер (внутренний диаметр – 30 мм) и щель между ВТСП кабелем и внутренней стенкой гибкого криостата. Электрическая изоляция ВТСП кабеля – полиэтиленовая (XLPE), толщиной 11,9 мм. Масса погонного метра ВТСП кабеля составляет 9,2 кг, внешний диаметр - 112 мм. При прокладке кабель был изогнут под углом 900. В 2004 году все работы по его созданию и прокладке были законче-ны, ВТСП кабель бесперебойно работает по настоящее время. Потери на переменном токе в кабеле составляют около 30 Вт на фазу (измерены при токе 1500 А). В ходе эксплуатации кабеля произошло несколько аварий, почти все они были связаны с системой криогенного обеспечения. Периодичность обслуживания системы криогенного обеспечения ВТСП кабеля составляет 6 месяцев.
Другой кабельный проект – трехфазный ВТСП кабель Gansu Chаngtong длиной 75 м, который был изготовлен в Электротехническом институте Китайской академии наук (IEE) из Bi-2223 проводов в серебряной матрице производства компании AMSC. Этот кабель также был выполнен по схеме с теплым диэлектриком, каждая фаза размещалась в индивидуальном гибком криостате. Рабочее напряжение и ток кабеля составили 10,5 кВ и 1,5 кА, со-ответственно. ВТСП кабель успешно эксплуатируется в сети с 2004 года.
Рис. 2. Трехфазный ВТСП кабель InnoPower.
Особого внимания заслуживает разработанный в IEE совместно с китайской компанией Terbian Elec-tric ВТСП трансформатор мощностью 630 кВА (10,5 кВ/400 В), изготовленный из ВТСП на основе Bi-2223 в серебряной матрице производства AMSC (рис. 3). Трансформатор выполнен по схеме с “теплым” магнитопроводом, его выполненные по галет-ной схеме обмотки охлаждаются жидким азотом, что существенно упрощает как его конструкцию, так и эксплуатацию. Каждая из фаз трансформатора заключена в индивидуальный диэлектрический криостат, через центр которого проходит магнитопровод.
Рис. 3. Трехфазный ВСТП трансформатор IEE/Terbian Electric 10,5 кВ/400 В, 630 кВА.
Компания InnoPower разработала, изготовила и провела испытания ВТСП токоограничителя с насыщенным магнитопроводом с номинальной мощностью 90 МВА и рабочим напряжением 35 кВ. Токоограничитель (рис. 4) установлен на той же подстанции, что и ВТСП кабель InnoPower на 35 кВ и 121 МВА. Впечатляют габариты ВТСП катушки подмагничивания токоограничителя: диаметр – 1340 мм, высота – 880 мм, расход ВТСП проводника - 17,6 км! Конструкция и технические характеристики токоограничителя InnoPower в целом аналогичны токоограничителю, недавно разработанному компанией Zеnergy.
Рис. 4. ВТСП токоограничитель с насыщенным магнито-проводом InnoPower.
Стоит обратить внимание, что токоограничители с насыщенным магнитопроводом Zenergy и InnoPower отличаются чрезмерными массогабаритными показателями (масса токоограничите-ля InnoPower cоставляет 27 тонн) и значительно более слабым, чем у ВТСП токоограничителей резистивногого типа, ограничением токов короткого замыкания. Ограничение ударного тока при использовании токоограничителя InnoPower составило всего 50%, тогда, как токоограничители резистивного типа на базе ВТСП проводников 2-го поколе-ния способны ограничивать ударный ток намного более эффективно. Основной проблемой токоограничителей с насыщенным магнитопроводом является возникновение наведенных токов в цепи подмагничивания, что резко ухудшает токоограничивающие свойства и может привести к переходу ВТСП катушки подмагничивания в нормальное со-стояние (подробно об особенностях токоограничителей с насыщенным магнитопроводом сообщалось в “Сверхпроводниках для Электроэнергетики”, т. 4, № 4). Для борьбы с наведенными токами специалисты InnoPower разработали схему быстрого разряда катушки подмагничивания, включающую в себя ключ на IGBT транзисторах на 6,5 кВ и 300 А, а также разрядное сопротивление на основе окиси цинка. Так как разряд катушки происходит за время около 5 мс, а она обладает значительной индуктивностью, то на ней возникает напряжение до 6 кВ, что накладывает жесткие требования на диэлектрические характеристики изоляции. Дальнейший рост мощности и рабочего напряжения ВТСП токоограничителей с насыщенным магнитопроводом неизбежно приведет к росту тока подмагничивания и перенапряжений при разряде катушки подмагничивания. Компанией InnoPower совместно с Tianjin Electric Power Corporation и Tianjin M&E Industry Holding Group начаты работы по созданию высоковольтного ВТСП токоограничителя с насыщенным магнитопроводом на 220 кВ и 1200 А, который будет установлен в муниципальной сети города Тяньцзинь в 2009 г.
Помимо перечисленных выше ВТСП изделий в Китае ведутся работы над целым рядом ВТСП электротехнических устройств, среди них: судовой гребной электродвигатель мощностью 365 кВт, разрабатываемый совместно с японской компанией Fuji; ВТСП токоограничитель резистивного типа на 10 кВ и 1,5 кА; ВТСП индуктивные накопители энергии на 35 кДж и 1 МДж; магнитные подвесы для транспорта и т.д. В заключение можно добавить, что в последние годы китайские разработки в области высоких технологий находятся на подъеме, интерес ученых и инженеров к огромным возможностям, которые открывают ВТСП технологии, для электроэнергетики, постоянно растет.