في عام 1986، تم اكتشاف الموصلات الفائقة في درجات الحرارة العالية (HTSC) بواسطة I. G. Bednorz وK. A. Muller. تقع درجة الحرارة الحرجة لـ HTSC، كقاعدة عامة، فوق نقطة غليان النيتروجين (77 كلفن). أساس هذه المركبات هو أكاسيد النحاس، ولذلك يطلق عليها غالبًا اسم الكوبرتات أو أكاسيد المعادن. في عام 1987، تم تحقيق درجة حرارة انتقالية فائقة التوصيل تبلغ 92 كلفن على السيراميك YBa 2 Cu 3 O 7؛ ثم تم رفعه إلى 125 كلفن في مركبات الثاليوم. أعلى درجة حرارة حرجة تم تحقيقها خلال 10 سنوات من أبحاث HTSC (حوالي 145 كلفن) تنتمي إلى المركبات القائمة على الزئبق. يُعرف الآن أكثر من عشرين مركبًا من مركبات HTSC - نحاسات من معادن مختلفة، يطلق عليها اسم المعادن الأساسية: الإيتريوم (على سبيل المثال، YBa 2 Cu 3 O 7-x، Tc ~ 90 K)، البزموت (Bi 2 Sr 2) CaCu 2 O 8، Tc ~ 95 K)، الثاليوم (Tl 2 BaCaCu 2 O 8، Tc ~ 110 K)، الزئبق (HgBa 2 CaCu 2 O 6 Tc ~ 125 K).

تحتوي الموصلات الفائقة للأكسيد عادة على 4-5 أنواع مختلفة من الذرات، وتحتوي وحدة الخلية البلورية على ما يصل إلى 20 ذرة. تحتوي جميع HTSCs تقريبًا على بنية ذات طبقات من ذرات النحاس والأكسجين، ويمكن أن يكون عدد طبقات النحاس الوسيطة مختلفًا، وقد تم تصنيع مركبات يصل فيها عدد طبقات CuO 2 إلى 5. ويلعب وجود الأكسجين دورًا مهمًا في آلية الموصلية الفائقة. تظهر نتائج العديد من التجارب أن الطائرات التي تحتوي على الأكسجين هي الكائن الرئيسي في الشبكة البلورية، وهي المسؤولة عن توصيل مركبات الأكسيد هذه وعن حدوث الموصلية الفائقة فيها عند درجات حرارة عالية.

تعد HTSCs ممثلين نموذجيين للموصلات الفائقة من النوع الثاني مع نسبة كبيرة جدًا من طول لندن إلى طول التماسك - في حدود عدة مئات. وبالتالي المجال المغناطيسي ح ج 2 له قيمة عالية جدًا، خاصة بالنسبة لـ Bi 2212، فهو يبلغ حوالي 400 طن، و ح ج 1 يساوي عدة مئات من الأورستدات (اعتمادًا على اتجاه المجال بالنسبة للبلورة).

تتميز معظم HTSCs بتباين قوي، مما يؤدي، على وجه الخصوص، إلى طبيعة غير عادية للغاية لاعتماد العزم المغناطيسي لهذه المواد على شدة المجال إذا كانت مائلة إلى المحاور البلورية الرئيسية. جوهر التأثير هو أنه، بسبب التباين الكبير، يكون من الأفضل في البداية أن تكون خطوط الدوامة موجودة بين طبقات CuO 2، وعندها فقط، بعد قيمة حقل معينة، تبدأ في اختراق هذه المستويات.

تقنية تجريبية قياس الخواص المغناطيسية ودرجة الحرارة للموصلات الفائقة

لا تختلف التقنية المستخدمة لقياس الخواص المغناطيسية للموصلات الفائقة من حيث المبدأ عن تلك المستخدمة لقياس المواد المغناطيسية العادية مثل المغناطيسات الحديدية، باستثناء أنها يجب أن تكون قادرة على العمل في درجات حرارة منخفضة للغاية. ويمكن تقسيم الطرق التجريبية إلى مجموعتين: تلك التي يتم فيها التدفق المغناطيسي فيتقاس في العينة، وتلك التي يتم فيها قياس مغنطة العينة أنا(الشكل 23). توفر كل طريقة من هذه الطرق معلومات كاملة حول الخصائص المغناطيسية للعينة، ولكن حسب الظروف، يمكنك اختيار واحدة أو أخرى منها. بالنسبة للقياسات المغناطيسية، يتم استخدام مجموعة متنوعة من المعدات بدرجات متفاوتة من التعقيد اعتمادًا على الحساسية ودرجة الأتمتة وما إلى ذلك. إلا أن كل هذه التكنولوجيا تعتمد على طرق بسيطة سنركز الآن على إحداها.

اكتشف الفيزيائيون مادة تصبح فائقة التوصيل عند درجات حرارة أعلى بقليل من أبرد درجة حرارة على الأرض. يمكن أن يبشر هذا الاكتشاف بعصر جديد في دراسة الموصلية الفائقة. إن عالم الموصلية الفائقة صاخب. في العام الماضي، قدم ميخائيل إرميتس وزوجان من زملائه في معهد ماكس بلانك للكيمياء في ماينز، ألمانيا، ادعاءً استثنائيًا يتمثل في مراقبة كبريتيد الهيدروجين فائق التوصيل عند -70 درجة مئوية. وهذا أعلى بمقدار 20 درجة من أي مادة أخرى تحمل الرقم القياسي الحالي.

بدأت مناقشة نتائج عمل العلماء عندما تم نشرها لأول مرة على موقع arXiv. في ذلك الوقت، تحدث الفيزيائيون بحذر عن عملهم. إن تاريخ الموصلية الفائقة مليء بجثث الادعاءات المشكوك فيها حول نشاط درجات الحرارة المرتفعة، والذي ثبت فيما بعد أنه من المستحيل تكراره.

لقد مر وقت طويل منذ ذلك الحين، وقد عمل إريميتس وزملاؤه بجد لبناء أدلة قاطعة ومقنعة. وقبل بضعة أسابيع، نُشرت أعمالهم في مجلة نيتشر، مما أكد على الاحترام المطلوب في الفيزياء الحديثة. ضرب العناوين مرة أخرى.

قدم أنتينيو بيانزوني وتوماس جارلبورج من مركز روما الدولي لعلوم المواد في إيطاليا لمحة عامة عن مجال عملهم المثير. وقاموا بعمل نظري في شرح أعمال إريميتس وزملائه.

أولا، خلفية صغيرة. الموصلية الفائقة هي ظاهرة انعدام المقاومة الكهربائية والتي تحدث في بعض المواد عندما يتم تبريدها تحت درجة حرارة حرجة.

هذه الظاهرة معروفة جيدًا في الموصلات الفائقة التقليدية، وهي في الأساس عبارة عن شبكات صلبة من الأيونات الموجبة تسبح في بحر من الإلكترونات. تحدث المقاومة الكهربائية عندما تصطدم الإلكترونات بهذه الشبكات وتفقد الطاقة أثناء تحركها عبرها.

ومع ذلك، عند درجات الحرارة المنخفضة، يمكن للإلكترونات أن تتحد مع بعضها البعض لتكوين أزواج كوبر. وفي الوقت نفسه، تصبح الشبكة صلبة بدرجة كافية للسماح بحركة متماسكة لموجات تسمى الفونونات.

تحدث الموصلية الفائقة عندما تنتقل أزواج كوبر والفونونات معًا عبر مادة ما، وتمهد الموجات الطريق بشكل أساسي لأزواج الإلكترونات. يحدث هذا عندما تصبح اهتزازات الشبكة - درجة حرارتها - قوية بما يكفي لكسر أزواج كوبر. هذه درجة حرارة حرجة.

وحتى وقت قريب، كانت أعلى درجة حرارة حرجة من هذا النوع هي -230 درجة مئوية (40 كلفن).

هناك ثلاث خصائص رئيسية يبحث عنها العلماء للتأكد من أن المادة فائقة التوصيل. الأول هو الانخفاض المفاجئ في المقاومة الكهربائية عندما يتم تبريد المادة تحت درجة حرارة حرجة. والثاني هو إزاحة المجال المغناطيسي من المادة، وهو التأثير المعروف باسم تأثير مايسنر.

والثالث هو التغير في درجة الحرارة الحرجة عندما يتم استبدال الذرات الموجودة في المادة بالنظائر. ويحدث هذا لأن الاختلاف في كتلة النظائر يتسبب في اهتزاز الشبكة بشكل مختلف، مما يؤدي إلى تغير درجة الحرارة الحرجة.

من المرجح أن يريميتس وزملاؤه غيروا مواقفهم. ربما تكون المفاجأة الكبرى في هذا الإنجاز هي أنه لا يتضمن موصلًا فائقًا "عالي الحرارة". وهو يشتمل على كبريتيد الهيدروجين العادي، الذي لم يُلاحظ قط أنه موصل فائق عند درجات حرارة أعلى من 40 درجة كلفن.

وقد حقق ييريميتس وزملاؤه هدفهم عن طريق ضغط هذه المادة تحت ضغط لا يوجد إلا في مركز الأرض. وفي الوقت نفسه، تمكنوا من اكتشاف دليل على أهم خصائص الموصلية الفائقة.

