��

чи энергии порядка нескольких сотен мегавольтампер уже при нынешних уровнях цен (~100–150 долл. за ки-лоампер) могут быть экономически конкурентоспособ-ными с обычными кабелями. При дальнейшем сниже-нии цен материалов, как это обещают производители, сверхпроводящие силовые кабели становятся конку-рентоспособными с обычными уже при уровнях мощ-ности в несколько десятков мегавольтампер.

Сверхпроводящий силовой кабель на токи в не-сколько килоампер должен состоять из десятков ис-ходных сверхпроводящих лент. Их оптимальное ком-бинирование является непростой электрофизичес-кой, механической и криогенной задачей. Базовые принципы создания силовых ВТСП-кабелей должны учитывать несколько противоречивых условий: механические: гибкость и сохранение сверх-

проводящих свойств во время производства, транс-портировки и монтажа, что накладывает ограниче-ния на размеры и шаги скрутки; электродинамические: снижение вихревых по-

терь энергии – нулевой аксиальный магнитный поток и нулевое магнитное поле на каркасе (формере); криогенные: термокомпенсация при охлаждении; экономические: создание однородного распре-

деления тока по повивам для уменьшения расхода сверхпроводника.

Жила кабеля имеет спиральную структуру и выпол-няется в виде N повивов из плоских сверхпроводящих элементов на сердечнике заданного диаметра. При этом должны быть обеспечены следующие условия.

I. Гибкость кабеля. Обеспечивается спиральной структурой проводников и электрической изоляции, критерием является условие:

, (6)

где si – относительный азимутальный зазор между ленточными элементами кабеля, обычное значение параметра 0,030–0,050; 2сi – величина зазора меж-ду лентами, 2а – ширина ленты; Di – диаметр i-го по-вива проводника; Dmin – минимальный диаметр изги-ба кабеля на барабане, в траншее или в тоннеле.

II. Условие сохранения сверхпроводящих свойств токонесущих элементов:

– при изгибе лент вокруг сердечника при изготов-лении кабеля (при скрутке) без учета усилия натя-жения ленты:

; (7а)

– при изгибе кабеля на барабане или в траншее:

НАУКА И ТЕХНИКА

��

Рис. 11. Сравнение полевой зависимости критических токов лент первого и второго поколения в параллельном (справа) и перпендикулярном (слева) магнитных полях

Магнитное поле, мТл Магнитное поле, мТл

�5№ 5 (306), 2007

НАУКА И ТЕХНИКА

�5№ 5 (306), 2007

, (7б)

где εmax – максимально допустимая относительная деформация растяжения сверхпроводника; Pmax – шаг скрутки лент в повиве; 2δ – толщина ленты по сверх-проводнику; β – угол скрутки лент в рассматриваемом повиве; Di и Dmin – то же, что в формуле (6).

Уравнение (7а) определяет минимальный шаг скрутки ленты в повиве, а уравнение (7б) – макси-мальный шаг. Для сверхпроводящих ленточных про-водников допустимое значение εmax = 0,002–0,004.

Теоретический анализ напряженно-деформаци-онного состояния сверхпроводящих лент при изгибе кабеля показал, что если условие I (см. уравнение (6)) выполняется, то максимальное значение шага скрутки лент Рmax ограничено техническими возмож-ностями кабельного оборудования и необходимос-тью сохранить ленты в слоях от разрушения при на-мотке кабеля на барабан.

III. Минимизация потерь на вихревые токи в опор-ном элементе и стабилизаторе внутреннего проводни-ка. Обеспечивается при нулевой индукции аксиально-го результирующего магнитного поля на оси кабеля:

, (8)

где Bi – индукция аксиального магнитного поля для i-го повива; N1 и N2 – число повивов лент во внутрен-нем и наружном проводниках каждой фазы; Pi и γi – шаг и направление скрутки лент в i-м повиве; γi = 1, γi = –1 – правая и левая скрутка соответственно; Ii – ток в i-м повиве.

