În 1986, supraconductorii de înaltă temperatură (HTSC) au fost descoperiți de I. G. Bednorz și K. A. Muller. Temperatura critică a HTSC se află, de regulă, peste punctul de fierbere al azotului (77 K). Baza acestor compuși sunt oxizii de cupru și, prin urmare, sunt adesea numiți cuprați sau oxizi de metal. În 1987, a fost atinsă o temperatură de tranziție supraconductoare de 92 K pe ceramica YBa 2 Cu 3 O 7; a fost apoi ridicat la 125 K în compuși cu taliu. Cea mai mare temperatură critică atinsă în 10 ani de cercetare HTSC (~145 K) aparține compușilor pe bază de mercur. Acum sunt cunoscuți mai mult de două duzini de compuși HTSC - cuprați ai diferitelor metale, ei sunt numiți în funcție de metalele de bază: ytriu (de exemplu, YBa 2 Cu 3 O 7-x, Tc ~ 90 K), bismut (Bi 2 Sr 2). CaCu 2 O 8, Tc ~ 95 K), taliu (Tl 2 BaCaCu 2 O 8, Tc ~ 110 K), mercur (HgBa 2 CaCu 2 O 6 Tc ~ 125 K).

Supraconductorii de oxid conțin de obicei 4-5 tipuri diferite de atomi, iar o celulă cristalografică unitară conține până la 20 de atomi. Aproape toate HTSC-urile au o structură stratificată cu planuri de atomi de Cu și O. Numărul de straturi intermediare de cupru poate fi diferit, au fost sintetizați compuși în care numărul de straturi de CuO 2 ajunge la 5. Prezența oxigenului joacă un rol semnificativ în mecanism de supraconductivitate. Rezultatele numeroaselor experimente arată că planurile cu oxigen sunt obiectul principal în rețeaua cristalografică, care sunt responsabile atât de conductivitatea acestor compuși de oxizi, cât și de apariția supraconductivității în ei la temperaturi ridicate.

HTSC-urile sunt reprezentanți tipici ai supraconductorilor de tip II cu un raport foarte mare dintre lungimea Londrei și lungimea coerenței - de ordinul a câteva sute. Prin urmare câmpul magnetic H c 2 are o valoare foarte mare, în special pentru Bi 2212 este de aproximativ 400 T, și H c 1 egal cu câteva sute de oersted (în funcție de orientarea câmpului față de cristal).

Majoritatea HTSC-urilor sunt caracterizate de anizotropie puternică, ceea ce duce, în special, la o natură foarte neobișnuită a dependenței momentului magnetic al acestor substanțe de intensitatea câmpului dacă este înclinat față de principalele axe cristalografice. Esența efectului este că, datorită anizotropiei semnificative, este inițial mai favorabil energetic ca liniile de vortex să fie situate între straturile de CuO 2 și abia apoi, după o anumită valoare a câmpului, să înceapă să pătrundă în aceste planuri.

Tehnica experimentală Măsurarea proprietăților magnetice și Tc ale supraconductorilor

Tehnica utilizată pentru măsurarea proprietăților magnetice ale supraconductorilor nu diferă în principiu de cea folosită pentru măsurarea substanțelor magnetice obișnuite, cum ar fi feromagneții, cu excepția faptului că trebuie să poată funcționa la temperaturi foarte scăzute. Metodele experimentale pot fi împărțite în două grupe: cele în care fluxul magnetic ÎN măsurate în probă și cele în care se măsoară magnetizarea probei eu(Fig. 23). Fiecare dintre aceste metode oferă informații complete despre proprietățile magnetice ale probei, dar, în funcție de circumstanțe, puteți alege una sau alta dintre ele. Pentru măsurători magnetice se utilizează o varietate de echipamente cu grade diferite de complexitate în funcție de sensibilitate, grad de automatizare etc. Totuși, toată această tehnologie se bazează pe metode simple, una dintre care ne vom concentra acum.

Fizicienii au descoperit un material care devine supraconductor la temperaturi chiar peste cea mai rece temperatură de pe Pământ. Această descoperire ar putea anunța o nouă eră în studiul supraconductivității. Lumea supraconductivității este în vogă. Anul trecut, Mikhail Eremets și o pereche de colegi de la Institutul de Chimie Max Planck din Mainz, Germania, au făcut afirmația extraordinară de a observa hidrogenul sulfurat supraconductor la -70 de grade Celsius. Acesta este cu 20 de grade mai mare decât orice alt material care deține recordul actual.

Rezultatele muncii oamenilor de știință au început să fie discutate atunci când au fost postate pentru prima dată pe arXiv. La acea vreme, fizicienii vorbeau cu prudență despre munca lor. Istoria supraconductivității este presărată de cadavrele afirmațiilor dubioase ale activității la temperatură ridicată, care ulterior s-au dovedit imposibil de reprodus.

A trecut destul de mult timp de atunci, Eremets și colegii au muncit din greu pentru a construi dovezi definitive și convingătoare. În urmă cu câteva săptămâni, munca lor a fost publicată în revista Nature, imprimând astfel respectabilitatea cerută de fizica modernă. a intrat din nou pe titluri.

Antinio Bianzoni și Thomas Jarlborg de la Centrul Internațional de Știința Materialelor din Roma din Italia au oferit o privire de ansamblu asupra domeniului lor de lucru interesant. Și au făcut lucrări teoretice explicând lucrările lui Eremets și ale colegilor săi.

În primul rând, un mic fundal. Supraconductivitatea este un fenomen de rezistență electrică zero care apare în unele materiale atunci când sunt răcite sub o temperatură critică.

Acest fenomen este bine cunoscut în supraconductorii convenționali, care sunt în esență rețele rigide de ioni pozitivi care înoată într-o mare de electroni. Rezistența electrică apare atunci când electronii se lovesc de aceste rețele și pierd energie pe măsură ce se deplasează prin ele.

Cu toate acestea, la temperaturi scăzute, electronii se pot combina între ei pentru a forma perechi Cooper. În același timp, rețeaua devine suficient de rigidă pentru a permite mișcarea coerentă a undelor numite fononi.

Supraconductivitatea apare atunci când perechile Cooper și fononii călătoresc împreună printr-un material, iar undele eliberează în esență calea perechilor de electroni. Acest lucru se întâmplă atunci când vibrațiile rețelei - temperatura acesteia - devin suficient de puternice pentru a rupe perechile Cooper. Aceasta este o temperatură critică.

Până de curând, cea mai mare temperatură critică de acest fel era de -230 de grade Celsius (40 Kelvin).

Există trei caracteristici principale pe care oamenii de știință le caută pentru a confirma că un material este supraconductor. Prima este o scădere bruscă a rezistenței electrice atunci când materialul este răcit sub o temperatură critică. Al doilea este deplasarea unui câmp magnetic dintr-un material, efect cunoscut sub numele de efectul Meissner.

A treia este o schimbare a temperaturii critice atunci când atomii dintr-un material sunt înlocuiți cu izotopi. Acest lucru se întâmplă deoarece diferența de masă a izotopilor face ca rețeaua să vibreze diferit, ceea ce modifică temperatura critică.

Yeremets și colegii săi și-au schimbat cel mai probabil pozițiile. Poate cea mai mare surpriză în descoperirea lor este că nu implică un supraconductor „de temperatură ridicată”. Include hidrogen sulfurat obișnuit, care nu a fost niciodată observat ca fiind un supraconductor la temperaturi de peste 40 de grade Kelvin.

