Введение
Зарождение в начале прошлого века техники передачи электроэнергии по проводникам, получившим впоследствии общее название «электропровода», было связано с необходимостью передачи электрических сигналов. Электропровода появились в конце прошлого столетия вместе с первыми электрическими генераторами и началом развития электроснабжения. Передача электроэнергии играет важную роль в решении задач электрификации, технического перевооружения всех отраслей народного хозяйства, механизации, автоматизации и интенсификации производственных процессов.
Электроэнергетика XXI века должна обеспечивать высокую эффективность выработки, транспортировки и потребления энергии. Этого можно достичь путем повышения требований к управляемости энергосистемы, а также к экологическим и ресурсосберегающим характеристикам на всех этапах производства и распределения электроэнергии. Использование сверхпроводниковых технологий позволяет перейти на качественно новый интеллектуальный уровень функционирования данной отрасли. ПАО «ФСК ЕЭС» была принята программа НИОКР, включающая создание высокотемпературных сверхпроводящих кабельных линий (далее - ВТСП КЛ) переменного и постоянного тока.
В большинстве промышленно развитых стран мира ведутся интенсивные исследования и разработка новых видов электротехнических устройств на основе сверхпроводников. Интерес к данным разработкам особенно усилился в последние годы в связи с открытием высокотемпературных сверхпроводников ВТСП, не требующих сложных и дорогих охлаждающих приборов.
Единая энергосистема России - один из крупнейших в мире высокоавтоматизированных электроэнергетических комплексов, обеспечивающих производство, передачу и распределение электроэнергии и централизованное оперативно-диспетчерское управление этими процессами. В составе ЕЭС России параллельно работают около 450 крупных электростанций различной ведомственной принадлежности, суммарной мощностью более 200 млн кВт, а также имеется свыше 2,5 млн км линий электропередачи различных напряжений, в том числе 30 тыс. км системообразующих ЛЭП напряжением 500, 750, 1150кВ. Передача электроэнергии можно произвести по воздушным и кабельным линиям. Наиболее защищенным видом передачи электроэнергии, но к тому же дорогим, является кабельная электропередача.
В настоящее время кабельные линии сооружаются в тех случаях, когда строительство воздушных линий нецелесообразно по причинам экономического, архитектурно-планировочного или экологического характера.
Кабельная промышленность выпускает кабельные изделия практически для всех отраслей народного хозяйства. Кабельные изделия предназначены для передачи и распределения электрической энергии и сигналов связи и информации, выполнения электрических соединений в различных электротехнических устройствах, изготовления обмоток электрических машин, аппаратов и приборов.
1. Высокотемпературные кабели и перспективы их применения
Определение ВТСП Высокотемпературные сверхпроводники (высокие Tc) - семейство материалов (сверхпроводящих керамик) с общей структурной особенностью, которую можно охарактеризовать относительно хорошо выделенными медно-кислородными плоскостями. Их также называют сверхпроводниками на основе купратов. Температура сверхпроводящего перехода, которая может быть достигнута в некоторых составах в этом семействе, является самой высокой среди всех известных сверхпроводников. Нормальное (и сверхпроводящее) состояния обнаруживают много общих особенностей для купратов с различными составами; многие из этих свойств не могут быть объяснены в рамках теории БКШ. Хотя единой и последовательной теории сверхпроводимости в купратах в настоящее время не существует; однако, данная проблема привела к появлению многих важных экспериментальных и теоретических результатов, и интерес к этой области сосредоточен не только на достижении сверхпроводимости при комнатной температуре. За экспериментальное открытие первого высокотемпературного сверхпроводника в 1987 была немедленно присуждена Нобелевская премия.
Структура
1) Все основные ВТСП - системы имеют слоистую структуру, приведена для примера структура элементарной ячейки ВТСП-соединения YBa2Cu3O7 .
2) В некоторых ВТСП - системах наблюдается сверхструктурная модуляция решетки, например, в системе Bi2Sr2Can-1CunOд. Имеется определенная корреляция Тc с периодом этой модуляции.
3) Еще более необычны структурные образования, наблюдавшиеся в ВТСП - системах, так называемые «страйпы». «Страйпы» представляют собой сверхструктурную модуляцию зарядовой плотности. Их период составляет несколько ангстрем. Как правило, это динамические образования и они проявляются в изменении некоторых свойств ВТСП. Однако при введении примесей они могут «запиннинговаться» на этих дефектах и будут наблюдаться в статике.