وبينما تستمر تجاربهم، لا يزال المنظرون في حيرة من أمرهم وهم يحاولون تفسير ذلك. يعتقد العديد من الفيزيائيين أن هناك سببًا نظريًا لعدم قدرة الموصلات الفائقة التقليدية على العمل عند درجات حرارة أعلى من 40 درجة كلفن. ولكن اتضح أنه لا يوجد شيء نظريًا يمنع الموصلات الفائقة من العمل عند درجات حرارة أعلى.

في الستينيات، توقع الفيزيائي البريطاني نيل أشكروفت أن الهيدروجين يجب أن يكون قادرًا على التوصيل الفائق عند درجات الحرارة والضغوط العالية، وربما حتى في درجة حرارة الغرفة. كانت فكرته هي أن الهيدروجين خفيف جدًا لدرجة أنه يجب أن يشكل شبكة قادرة على الاهتزاز بترددات عالية جدًا وبالتالي يصبح موصلًا فائقًا في درجات الحرارة والضغوط العالية.

يبدو أن يريميتس وزملاؤه قد أكدوا هذه الفكرة. أو على الأقل شيء من هذا القبيل. هناك الكثير من التجاعيد النظرية التي يجب إزالتها قبل أن يتمكن الفيزيائيون من القول بأن لديهم فهمًا جيدًا لما يحدث. يستمر العمل النظري.

والآن يدور السباق حول إيجاد موصلات فائقة أخرى يمكنها العمل عند درجات حرارة أعلى. أحد المرشحين الواعدين هو H3S (وليس H2S، الذي كان يريميتس يعمل عليه في الأصل).

وبطبيعة الحال، بدأ الفيزيائيون يفكرون في التطبيقات. إن استخدام مثل هذه المواد أمر صعب للغاية، وليس فقط لأنها موصلة للكهرباء عند الضغوط العالية.

لكن لا شيء يمنعك من التخيل. "هذا الاكتشاف له آثار ليس فقط على علم المواد والمادة المكثفة، ولكن أيضًا في مجالات أخرى، من الحوسبة الكمومية إلى فيزياء الكمالمادة الحية"، كما يقول بيانزوني وجارلبورج. طرحوا أيضا فكرة مشيقةأن مثل هذا الموصل الفائق يعمل عند درجات حرارة أعلى بمقدار 19 درجة من أبرد درجة حرارة على الأرض.

ربما سنسمع في الأشهر والسنوات المقبلة الكثير من الأشياء المثيرة للاهتمام حول الموصلات الفائقة.

الموصلات الفائقة لدرجات الحرارة المرتفعة (HTSC)، وهي مركبات فائقة التوصيل تسجل درجات حرارة حرجة عالية T منذ الانتقال إلى حالة التوصيل الفائق. تم اكتشاف الموصلية الفائقة في درجات الحرارة العالية في عام 1986 من قبل J. G. Bednorz و K. A. Müller في سيراميك أكسيد المعدن المعتمد على Ba-La-Cu-O عند درجات حرارة تتراوح بين 30-35 كلفن. وتبين أن درجات الحرارة الحرجة للعديد من HTSCs أعلى من درجة حرارة التميع. من النيتروجين (77 كلفن). وهكذا، في مركبات النحاسات التي تحتوي على الإيتريوم أو البزموت (على سبيل المثال، YBa 2 Cu 3 0 7- δ و Bi 2 Sr 2 CaCu 2 0 8+ δ)، T c ≈ 90 K، وفي الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية المحتوية على الزئبق، T ج تتجاوز 130 كلفن. إن إمكانية استخدام النتروجين السائل بدلاً من الهيليوم السائل يقلل بشكل كبير من تكلفة استخدام المواد فائقة التوصيل للأغراض العملية.

تمتلك الموصلات الفائقة النحاسية بنية بلورية معقدة إلى حد ما، حيث تلعب المستويات البلورية CuO 2 الدور الرئيسي في الموصلية الفائقة. تعتمد الدالة الموجية لزوج كوبر في HTSC (انظر نموذج باردين – كوبر – شريفر) على اتجاه زخم الإلكترونات المكونة للزوج. عندما يتغير اتجاه النبض بمقدار 90 درجة في مستوى CuO 2، تتغير إشارة الدالة الموجية لزوج كوبر. تشبه هذه الخاصية سلوك الوظائف الموجية للإلكترونات في الأغلفة d للذرة. على سبيل القياس، يتم وصف الموصلية الفائقة في درجات الحرارة العالية بأنها الموصلية الفائقة الاقتران d.

تحدث حالة التوصيل الفائق، على سبيل المثال، في مركبات La 2- x Sr x CuO 4، والتي تتشكل عن طريق إضافة السترونتيوم إلى العازل المغناطيسي الحديدي La 2 CuO 4 . يؤدي استبدال جزء صغير من اللانثانوم بالسترونتيوم إلى زيادة تركيز الثقوب في طبقات أكسيد النحاس. نتيجة لهذا المنشطات، يتم تدمير الحالة المغناطيسية المضادة في La 2- x Sr x CuO 4 عند x ≈ 0.02، وفي النطاق x = 0.05–0.27 يصبح هذا المركب موصلًا فائقًا. درجة الحرارة الحرجة حساسة للغاية لقيمة x وتصل إلى قيمة قصوى (حوالي 34 كلفن) عند x od ≈ 0.15÷0.17 (المنشطات المثالية). في العاشر< х од высокотемпературные сверхпроводники называют недодопированными, а при х >x od - مبالغ فيه. تُظهر HTSCs الأخرى سلوكًا مشابهًا، على الرغم من أن القيم المميزة لـ x وT c بالنسبة لها قد تختلف عن تلك المذكورة أعلاه. يتضمن البحث في HTSCs (بالمعنى الواسع) دراسة هذه المركبات على النطاق الكامل لـ x وT، على وجه الخصوص، وفي منطقة قيمها حيث تغيب الموصلية الفائقة.

بحلول بداية القرن الحادي والعشرين، لم تجد HTSCs استخدامًا واسع النطاق، على الرغم من أنها كانت تستخدم بالفعل في تكنولوجيا الموجات الدقيقة (المرشحات، ومضاعفات الإرسال، وخطوط التأخير، والرنانات)، وفي الهندسة الكهربائية وهندسة الطاقة (كابلات نقل الكهرباء، والمولدات، والمحولات)، في الإلكترونيات الدقيقة وتكنولوجيا الكمبيوتر وتكنولوجيا الاتصالات وغيرها من المجالات. تتمثل المهمة الرئيسية فيما يتعلق باستخدام HTSCs في زيادة درجة حرارتها الحرجة بشكل أكبر - لإنشاء مواد تقع درجة حرارتها الحرارية في منطقة درجة حرارة الغرفة.

مضاءة: Koelle D. a. أجهزة التداخل الكمي فائقة التوصيل ذات درجة الحرارة العالية الانتقالية // مراجعات للفيزياء الحديثة. 1999. المجلد. 71. رقم 3؛ تسوي إس إس، كيرتلي جيه آر. التماثل الاقتراني في الموصلات الفائقة النحاسية // المرجع نفسه. 2000. المجلد. 72. رقم 4.

حتى وقت قريب، كان الاستخدام العملي محدودًا جدًا بسبب درجات حرارة التشغيل المنخفضة - أقل من 20 كلفن. اكتشاف الموصلات الفائقة في درجة الحرارة العالية، والتي لها درجات حرارة حرجة في عام 1986

تغير

الموقف،

تبسيط مجموعة كاملة من مشكلات التبريد (زادت درجة حرارة تشغيل اللفات، وأصبحت أقل حساسية للاضطرابات الحرارية). الآن هناك فرص

خلق

أجيال

معدات كهربائية،

يستخدم

درجة حرارة منخفضة

الموصلات الفائقة

اتضح أنه

سيكون للغاية

غالي،

غير مربحة.

النصف الثاني من التسعينيات من القرن الماضي هو بداية فترة واسعة

جارح

درجة حرارة عالية

الموصلية الفائقة لصناعة الطاقة الكهربائية. درجة حرارة عالية

الموصلات الفائقة

يستخدم

تصنيع

محولات،

الكهرباء

استقرائية

محركات الأقراص

غير محدود

التخزين)، المحددات الحالية، الخ. بالمقارنة مع المثبتة

مميزة

مخفض

خسائر

وأبعادها وتوفير كفاءة متزايدة في إنتاج ونقل وتوزيع الكهرباء. وبالتالي، سيكون هناك محولات فائقة التوصيل

خسائر،

من المحولات التي لها نفس القدرة ولها ملفات تقليدية. بالإضافة إلى المحولات فائقة التوصيل

قادر

حد

الزائد,

لا تحتاج إلى زيت معدني، مما يعني أنها صديقة للبيئة وليست معرضة لخطر الحريق. محددات التوصيل الفائق

مؤقت

الخصائص، أي أنها أقل قصورًا؛ سيؤدي إدراج المولدات فائقة التوصيل وأجهزة تخزين الطاقة في الشبكة الكهربائية إلى تحسين استقرارها. القدرة الاستيعابية الحالية

تحت الأرض

فائقة التوصيل

يمكن أن يكون 2-5 مرات أعلى من تلك العادية. تعد الكابلات فائقة التوصيل أكثر إحكاما بكثير، مما يعني أن تركيبها في البنية التحتية الحضرية/الضواحي الكثيفة أسهل بكثير.