Yeremets și colegii săi și-au atins scopul comprimând acest material sub presiune care există doar în centrul Pământului. În același timp, ei au putut descoperi dovezi ale tuturor celor mai importante caracteristici ale supraconductivității.

Și în timp ce experimentele lor continuă, teoreticienii se scarpină în cap încercând să explice. Mulți fizicieni credeau că există un motiv teoretic pentru care supraconductorii tradiționali nu pot funcționa la temperaturi de peste 40 de grade Kelvin. Dar s-a dovedit că nu există nimic în teorie care să împiedice supraconductorii să funcționeze la temperaturi mai ridicate.

În anii 1960, fizicianul britanic Neil Ashcroft a prezis că hidrogenul ar trebui să fie capabil să supraconduiască la temperaturi și presiuni ridicate, poate chiar și la temperatura camerei. Ideea lui a fost că hidrogenul este atât de ușor încât ar trebui să formeze o rețea capabilă să vibreze la frecvențe foarte înalte și, prin urmare, să devină un supraconductor la temperaturi și presiuni ridicate.

Yeremets și colegii săi par să fi confirmat această idee. Sau cel puțin așa ceva. Există o mulțime de riduri teoretice care trebuie eliminate înainte ca fizicienii să poată spune că au o bună înțelegere a ceea ce se întâmplă. Lucrările teoretice continuă.

Acum, cursa este de a găsi alți supraconductori care să funcționeze la temperaturi și mai mari. Un candidat promițător este H3S (nu H2S, la care Yeremets lucra inițial).

Și, desigur, fizicienii încep să se gândească la aplicații. Folosirea unor astfel de materiale este foarte dificilă și nu numai pentru că sunt supraconductori la presiuni mari.

Dar nimic nu te împiedică să fantezi. „Această descoperire are implicații nu numai pentru știința materialelor și materia condensată, ci și în alte domenii, de la calculul cuantic la fizică cuantică materie vie”, spun Bianzoni și Jarlborg. Ei au prezentat și ei idee interesanta că un astfel de supraconductor funcționează la temperaturi care sunt cu 19 grade mai mari decât cea mai rece temperatură de pe Pământ.

Poate că în următoarele luni și ani vom auzi lucruri mult mai interesante despre supraconductori.

SUPERCONDUCTORI DE TEMPERATURĂ ÎNALTĂ (HTSC), compuși supraconductori care au temperaturi critice înalte T de la trecerea la starea supraconductoare. Supraconductivitatea la temperatură înaltă a fost descoperită în 1986 de J. G. Bednorz și K. A. Müller în ceramica cu oxid de metal pe bază de Ba-La-Cu-O la temperaturi de 30-35 K. Temperaturile critice ale multor HTSC s-au dovedit a fi mai mari decât temperatura de lichefiere de azot (77 K). Astfel, în compușii cuprați care conțin ytriu sau bismut (de exemplu, YBa 2 Cu 3 0 7- δ și Bi 2 Sr 2 CaCu 2 0 8+ δ), T c ≈ 90 K și în supraconductori de temperatură înaltă care conțin mercur, T c depășește 130 K. Posibilitatea de a folosi azot lichid în loc de heliu lichid reduce semnificativ costul utilizării materialelor supraconductoare în scopuri practice.

Supraconductorii cuprați au o structură cristalină stratificată destul de complexă, în care planurile cristalografice CuO 2 joacă rolul principal în supraconductivitate. Funcția de undă a unei perechi Cooper într-un HTSC (vezi modelul Bardeen - Cooper - Schrieffer) depinde de direcția impulsului electronilor care compun perechea. Când direcția pulsului se schimbă cu 90° în planul CuO2, funcția de undă a perechii Cooper își schimbă semnul. Această proprietate seamănă cu comportamentul funcțiilor de undă ale electronilor din învelișurile d ale unui atom. Prin analogie, supraconductivitatea la temperatură înaltă este caracterizată ca supraconductivitate d-pereche.

Starea supraconductoare apare, de exemplu, în compușii La 2- x Sr x CuO 4 , care sunt formați prin adăugarea de stronțiu la dielectricul antiferomagnetic La 2 CuO 4 . Înlocuirea unei mici părți de lantan cu stronțiu duce la creșterea concentrației de găuri în straturile de oxid de cupru. Ca urmare a unui astfel de dopaj, starea antiferomagnetică din La 2- x Sr x CuO 4 este distrusă la x ≈ 0,02, iar în intervalul x = 0,05–0,27 acest compus devine supraconductor. Temperatura critică este foarte sensibilă la valoarea lui x și atinge o valoare maximă (circa 34 K) la x od ≈ 0,15÷0,17 (dopaj optim). La x< х од высокотемпературные сверхпроводники называют недодопированными, а при х >x od - supradopat. Alte HTSC-uri prezintă un comportament similar, deși valorile caracteristice ale lui x și T c pentru ele pot diferi de cele prezentate mai sus. Cercetarea în HTSC-uri (în sens larg) include studiul acestor compuși pe întregul interval de x și T, în special, și în regiunea valorilor lor în care supraconductivitatea este absentă.

Până la începutul secolului al XXI-lea, HTSC-urile nu și-au găsit o utilizare pe scară largă, deși erau deja folosite în tehnologia cu microunde (filtre, multiplexoare, linii de întârziere, rezonatoare), în inginerie electrică și în ingineria energiei (cabluri de transmisie a energiei electrice, generatoare, transformatoare), în microelectronică, tehnologie informatică, tehnologii de telecomunicații și alte domenii. Sarcina principală în ceea ce privește utilizarea HTSC-urilor este de a crește și mai mult temperatura lor critică - de a crea materiale al căror Tc s-ar afla în regiunea temperaturii camerei.

Lit.: Koelle D. a. insula Dispozitive de interferență cuantică supraconductoare cu temperatură de tranziție ridicată // Reviews of Modern Physics. 1999. Vol. 71. Nr. 3; Tsuei S. S., Kirtley J. R. Simetria de împerechere în supraconductori cuprați // Ibid. 2000. Vol. 72. Nr. 4.

Până de curând, utilizarea practică era foarte limitată din cauza temperaturilor scăzute de funcționare - mai puțin de 20K. Descoperirea în 1986 a supraconductorilor de înaltă temperatură, care au temperaturi critice

schimbat

situatie,

simplificarea întregii game de probleme de răcire (temperatura de funcționare a înfășurărilor a „creștet”, acestea au devenit mai puțin sensibile la perturbațiile termice). Acum există oportunități

creare

generatii

Echipament electric,

utilizare

temperatura scazuta

supraconductori

s-a dovedit

ar fi extrem de

scump,

neprofitabile.

A doua jumătate a anilor 90 ai secolului trecut este începutul unei largi

ofensator

temperatura ridicata

supraconductivitate pentru industria energiei electrice. Temperatura ridicata

supraconductori

utilizare

de fabricație

transformatoare,

electric

inductiv

unități

nelimitat

stocare), limitatoare de curent etc. Comparativ cu instalat

sunt caracterizate

redus

pierderi

și dimensiuni și asigură o eficiență sporită în producția, transportul și distribuția energiei electrice. Astfel, transformatoarele supraconductoare vor avea

pierderi,

decât transformatoarele de aceeași putere având înfășurări convenționale. În plus, transformatoare supraconductoare

capabil

limită

suprasolicitare,

nu necesită ulei mineral, ceea ce înseamnă că sunt ecologice și nu sunt expuse riscului de incendiu. Limitatoare supraconductoare

temporar

caracteristici, adică mai puțin inerțiale; Includerea generatoarelor supraconductoare și a dispozitivelor de stocare a energiei în rețeaua electrică va îmbunătăți stabilitatea acesteia. Capacitate de transport curent

Subteran

supraconductoare

pot fi de 2-5 ori mai mari decât cele obișnuite. Cablurile supraconductoare sunt mult mai compacte, ceea ce înseamnă că instalarea lor în infrastructura urbană/suburbană densă este semnificativ mai ușoară.

