Выпуски бюллетеня

ТомНомер
13 1
12 1 2 3 4 5 6
11 1 2 3 4 5 6
10 1 2 3 4 5
9 1 2 3 4 5
8 1 2 3 4 5
7 1
6 1 2 3 4
5 1 2 3 4 5 6
4 1 2 3 4 5 6
3 1 2 3 4 5 6
2 1 2 3 4 5
1 1 2
0 0

Тематический указатель

ВТСП ЛЭП большой протяженности. Конструкция и оценки

2009, Tом 6, выпуск 3
Тематика: ВТСП кабели в сетях

В предложении о строительстве АЭС и ТЭС в дальневосточном регионе для возможного экспорта электроэнергии в Японию был проведен анализ возможности использования существующих обычных типов кабеля и эскизная проработка подводной ВТСП кабельной линии [1]. Предполагалось, что прокладка будет осуществляться по дну пролива Лаперуза между островами Сахалин (Россия) и Хоккайдо (Япония). Ширина пролива 50 км, максимальная глубина – 200 м.

Основным преимуществом ВТСП линии является её способность в существующих ВТСП проводниках при температуре 65-70К передавать высокие мощности (Р > 1ГВА) с минимальными электрическими потерями при относительно невысоких напряжениях (64-128 кВ) за счёт высокой критической плотности тока по сверхпроводнику (jc > 100 A/мм2 в сравнении с допустимой по нормальному металлу 1-2 A/мм2 в обычных кабелях). Передача энергии по ВТСП кабелям в линиях на переменном токе менее привлекательна уже при расстояниях более 2-3 км из-за высоких потерь от наведённых вихревых токов в металлических элементах конструкции кабеля и токов смещения в изоляции. Величина таких потерь пропорциональна квадрату эффективного тока и при токе ~5 кА более чем на порядок превышает потери, связанные с теплопритоком к холодной зоне кабеля из окружающей среды (1-2 Вт/м при наружном диаметре холодной зоны D ~100-200 мм), и достигает 20 Вт/м (проект LIPA [2]). Однако этот вывод дискуссионный, зависящий от конкретной конструкции кабеля. По оценкам величина потерь для такого кабеля на длине 50 км может превышать 6% при 1 ГВА передаваемой мощности (рис. 1). Кроме того, для поддержания температуры в холодной зоне 65-75К при таком уровне потерь потребуется прокачивать через холодную зону кабеля ~50-100 кг сверхкритического азота в секунду.

Рис. 1. Зависимость эффективного напряжения и относительных потерь от величины эффективного тока при передаче мощности 1 ГВА на расстояние 50 км.

Для преодоления гидравлического сопротивления кабеля при разумном перепаде давления на концах линии ~DР Ј 1 МПа потребуется увеличение размеров поперечного сечения холодной зоны кабеля (криостата) до размеров, соответствующих D~400 мм (рис. 2), что, в свою очередь, приведёт к увеличению теплопритока из окружающей среды. Представленные здесь расчёты для длины линии 50 км носят гипотетический характер, т.к. возможности передачи по ВТСП линиям переменного тока ограничены волновым сопротивлением собственно линии, которая представляет собой параллельные индуктивность и конденсатор. По всем литератур-ным оценкам предельная длина ВТСП линии переменного тока 30-35 км.

Рис. 2. Зависимость массового расхода хладагента и диаметра криостата для одной фазы кабеля переменного тока длиной 50 км от величины эффективного тока в предположении, что гидравлический диаметр Dg»0,6D (расчёт).

Очевидно, что при передаче мощности на переменном токе теряется основное преимущество ВТСП кабеля – возможность передачи энергии при относительно низком напряжении и большом токе. В связи с этим более привлекательной является ВТСП линия на постоянном токе. В отличие от оценок, сделанных почти 10 лет назад [1] (тогда цена ВТСП за кАґм была выше в пять раз), представленные оценки сделаны для существенно больших величин тока и, соответственно, меньших напряжений.

В линии электропередачи постоянного тока электрические потери зависят линейно от величины тока и при постоянном напряжении на спаях даже при токе ~10 кА существенно (более чем на порядок) ниже потерь от внешних теплопритоков к криостату. Относительные потери собственно в кабеле при токе 7,1 кА и напряжении 69 кВ составляют всего 0,18% от полной передаваемой мощности. При этом диаметр криостата ~0,15 м и массовый расход хладагента не превышает 8 кг/сек. Здесь, конечно, следует учитывать потери (~2%) на преобразование переменного тока в постоянный и обратно. Эти потери не зависят от длины линии и при передаче на расстояния порядка нескольких сотен и более километров (расстояние между двумя соседними компрессорными станциями принималось 50 км) эти потери не столь ощутимы на фоне общих потерь. Кроме того, потери на преобразование тока могут быть существенно понижены при использовании криогенных и ВТСП преобразователей. При рассматриваемом нами расстоянии 50 км право выбора остаётся за разработчиками. Все вышеприведенные оценки сделаны для перепада температуры по кабелю от 65 до 71К (в работе [1] DT = 10K) и перепаде давления от 3 МПа до 2 МПа. К тому же работа на постоянном токе в данном случае будет естествен-ной, поскольку этого требует необходимость согла-сования различных энергосистем (российской и японской).