Температурная зависимость сопротивления R (T)
Во многих купратных ВТСП R (T) зависит практически линейно от температуры Т [4]. Пример для YBa2Cu3O7 . Удивительно, что в чистых образцах экстраполяция этой зависимости в область низких температур ведет себя так, как будто остаточное сопротивление совершенно отсутствует. В ряде других ВТСП, с меньшими Тc, где удается подавить сверхпроводимость магнитным полем, зависимость R (T) линейна вплоть до очень низких температур. Такая линейная зависимость наблюдается в очень широкой области температур: от ~10-3 до 600К (при более высоких температурах уже начинает меняться концентрация кислорода). Это совершенно необычное поведение для металла. Для объяснения привлекались раздичные модели (нефононный механизм рассеяния носителей, изменение концентрации электронов с Т и др.). Однако эта проблема еще не разрешена до конца.
Высокотемпературные кабели (до 1000°С)
Серии кабелей: ВНО, PHT, AHT,ВНО
Особенности
Высокотемпературный провод ВНО предназначен для обогрева и технологического нагрева разнообразного оборудования - экструдеров, массопроводов, сушильных шкафов и резервуаров. Применяется для обогрева цилиндров и головок пластмассовых экструдеров, литьевых машин, трубопроводов расплавленного битума, в сушильных шкафах и многих других установках. Провод характеризуется высокой гибкостью и имеет малый радиус изгиба, что позволяет производить его монтаж на поверхностях со сложной формой: массопроводы, емкости, плиты прессов.
Возможна поставка провода отрезками любой длины или готовыми нагревательными секциями, снабженными соединительными керамическими муфтами и «холодными концами».
Варианты исполнения
ВНО Исполнение 1
Конструкция с изоляцией и оболочкой из стеклонитей, с пропиткой кремнеорганическим композитом (tmax = 550°C)
ВНО Исполнение 2
Конструкция с изоляцией и оболочкой из кварцевых нитей (tmax = 1000°C)
Технические характеристики:
Максимальная рабочая температура
И-1 - 500°С
И-2 -1000°С
Максимально допустимая температура без нагрузки
И-1 - 550°С
И-2 - 1000°С
Температура монтажа, минимум -40°С
Электропитание~220-240В (~380В по заказу)
Сопротивление изоляции не менее 1х105МОмм
Конструкция
Нагревательная жила - одножильная из сплава с высоким сопротивлением.
Изоляция - сплошная оплётка, из стеклонитей или кварцевых нитей.
Наружная оболочка - сплошная, из стеклонитей или кварцевых нитей.
Испытательное напряжение изоляции - 1500 В.
Особенности
PHT (Пауэрхит) - это нагревательная лента постоянной мощности, соответствующая стандарту BS6351, уровень 22, которая предназначена для защиты от замораживания или поддержания постоянной температуры процесса в трубопроводах или резервуарах.
Её можно отрезать до нужной длины по месту, ею можно заменять кабели с минеральной изоляцией в тех местах, где необходима подгонка по месту или предпочтителен кабель для опасных полевых условий.
Пауэрхит сертифицирована для применения в опасных зонах в соответствии со стандартом CENELEC.
Безоплёточная конструкция для использования в безопасных местах.
Конструкция с никелированной оплеткой, используемая в неопасных местах или зонах 1 и 2 категории опасности, в тех местах, где обогреваемое оборудование невозможно эффективно заземлить.
C наружной оболочкой из фторполимера, расположенной поверх оплетки из никелированной медной проволоки, что позволяет обеспечить защиту меди от коррозии в местах, которые могут быть подвержены действию химических растворов или паров.
Технические характеристики:
Температура без нагрузки, максимум 285°С
Температура монтажа, минимум -40°С
Электропитание ~220-240 или 110-120 В
Температурная группа Т2 -285°С,Т3-200°С,Т4-135°С,Т5-100°С,Т6-85°С
АНТ
Особенности
AHT (Пауэрхит) - это нагревательная лента постоянной мощности, соответствует требованиям стандарта BS6351, уровень 22, которая применяется для защиты от промерзания или поддержания температуры процессов в трубопроводах и резервуарах, в том числе расположенных в опасных зонах.
Она может отрезаться до необходимой длины по месту, её можно использовать вместо кабеля с минеральной изоляцией в тех местах, где важна подгонка по месту или необходим кабель для полевых условий.
Пауэрхит сертифицирована для применения в опасных зонах в соответствии с требованиями стандарта CENELEC.