Indicativ

tehnice si economice

calcule sud-coreene

lucrători în energie,

efectuate

termen lung

planificare

electric

rețelele din regiunea Seul. Rezultatele lor indică faptul că așezarea la 154 kV, 1 GW supraconductor

cabluri

va costa

decat deobicei.

porniți

proiectarea și instalarea cablurilor și conductelor (ținând cont de reducerea numărului de filete necesare și, în consecință, de reducerea numărului total de cabluri pe km și de reducerea diametrului interior al conductelor). Specialiștii europeni, atunci când studiază probleme similare, acordă atenție faptului că în ceea ce privește supraconductorul

mult

Voltaj.

În consecință, poluarea electromagnetică a mediului va fi redusă

foarte populat

abandona liniile de ultra-înaltă tensiune, a căror pozare

se intalneste

serios

rezistența publicului, în special a Verzilor. Evaluarea făcută în SUA este, de asemenea, încurajatoare: implementare

supraconductoare

echipamente

pe generatoare, transformatoare și motoare) și cablurile către sectorul energetic național vor economisi până la 3% din toată energia electrică. În același timp, larg răspândit

cele mai recente

S-a subliniat că principalele eforturi ale dezvoltatorilor trebuie concentrate pe: 1) creșterea eficienței criosistemelor; 2) creșterea capacității de purtare a curentului

supraconductoare

fire

pierderi dinamice și creșterea ponderii supraconductorului în secțiunea transversală a firului); 3) reducerea costului firelor supraconductoare (în special datorită productivității crescute);

4) reducerea costurilor pentru echipamentele criogenice. Rețineți că cea mai mare densitate de curent critic „de inginerie” atinsă până în prezent (curentul critic împărțit la suprafața totală a secțiunii transversale) a unei bucăți de două sute de metri de bandă pe bază de Bi-2223 este de 14-16 kA/cm2 la un temperatura de 77 K. Comercializarea planificată este în curs de desfășurare în țările dezvoltate

tehnologii

supraconductori la temperaturi ridicate. Programul american „Superconductivity for the Electric Power Industry 1996-2000” este orientativ din acest punct de vedere. Conform acestui program,

includere

supraconductoare

componentă

echipamentele electrice vor oferi strategice globale

avantaj

industrie

secolul XXI În același timp, trebuie avut în vedere faptul că, conform estimărilor Băncii Mondiale, în următorii 20 de ani (adică până în 2020), se preconizează o creștere de 100 de ori a vânzărilor de materiale supraconductoare.

echipamente

energie electrică

dispozitive

va creste

32 de miliarde de dolari (total

supraconductori,

inclusiv

aplicații precum transportul, medicina, electronica și știința vor ajunge la 122 de miliarde de dolari).

Rețineți că Rusia, împreună cu SUA și Japonia, și-au păstrat conducerea

dezvoltare

supraconductoare

tehnologii până la începutul anilor 90 ai secolului XX. Pe de altă parte, interesele

industriale si tehnice

Securitatea Rusiei necesită, fără îndoială, utilizarea lor viguroasă atât în ​​industria energiei electrice, cât și în alte industrii. Progresul tehnologiei supraconductoare și „promovarea” acesteia pe piața globală de energie electrică este puternic

rezultate

demonstraţii

munca de succes a prototipurilor de dimensiune completă pentru toate tipurile de produse. Ce sunt

realizări

lume

comunitățile

in directia asta? În Japonia, sub patronajul Ministerului Economiei, Comerțului și Industriei, pe termen lung

program

zonele de dezvoltare

echipamente HTSC,

În primul rând, cablurile de alimentare.

Proiectul este împărțit în două faze: faza 1 (2001-2004) și faza 2 (2005-2009).

Coordonatori

sunt

Organizare

Dezvoltarea de noi tehnologii în energie și industrie (NEDO) și Asociația de cercetare pentru echipamente și materiale supraconductoare (Super-GM). ÎN

implicat

KEPCO, Furukawa, Sumitomo, Fujikura, Hitachi etc. (cabluri HTS); KEPCO, Sumitomo, Toshiba etc. (limitatoare de curent HTSC); TEPCO, KEPCO, Fuji Electric etc. (magneți HTSC). În domeniul cablurilor, munca se va concentra pe dezvoltare

conductor HTSC

pierderi dinamice

răcire

capabil

termen lung

a sustine

temperatura

cablu (aproximativ 77 K) lungime 500 m. Conform programului, faza 1 se încheie cu producerea unui cablu de zece metri la 66-77 kV (3 kA), având pierderi dinamice de cel mult 1 W/m, și fază 2 se termină cu realizarea unui cablu de cinci sute de metri la 66-77 kV (5 kA) cu aceleași pierderi. Lucrări

designul a fost elaborat

fabricat

testat

primele tronsoane a fost creat si testat sistemul de racire.

Paralel,

Furukawa, Sumitomo urmăresc un alt proiect de dezvoltare a energiei electrice

Tokyo

supraconductoare. Acest proiect a analizat fezabilitatea instalării subterane a unui cablu HTS de 66 kV (trifazic) cu diametrul de 130 mm (care poate fi instalat în conductele existente cu diametrul de 150 mm) în locul cablului convențional monofazat de 275 kV. Sa dovedit că chiar și în cazul construcției de noi

conducte,

linia supraconductoare va fi cu 20% mai mică (pe baza prețului unui fir supraconductor de 40 USD per 1 kA m). Etapele proiectului se desfășoară secvenţial: până în 1997, un drum de treizeci de metri

(fază singulară)

prototip

cu ciclu de răcire închis. A fost testat sub o sarcină de 40 kV/1 kA timp de 100 de ore. Până în primăvara anului 2000, au fost fabricați 100 de metri de cablu de 66 kV (1 kA)/114 MVA - un prototip de dimensiune completă cu un diametru de 130 mm (design cu un dielectric „rece”). Statele Unite demonstrează o abordare pe scară largă a acestei probleme. În 1989, la inițiativa EPRI, a început un studiu detaliat al utilizării supraconductoarelor de înaltă temperatură, iar deja în anul următor Pirelli

Superconductor Corp. a dezvoltat o tehnologie de producere a supraconductoarelor

"pudra

tub").

Ulterior, American Superconductor a crescut constant

producție

putere,

atinsă cifra de 100 km de bandă pe an, iar în viitorul apropiat, odată cu punerea în funcțiune a unei noi fabrici în Divens (Minnesota), această cifră va ajunge la 10.000 km pe an. Prețul proiectat al benzii va fi de 50 USD pe 1 kA m (compania oferă în prezent banda la 200 USD pe 1 kA m). Următorul

cel mai important

aspect

așa-numita Superconductivity Partnership Initiative (SPI)

accelerat

dezvoltare

implementare

sisteme electrice de economisire a energiei. Integrat vertical

Comenzi SPI

inclusiv

parteneri din

industrie,

naţional

laboratoare

și operațional

companii,

efectuate

două proiecte serioase. Unul dintre ele este un prototip de dimensiune completă - o linie trifazată supraconductoare (Pirelli Cavi e Sistemi,

legat

Voltaj scazut

Transformator 124 kV/24 kV (putere 100 MVA) cu bare de 24 kV a două substații de distribuție situate la o distanță de 120 m (stația Frisbee din Detroit Edison, Detroit).