إرشادية

التقنية والاقتصادية

حسابات كوريا الجنوبية

عمال الطاقة,

تم تنفيذها

طويل الأمد

تخطيط

الكهرباء

شبكات منطقة سيول. تشير نتائجهم إلى أن التوصيل الفائق عند 154 كيلو فولت، 1 جيجاوات

الكابلات

سيكلف

من المعتاد.

شغله

تصميم وتركيب الكابلات والقنوات (مع مراعاة تقليل عدد الخيوط المطلوبة وبالتالي تقليل إجمالي عدد الكابلات لكل كيلومتر وتقليل القطر الداخلي للقنوات). يهتم المتخصصون الأوروبيون عند دراسة قضايا مماثلة بما يتعلق بالموصلية الفائقة

كثيراً

الجهد االكهربى.

وبالتالي، سيتم تقليل التلوث الكهرومغناطيسي للبيئة

ذات كثافة سكانية عالية

التخلي عن خطوط الجهد العالي للغاية، والتي زرعها

يلتقي

جاد

مقاومة شعبية، وخاصة من حزب الخضر. كما أن التقييم الذي تم إجراؤه في الولايات المتحدة الأمريكية مشجع أيضًا: التنفيذ

فائقة التوصيل

معدات

على المولدات والمحولات والمحركات) والكابلات لقطاع الطاقة الوطني سيوفر ما يصل إلى 3٪ من إجمالي الكهرباء. وفي الوقت نفسه، على نطاق واسع

أحدث

تم التأكيد على أن الجهود الرئيسية التي يبذلها المطورون يجب أن تركز على: 1) زيادة كفاءة أنظمة التبريد؛ 2) زيادة القدرة الاستيعابية الحالية

فائقة التوصيل

الأسلاك

الخسائر الديناميكية وزيادة حصة الموصل الفائق عبر المقطع العرضي للسلك)؛ 3) تقليل تكلفة الأسلاك فائقة التوصيل (على وجه الخصوص، بسبب زيادة الإنتاجية)؛

4) خفض تكاليف المعدات المبردة. لاحظ أن أعلى كثافة للتيار الحرج "الهندسي" تم تحقيقها حتى الآن (التيار الحرج مقسومًا على إجمالي مساحة المقطع العرضي) لقطعة طولها مائتي متر من الشريط القائم على Bi-2223 هي 14-16 كيلو أمبير / سم 2 عند درجة حرارة 77 ك. يجري التخطيط للتسويق التجاري في البلدان المتقدمة

التقنيات

الموصلات الفائقة في درجات الحرارة العالية. ويشير البرنامج الأمريكي "الموصلية الفائقة لصناعة الطاقة الكهربائية 1996-2000" من وجهة النظر هذه. ووفقا لهذا البرنامج،

تضمين

فائقة التوصيل

عنصر

المعدات الكهربائية سوف توفر الاستراتيجية العالمية

ميزة

صناعة

القرن الحادي والعشرون وفي الوقت نفسه، ينبغي أن يؤخذ في الاعتبار أنه وفقا لتقديرات البنك الدولي، خلال فترة العشرين عاما المقبلة (أي بحلول عام 2020)، من المتوقع زيادة بمقدار 100 ضعف في مبيعات المواد فائقة التوصيل.

معدات

الطاقة الكهربائية

الأجهزة

سيزيد

32 مليار دولار (الإجمالي)

الموصلات الفائقة,

مشتمل

وستصل قيمة التطبيقات مثل النقل والطب والإلكترونيات والعلوم إلى 122 مليار دولار).

لاحظ أن روسيا، إلى جانب الولايات المتحدة واليابان، احتفظت بالقيادة

تطوير

فائقة التوصيل

التقنيات حتى أوائل التسعينيات من القرن العشرين. ومن جهة أخرى المصالح

الصناعية والتقنية

مما لا شك فيه أن أمن روسيا يتطلب استخدامها بقوة سواء في صناعة الطاقة الكهربائية أو في الصناعات الأخرى. إن التقدم الذي أحرزته تكنولوجيا الموصلية الفائقة و"ترويجها" في سوق الكهرباء العالمي قوي

نتائج

المظاهرات

العمل الناجح للنماذج الأولية بالحجم الكامل لجميع أنواع المنتجات. ماذا يكون

الإنجازات

عالم

مجتمعات

في هذا الاتجاه؟ في اليابان وبرعاية وزارة الاقتصاد والتجارة والصناعة طويلة الأمد

برنامج

مناطق التطوير

معدات HTSC,

بادئ ذي بدء، كابلات الطاقة.

وينقسم المشروع إلى مرحلتين: المرحلة الأولى (2001-2004) والمرحلة الثانية (2005-2009).

المنسقين

نكون

منظمة

تطوير التقنيات الجديدة في مجال الطاقة والصناعة (NEDO) وجمعية أبحاث المعدات والمواد فائقة التوصيل (Super-GM). في

متضمن

كيبكو، فوروكاوا، سوميتومو، فوجيكورا، هيتاشي، وما إلى ذلك (كابلات HTS)؛ KEPCO، وSumitomo، وToshiba، وما إلى ذلك (محددات التيار HTSC)؛ TEPCO، KEPCO، Fuji Electric، وما إلى ذلك (مغناطيس HTSC). وفي مجال الكابلات سيتم التركيز على التطوير

موصل HTSC

خسائر ديناميكية

تبريد

قادر

طويل الأمد

يدعم

درجة حرارة

كابل (حوالي 77 كيلو) بطول 500 متر. وفقًا للبرنامج، تنتهي المرحلة الأولى بإنتاج كابل بطول 10 أمتار عند 66-77 كيلو فولت (3 كيلو أمبير)، مع فقد ديناميكي لا يزيد عن 1 وات/م، ومرحلة 2 ينتهي بإنتاج كابل طوله خمسمائة متر بجهد 66-77 كيلو فولت (5 كيلو أمبير) بنفس الخسائر. يعمل

تم الانتهاء من التصميم

المصنعة

تم اختباره

في الأقسام الأولى تم إنشاء واختبار نظام التبريد.

موازي،

فوروكاوا وسوميتومو يتابعون مشروعًا آخر لتطوير الكهرباء

طوكيو

فائقة التوصيل. قام هذا المشروع بتحليل جدوى التركيب تحت الأرض لكابل HTS بقدرة 66 كيلو فولت (ثلاثي الطور) يبلغ قطره 130 ملم (والذي يمكن تركيبه في قنوات قطرها 150 ملم) بدلاً من الكابل التقليدي أحادي الطور بقدرة 275 كيلو فولت. اتضح أنه حتى في حالة بناء جديد

قنوات,

سيكون الخط فائق التوصيل أقل بنسبة 20% (استنادًا إلى سعر السلك فائق التوصيل الذي يبلغ 40 دولارًا لكل 1 كيلو أمبير متر). يتم تنفيذ مراحل المشروع بالتتابع: بحلول عام 1997 ثلاثين مترا

(على مرحلة واحدة)

النموذج المبدئي

مع دورة تبريد مغلقة. تم اختباره تحت حمل 40 كيلو فولت/1 كيلو أمبير لمدة 100 ساعة. بحلول ربيع عام 2000، تم تصنيع 100 متر من كابل 66 كيلو فولت (1 كيلو أمبير)/114 ميجا فولت أمبير - نموذج أولي بالحجم الكامل بقطر 130 ملم (تصميم مع عازل "بارد"). وتظهر الولايات المتحدة نهجا واسع النطاق في التعامل مع هذه المشكلة. في عام 1989، وبمبادرة من معهد EPRI، بدأت دراسة تفصيلية حول استخدام الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية، وفي العام التالي قامت شركة Pirelli بالفعل

شركة الموصلات الفائقة تطوير تقنية لإنتاج الموصلية الفائقة

"مسحوق

أنبوب").

وفي وقت لاحق، زاد الموصل الفائق الأمريكي باستمرار

إنتاج

قوة،

بعد أن حققت رقم 100 كيلومتر من الشريط سنويًا، وفي المستقبل القريب، مع تشغيل مصنع جديد في ديفينس (مينيسوتا)، سيصل هذا الرقم إلى 10000 كيلومتر سنويًا. سيكون السعر المتوقع للشريط هو 50 دولارًا لكل 1 كيلو أمبير متر (تقدم الشركة حاليًا الشريط بسعر 200 دولار لكل 1 كيلو أمبير متر). التالي

الأكثر أهمية

مظهر

ما يسمى بمبادرة شراكة الموصلية الفائقة (SPI)

معجل

تطوير

تطبيق

الأنظمة الكهربائية الموفرة للطاقة. المتكاملة رأسيا

أوامر SPI

مشتمل

شركاء من

صناعة،

وطني

مختبرات

والتشغيلية

شركات،

تم تنفيذها

مشروعين جديين. أحدها عبارة عن نموذج أولي بالحجم الكامل - خط ثلاثي الطور فائق التوصيل (Pirelli Cavi e Sistemi،

ربط

جهد منخفض

محول 124 كيلو فولت/24 كيلو فولت (قوة 100 ميجا فولت أمبير) مع قضبان توصيل 24 كيلو فولت لمحطتي توزيع فرعيتين تقعان على مسافة 120 مترًا (محطة الفريسبي في ديترويت إديسون، ديترويت).

