Оборудование на основе высокотемпературной сверхпроводимости

Программа модернизации и технического переоснащения производственной базы электроэнергетики направлена не только на качественные преобразования, но и на внедрение новых, прогрессивных технологий. Проведенный анализ возможных качественно новых технологических решений показал, что одним из таких решений может быть создание оборудования и применение технологий, основанных на явлении сверхпроводимости, т.е. состоянии некоторых видов материалов, обладающих сопротивлением близким к нулю при их охлаждении до низких температур. Различаются два вида сверхпроводимости:

  • низкотемпературная (НТСП), соответствующая температуре жидкого гелия (4,2 градуса по шкале Кельвина);
  • высокотемпературная (ВТСП), соответствующая температуре жидкого азота (77 градусов по шкале Кельвина).

Первые работы в мировой практике по практическому использованию явления низкотемпературной сверхпроводимости в электрофизических и энергетических установках начались с 1961 года. В 60-е годы в СССР было создано уникальное высокотехнологическое производство материалов, переходящих в состояние сверхпроводимости при температуре жидкого гелия. Это производство обеспечило стране положение одного из двух мировых лидеров в пионерских сверхпроводниковых разработках. На этой основе были разработаны и введены в эксплуатацию уникальные сверхпроводящие магнитные системы (СМС), обеспечившие проведение научных исследований по физике высоких энергий и элементарных частиц (ускорители, детекторы), создание первых в мире установок для термоядерных исследований с магнитным удержанием плазмы (Токамаки) и других, в том числе специальных применений. Кроме того, были разработаны и изготовлены сверхпроводниковые прототипы всех основных представителей электротехнического оборудования, включая генераторы, двигатели, трансформаторы, индуктивные накопители энергии, сверхпроводниковые кабели.

Испытания прототипов оборудования продемонстрировали их качественное превосходство над оборудованием традиционного исполнения по эффективности, массогабаритным показателям и пожаробезопасности. Сегодня НТСП технология успешно реализуется при создании устройств индустриальной физики, в первую очередь в медицине при создании сверхпроводниковых магниторезонансных томографов. В настоящее время Россия является поставщиком сверхпроводящих кабелей для международного проекта создания установки термоядерного синтеза ИТЕРА.

Положение со сверхпроводниковой технологией радикальным образом изменилось после открытия в 1986 году высокотемпературных сверхпроводников с более высокими рабочими температурами вплоть до температуры кипения жидкого азота (77,4 К). Эта технология наряду с совершенствованием криогенной техники создала предпосылки для преодоления коммерческого барьера при использовании сверхпроводниковых технологий на основе ВТСП-материалов в электроэнергетике и других областях промышленности. ВТСП-материалы превосходят традиционные НТСП-материалы как по пропускной способности, так и по соотношению качество/цена.

С этими достижениями связаны начавшиеся в мире (США, страны ЕС, Япония, Южная Корея Китай, Индия и др.) процессы разработки и применения в электроэнергетических системах технологий со сверхпроводниковыми материалами и оборудованием, в том числе сверхпроводниковых кабелей, синхронных компенсаторов, токоограничителей и индуктивных накопителей энергии.

Применение сверхпроводящего оборудования и технологий в электроэнергетике дает:

  • сокращение потерь электроэнергии примерно в 2 раза,
  • снижение массогабаритных показателей оборудования,
  • повышение надежности и продление срока эксплуатации электрооборудования за счет снижения старения изоляции,
  • повышение надежности и устойчивости работы энергосистем,
  • повышение качества электроэнергии, поставляемой потребителям,
  • повышение уровня пожарной и экологической безопасности электроэнергетики,
  • создание принципиально новых систем энергетики при совмещении с другими инновационными подходами за счет синергетического эффекта.

Особый эффект сверхпроводниковые технологии могут дать при их применении в мегаполисах и крупных городах, в первую очередь в городах в Москве и Санкт-Петербурге для организации глубоких вводов мощности и создания токоограничивающих устройств.

Эти факторы были учтены при разработке программы развития Единой национальной электрической сети (ЕНЭС), в которой впервые в российской энергетике в качестве отдельного раздела программы были сформулированы направления разработки и практического использования сверхпроводящих технологий в электрических сетях.

К 2010 году Федеральной сетевой компанией были достигнуты следующие результаты:

1. Разработан, изготовлен и испытан экспериментальный образец трехфазной сверхпроводящей кабельной линии длиной 30 метров напряжением до 20 кВ с целью отработки технологии изготовления кабеля и криогенной системы и проведения комплексных исследований для проверки качества принимаемых решений.

2. В ОАО «НТЦ электроэнергетики» создан полигон для испытаний сверхпроводящего оборудования. Полигон оборудован криогенератором системы Стирлинга (Голландия), современным измерительно-аналитическим оборудованием, позволяющим получать  и обрабатывать характеристики сверхпроводящего оборудования.

3. В конце 2009 года ФСК ЕЭС совместно с ОАО «НТЦ электроэнергетики» успешно завершили испытания первой в России высокотемпературной сверхпроводящей (ВТСП) кабельной линии длиной 200 м напряжением 20 кВ на номинальный ток 1500 А. В работе принимали участие специалисты электросетевого комплекса (ПАО «ФСК ЕЭС», МГЭК, ОАО «МОЭСК»), ОАО «ЭНИН», ОАО «НТЦ электроэнергетики», ОАО «ВНИИКП», Институт низких температур, МАИ. Также в ходе реализации этого проекта Институтом низких температур МАИ под руководством ОАО «ЭНИН» создана и испытана не имеющая аналогов в мире система криоснабжения и криостатирования, построенная с использованием неона в качестве рабочего тела и содержащая элементы, позволяющие производить дополнительное охлаждение азота по длине кабеля на 10ºС без увеличения мощности первичного источника холода или сооружения промежуточных криогенных станций при создании  ВТСП линий большой длины (до 5 км).

В 2010-2012 годах будут проведены дополнительные ресурсные испытания созданной ВТСП кабельной линии длиной 200 м совместно с новой криосистемой и осуществлен ввод созданного оборудования в опытно-промышленную эксплуатацию на подстанции 110 кВ Динамо в Москве.

В 2010-2013 годах Программой НИОКР ПАО «ФСК ЕЭС» предусмотрено создание:

  • пилотных проектов сетей с ВТСП-кабелями на постоянном токе и напряжении до 110 кВ, что является альтернативой строительству линий электропередачи напряжением 220–330 кВ,
  • ВТСП трансформатора напряжением 110/20 кВ, мощностью 50 МВА,
  • устройства ограничения токов короткого замыкания на сверхпроводниках на напряжение 110-220 кВ,
  • ВТСП кабельной линии постоянного тока напряжением 20 кВ и током 2500 А длиной 1500 м.

Реализация программы позволит создать принципиально новую технологическую основу для российской электроэнергетики, существенно повышающую надежность и экономичность ее функционирования.