Linia a fost testată cu succes

electricitatea a ajuns la consumatori prin „trecerea” prin cabluri supraconductoare pe bază de Bi-Sr-Ca-Cu-O. Trei dintre acestea

(proiecta

"cald"

dielectric, iar fiecare conductor a fost făcut de aceeași lungime

înlocuit

cu acelasi

purtătoare de curent

capabilități

cablul este proiectat pentru 2400 A (pierdere 1 W/m pe fază) și este așezat în canale subterane existente de o sută de milimetri. Totodata, traiectoria de pozare are viraje de 90°: cablul permite indoirea cu o raza de 0,94 m. Subliniem ca aceasta este prima experienta in pozare supraconductoare.

actual

rețea de distribuție, în sectorul energetic al unui oraș mare. Al doilea

treizeci de metri

supraconductoare

la 12,4 kV/1,25 kA (60 Hz) care a fost dat în funcțiune la 5 ianuarie 2000 (temperatura de funcționare 70-80K, răcire

presiune).

O linie reprezentând trei supraconductori trifazici

prevede

electricitate trei

industrial

instalatii

Sediul companiei Southwire din Carolton, Georgia. Pierderile de transmisie sunt de aproximativ 0,5% față de 5-8%, iar puterea transmisă este de 3-5 ori mai mare decât la utilizarea cablurilor tradiționale de același diametru.

festiv

atmosferă, s-a sărbătorit aniversarea exploatării cu succes a liniei cu încărcare 100% timp de 5000 de ore. Încă trei proiecte au început în 2003, se lucrează la ele

primar

interesant

include

instalarea unei linii supraconductoare subterane de 600 MW/138 kV cu o lungime de aproximativ 1 km, care va fi inclusă în

încărcă și va călători de-a lungul conductelor existente în East Garden City

Insula lunga.

Necesar

cablul va

fabricat

specialiști de la Nexans (Germania), pe baza unui supraconductor produs la deja amintita fabrică din Divense, și echipamente criogenice

va livra

În acest caz, Departamentul de Energie al SUA finanțează această lucrare la jumătate, investind aproximativ 30 de milioane de dolari; restul este asigurat de parteneri. Această linie este planificată să fie pusă în funcțiune până la sfârșitul anului 2005.

pe cine

fabricat

Cablu supraconductor trifazat evaluat la 36 kV/2 kA (proiect

"cald"

dielectric,

răcire cu azot lichid sub presiune; criticul atinge 2,7 kA pe fază (T=79K)). În același timp, o atenție deosebită

a fost dat

dezvoltare

conductor

km de bandă bazată pe Bi-2223), dispozitive finale, precum și a acestuia

conexiune.

a fost pus,

substație de pe insula Amager (partea de sud a Copenhaga), care furnizează energie electrică la 50 de mii de consumatori, inclusiv

iluminat

rețea (putere transformator de ieșire 100 MVA). Linia supraconductoare de treizeci de metri a început să funcționeze pe 28 mai 2001: mai întâi, cablul supraconductor a fost pornit în paralel cu cel obișnuit, iar mai târziu a funcționat „singur”, iar valoarea nominală a fost de 2 kA, pierderile au fost mai mici de 1. W/m (temperatura de funcționare a fost între 74-84K). Cablul transmite 50% din energia totală a substației și înlocuiește cablurile de cupru cu o secțiune transversală totală a miezului de 2000 mm 2. Până în mai 2002, cablul era în funcțiune timp de 1 an în timp ce era în stare înghețată; În acest timp, el a „furnizat” 101 MWh de energie electrică pentru 25 de mii de danezi - proprietari de case private. Nu au fost observate modificări ale caracteristicilor cablurilor; toate sistemele criogenice funcționează stabil. Pe lângă cel danez, proiectul paneuropean este interesant

pentru a crea o conexiune intersistem - o linie superconductoare trifazată specială de 200 m lungime, care este proiectată pentru 20 kV/28 kA.

Să-l pună în aplicare, organizat

consorţiu,

Nexans (Germania),

(Franţa),

(Belgia),

specialişti

Göttingen

Tampere (Universitatea de Tehnologie din Tampere). Dintre producatorii europeni de cabluri supraconductoare se remarca Pirelli Cavi e Sistemi. Producția sa

putere

permite

eliberare

km de supraconductor pe an. Eveniment semnificativ - producție

douăzeci de metri

supraconductoare coaxiale

(proiecta

dielectric „rece”, proiectat pentru 225 kV. Pirelli, împreună cu specialiști americani (Edison și CESI), participă

creare

cablu prototip de treizeci de metri la 132 kV/3 kA (1999-2003). Trecând de la cabluri la echipamente electrice mari - transformatoare, observăm că din toată energia pierdută în timpul transmisiei, acestea reprezintă 50-65%. Este de așteptat ca odată cu introducerea transformatoarelor supraconductoare

va scadea

a ajunge

Transformatoarele supraconductoare vor putea concura cu succes cu cele convenționale numai dacă relația (P s /k) este îndeplinită< P c , где Р с - потери в обычном трансформаторе, P s - потери

supraconductoare

transformator

temperaturile de funcționare), k este coeficientul de refrigerare al frigiderului. Tehnologia modernă, în special criogenia, face posibilă satisfacerea acestei cerințe. În Europa, primul prototip de transformator trifazat (630 kVA; 18,7 kV/420 V) care folosește supraconductori de înaltă temperatură a fost fabricat ca parte a unei îmbinări.

Franța), american

de Geneve) și pus în funcțiune în martie 1997 - a fost inclus în rețeaua electrică de la Geneva, unde a funcționat mai mult de un an,

furnizarea

energie

Înfășurările transformatorului

efectuat

sârmă

bazat pe Bi-2223,

refrigerat

Miezul transformatorului este la temperatura camerei. Pierderile s-au dovedit a fi destul de mari (3 W la 1 kA m) deoarece designul conductorului nu a fost optimizat pentru utilizarea AC.

Al doilea proiect al acelorași participanți - ABB, EdF și ASC - este un transformator de 10 MVA (63 kV/21 kV), care în 2001 a trecut un ciclu complet de teste de laborator și a fost inclus în sistemul de alimentare francez în 2002. Specialiștii ABB au subliniat încă o dată că acum principalul

problemă

dezvoltare

economic

echipamente supraconductoare, în special transformatoare, este prezența firelor cu pierderi mici și mari

critic

densitate

magnetic

câmp generat de înfășurări. Firul trebuie să ofere și o funcție de limitare a curentului. În Japonia (Fuji Electric, KEPCO, etc.) au construit un prototip de transformator supraconductor de 1 MVA (22 kV (45,5 A) / 6,9 kV (145 A)), care a fost inclus în rețeaua companiei de electricitate în iunie 2000 Kyushu. ÎN

final

situat

dezvoltare

(Universitatea Kyushu

(Tokyo)) transformator

care este destinat

instalatii

electromobil

compoziţie. Calculele preliminare indică faptul că masa sa ar trebui să fie cu 20% mai mică decât cea a unui transformator convențional de aceeași putere.