تم تجربة الخط بنجاح

وصلت الكهرباء إلى المستهلكين عن طريق "المرور" عبر كابلات فائقة التوصيل تعتمد على Bi-Sr-Ca-Cu-O. ثلاثة من هؤلاء

(تصميم

"دافيء"

عازل، وكان كل موصل مصنوعًا من نفس الطول

استبدال

مع نفس الشيء

الحاملة الحالية

قدرات

تم تصميم الكابل من أجل 2400 أمبير (خسارة 1 وات/م لكل مرحلة) وتم وضعه في قنوات تحت الأرض يبلغ قطرها مائة ملليمتر. وفي الوقت نفسه، يكون مسار التمديد بزاوية 90 درجة: يسمح الكابل بالانحناء بنصف قطر 0.94 متر، ونؤكد أن هذه هي أول تجربة في وضع الموصلية الفائقة

حاضِر

شبكة التوزيع في قطاع الطاقة في مدينة كبيرة. ثانية

ثلاثين مترا

فائقة التوصيل

عند 12.4 كيلو فولت/1.25 كيلو أمبير (60 هرتز) والذي تم تشغيله في 5 يناير 2000 (درجة حرارة التشغيل 70-80 كلفن، تبريد

ضغط).

خط يمثل الموصلية الفائقة ثلاثية الطور

يوفر

الكهرباء ثلاثة

صناعي

المنشآت

المقر الرئيسي لشركة ساوثواير في كارولتون، جورجيا. وتبلغ خسائر النقل حوالي 0.5% مقارنة بـ 5-8%، كما أن الطاقة المنقولة أعلى 3-5 مرات من استخدام الكابلات التقليدية ذات القطر نفسه.

احتفالي

تم الاحتفال بالذكرى السنوية للتشغيل الناجح للخط بحمولة 100٪ لمدة 5000 ساعة. بدأت ثلاثة مشاريع أخرى في عام 2003، ويجري العمل عليها

أساسي

مثير للاهتمام

يشمل

تركيب خط فائق التوصيل تحت الأرض بقدرة 600 ميجاوات/138 كيلوفولت بطول حوالي 1 كم، والذي سيتم تضمينه ضمن الخط الحالي

سيتم التحميل وسيسافر على طول القنوات الموجودة في إيست جاردن سيتي

جزيرة طويلة.

ضروري

سوف الكابل

المصنعة

متخصصون من Nexans (ألمانيا)، استنادًا إلى موصل فائق يتم إنتاجه في المصنع المذكور بالفعل في Divense، ومعدات التبريد

سوف يسلم

وفي هذه الحالة، تقوم وزارة الطاقة الأميركية بتمويل هذا العمل إلى النصف، باستثمار نحو 30 مليون دولار؛ ويتم توفير الباقي من قبل الشركاء. ومن المخطط أن يتم تشغيل هذا الخط بحلول نهاية عام 2005.

مَن

المصنعة

كابل فائق التوصيل ثلاثي الطور بقدرة 36 ​​كيلو فولت/2 كيلو أمبير (التصميم

"دافيء"

عازل،

التبريد بالنيتروجين السائل تحت الضغط؛ يصل المستوى الحرج إلى 2.7 كيلو أمبير لكل مرحلة (T = 79K)). وفي الوقت نفسه، اهتماما خاصا

أعطيت

تطوير

موصل

كم من الشريط على أساس Bi-2223)، والأجهزة الطرفية، وكذلك

اتصال.

وضعت،

محطة فرعية في جزيرة أماجر (جنوب كوبنهاجن) توفر الكهرباء لـ 50 ألف مستهلك، بما في ذلك

إضاءة

الشبكة (محول خرج الطاقة 100 ميجا فولت أمبير). بدأ خط التوصيل الفائق الذي يبلغ طوله ثلاثين مترًا في العمل في 28 مايو 2001: أولاً، تم تشغيل كبل فائق التوصيل بالتوازي مع الكبل المعتاد، وبعد ذلك كان يعمل "بمفرده"، وكان الاسمي 2 كيلو أمبير، وكانت الخسائر أقل من 1 واط/م (كانت درجة حرارة التشغيل ضمن 74-84 ك). ينقل الكابل 50% من إجمالي طاقة المحطة الفرعية ويستبدل الكابلات النحاسية بمقطع عرضي إجمالي يبلغ 2000 مم2. بحلول مايو 2002، كان الكابل قيد التشغيل لمدة عام واحد وهو في حالة تجميد؛ خلال هذا الوقت، قام "بتزويد" 101 ميجاوات في الساعة من الكهرباء إلى 25 ألف دنماركي - أصحاب المنازل الخاصة. ولم تتم ملاحظة أي تغييرات في خصائص الكابلات، وجميع الأنظمة المبردة تعمل بشكل مستقر. بالإضافة إلى المشروع الدنماركي، فإن المشروع الأوروبي مثير للاهتمام

لإنشاء اتصال بين الأنظمة - خط خاص فائق التوصيل ثلاثي الطور بطول 200 متر، مصمم لجهد 20 كيلو فولت/28 كيلو أمبير.

لتنفيذه، نظمت

التحالف،

نكسانز (ألمانيا)،

(فرنسا)،

(بلجيكا)،

المتخصصين

غوتنغن

تامبيري (جامعة تامبيري للتكنولوجيا). من بين الشركات المصنعة الأوروبية للكابلات فائقة التوصيل، تبرز شركة Pirelli Cavi e Sistemi. إنتاجها

قوة

يسمح

يطلق

كم من الموصلات الفائقة سنويا. حدث مهم - الإنتاج

عشرين مترا

الموصلية الفائقة المحورية

(تصميم

عازل "بارد")، مصمم لجهد 225 كيلو فولت. وتشارك شركة Pirelli مع متخصصين أمريكيين (Edison وCESI).

خلق

كابل نموذجي بطول ثلاثين مترًا بقوة 132 كيلو فولت/3 كيلو أمبير (1999-2003). بالانتقال من الكابلات إلى المعدات الكهربائية الكبيرة - المحولات، نلاحظ أنه من إجمالي الطاقة المفقودة أثناء النقل، فإنها تمثل 50-65٪. ومن المتوقع أنه مع إدخال المحولات فائقة التوصيل

سوف يتناقص

يصل

لن تتمكن المحولات فائقة التوصيل من التنافس بنجاح مع المحولات التقليدية إلا إذا تم استيفاء العلاقة (P s /k)< P c , где Р с - потери в обычном трансформаторе, P s - потери

فائقة التوصيل

محول

درجات حرارة التشغيل)، k هو معامل التبريد للثلاجة. التكنولوجيا الحديثة، وخاصة علم التبريد الشديد، تجعل من الممكن تلبية هذا المطلب. في أوروبا، تم تصنيع النموذج الأولي الأول لمحول ثلاثي الطور (630 كيلو فولت أمبير؛ 18.7 كيلو فولت/420 فولت) باستخدام موصلات فائقة الحرارة العالية كجزء من وصلة مشتركة.

فرنسا)، الأمريكية

دي جنيف) وتم تشغيلها في مارس 1997 - وتم إدراجها في شبكة جنيف الكهربائية، حيث عملت لأكثر من عام،

توفير

طاقة

اللفات المحولات

مكتمل

الأسلاك

على أساس ثنائي 2223،

مبردة

قلب المحول في درجة حرارة الغرفة. تم العثور على خسائر عالية جدًا (3 واط لكل 1 كيلو أمبير م) لأن تصميم الموصل لم يتم تحسينه لاستخدام التيار المتردد.

المشروع الثاني لنفس المشاركين - ABB وEdF وASC - هو محول بقدرة 10 ميجا فولت أمبير (63 كيلو فولت/21 كيلو فولت)، والذي اجتاز في عام 2001 دورة كاملة من الاختبارات المعملية وتم إدراجه في نظام الطاقة الفرنسي في عام 2002. أكد متخصصو ABB مرة أخرى على أن الشيء الرئيسي الآن

مشكلة

تطوير

اقتصادية

معدات فائقة التوصيل، وخاصة المحولات، هو وجود أسلاك ذات خسائر منخفضة وعالية

شديد الأهمية

كثافة

مغناطيسي

المجال الناتج عن اللفات. يجب أن يوفر السلك أيضًا وظيفة الحد من التيار. في اليابان (فوجي إلكتريك، كيبكو، إلخ.) قاموا ببناء نموذج أولي لمحول فائق التوصيل بقدرة 1 ميجا فولت أمبير (22 كيلو فولت (45.5 أمبير) / 6.9 كيلو فولت (145 أمبير)) والذي تم تضمينه في شبكة شركة الكهرباء في يونيو 2000 كيوشو. في

أخير

تقع

تطوير

(جامعة كيوشو

(طوكيو)) محول

الذي هو المقصود

المنشآت

الكهربائية

تعبير. تشير الحسابات الأولية إلى أن كتلته يجب أن تكون أقل بنسبة 20٪ من كتلة المحول التقليدي بنفس القوة.