В конструировании ВТСП кабелей для передачи малой мощности на относительно небольшие расстояния (внутри города, через небольшие водные преграды и пр.) прослеживается тенденция создания гибких кабелей большой единичной длины куска (> 1 км) с криогенной электрической изоляцией и узкой концентрической щелью для прокачки хладагента (проект LIPA, выполняемый компанией Nexans совместно с AMSC). Для линий большой протяжённости, предназначенной для передачи больших мощностей (Р > 1 ГВА), вполне подходят модули небольшой (~50 м) протяжённости, с раздельным для каждого модуля вакуумом, где в каче-стве основной электрической изоляции используется сверхкритический азот (рис. 3). Модули могут соединяться между собой посредством муфт, имеющих раздельный вакуум (рис. 4).

Рис. 3. Схематичное изображение кабеля в разрезе: 1 – наружный вакуумный кожух, 2 – вакуум, 3 – многослой-ная экрановакуумная изоляция, 4 – сверхкритический азот, 5 – стеклотекстолит, 6 – ВТСП, 7 – медный формер (он же защита), 8 – внутренний кожух.

Рис. 4 Схематическое изображение соединительной муфты: 1 – вакуум, 2 – соединительная медная муфта, 3 – экрановакуумная изоляция (для муфты можно использовать и порошковую изоляцию).

Преимущества такой конструкции заключаются в том, что при нарушении вакуума в одном из модулей линия может оставаться работоспособной продолжительное время, а место нарушения вакуума легко может быть обнаружено.

Соединительная муфта может закрепляться на месте спая ВТСП кабелей, как при помощи болтов, так и сваркой. Прокладка такой линии не намного сложнее, чем прокладка магистрального газопровода. По такой линии легко прокачивать требуемые количества сверхкритического азота на большие расстояния при разумных (D < 200 мм) поперечных сечениях ЛЭП. Потери на спаях при токе ~7 кА остаются более чем на порядок меньше потерь на теплоприток из окружающей среды.

При относительно невысоком (генераторном) напряжении (16-24 кВ) возможно расположение прямого и возвратного кабелей в одном криостате (два в одном) [3]. Кроме того, при прохождении кабельной линии постоянного тока через водную преграду в качестве обратной ветки линии можно использовать морскую воду, как это было сделано при пере-даче энергии по обычному кабелю из Норвегии в Данию через пролив Скагеррак.

Резюмируя изложенное, можно констатировать, что возможное решение проблемы протяженных ВТСП линий электропередач большой мощности сводится к следующим положениям:

1. ВТСП кабельная ЛЭП должна работать на постоянном токе (это позволит повысить ток в линии при значительном снижении напряжения);

2. Гидравлический диаметр кабеля 150-200 мм. Сверхкритический азот следует ис-пользовать как в качестве хладагента, так и в качестве основной электрической изоля-ции кабеля. Это позволит увеличить расстояние между криогенными компрессорными станциями до 50 км и отказаться от использования других видов изоляции (PPL и пр.);

3. ВТСП линию электропередачи нужно изготавливать из модулей длиной не более 50 метров с собственным вакуумом и термомеханическими компенсаторами;

4. Модули ВТСП ЛЭП соединять сильфонными муфтами предлагаемой конструкции.

Следует отметить также, что примерно к таким же выводам пришли коллеги из США [4-7] и Японии, судя по их презентациям на 8ой ежегодной конференции ERPI Superconductivity Conference, проходившей в ноябре 2008 г. в Оак-Ридже (труды ещё не опубликованы).

Примечание редактора

Предлагаемое сообщение о возможностях протяженного кабеля постоянного тока носит дискуссионный характер. Никак не оспаривая тезисы автора о заметных преимуществах ВТСП линий постоянного тока при необходимости передачи больших потоков энергии на значительные расстояния (это абсолютно правильная и нужная идея!), некоторые оценки автора можно оспорить. Это относится к аргументации, как недостатков силовых кабелей переменного тока, так и преимуществ кабелей постоянного тока, включая оценки криогенных мощностей.

Тем не менее, считаю правильным публикацию этой статьи, которая является интересным примером «сумасшедшей идеи», и вполне может оказаться правильной и работоспособной.

В.С. Высоцкий

[1][2][2. ]

С.А. Лелехов

  1. И.А. Ковалёв, С.А. Лелехов, Н.А. Черноплёков и др., “Оценка возможности создания под-водной ВТСП линии электропередачи посто-янного тока мощностью 1 ГВА с рабочим напряжением 500 кВ”, Сборник трудов «Российский электротехнический конгресс», секция 9, стр. 16.
  2. I.I. Akimov et al., IEEE Trans. Appl. Supercond., 13, 1934, (2003).
  3. J.V. Minervini et al., “Development of HTS Cables for DC Power Transmission and Distribution”, EPRI Eighth Annual Superconductivity Conference (2008).
  4. W.V. Hassenzahl, “A High-Power Superconducting DC Cable”, EPRI Eighth Annual Superconductivity Conference (2008).
  5. T. Overbye, “Power Flow and Transient Stability Impacts of Superconducting DC Cables”, EPRI Eighth Annual Superconductivity Conference (2008).
  6. T. Baldwin et al., “Issues Associated with a Superconducting DC Line Fed by a Multi-Terminal VSC System”, EPRI Eighth Annual Superconductivity Conference (2008).
Главная | Новости | Бюллетень | Конференции | Поиск публикаций в базе данных | Новое в базе данных
Российские организации | Энциклопедия | Цели сайта | Контакты | Полезные ссылки | Карта сайта | Помощь

© Copyright 2006-2012. Использование материалов сайта возможно только с обязательной ссылкой на сайт.
Свои замечания и пожелания вы можете направлять по адресу perst@isssph.kiae.ru
Техническая поддержка Alexey, дизайн Teodor.