Un transformator supraconductor de 1 MVA a fost demonstrat cu succes în SUA, iar lucrările au început

aparat

putere

Waukesha Electric

și Electric, precum și ORNL). Specialiștii germani (Siemens) au creat un prototip de transformator

perspectivă

dezvoltarea dispozitivelor pentru 5-10 MVA) cu înfășurări pe bază de Bi-2223, care pot fi instalate pe locomotive electrice

proiectat

pentru obisnuit

transformator.

Transformatorul supraconductor este cu 35% mai mic decât cel convențional, iar eficiența ajunge la 99%. Calculele arată că utilizarea acestuia va oferi economii de până la 4 kW per tren și o reducere anuală a emisiilor de CO 2 cu 2200 de tone per tren. Situația este mai complicată cu mașinile electrice sincrone bazate pe supraconductori de înaltă temperatură.

Se știe că puterea obișnuită este proporțională cu volumul ei V; nu este dificil să se arate că puterea unei mașini supraconductoare este proporțională cu V 5/3, astfel încât câștigul în reducerea dimensiunilor va avea loc numai pentru mașinile de mare putere,

De exemplu,

generatoare

navă

motoare.

se așteaptă introducerea tehnologiilor supraconductoare (Fig. 1).

depune mărturie

că un generator de 100 MW necesită un supraconductor de temperatură înaltă având o densitate critică de curent de 4,5 10 4 A/cm 2 într-un câmp magnetic de 5 Tesla. În același timp, proprietățile sale mecanice, precum și prețul, ar trebui să fie comparabile cu Nb 3 Sn. Din păcate, nu încă

există

temperatura ridicata

supraconductori care satisfac pe deplin aceste conditii. CU

scăzut

Activitatea americană

european

japonez

aceasta zona. Printre acestea se numără și o demonstrație de succes

împreună

cu Rockwell Automation/Reliance Electric (parteneri în cadrul deja menționat

sincron

motor

la 746 kW și dezvoltarea ulterioară a mașinii la 3730 kW.

specialişti

proiecta

motor

generator.

În Germania, Siemens oferă un motor sincron de 380 kW care utilizează supraconductori de temperatură înaltă.

Finlanda

testat

mașină sincronă cu patru poli 1,5 kW cu înfășurări de cale din sârmă pe bază de Bi-2223; temperatura sa de funcționare este de 20K. În plus, există o serie de alte aplicații ale supraconductorilor de înaltă temperatură în inginerie electrică.

ceramică

Supraconductorii de înaltă temperatură pot fi utilizați pentru a realiza rulmenți magnetici pasivi pentru motoare mici de mare viteză, cum ar fi pompele pentru gaze lichefiate.

Funcționarea unui astfel de motor, la 12.000 rpm, a fost demonstrată recent în Germania. Ca parte a programului comun ruso-german, o serie de histerezis

motoare

(putere

"Activități"

supraconductori de înaltă temperatură – dispozitive care limitează scurt circuit până la valoarea nominală. Cel mai materiale adecvate Ceramica este considerată pentru limitatoarele supraconductoare

și evoluții

dispozitive

de bază

Inginerie Electrică

Marea Britanie,

Germania, Franța, Elveția, SUA, Japonia și alte țări. Unul dintre primele modele (de la ABB) a fost un limitator de tip inductiv pentru 10,5 kV/1,2 MVA, având un element Bi-2212 plasat într-un criostat. Aceeași companie a lansat un prototip compact - un limitator de tip rezistiv de 1,6 MVA, care este semnificativ mai mic decât primul. În timpul testării, 13,2 kA au fost limitate în primul vârf la 4,3 kA. Datorită încălzirii, 1,4 kA este limitat la 20 ms și 1 kA la 50 ms.

Proiecta

limitator

este

mm (greutate 50 kg). Canalele sunt tăiate în el, ceea ce vă permite să aveți

echivalent

supraconductor

m. În continuare

prototip

la 6,4 MVA. Este deja posibil să se creeze un limitator de 10 MVA, iar lansarea unor limitatoare comerciale de acest tip poate fi așteptată în viitorul apropiat. Următoarea țintă a ABB este un limitator de 100 MVA. Specialiștii Siemens au testat inductiv

limitatoare:

transformator

ecranarea miezului de oțel cu o înfășurare supraconductoare și a doua opțiune - supraconductorul este realizat sub formă de cilindru, cu o înfășurare de cupru pe el. La limitare

rezistenţă

ohmic

componente inductive. Datorită posibilei supraîncălziri în zonele cu scurtcircuit, acesta trebuie oprit cât mai repede cu ajutorul unui comutator convențional.

Întoarcere

supraconductoare

stat

mai multe

zeci de secunde, după care limitatorul este gata de funcționare. ÎN

mai departe

rezistiv

limitator,

supraconductorul este conectat direct la rețea și își pierde rapid supraconductivitatea de îndată ce are loc un scurtcircuit

va depăşi

critic

sens.

încălzind supraconductorul, comutatorul mecanic trebuie să se rupă

mai multe

semicicluri; răcire

supraconductoare

Oportunitati

la o stare supraconductoare. Timpul de revenire a limitatorului este de 1-2 s.

Un model monofazat al unui astfel de limitator cu o putere de 100 kVA a fost testat la o tensiune de funcționare de 6 kV la un curent nominal de 100 A. Posibil

mic de statura

scurtcircuite,

kA, a fost limitat la 300 A în mai puțin de 1 ms. Siemens a demonstrat și un limitator de 1 MVA la standul său din Berlin, cu un prototip de 12 MVA planificat. În SUA, primul limitator - avea un inductiv-electronic

dezvoltat

companiile General Atomic, Intermagnetics General Corp. și altele. În urmă cu zece ani, un limitator de curent a fost instalat ca probă demonstrativă la instalația de testare Norwalk din Southern California Edison. La un curent nominal de 100 A, scurtcircuitul maxim posibil de 3 kA este limitat la 1,79 kA. În 1999, a fost proiectat un dispozitiv de 15 kV cu un curent de funcționare de 1,2 kA, conceput pentru a limita un curent de scurtcircuit de 20 kA la o valoare de 4 kA. În Franța, specialiștii de la GEC Alsthom, Electricite de France și alții au testat un limitator de 40 kV: a redus scurtcircuitul de la 14 kA (valoarea inițială înainte de scurtcircuit era de 315 A) la 1 kA în câteva microsecunde. Scurtcircuitul rezidual a fost oprit în 20 ms folosind un comutator convențional. Opțiunile de limitare sunt proiectate pentru 50 și 60 Hz. În Marea Britanie, VA TECH ELIN Reyrolle a dezvoltat un limitator de tip hibrid (rezistiv-inductiv), care, în timpul testelor pe banc (11 kV, 400 A), a redus scurtcircuitele de la 13 kA la 4,5 kA. În același timp, timpul de răspuns al limitatorului este mai mic de 5 ms, deja primul vârf este limitat; timp de operare limitator 100 ms. Limitatorul (trifazat) conține 144 de tije din Bi-2212, iar dimensiunile sale sunt 1 x 1,5 x 2 m.