لقد تم عرض محول فائق التوصيل بقدرة 1 ميجا فولت أمبير بنجاح في الولايات المتحدة الأمريكية، وبدأ العمل عليه

جهاز

قوة

واوكيشا الكهربائية

والكهرباء، وكذلك ORNL). قام المتخصصون الألمان (سيمنز) بإنشاء نموذج أولي للمحول

وجهة نظر

تطوير أجهزة من 5 إلى 10 ميجا فولت أمبير) مع ملفات تعتمد على Bi-2223، والتي يمكن تركيبها على القاطرات الكهربائية

مصممة

للعادي

محول.

المحولات فائقة التوصيل أصغر بنسبة 35% من المحولات التقليدية، وتصل الكفاءة إلى 99%. وتظهر الحسابات أن استخدامه سيوفر ما يصل إلى 4 كيلوواط لكل قطار وخفضًا سنويًا في انبعاثات ثاني أكسيد الكربون بمقدار 2200 طن لكل قطار. ويكون الوضع أكثر تعقيدًا مع الآلات الكهربائية المتزامنة القائمة على الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية.

ومن المعروف أن القوة العادية تتناسب طرديا مع حجمها V؛ ليس من الصعب إثبات أن قدرة آلة فائقة التوصيل تتناسب مع V 5/3، وبالتالي فإن الكسب في تقليل الأبعاد لن يحدث إلا للآلات عالية الطاقة،

على سبيل المثال،

مولدات كهرباء

سفينة

المحركات.

نتوقع إدخال تقنيات فائقة التوصيل (الشكل 1).

يشهد

أن مولدًا بقدرة 100 ميجاوات يتطلب موصلًا فائقًا عالي الحرارة له كثافة تيار حرجة تبلغ 4.5×104 أمبير/سم2 في مجال مغناطيسي قدره 5 تسلا. وفي الوقت نفسه، ينبغي أن تكون خصائصه الميكانيكية، وكذلك السعر، مماثلة لـ Nb 3 Sn. لسوء الحظ، ليس بعد

موجود

درجة حرارة عالية

الموصلات الفائقة التي تلبي هذه الشروط بالكامل. مع

قليل

النشاط الأمريكي

الأوروبية

اليابانية

هذه المنطقة. من بينها مظاهرة ناجحة

معاً

مع Rockwell Automation/Reliance Electric (شركاء في الشركة المذكورة سابقًا

متزامن

محرك

عند 746 كيلووات ومواصلة تطوير الماكينة عند 3730 كيلووات.

المتخصصين

تصميم

محرك

مولد كهرباء.

وفي ألمانيا، تقدم شركة سيمنز محركًا متزامنًا بقدرة 380 كيلووات يستخدم موصلات فائقة الحرارة العالية.

فنلندا

تم اختباره

آلة متزامنة بأربعة أقطاب بقدرة 1.5 كيلو واط مع ملفات مسار مصنوعة من الأسلاك على أساس Bi-2223 ؛ درجة حرارة التشغيل 20 ك. بالإضافة إلى ذلك، هناك عدد من التطبيقات الأخرى للموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية في الهندسة الكهربائية.

سيراميك

يمكن استخدام الموصلات الفائقة عالية الحرارة لصنع محامل مغناطيسية سلبية للمحركات الصغيرة عالية السرعة، مثل مضخات الغازات المسالة.

وقد تم عرض تشغيل أحد هذه المحركات بسرعة 12000 دورة في الدقيقة مؤخرًا في ألمانيا. كجزء من البرنامج الروسي الألماني المشترك، سلسلة من التباطؤ

المحركات

(قوة

"أنشطة"

الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية - الأجهزة التي تحد دائرة مقصورةحتى القيمة الاسمية. معظم مواد مناسبةيعتبر السيراميك محددات فائقة التوصيل

والتطورات

الأجهزة

أساسي

الهندسة الكهربائية

بريطانيا العظمى،

ألمانيا، فرنسا، سويسرا، الولايات المتحدة الأمريكية، اليابان وبلدان أخرى. كان أحد النماذج الأولى (بواسطة ABB) عبارة عن محدد من النوع الاستقرائي لـ 10.5 كيلو فولت/1.2 ميجا فولت أمبير، مع وجود عنصر Bi-2212 موضوع في ناظم البرد. أصدرت نفس الشركة نموذجًا أوليًا مضغوطًا - محددًا من النوع المقاوم بقدرة 1.6 ميجا فولت أمبير، وهو أصغر بكثير من الأول. أثناء الاختبار، تم تحديد 13.2 كيلو أمبير في الذروة الأولى إلى 4.3 كيلو أمبير. بسبب التسخين، يقتصر 1.4 كيلو أمبير عند 20 مللي ثانية و1 كيلو أمبير عند 50 مللي ثانية.

تصميم

المحدد

يكون

مم (الوزن 50 كجم). يتم قطع القنوات فيه، مما يسمح لك بذلك

مقابل

موصل فائق

م التالي

النموذج المبدئي

عند 6.4 ميجا فولت أمبير. من الممكن بالفعل إنشاء محدد 10 ميجا فولت أمبير، ويمكن توقع إصدار محددات تجارية من هذا النوع في المستقبل القريب. الهدف التالي لشركة ABB هو محدد 100 ميجا فولت أمبير. تم اختبار المتخصصين في شركة سيمنز الاستقرائي

محددات:

محول

حماية القلب الفولاذي بملف فائق التوصيل والخيار الثاني - الموصل الفائق مصنوع على شكل أسطوانة عليها ملف نحاسي. عند الحد

مقاومة

أومي

المكونات الحثية. نظرًا لاحتمال ارتفاع درجة الحرارة في المناطق التي بها دائرة كهربائية قصيرة، يجب إيقاف تشغيلها في أسرع وقت ممكن باستخدام مفتاح تقليدي.

يعود

فائقة التوصيل

ولاية

عديد

عشرات الثواني، وبعد ذلك يصبح المحدد جاهزًا للتشغيل. في

إضافي

مقاوم

المحدد,

يتم توصيل الموصل الفائق مباشرة بالشبكة ويفقد الموصلية الفائقة بسرعة بمجرد حدوث ماس كهربائى

سوف تتجاوز

شديد الأهمية

معنى.

عند تسخين الموصل الفائق، يجب أن ينكسر المفتاح الميكانيكي

عديد

نصف دورات؛ تبريد

فائقة التوصيل

يؤدي

إلى حالة فائقة التوصيل. وقت العودة المحدد هو 1-2 ثانية.

تم اختبار نموذج أحادي الطور لمثل هذا المحدد بقدرة 100 كيلو فولت أمبير عند جهد تشغيل قدره 6 كيلو فولت عند تيار مقنن قدره 100 أمبير.

قصير

دوائر قصيرة،

kA، يقتصر على 300 A في أقل من 1 مللي ثانية. كما عرضت شركة Siemens محددًا بقدرة 1 ميجا فولت أمبير في جناحها في برلين، مع التخطيط لنموذج أولي بقدرة 12 ميجا فولت أمبير. في الولايات المتحدة الأمريكية، المحدد الأول - كان لديه إلكتروني حثي

متطور

الشركات العامة الذرية، Intermagnetics General Corp. قبل عشر سنوات، تم تركيب محدد التيار كعينة تجريبية في منشأة اختبار نورووك في جنوب كاليفورنيا إديسون. عند تيار مقنن قدره 100 أمبير، فإن أقصى دائرة قصر ممكنة تبلغ 3 كيلو أمبير تقتصر على 1.79 كيلو أمبير. في عام 1999، تم تصميم جهاز 15 كيلو فولت بتيار تشغيل 1.2 كيلو أمبير، مصمم للحد من تيار دائرة قصر قدره 20 كيلو أمبير إلى قيمة 4 كيلو أمبير. في فرنسا، قام المتخصصون من GEC Alsthom وElectricite de France وآخرون باختبار محدد 40 كيلو فولت: حيث قام بتقليل الدائرة القصيرة من 14 كيلو أمبير (القيمة الأولية قبل الدائرة القصيرة كانت 315 أمبير) إلى 1 كيلو أمبير في بضع ميكروثانية. تم إيقاف تشغيل الدائرة القصيرة المتبقية خلال 20 مللي ثانية باستخدام مفتاح تقليدي. تم تصميم خيارات المحدد لـ 50 و 60 هرتز. في المملكة المتحدة، طورت VA TECH ELIN Reyrolle محددًا من النوع الهجين (المقاوم الحثي)، والذي، أثناء اختبارات مقاعد البدلاء (11 كيلو فولت، 400 أمبير)، قلل الدوائر القصيرة من 13 كيلو أمبير إلى 4.5 كيلو أمبير. وفي الوقت نفسه، يكون زمن استجابة المحدد أقل من 5 مللي ثانية، وتكون الذروة الأولى محدودة بالفعل؛ وقت التشغيل المحدد 100 مللي ثانية. يحتوي المحدد (ثلاثي الطور) على 144 قضيب مصنوع من مادة Bi-2212، وأبعاده 1×1.5×2م.