IV. Минимизация потерь на вихревые токи в ста-билизаторе наружного проводника и криостатирую-

щих оболочках. Обеспечивается при нулевом сум-марном аксиальном магнитном потоке:

, (9)

где dA – элемент поверхности.V. Многоэлементная термокомпенсация элемен-

тов кабеля при его термоциклировании. Обеспе-чивается автоматически, если угол β, под которым наложен рассматриваемый повив, связан с темпе-ратурными коэффициентами сжатия лент αL и несу-щей сердцевины αr соотношением:

. (10)

VI. Обеспечение максимальной токонесущей спо-собности жилы кабеля, которое может быть реали-зовано при равномерном распределении тока меж-ду повивами, то есть 100%-м использовании попе-речного сечения сверхпроводника:

1)( 1

1→⋅⋅= −

=∑

N

iiic inIK , (11)

где К – коэффициент использования сверхпровод-ника; ni – число лент в повиве; ii – критический ток в ленте.

Условия II–VI выполнить одновременно невоз-можно. Поэтому в жиле кабеля на переменном токе всегда возникают дополнительные потери электроэнергии.

Главная цель при конструировании сверхпрово-дящего кабеля – достижение равномерного распре-деления тока между повивами и полного исполь-

Рис. 12. Слева – сравнение экспериментальных данных по распределению тока по повивам в кабеле компании «Сименс» (пунктир) с расчетными данными ВНИИКП (сплошные линии) – кабель неоптимизирован.

Справа – расчетное распределение токов по повивам при оптимальной конструкции кабеля

Ток кабеля, АТок кабеля, А

Ток

пови

ва, А

Ток

пови

ва, А

�6�6

зования сверхпроводящих свойств базовых лент в повивах. Эта задача была решена во ВНИИКП: раз-работаны расчетные методы и компьютерные про-граммы, позволяющие создавать кабели оптималь-ной конструкции [6, 7]. Сравнение расчетов ВНИИКП с независимыми измерениями компании «Сименс», показанные на рис.12, подтвердили правильность разработанных методик.

В работах ВНИИКП было показано, что оптималь-ного распределения тока по повивам можно добить-ся только в определенных конструкциях кабелей с за-данным чередованием повивов и определенными уг-лами скрутки, как это проиллюстрировано на рис. 13.

Видно, что при традиционном, чередующемся по повивам способе скрутки ток концентрируется в ос-новном в двух верхних повивах кабеля, тогда как при других способах скрутки возможно полное использо-вание сверхпроводящих свойств исходных лент.

Разработки ВНИИКП по конструкции сверхпрово-дящих силовых ВТСП-кабелей были подтверждены экспериментально. Разработанный для компании «Кондумекс» (Мексика) шестиповивный сверхпрово-дящий кабель продемонстрировал ток в 10 кА (что является мировым рекордом) без перехода в нор-

мальное состояние и с равномерным распределени-ем тока по повивам.

Таким образом, разработанные во ВНИИКП техно-логии позволяют создавать мощные сверхпроводящие силовые кабели на уровни мощности до 0,5–2,0 ГВт.

Сверхпроводящие силовые кабели в энергосетях

Схема передачи электроэнергии с помощью сверхпроводящих силовых кабелей открывает но-вые возможности для передачи и распределения электроэнергии: увеличение мощности в тех же габаритах (до

нескольких гигавольтампер); снижение потерь; работа на низких (генераторных) напряжениях,

исключение промежуточных подстанций; обеспечение экологической чистоты и пожаро-

безопасности.Во многих странах ведутся активные работы по

созданию и испытаниям в реальных энергосетях сверхпроводящих силовых кабелей на основе вы-сокотемпературных сверхпроводников. Первые ка-

Рис. 13. Распределение токов по повивам кабеля и эффективность использования сверхпроводника при различных типах скрутки повивов: Trad – традиционная, чередующаяся скрутка; TDT – внутренняя половина

повивов скручена в одну сторону, внешняя – в другую; ОDT – одно направление скрутки для всех повивов

НАУКА И ТЕХНИКА

I max

Km

ax

�7№ 5 (306), 2007 �7№ 5 (306), 2007

бели длиной 30 м испытываются с 2000–2001 годов (рис. 14). Общее время наработки этих кабелей со-ставило более 40 000 ч.

В настоящее время в мире ведется более 10 про-ектов по созданию сверхпроводящих силовых кабе-лей. В 2006 году две сверхпроводящие кабельные линии длиной 200 и 350 м были введены в эксплуа-тацию на подстанции Биксби (штат Огайо) (68 МВА) и в г. Олбани (штат Нью-Йорк) (48 МВА). До конца текущего года будет запущена в эксплуатацию круп-нейшая линия длиной 650 м мощностью 574 МВА в системе электропитания Нью-Йорка.