În Japonia, un limitator de curent supraconductor a fost fabricat în comun de Toshiba și TEPCO - tip inductiv, 2,4 MVA; conține un element ceramic solid Bi-2212. Toate proiectele enumerate sunt prototipuri ale „perioadei inițiale”, care sunt destinate să demonstreze

posibilităților

supraconductoare

tehnologia, importanța ei pentru industria energiei electrice, dar încă sunt

asa de

reprezentant,

ca tu să poți

imediat

implementare industrială și marketing de succes. Primul motiv pentru această precauție este că conductoarele Bi-Sr-Ca-Cu-O sunt încă în curs de dezvoltare și sunt în prezent fabricate

critic

densitate

nivel de 30 kA/cm 2 cu lungimi de numai aproximativ un kilometru. Îmbunătățirea ulterioară a acestor conductori (creșterea pinningului, creșterea densității miezului, introducerea de bariere în jurul lor etc.) ar trebui să conducă la o creștere a Jc la 100 kA/cm2 sau mai mult.

esenţial

progrese în tehnologia supraconductoare și stimulează dezvoltarea de noi

desene

echipamente

Anumite speranțe sunt, de asemenea, asociate cu succesele în obținerea de conductori cu o acoperire supraconductoare (aceasta este următoarea generație de fire supraconductoare), care au un Jc vizibil mai mare într-un câmp magnetic de până la câțiva Tesla. Aici este posibil să se producă benzi supraconductoare capabile să transporte curenți de 1 kA la costuri de producție rezonabile. În SUA aceste benzi

sunt în curs de dezvoltare

Tehnologii de microcoating,

Supraconductivitate

Tehnologia supraconductoarelor Oxford.

Al doilea motiv constă în faptul că problemele standardizării conductoarelor Bi-Sr-Ca-Cu-O și cadrul de reglementare necesar utilizării acestora în domeniul transportului și distribuției energiei electrice nu sunt suficient de dezvoltate. De obicei, standardele oferă îndrumări pentru conducerea mecanică, termică și electrică

teste

materiale

echipamente.

Deoarece dispozitivele supraconductoare necesită sisteme criogenice, acestea trebuie de asemenea specificate. Astfel, înainte de a introduce supraconductivitatea în industria energiei electrice, este necesar să se creeze un întreg sistem de standarde: acestea trebuie să garanteze o fiabilitate ridicată a tuturor produselor supraconductoare (Fig. 2).

se întreprinde

evenimente

în această direcție. Şapte grupuri de specialişti din patru tari europene uniți într-un proiect comun Q-SECRETS (este subvenționat de UE) pentru monitorizarea calității

supraconductori

efectiv,

compact

extrem de fiabile

transmisie de putere

Unul dintre obiectivele principale ale proiectului este de a ajuta la creare

expansiune

"superconductor"

pe piata de transport si distributie a energiei electrice. ÎN

concluzie

Marcă,

în ciuda

pentru cele mari

potenţial

posibilităților

aplicarea temperaturii ridicate

supraconductori

industria energetică, vor fi necesare eforturi semnificative de cercetare și dezvoltare pentru a face produsele supraconductoare viabile într-o economie de piață modernă. În același timp, estimările pentru viitorul apropiat oferă motive de optimism.

LINII DE CABLU DC SUPERCONDUCTIVE LA TEMPERATURĂ ÎNALTĂ – UN PAS CĂTRE REȚELE DE ALIMENTARE INTELIGENTE

V.E. Sytnikov, doctor în inginerie, SA „NTC FSK EES”
TELEVIZOR. Ryabin, director adjunct în SA „NTC FSK EES”
D.V. Sorokin, candidat la inginerie, SA „NTC FSK EES”

Cuvinte cheie: cabluri supraconductoare; rețea de alimentare, curent critic, criogenie.

Industria electrică a secolului XXI ar trebui să asigure o eficiență ridicată a generării, transportului și utilizării energiei. Acest lucru poate fi realizat cu cerințe mai mari de gestionare a sistemului energetic, precum și pentru parametrii ecologici și de economisire a resurselor în toate etapele de producere și distribuție a energiei electrice. Utilizarea tehnologiilor supraconductoare permite atingerea unui nou nivel intelectual calitativ de funcționare a acestei industrii. PAO FSK EES a implementat programul de cercetare și dezvoltare care include dezvoltarea liniilor de cablu AC și DC supraconductoare de înaltă temperatură (denumite în continuare HTSC CL).

Descriere:

Industria energiei electrice a secolului XXI trebuie să asigure o eficiență ridicată în producerea, transportul și consumul de energie. Acest lucru poate fi realizat prin creșterea cerințelor pentru controlabilitatea sistemului de energie, precum și pentru caracteristicile de mediu și de economisire a resurselor în toate etapele producției și distribuției de energie electrică. Utilizarea tehnologiilor supraconductoare ne permite să trecem la un nivel intelectual calitativ nou de funcționare a acestei industrii. PJSC FGC UES a adoptat un program de cercetare și dezvoltare, inclusiv crearea de linii de cabluri supraconductoare de înaltă temperatură (denumite în continuare HTSC CL) pentru curent alternativ și continuu

V. E. Sytnikov, Doctor în Științe Tehnice Științe, director științific adjunct, SA „STC FGC UES”

T. V. Ryabin, director general adjunct, SA „STC FGC UES”;

D. V. Sorokin, Ph.D. tehnologie. Științe, șef al Centrului de Cercetare și Dezvoltare de Sistem al IES AAS, SA „STC FGC UES”

Industria energiei electrice a secolului XXI trebuie să asigure o eficiență ridicată în producerea, transportul și consumul de energie. Acest lucru poate fi realizat prin creșterea cerințelor pentru controlabilitatea sistemului de energie, precum și pentru caracteristicile de mediu și de economisire a resurselor în toate etapele producției și distribuției de energie electrică. Utilizarea tehnologiilor supraconductoare ne permite să trecem la un nivel intelectual calitativ nou de funcționare a acestei industrii. PJSC FGC UES a adoptat un program de cercetare și dezvoltare, inclusiv crearea de linii de cablu supraconductoare de înaltă temperatură (denumite în continuare HTSC CL) pentru curent alternativ și continuu 1 .

În majoritatea țărilor industrializate ale lumii, este în curs de desfășurare cercetare și dezvoltare intensivă de noi tipuri de dispozitive electrice bazate pe supraconductori. Interesul pentru aceste dezvoltări a crescut în special în ultimii ani datorită descoperirii supraconductoarelor de înaltă temperatură (denumite în continuare HTSC), care nu necesită dispozitive de răcire complexe și costisitoare.

Perspective pentru introducerea cablurilor supraconductoare

Cablurile supraconductoare de putere sunt cea mai dezvoltată și avansată metodă de utilizare a supraconductivității în industria energiei electrice în prezent. Principalele avantaje ale cablurilor supraconductoare sunt:

• eficiență ridicată datorită pierderilor reduse de energie în supraconductor;
• posibilitatea de a înlocui cablul existent cu un cablu cu putere de transmisie mai mare cu aceleași dimensiuni;
• greutate redusă datorită materialului mai puțin utilizat;
• creșterea ciclului de viață al cablului ca urmare a încetinirii procesului de îmbătrânire a izolației;
• impedanță scăzută și lungime critică mare;
• absența câmpurilor parazite electromagnetice și termice, respectarea mediului și siguranță la incendiu;
• capacitatea de a transmite puteri mari la tensiune relativ scăzută.

HTSC CL pentru curent continuu și alternativ este o dezvoltare inovatoare care permite rezolvarea unei părți semnificative a problemelor rețelelor electrice. Cu toate acestea, atunci când se utilizează HTSC DC CL, linia devine un element controlat al rețelei, reglând fluxul de energie transmisă până la inversarea transmisiei. Liniile HTSC DC au o serie de avantaje suplimentare în comparație cu liniile AC:

• limitarea curenților de scurtcircuit, ceea ce face posibilă conectarea sectoarelor individuale ale sistemului de alimentare pe partea joasă fără a crește curenții de scurtcircuit;
• creșterea stabilității rețelei și prevenirea întreruperilor în cascadă ale consumatorilor prin redundanță reciprocă a districtelor energetice;
• reglarea distribuției fluxului de putere în linii paralele;
• transmisie de putere cu pierderi minime în cablu și, ca urmare, cerințe reduse pentru sistemul criogenic;
• posibilitatea de comunicare a sistemelor de alimentare nesincronizate.