Монтаж нагревательной ленты несложен, не требует много мало времени и каких-то специальных навыков или инструментов. Все компоненты для заделки концов, соединения и подключения питания поставляются в удобных наборах.
AHT защищена сплошной прессованной алюминиевой оболочкой, что позволяет обеспечить максимальную механическую прочность даже в случае серьезных нарушений в процессе нагревания.
Технические характеристики:
Температура без нагрузки, максимум 285°С
Температура монтажа, минимум -40°С
Электропитание ~220-240 или 110-120 В
Температурная группа Т1 - 350°С ,Т2 - 300°С ,Т3 - 200°С, Т4 - 135°С, Т5 - 100°С ,Т6 - 85°С.
Конструкция
Материал нагревательного элемента - никель-хром.
Материал токопроводящих проводников - никелированная медь сечением 2,5 мм.
Изоляция проводников - стекловолокно/слюда.
Первичная изоляция - стекловолокно/слюда.
Оболочка - алюминий.
Перспективы внедрения, применения сверхпроводящих кабелей
Именно силовые сверхпроводящие кабели являются наиболее разработанным и продвинутым способом применения сверхпроводимости в электроэнергетике в настоящее время [1, 2]. Основными преимуществами сверхпроводящих кабелей являются:
- высокая эффективность в связи с малыми потерями энергии в сверхпроводнике;
- возможность замены существующего кабеля на кабель с большей передаваемой мощностью при тех же габаритах;
- легкий вес за счет меньшего количества используемого материала;
- увеличение жизненного цикла кабеля в результате замедления процессов старения изоляции;
- низкий импеданс и большая критическая длина;
- отсутствие электромагнитных и тепловых полей рассеяния, экологическая чистота и пожаробезопасность;
- возможность передачи больших мощностей при сравнительно низком напряжении.
Справка: Совершенно новый материал, который проявлял сверхпроводящие свойства при относительно высоких температурах, был создан в 1986 году сотрудниками IBM Георгом Беднорцом и Алексом Мюллером. Данное открытие, помимо прочего, позволило начать разработку электротехнических устройств на основе сверхпроводников. Как показали современные исследования, проводимые во многих странах мира, такие устройства способны работать при охлаждении дешевым и легкодоступным жидким азотом.
ВТСП КЛ постоянного и переменного тока - инновационная разработка, позволяющая решить значительную часть проблем электрических сетей. Однако при использовании ВТСП КЛ постоянного тока линия становится управляемым элементом сети, регулирующим потоки передаваемой энергии вплоть до реверса передачи. ВТСП КЛ постоянного тока имеют ряд дополнительных преимуществ по сравнению с линиями переменного тока:
- ограничение токов короткого замыкания, что позволяет соединить по низкой стороне отдельные секторы энергосистемы без увеличения токов короткого замыкания;
- повышение устойчивости сети и предотвращение каскадных отключений потребителей за счет взаимного резервирования энергорайонов;
- регулирование распределения потоков мощности в параллельных линиях;
- передача мощности с минимальными потерями в кабеле и, как следствие, снижение требований к криогенной системе;
- возможность связи несинхронизированных энергосистем.
В электрических сетях возможно создание схемы с применением как ВТСП КЛ переменного, так и линий постоянного тока. Обе системы имеют свои предпочтительные области применения, и в конечном итоге выбор определяется как техническими, так и экономическими соображениями.
Маслонаполненные кабели
Маслонаполненные кабели (МНК, OF Cables) с бумажно-масляной изоляцией в России остаются пока наиболее распространенными кабелями высокого напряжения. При этом чем выше класс номинального напряжения кабелей, тем больше удельный вес МНК среди всех кабелей высокого напряжения.
МНК в России и в странах СНГ применяются для электроснабжения городов и крупных потребителей энергии, для вывода мощности с тепловых станций и гидроэлектростанций, а также для передачи электроэнергии через труднопроходимые местности (водные пространствa, горные районы и др.).
Основные типы конструкций силовых МНК, выпускаемых по ГОСТ 16441-78 (производитель - завод «Камкабель») - кабели низкого давления (до 3-5 атм.) в свинцовой или алюминиевой оболочке на номинальное на-пряжение 110, 150 и 220 кВ (см. рис. 1) и кабели высокого давления (10-15 атм.) в стальном трубопроводе на номинальное напряжение 110, 220, 330, 380 и 500 кВ. Повышение давления масла приводит к увеличению электрической прочности бумажно-масляной изоляции и к возможности применения силовых МНК при более высокой рабочей напряженности электрического поля в изоляции кабелей (до 15 кВ/мм и более).