في اليابان، تم تصنيع محدد التيار فائق التوصيل بشكل مشترك بين شركتي توشيبا وتيبكو - النوع الاستقرائي، 2.4 ميجا فولت أمبير؛ يحتوي على عنصر السيراميك الصلب Bi-2212. جميع المشاريع المدرجة هي نماذج أولية من "الفترة الأولية"، والتي تهدف إلى العرض

الاحتمالات

فائقة التوصيل

التكنولوجيا وأهميتها لصناعة الطاقة الكهربائية، لكنها لا تزال كذلك

لذا

ممثل،

بحيث يمكنك

مباشر

التنفيذ الصناعي والتسويق الناجح. السبب الأول لهذا الحذر هو أن الموصلات Bi-Sr-Ca-Cu-O لا تزال قيد التطوير ويتم تصنيعها حاليًا

شديد الأهمية

كثافة

مستوى 30 كيلو أمبير/سم2 بأطوال حوالي كيلومتر واحد فقط. مزيد من التحسين لهذه الموصلات (زيادة التثبيت، زيادة الكثافة الأساسية، إدخال حواجز حولها، وما إلى ذلك) يجب أن يؤدي إلى زيادة في Jc إلى 100 كيلو أمبير / سم 2 أو أكثر.

ضروري

التقدم في تكنولوجيا الموصلية الفائقة ويحفز تطوير جديدة

تصميمات

معدات

ترتبط بعض الآمال أيضًا بالنجاح في الحصول على موصلات ذات طلاء فائق التوصيل (هذا هو الجيل التالي من الأسلاك فائقة التوصيل)، والتي تتمتع بـ J c أعلى بشكل ملحوظ في مجال مغناطيسي يصل إلى عدة تسلا. ومن الممكن هنا إنتاج أشرطة فائقة التوصيل قادرة على حمل تيارات تبلغ 1 كيلو أمبير بتكاليف إنتاج معقولة. في الولايات المتحدة الأمريكية هذه الأشرطة

يجري تطويرها

تقنيات الطلاء الدقيق,

الموصلية الفائقة

تكنولوجيا الموصلات الفائقة أكسفورد.

السبب الثاني يكمن في حقيقة أن قضايا توحيد الموصلات Bi-Sr-Ca-Cu-O والإطار التنظيمي اللازم لاستخدامها في مجال نقل وتوزيع الكهرباء لم يتم تطويرها بشكل كافٍ. عادةً ما توفر المعايير إرشادات لإجراء العمليات الميكانيكية والحرارية والكهربائية

الاختبارات

مواد

معدات.

وبما أن الأجهزة فائقة التوصيل تتطلب أنظمة مبردة، فيجب أيضًا تحديدها. وبالتالي، قبل إدخال الموصلية الفائقة في صناعة الطاقة الكهربائية، من الضروري إنشاء نظام كامل من المعايير: يجب أن تضمن الموثوقية العالية لجميع المنتجات فائقة التوصيل (الشكل 2).

يجري الاضطلاع بها

الأحداث

في هذا الاتجاه. سبع مجموعات من المتخصصين من أصل أربعة الدول الأوروبيةمتحدون في مشروع مشترك Q-SECRETS (يدعمه الاتحاد الأوروبي) لمراقبة الجودة

الموصلات الفائقة

فعال،

المدمج

موثوق بها للغاية

نقل الطاقة

أحد الأهداف الرئيسية للمشروع هو المساعدة في الإنشاء

توسع

"فائقة التوصيل"

في سوق نقل وتوزيع الكهرباء. في

خاتمة

علامة،

بالرغم من

للكبيرة

محتمل

الاحتمالات

تطبيق درجة حرارة عالية

الموصلات الفائقة

صناعة الطاقة، ستكون هناك حاجة لجهود بحث وتطوير كبيرة لجعل المنتجات فائقة التوصيل قابلة للحياة في اقتصاد السوق الحديث. وفي الوقت نفسه، فإن التقديرات للمستقبل القريب تعطي سبباً للتفاؤل.

خطوط كابلات التيار المستمر فائقة التوصيل ذات درجة الحرارة العالية – خطوة نحو شبكات الطاقة الذكية

V. E. سيتنيكوف، دكتور في الهندسة، الشركة المساهمة "NTC FSK EES"
تلفزيون. ريابين، نائب المدير في JSC “NTC FSK EES”
د.ف. سوروكين، مرشح الهندسة، الشركة المساهمة “NTC FSK EES”

الكلمات الدالة:كابلات فائقة التوصيل؛ شبكة الطاقة، والتيار الحرج، وعلم التبريد.

يجب أن توفر الصناعة الكهربائية في القرن الحادي والعشرين كفاءة عالية في توليد الطاقة ونقلها واستخدامها. ويمكن تحقيق ذلك من خلال متطلبات أعلى لسهولة إدارة نظام الطاقة، وكذلك للمعايير البيئية وتوفير الموارد في جميع مراحل توليد الطاقة الكهربائية وتوزيعها. يسمح استخدام تقنيات الموصلية الفائقة بتحقيق مستوى فكري جديد نوعيًا لأداء هذه الصناعة. نفذت PAO FSK EES برنامج البحث والتطوير الذي يتضمن تطوير خطوط كابلات التيار المتردد والتيار المباشر فائقة التوصيل ذات درجة الحرارة العالية (المشار إليها فيما بعد بـ HTSC CL).

وصف:

يجب أن تضمن صناعة الطاقة الكهربائية في القرن الحادي والعشرين كفاءة عالية في إنتاج الطاقة ونقلها واستهلاكها. ويمكن تحقيق ذلك من خلال زيادة متطلبات التحكم في نظام الطاقة، وكذلك الخصائص البيئية وتوفير الموارد في جميع مراحل إنتاج وتوزيع الكهرباء. يتيح لنا استخدام تقنيات الموصلات الفائقة الانتقال إلى مستوى فكري جديد نوعيًا لأداء هذه الصناعة. اعتمدت شركة PJSC FGC UES برنامج البحث والتطوير، بما في ذلك إنشاء خطوط كابلات فائقة التوصيل ذات درجة حرارة عالية (يشار إليها فيما يلي باسم HTSC CL) للتيار المتردد والمباشر

في إي سيتنيكوف، دكتوراه في العلوم التقنية العلوم، نائب المدير العلمي، JSC "STC FGC UES"

تي في ريابين، نائب المدير العام لشركة JSC "STC FGC UES"؛

دي في سوروكيندكتوراه. تقنية. العلوم، رئيس مركز أبحاث وتطوير النظم في IES AAS، JSC "STC FGC UES"

يجب أن تضمن صناعة الطاقة الكهربائية في القرن الحادي والعشرين كفاءة عالية في إنتاج الطاقة ونقلها واستهلاكها. ويمكن تحقيق ذلك من خلال زيادة متطلبات التحكم في نظام الطاقة، وكذلك الخصائص البيئية وتوفير الموارد في جميع مراحل إنتاج وتوزيع الكهرباء. يتيح لنا استخدام تقنيات الموصلات الفائقة الانتقال إلى مستوى فكري جديد نوعيًا لأداء هذه الصناعة. اعتمدت شركة PJSC FGC UES برنامجًا للبحث والتطوير، بما في ذلك إنشاء خطوط كابلات فائقة التوصيل ذات درجة حرارة عالية (يشار إليها فيما بعد باسم HTSC CL) للتيار المتردد والمباشر 1 .

تجري في معظم البلدان الصناعية في العالم أبحاث مكثفة وتطوير لأنواع جديدة من الأجهزة الكهربائية القائمة على الموصلات الفائقة. وقد زاد الاهتمام بهذه التطورات بشكل خاص في السنوات الأخيرة بسبب اكتشاف الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية (المشار إليها فيما يلي باسم HTSC)، والتي لا تتطلب أجهزة تبريد معقدة ومكلفة.

آفاق إدخال الكابلات فائقة التوصيل

إن كابلات الطاقة فائقة التوصيل هي الطريقة الأكثر تطورًا وتقدمًا لاستخدام الموصلية الفائقة في صناعة الطاقة الكهربائية في الوقت الحاضر. المزايا الرئيسية للكابلات فائقة التوصيل هي:

• كفاءة عالية بسبب فقدان الطاقة المنخفض في الموصل الفائق؛
• القدرة على استبدال الكابل الموجود بكابل ذو طاقة نقل أعلى وبنفس الأبعاد؛
• خفيفة الوزن بسبب قلة المواد المستخدمة؛
• زيادة دورة حياة الكابل نتيجة لإبطاء عملية الشيخوخة للعزل؛
• مقاومة منخفضة وطول حرج طويل؛
• غياب المجالات الكهرومغناطيسية والحرارية الضالة، والود البيئي والسلامة من الحرائق؛
• القدرة على نقل قوى عالية بجهد منخفض نسبيًا.

يعد HTSC CL للتيار المباشر والمتناوب تطورًا مبتكرًا يسمح بحل جزء كبير من مشاكل الشبكات الكهربائية. ومع ذلك، عند استخدام HTSC DC CLs، يصبح الخط عنصرًا متحكمًا في الشبكة، وينظم تدفق الطاقة المرسلة حتى عكس الإرسال. تتمتع خطوط HTSC DC بعدد من المزايا الإضافية مقارنة بخطوط التيار المتردد:

• الحد من تيارات الدائرة القصيرة، مما يجعل من الممكن توصيل القطاعات الفردية لنظام الطاقة على الجانب المنخفض دون زيادة تيارات الدائرة القصيرة؛
• زيادة استقرار الشبكة ومنع الانقطاعات المتتالية للمستهلكين من خلال التكرار المتبادل لمناطق الطاقة؛
• تنظيم توزيع تدفق الطاقة في خطوط متوازية؛
• نقل الطاقة مع الحد الأدنى من الخسائر في الكابل، ونتيجة لذلك، انخفاض متطلبات النظام المبرد؛
• إمكانية الاتصال بأنظمة الطاقة غير المتزامنة.