În rețelele electrice, este posibil să se creeze un circuit folosind atât linii HTSC AC cât și DC. Ambele sisteme au aplicațiile lor preferate, iar în cele din urmă alegerea este determinată atât de considerente tehnice, cât și economice.

Inserții supraconductoare între substații din megaorașe

Rețelele energetice ale megaorașelor sunt o structură în curs de dezvoltare dinamică care are următoarele caracteristici:

• creșterea rapidă a consumului de energie, care depășește de obicei rata medie de creștere a consumului în întreaga țară;
• densitate mare de energie;
• prezența zonelor cu deficit de energie;
• un grad ridicat de ramificare a rețelelor de distribuție electrică, care se datorează necesității dublării multiple a liniilor de alimentare cu energie către consumatori;
• secţionarea reţelei electrice pentru reducerea curenţilor de scurtcircuit.

Toți acești factori determină principalele probleme în rețelele de aglomerare urbană:

• nivel ridicat de pierderi de energie electrică în rețelele de distribuție;
• niveluri ridicate ale curenților de scurtcircuit, ale căror valori depășesc în unele cazuri capacitatea de întrerupere a echipamentelor de comutare;
• nivel scăzut de controlabilitate.

În același timp, încărcarea substațiilor din oraș este foarte inegală. În multe cazuri, transformatoarele substațiilor sunt încărcate doar în proporție de 30-60%. De regulă, stațiile cu intrare adâncă din orașe sunt alimentate prin linii separate de înaltă tensiune. Conectarea substațiilor pe partea de medie tensiune poate asigura redundanță reciprocă între districtele energetice și poate elibera capacitatea transformatoarelor de rezervă, ceea ce va duce în cele din urmă la o reducere a pierderilor de energie în rețea. În plus, acest tip de conexiune permite ca capacitatea eliberată să fie utilizată pentru a conecta sarcini suplimentare fără a fi nevoie să pună în funcțiune noi transformatoare sau să construiască noi substații și linii electrice.

Dacă există o inserție (Fig. 1), trei transformatoare vor furniza energie electrică consumatorilor conectați la o sarcină de cel mult 80%. Cel de-al patrulea transformator și linia de alimentare a acestuia pot fi plasate în rezervă de funcționare, ceea ce va duce la o reducere a pierderilor de energie. Ele pot fi folosite și pentru a conecta consumatori suplimentari. O astfel de inserție poate fi realizată atât folosind tehnologii tradiționale, cât și folosind linii de cablu supraconductoare.

Poza 1.

Principala problemă la implementarea unei astfel de scheme este faptul că conectarea directă a substațiilor va duce la o creștere semnificativă a curentului de scurtcircuit. Acest circuit va deveni operațional numai dacă inserția îndeplinește două funcții: transmiterea puterii și limitarea curenților de scurtcircuit. În consecință, atunci când transmit fluxuri mari de energie la tensiunea de distribuție, liniile supraconductoare au avantaje incontestabile.

Rezolvarea problemei creării unei inserții promite perspective mari de îmbunătățire a sistemelor de alimentare cu energie electrică a megaloților. În prezent, în lume sunt implementate trei mari proiecte științifice cu scopul de a transmite putere mare la medie tensiune între două substații, limitând simultan curenții de scurtcircuit: proiectul HYDRA, New York, SUA; Proiectul AmpaCity, Essen, Germania 2 ; proiect „Sankt Petersburg”, Rusia. Să aruncăm o privire mai atentă asupra ultimului proiect.

Rusă HTSC DC CL

Scopul proiectului de la Sankt Petersburg este dezvoltarea și instalarea unei linii superconductoare de curent continuu de 50 MW între două substații ale orașului pentru a crește fiabilitatea alimentării cu energie electrică a consumatorilor și a limita curentul de scurtcircuit în rețeaua orașului din Capitala de Nord. Proiectul presupune montarea de linii de cablu între stația de 330/20 kV „Central” și stația de 220/20 kV RP 9 (Fig. 2). Linia DC supraconductoare va conecta cele două substații pe partea de medie tensiune de 20 kV. Lungimea liniei este de 2.500 m, iar puterea transmisă este de 50 MW. În proiectul de la Sankt Petersburg, funcțiile de transmisie a puterii și limitarea curentului de scurtcircuit sunt împărțite între cablu și convertoare atunci când sunt configurate corespunzător. Un cablu DC supraconductor, spre deosebire de un cablu AC, nu are pierderi de energie, ceea ce reduce semnificativ cerințele de putere ale unei instalații criogenice. Cu toate acestea, cu această schemă, în convertoare apar pierderi suplimentare de energie. Linia DC este un element activ al rețelei și vă permite să controlați fluxurile de energie în liniile adiacente atât în ​​direcție, cât și în ceea ce privește puterea de transmisie.

Impactul proiectului asupra modurilor electrice

În districtul energetic al stației de 330 kV „Tsentralnaya” și al stației de 220 kV RP 9 (denumită în continuare Tsentralnaya/RP 9), pot apărea o serie de condiții post-urgență din cauza opririi de urgență a liniilor electrice și asociate cu întreruperi. de alimentare cu energie electrică a consumatorilor (alocarea raioanelor energetice la sarcini izolate).

Calculele au arătat că rezervarea alimentării cu energie electrică consumatorilor prin construirea și punerea în funcțiune a unei linii electrice de curent alternativ (cablu tradițional sau linie electrică aeriană) Central/RP 9 este imposibilă, deoarece acest lucru crește severitatea condițiilor post-urgență. Acest lucru poate fi evitat prin punerea în funcțiune a transmisiei DC controlate cu HTSC DC CL.

Controlul mărimii și direcției fluxului de putere a DC HTSC CL face posibilă, de asemenea:

• reducerea pierderilor de putere activă în rețelele electrice (datorită redistribuirii și eliminării fluxurilor de energie de tranzit);
• conectarea de noi consumatori pe baza infrastructurii de rețea electrică existentă (prin redistribuirea fluxurilor de energie și eliminarea supraîncărcărilor curente ale rețelelor electrice în modurile normale de funcționare și post-urgență ale sistemelor de energie).

Impactul proiectului asupra nivelului curenților de scurtcircuit

S-au efectuat calcule ale curenților de scurtcircuit 3 pentru cazul introducerii în circuit a unei linii tradiționale de cablu AC, precum și a liniilor de cablu HTSC DC. Pe baza rezultatelor calculului (Tabelul 1), ajungem la concluzia că includerea liniei de cablu Central/RP 9 AC în schema de alimentare cu energie electrică din Sankt Petersburg conduce la o creștere a valorii curentului de scurtcircuit peste nivelul curentului nominal de declanșare al comutatoarelor. Aceasta înseamnă că va fi necesară implementarea unor măsuri suplimentare de limitare a curentului sau înlocuirea dispozitivelor de comutare la substații. Utilizarea liniilor de cablu DC HSTP (Tabelul 3) nu duce la o creștere a curenților de scurtcircuit în sistemul de alimentare.