В России при поддержке Федеральной сетевой компании ЕЭС начат проект по созданию трехфазного кабеля длиной 30 м с током до 2 кА. В 2006 году про-ведены всесторонние исследования ВТСП-лент, раз-работана конструкция кабеля, создан испытательный стенд, изготовлен полномасштабный по сечению от-резок кабеля длиной 5 м, проведены его испытания.

Результаты испытаний на постоянном токе пока-заны на рис. 15. Критический ток кабеля составил

~5 кА, при этом токи на ленту – около 124 А, что рав-но среднему критическому току лент. Таким обра-зом, в данной конструкции полностью используются сверхпроводящие свойства исходных лент.

Результаты испытаний на переменном токе пред-ставлены на рис. 16.

На переменном токе было измерено распределе-ние токов по повивам. Из рис. 16 видно, что разброс токов по повивам на переменном токе составляет ±2,5 %, что говорит о правильном расчете конструк-ции кабеля и адекватной технологии изготовления кабеля. Результаты этих работ были использова-ны для расчетов и конструирования кабеля длиной 30 м. Основные элементы конструкции кабеля пока-заны на рис. 17. В настоящее время кабель изготав-ливается и будет поставлен на испытания в I квар-тале 2008 года.

Рис. 14. Два первых проекта сверхпроводящих кабелей длиной 30 м, установленных в энергосетях

Рис. 15. Результаты испытаний отрезка кабеля длиной 5 м на постоянном токе

НАУКА И ТЕХНИКА

Ток,

кА

Ток

в по

виве

, кА

Нап

ряж

енно

сть

элек

трич

еско

го п

оля,

мкВ

/см

Время, с Полный ток, кАТок на одну ленту, А

Проект NKT 2001–2003 годовПроект Southwire с 2000 года

����

Сверхпроводящие кабельные изделия прошли долгий путь развития. В настоящее время имеется широчайший ассортимент различных сверхпрово-дящих проводов и кабелей как низко-, так и высо-котемпературных, которые могут быть использова-

Рис. 16. Результаты испытаний отрезка кабеля длиной 5 м на переменном токе

ны во многих областях: для научных исследований, в промышленности, медицине, электротехнике и электроэнергетике. Одним из магистральных на-правлений разработки и применения сверхпроводя-щих кабельных изделий являются силовые сверх-проводящие кабели для передачи электроэнергии на основе высокотемпературных сверхпроводников. Работы в этом направлении ведутся широким фрон-том, в том числе и в России при поддержке РАО ЕЭС.

Литература

1. Sytnikov V.E. et al. Coupling losses in superconducting transposed conductors, located in changing magnetic field. Cryogenics, 1989, v 29, № 9, p. 926.

2. Sytnikov V.E. et al. Transport and induced current distribution in superconducting transposed cables. Advance Cryogenic Engineering, v 38 B, Plenum Press, NY, USA, 1992, p. 553.3. Sytnikov V.E. et al. Minimisation of coupling losses in multiwire superconducting cables. IEEE Trans. on Magn. V 27, № 2, part 3, 1991, p. 2494.4. Garber M. et al. Appl. Supercond. Conf., Pithsburgh, 1978, р. 678.5. Peshkov I. et al. Design and first state of 50-meter flexible superconducting cable. IEEE Trans. on Magn. V. 15, N 1, 1979, р. 1299.6. Sytnikov V.E., et al. Influence of the multilayer HTS – cable conductor design on the current distribution.Phycica C. 310. 1998, р. 357.7. Sytnikov V.E., et al. The transport current redistribution between the core layers on the models of HTS cables. Phycica C. 310. 1998, р. 367.

Рис. 17. Конструкция сверхпроводящего силового кабеля длиной 30 м:

1, 2, 3 – центральный несущий элемент – формер; 4, 5, 6, 7 – сверхпроводящий токонесущий слой – два повива; 8, 9, 10 – изоляция; 11 – экран; 12, 13, 14, 15 – криостат: внутренняя гофрированная труба и тепловая изоляция;

16, 17 – внешняя гофрированная труба и защитная оболочка

НАУКА И ТЕХНИКА

Время, с Амплитуда полного тока, кА

Ток

(дей

ству

ющ

ее з

наче

ние)

, А

Ток

в по

виве

(ам

плит

уда)

, кА

Отн

осит

ельн

ый

ток

в по

виве