في الشبكات الكهربائية، من الممكن إنشاء دائرة باستخدام خطوط HTSC AC وDC. كلا النظامين لهما تطبيقاتهما المفضلة، وفي نهاية المطاف يتم تحديد الاختيار من خلال الاعتبارات التقنية والاقتصادية.

إدراجات فائقة التوصيل بين المحطات الفرعية في المدن الكبرى

تعد شبكات الطاقة في المدن الكبرى بنية تتطور ديناميكيًا وتتميز بالميزات التالية:

• والنمو السريع في استهلاك الطاقة، والذي يتجاوز عادة متوسط ​​معدل نمو الاستهلاك في جميع أنحاء البلاد؛
• كثافة طاقة عالية
• وجود مناطق تعاني من نقص الطاقة.
• درجة عالية من التفرع لشبكات التوزيع الكهربائية، والتي ترجع إلى الحاجة إلى تكرار خطوط إمداد الطاقة المتعددة للمستهلكين؛
• تقسيم الشبكة الكهربائية لتقليل تيارات الدائرة القصيرة.

كل هذه العوامل تحدد المشاكل الرئيسية في شبكات التجمعات الحضرية:

• ارتفاع مستوى فقدان الكهرباء في شبكات التوزيع؛
• مستويات عالية من تيارات الدائرة القصيرة، والتي تتجاوز قيمها في بعض الحالات قدرة كسر معدات التبديل؛
• مستوى منخفض من القدرة على التحكم.

وفي الوقت نفسه، فإن تحميل المحطات الفرعية في المدينة غير متساوٍ للغاية. في كثير من الحالات، يتم تحميل محولات المحطات الفرعية بنسبة 30-60٪ فقط. كقاعدة عامة، يتم تشغيل المحطات الفرعية ذات الدخول العميق في المدن عبر خطوط منفصلة عالية الجهد. يمكن أن يؤدي ربط المحطات الفرعية على جانب الجهد المتوسط ​​إلى توفير التكرار المتبادل بين مناطق الطاقة وتحرير سعة المحولات الاحتياطية، الأمر الذي سيؤدي في النهاية إلى تقليل فقد الطاقة في الشبكة. بالإضافة إلى ذلك، يسمح هذا النوع من الاتصال باستخدام السعة المحررة لتوصيل أحمال إضافية دون الحاجة إلى تشغيل محولات جديدة أو بناء محطات فرعية وخطوط كهرباء جديدة.

إذا كان هناك ملحق (الشكل 1)، فستوفر ثلاثة محولات الكهرباء بالكامل للمستهلكين المتصلين بحمل لا يزيد عن 80٪. يمكن وضع المحول الرابع وخط الإمداد الخاص به في الاحتياطي التشغيلي، مما سيؤدي إلى تقليل فقد الطاقة. ويمكن استخدامها أيضًا لتوصيل مستهلكين إضافيين. يمكن إجراء مثل هذا الإدخال باستخدام التقنيات التقليدية واستخدام خطوط الكابلات فائقة التوصيل.

الصورة 1.

المشكلة الرئيسية عند تنفيذ مثل هذا المخطط هي حقيقة أن الاتصال المباشر للمحطات الفرعية سيؤدي إلى زيادة كبيرة في تيار الدائرة القصيرة. لن تعمل هذه الدائرة إلا إذا كان الإدخال يؤدي وظيفتين: نقل الطاقة والحد من تيارات الدائرة القصيرة. وبالتالي، عند نقل تدفقات كبيرة من الطاقة عند جهد التوزيع، تتمتع الخطوط فائقة التوصيل بمزايا لا يمكن إنكارها.

يعد حل مشكلة إنشاء ملحق بآفاق كبيرة لتحسين أنظمة إمدادات الطاقة في المدن الكبرى. حاليًا، يتم تنفيذ ثلاثة مشاريع علمية كبيرة في العالم بهدف نقل طاقة عالية بجهد متوسط ​​بين محطتين فرعيتين مع الحد في الوقت نفسه من تيارات الدائرة القصيرة: مشروع HYDRA، نيويورك، الولايات المتحدة الأمريكية؛ مشروع AmpaCity، إيسن، ألمانيا 2 ; مشروع "سانت بطرسبرغ"، روسيا. دعونا نلقي نظرة فاحصة على المشروع الأخير.

الروسية HTSC تيار مستمر CL

الهدف من مشروع سانت بطرسبرغ هو تطوير وتركيب خط تيار مباشر فائق التوصيل بقدرة 50 ميجاوات بين محطتين فرعيتين في المدينة من أجل زيادة موثوقية إمدادات الطاقة للمستهلكين والحد من تيار الدائرة القصيرة في شبكة مدينة العاصمة الشمالية. يتضمن المشروع تركيب خطوط كابلات بين المحطة الفرعية 330/20 كيلو فولت "المركزية" والمحطة الفرعية RP 9 جهد 220/20 كيلو فولت (الشكل 2). سيقوم خط DC فائق التوصيل بتوصيل المحطتين الفرعيتين على جانب الجهد المتوسط ​​20 كيلو فولت. ويبلغ طول الخط 2500 متر، والقدرة المنقولة 50 ميجاوات. في مشروع سانت بطرسبرغ، يتم تقسيم وظائف نقل الطاقة وتحديد تيار الدائرة القصيرة بين الكابل والمحولات عند تكوينها وفقًا لذلك. لا يحتوي كابل التيار المباشر فائق التوصيل، على عكس كابل التيار المتردد، على فقدان للطاقة، مما يقلل بشكل كبير من متطلبات الطاقة للتركيب المبرد. ومع ذلك، مع هذا المخطط، تحدث خسائر إضافية في الطاقة في المحولات. يعد خط DC عنصرًا نشطًا في الشبكة ويسمح لك بالتحكم في تدفقات الطاقة في الخطوط المجاورة سواء في الاتجاه أو من حيث طاقة النقل.

تأثير المشروع على الأوضاع الكهربائية

في منطقة الطاقة لمحطة "Tsentralnaya" الفرعية بقدرة 330 كيلوفولت والمحطة الفرعية RP 9 بقدرة 220 كيلوفولت (المشار إليها فيما يلي باسم Tsentralnaya/RP 9)، قد ينشأ عدد من حالات ما بعد الطوارئ بسبب الإغلاق الطارئ لخطوط الكهرباء وما يرتبط بها من انقطاع. إمدادات الطاقة للمستهلكين (تخصيص مناطق الطاقة للأحمال المعزولة).

أظهرت الحسابات أن حجز إمدادات الطاقة للمستهلكين من خلال بناء وتشغيل خط كهرباء التيار المتردد (الكابل التقليدي أو خط الكهرباء العلوي) Central/RP 9 أمر مستحيل، لأن هذا يزيد من خطورة ظروف ما بعد الطوارئ. يمكن تجنب ذلك عن طريق تشغيل ناقل الحركة DC الذي يتم التحكم فيه باستخدام HTSC DC CLs.

التحكم في حجم واتجاه تدفق الطاقة لـ DC HTSC CLs يجعل من الممكن أيضًا:

• الحد من فقدان الطاقة النشطة في الشبكات الكهربائية (بسبب إعادة التوزيع والقضاء على تدفقات الطاقة العابرة)؛
• ربط المستهلكين الجدد على أساس البنية التحتية الحالية للشبكة الكهربائية (من خلال إعادة توزيع تدفقات الطاقة وإزالة الأحمال الزائدة الحالية للشبكات الكهربائية في أوضاع التشغيل العادية وما بعد الطوارئ لأنظمة الطاقة).

تأثير المشروع على مستوى تيارات الدائرة القصيرة

تم إجراء حسابات تيارات الدائرة القصيرة 3 في حالة إدخال خط كابل تيار متردد تقليدي إلى الدائرة، بالإضافة إلى خطوط كابل HTSC DC. بناءً على نتائج الحساب (الجدول 1)، نتوصل إلى استنتاج مفاده أن إدراج خط كابل Central/RP 9 AC في نظام إمداد الطاقة في سانت بطرسبرغ يؤدي إلى زيادة في قيمة تيار الدائرة القصيرة فوق قيمة تيار الدائرة القصيرة. مستوى تيار التعثر المقدر للمفاتيح. وهذا يعني أنه سيكون من الضروري تنفيذ تدابير إضافية للحد من التيار أو استبدال أجهزة التبديل في المحطات الفرعية. لا يؤدي استخدام خطوط كابل DC HSTP (الجدول 3) إلى زيادة تيارات الدائرة القصيرة في نظام الطاقة.