Estimarea pierderilor de energie în liniile supraconductoare

În liniile de curent alternativ de medie tensiune, pierderi energie electrica apar în cablul în sine, izolația electrică și intrările de curent. Într-o linie de curent continuu nu există pierderi de energie în cablu și izolație, dar acestea există în dispozitivele de conversie și intrările de curent. În plus, sistemul criogenic consumă energie electrică pentru a compensa toate fluxurile de căldură în zona rece și pentru a pompa agentul frigorific pe tot parcursul traseului.

Pentru o linie AC de medie tensiune trifazată cu o putere transmisă de 100 MVA, pierderile de energie pe fază sunt suma următoarelor valori:

• pierderi electromagnetice în miezul cablului – 1,0–1,5 W/m;
• flux de căldură prin criostat – 1,5 W/m;
• fluxuri de căldură prin cablurile de curent – ​​(200–300 W) x 2;
• pierderea de energie în izolație este de aproximativ 0,1 W/m.

Intrările totale de căldură în zona rece cu o lungime a liniei trifazate de 10 km va fi de 78,5–93,5 kW. Înmulțirea acestei valori cu un coeficient de refrigerare tipic de 20 are ca rezultat 1,57–1,87 MVA, sau mai puțin de 2% din puterea transmisă.

Pentru o linie de curent continuu similară, fluxul de căldură în zona rece este limitat doar de fluxul de căldură prin criostat și cablurile de curent. Atunci pierderea totală de energie într-un cablu de 10 km, ținând cont de sistemul criogenic, va fi de 0,31 MVA, sau 0,31% din puterea transmisă.

Pentru a estima pierderile totale în linia de curent continuu, pierderile din convertoare trebuie adăugate - 2% din puterea transmisă. Pierderile finale într-o linie de cablu DC HTSC de 10 km lungime pentru o putere transmisă de 100 MW sunt estimate a nu mai mult de 2,5% din puterea transmisă.

Estimările de mai sus arată că pierderile de energie în liniile de cablu supraconductoare sunt semnificativ mai mici decât în ​​liniile de cablu tradiționale. Pe măsură ce puterea transmisă crește, procentul pierderilor de energie scade. Cu nivelul actual de performanță a materialelor, este posibilă transmisia de energie de 150–300 MW la 20 kV și până la 1.000 MW la 110 kV.

Posibilitati de implementare

Testele de succes ale HTSC CL cu curenți continui și alternativi au demonstrat eficiența ridicată a liniilor supraconductoare.

Unul dintre principalele avantaje ale liniilor de cablu supraconductoare este capacitatea de a transmite fluxuri mari de energie (sute de megawați) la tensiunea de distribuție. Este recomandabil să luați în considerare aceste noi oportunități și să le folosiți atunci când proiectați sau reconstruiți radical instalațiile de rețea.

De exemplu, la reconstruirea/crearea sistemului energetic din Noua Moscova, ar fi recomandabil să se prevadă crearea de linii superconductoare longitudinale puternice și să se conecteze mai multe substații puternice într-o structură inelară cu linii superconductoare de curent continuu pe partea de medie tensiune. Acest lucru va îmbunătăți semnificativ eficiența energetică a rețelei, va reduce numărul de stații de bază, va asigura o controlabilitate ridicată a fluxurilor de energie și, în cele din urmă, va crește fiabilitatea aprovizionării cu energie către consumatori. O astfel de rețea ar putea deveni un adevărat prototip al rețelei inteligente a viitorului.

Literatură

1. Glebov I. A., Chernoplekov N. A., Altov V. A. Tehnologii supraconductoare - o nouă etapă în dezvoltarea ingineriei electrice și a energiei // Superconductivitate: cercetare și dezvoltare. 2002. Nr. 41.
2. Sytnikov V. E. Cabluri supraconductoare și perspective pentru utilizarea lor în sistemele energetice ale secolului 21 // Supraconductivitate: cercetare și dezvoltare. 2011. Nr. 15.
3. EPRI. Superconducting Power Equipment Technology Watch 2012. Palo Alto, CA, SUA, 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 Transmisia de curent continuu ca element al „rețelei inteligente” a orașelor mari. Proceedings of the 1st National Conference on Applied Superconductivity. M.: Centrul Național de Cercetare „Institutul Kurchatov”, 2013.
6. Kopylov S., Sytnikov V., Bemert S. et. al. // Journal Physics.: Conferinţă. Serie. 2014. V. 507. Str. 032047.
7. Volkov E. P., Vysotsky V. S., Karpyshev A. V., Kostyuk V. V., Sytnikov V. E., Firsov V. P. Crearea primului cablu supraconductor din Rusia folosind fenomenul de supraconductivitate la temperatură înaltă. Colecția de articole a Academiei Ruse de Științe „Tehnologii inovatoare în energie”, ed. E. P. Volkov și V. V. Kostyuk. M.: Nauka, 2010.

1 Articolul se concentrează pe rezultatele testelor și perspectivele pentru introducerea pe scară largă a liniilor de cablu HTSC DC în industria energetică.

2 1. Proiectul HYDRA, New York, SUA. Scopul proiectului este de a dezvolta și instala o linie de cablu AC supraconductor între două substații din orașul New York. Linia trebuie să asigure comunicații de mare capacitate (96 MVA) între stațiile de pe partea secundară a transformatoarelor (13,8 kV). Sistemul de cablu va avea capacitatea de a limita curentul de scurtcircuit datorită tranziției rapide a benzilor HTSC de a doua generație la starea de conducție normală. Acest lucru asigură o valoare scăzută a rezistenței liniei în modul nominal (starea supraconductivă a liniei) și o tranziție la o stare de rezistență ridicată în timpul supraîncărcării curentului.
Proiectul HYDRA combină funcțiile de transmisie a puterii mari și de limitare a curentului într-un singur dispozitiv - un cablu supraconductor special conceput. Acest lucru face extrem de dificilă optimizarea cablului în funcție de posibilele condiții de rețea, condițiile de răcire și rutarea cablului. În plus, soluțiile tehnice dezvoltate pentru un proiect nu pot fi replicate pentru alții din cauza condițiilor de funcționare și a condițiilor de pozare diferite și, prin urmare, a condițiilor de răcire pentru cablu, care trebuie să treacă periodic de la o stare supraconductivă la una normal conducătoare.
2. Proiect AmpaCity, Essen, Germania. Scopul proiectului este dezvoltarea și instalarea unei transmisii AC supraconductoare de 40 MVA între două substații ale orașului. Transmisia constă dintr-un cablu supraconductor lung de 1.000 m și un limitator de curent de 10 kV conectat în serie. Această transmisie conectează cele două substații de 110/10 kV Herkules și Dellbrugge din centrul orașului Essen. Implementarea proiectului va permite scoaterea din funcțiune a unui transformator de 40 MVA și a unei linii de 110 kV.
În proiectul AmpaCity, funcțiile de transfer de putere și limitarea curentului de scurtcircuit sunt împărțite între cablu și limitatorul de curent. Acest lucru simplifică sarcina de proiectare a fiecărui dispozitiv și permite ca cablul să fie fabricat grad înalt stabilizare, ceea ce este imposibil în proiectul HYDRA. Desigur, este necesar să se coordoneze caracteristicile cablului și limitatorul de curent, dar acest lucru nu este sarcina dificila, iar soluțiile tehnice dezvoltate în timpul implementării proiectului pot fi replicate la dezvoltarea altor linii cu parametri similari.

3 Calculele au fost efectuate pe baza aplicării schemei prospective a sistemului energetic din Sankt Petersburg și regiunea Leningrad pentru 2020.