تقدير فقد الطاقة في الخطوط فائقة التوصيل

في خطوط التيار المتردد ذات الجهد المتوسط، الخسائر طاقة كهربائيةتنشأ في الكابل نفسه، العزل الكهربائي والمدخلات الحالية. في خط التيار المباشر لا يوجد فقد للطاقة في الكابل والعزل، ولكنها موجودة في أجهزة التحويل ومدخلات التيار. بالإضافة إلى ذلك، يستهلك النظام المبرد الكهرباء للتعويض عن جميع تدفقات الحرارة إلى المنطقة الباردة ولضخ مادة التبريد في جميع أنحاء المسار.

بالنسبة لخط تيار متردد متوسط ​​الجهد ثلاثي الطور بقدرة مرسلة تبلغ 100 ميجا فولت أمبير، فإن فقدان الطاقة لكل مرحلة هو مجموع القيم التالية:

• الخسائر الكهرومغناطيسية في قلب الكابل - 1.0-1.5 واط / م؛
• تدفق الحرارة من خلال ناظم البرد – 1.5 واط/م؛
• تدفقات الحرارة من خلال الخيوط الحالية - (200-300 واط) × 2؛
• فقدان الطاقة في العزل حوالي 0.1 واط / م.

سيكون إجمالي تدفقات الحرارة إلى المنطقة الباردة بخط ثلاثي الطور بطول 10 كم هو 78.5-93.5 كيلووات. يؤدي ضرب هذه القيمة بمعامل تبريد نموذجي قدره 20 إلى الحصول على 1.57-1.87 ميجا فولت أمبير، أو أقل من 2% من الطاقة المرسلة.

بالنسبة لخط تيار مباشر مماثل، يكون تدفق الحرارة إلى المنطقة الباردة محدودًا فقط بتدفق الحرارة عبر ناظم البرد وأسلاك التيار. ومن ثم فإن إجمالي فقدان الطاقة في كابل بطول 10 كيلومترات، مع الأخذ في الاعتبار النظام المبرد، سيكون 0.31 ميجا فولت أمبير، أو 0.31٪ من الطاقة المرسلة.

لتقدير إجمالي الخسائر في خط التيار المستمر، يجب إضافة الخسائر في المحولات - 2٪ من الطاقة المرسلة. تقدر الخسائر النهائية في خط كابل DC HTSC بطول 10 كم لطاقة مرسلة تبلغ 100 ميجاوات بما لا يزيد عن 2.5٪ من الطاقة المرسلة.

تظهر التقديرات المذكورة أعلاه أن فقدان الطاقة في خطوط الكابلات فائقة التوصيل أقل بكثير من خطوط الكابلات التقليدية. ومع زيادة الطاقة المرسلة، تنخفض نسبة فقدان الطاقة. مع مستوى أداء المواد اليوم، من الممكن نقل الطاقة من 150 إلى 300 ميجاوات عند 20 كيلو فولت وما يصل إلى 1000 ميجاوات عند 110 كيلو فولت.

إمكانيات التنفيذ

أظهرت الاختبارات الناجحة لـ HTSC CLs مع التيارات المباشرة والمتناوبة الكفاءة العالية لخطوط التوصيل الفائق.

إحدى المزايا الرئيسية لخطوط الكابلات فائقة التوصيل هي القدرة على نقل تدفقات كبيرة من الطاقة (مئات الميغاواط) عند توزيع الجهد. ومن المستحسن أخذ هذه الفرص الجديدة في الاعتبار واستخدامها عند تصميم مرافق الشبكة أو إعادة بنائها بشكل جذري.

على سبيل المثال، عند إعادة بناء/إنشاء نظام الطاقة في نيو موسكو، سيكون من المستحسن توفير إنشاء خطوط طولية قوية فائقة التوصيل، وتوصيل العديد من المحطات الفرعية القوية في هيكل حلقي مع خطوط تيار مباشر فائقة التوصيل على جانب الجهد المتوسط. سيؤدي ذلك إلى تحسين كفاءة استخدام الطاقة في الشبكة بشكل كبير، وتقليل عدد المحطات الفرعية الأساسية، وضمان إمكانية التحكم العالية في تدفقات الطاقة، وفي النهاية زيادة موثوقية إمدادات الطاقة للمستهلكين. يمكن أن تصبح مثل هذه الشبكة نموذجًا أوليًا حقيقيًا لشبكة المستقبل الذكية.

الأدب

1. Glebov I. A.، Chernoplekov N. A.، Altov V. A. تقنيات التوصيل الفائق - مرحلة جديدة في تطوير الهندسة الكهربائية والطاقة // الموصلية الفائقة: البحث والتطوير. 2002. رقم 41.
2. Sytnikov V. E. الكابلات فائقة التوصيل وآفاق استخدامها في أنظمة الطاقة في القرن الحادي والعشرين // الموصلية الفائقة: البحث والتطوير. 2011. رقم 15.
3. معهد بحوث البترول. مراقبة تكنولوجيا معدات الطاقة فائقة التوصيل 2012. بالو ألتو، كاليفورنيا، الولايات المتحدة الأمريكية، 2012.
4. Stemmle M.، Merschel R، Noe M. Physics Procedia 36 (2012).
5. Sytnikov V. E.، Kopylov S. I.، Shakaryan Yu. G.، Krivetsky I. V. HTSC نقل التيار المباشر كعنصر من "الشبكة الذكية" للمدن الكبيرة. وقائع المؤتمر الوطني الأول حول الموصلية الفائقة التطبيقية. م.: المركز القومي للبحوث "معهد كورشاتوف"، 2013.
6. Kopylov S.، Sytnikov V.، Bemert S. et. آل. // مجلة الفيزياء.: مؤتمر. مسلسل. 2014. ف. 507. ص 032047.
7. Volkov E. P.، Vysotsky V. S.، Karpyshev A. V.، Kostyuk V. V.، Sytnikov V. E.، Firsov V. P. إنشاء أول كابل فائق التوصيل في روسيا باستخدام ظاهرة الموصلية الفائقة في درجات الحرارة العالية. مجموعة مقالات الأكاديمية الروسية للعلوم "التقنيات المبتكرة في مجال الطاقة"، أد. E. P. Volkov و V. V. Kostyuk. م: ناوكا، 2010.

1 تركز المقالة على نتائج الاختبار واحتمالات الإدخال الواسع النطاق لخطوط كابلات HTSC DC في صناعة الطاقة.

2 1. مشروع هيدرا، نيويورك، الولايات المتحدة الأمريكية. الهدف من المشروع هو تطوير وتركيب خط كابل تيار متردد فائق التوصيل بين محطتين فرعيتين في مدينة نيويورك. يجب أن يوفر الخط اتصالات ذات قدرة عالية (96 ميجا فولت أمبير) بين المحطات الفرعية على الجانب الثانوي للمحولات (13.8 كيلو فولت). سيكون لنظام الكابلات القدرة على الحد من تيار الدائرة القصيرة بسبب الانتقال السريع لأشرطة HTSC من الجيل الثاني إلى حالة التوصيل الطبيعي. وهذا يضمن قيمة مقاومة منخفضة للخط في الوضع الاسمي (حالة التوصيل الفائق للخط) والانتقال إلى حالة مقاومة عالية أثناء الحمل الزائد الحالي.
يجمع مشروع HYDRA بين وظائف نقل الطاقة العالية والحد من التيار في جهاز واحد - وهو كابل فائق التوصيل مصمم خصيصًا. وهذا يجعل من الصعب للغاية تحسين الكابل بناءً على ظروف الشبكة المحتملة وظروف التبريد وتوجيه الكابل. بالإضافة إلى ذلك، لا يمكن تكرار الحلول التقنية التي تم تطويرها لمشروع واحد في مشاريع أخرى بسبب اختلاف ظروف التشغيل وظروف التمديد، وبالتالي ظروف التبريد للكابل، الذي يجب أن ينتقل بشكل دوري من حالة التوصيل الفائق إلى حالة التوصيل الطبيعي.
2. مشروع AmpaCity، إيسن، ألمانيا. الهدف من المشروع هو تطوير وتركيب نظام نقل تيار متردد فائق التوصيل بقدرة 40 ميجا فولت أمبير بين محطتين فرعيتين في المدينة. يتكون ناقل الحركة من كابل فائق التوصيل بطول 1000 متر ومحدد تيار 10 كيلو فولت متصل على التوالي. يربط هذا النقل المحطتين الفرعيتين 110/10 كيلوفولت هيركوليس وديلبروج في وسط مدينة إيسن. سيسمح تنفيذ المشروع بإيقاف تشغيل محول بقدرة 40 ميجا فولت أمبير وخط 110 كيلو فولت.
في مشروع AmpaCity، يتم تقسيم وظائف نقل الطاقة وتحديد تيار الدائرة القصيرة بين الكابل ومحدد التيار. يؤدي ذلك إلى تبسيط مهمة التصميم لكل جهاز ويسمح بتصنيع الكابل باستخدامه درجة عاليةالاستقرار، وهو أمر مستحيل في مشروع هيدرا. وبطبيعة الحال، من الضروري تنسيق خصائص الكابل والمحدد الحالي، ولكن هذا ليس كذلك مهمة تحديويمكن تكرار الحلول التقنية التي تم تطويرها أثناء تنفيذ المشروع عند تطوير خطوط أخرى ذات معلمات مماثلة.

تم إجراء 3 حسابات بناءً على تطبيق المخطط المحتمل لنظام الطاقة في سانت بطرسبرغ ومنطقة لينينغراد لعام 2020.