Элементы проектирования криогенных систем электропередач

Предварительные сведения
Известно, что каждые 10 лет потребление электроэнергии увеличивается в 2—3 раза. Это приводит к необходимости увеличения единичной мощности элементов электрических систем (генераторов, трансформаторов, линий электропередачи). Уже в ближайшее время потребуются воздушные электропередачи напряжением до 1200—1500 кВ. Дальнейшее повышение напряжения будет, по-видимому, затруднено из-за предельного использования изоляционных свойств воздуха. Для воздушных линий высокого напряжения требуется большая площадь отчуждаемых земель. Во многих случаях прокладка мощных воздушных линий вообще невозможна из-за стесненности территории. Кроме того, в протяженных электропередачах возникают значительные потери мощности (до 5—10%).
Большие проблемы возникают при разработке и проектировании крупных генераторов (мощностью 1 ГВт и выше) для тепловых и атомных электростанций из-за ограничений по габариту и весу заготовок и транспортировке изготовленных генераторов. Аналогичные трудности имеются и при разработке мощных трансформаторов. Использование однофазных трансформаторов приводит к сильному увеличению расхода материалов.
В связи с этим возникает необходимость в разработке новых компактных конструкций основных элементов электрических систем на большие мощности. Один из путей создания таких устройств заключается в использовании криогенных температур. На базе их могут быть созданы генераторы единичной мощностью до 10 ГВт, трансформаторы до 6—8 ГВ/А, электропередачи до 100 ГВ • А. Повышение единичной мощности достигается при этом не за счет повышения номинальных напряжений, а за счет увеличения рабочих токов.
Криогенные температуры позволяют создать накопители электроэнергии величиной до 30 ГВт-ч и изменить тем самым структуру энергосистемы.
Различные криогенные электроэнергетические устройства могут включаться в энергосистему независимо друг от друга либо совместно, создавая криогенные системы электропередачи из генераторов, трансформаторов, линий электропередачи и накопителей электроэнергии.
К криогенным относятся криорезистивные и сверхпроводящие устройства. В криорезистивных устройствах используется глубокое охлаждение токоведущих элементов до температур 80—20 К, при которых активное сопротивление снижается в 10—200 раз. В сверхпроводящих устройствах проводники охлаждаются до температуры ниже критической и переводятся в состояние сверхпроводимости. Физико-технические свойства проводников при низких температурах и технические данные проводников приведены в работах [1, 35, 40, 42, 44].
К основным факторам, определяющим целесообразность применения того или иного металла для токопроводов криорезистивных линий, относятся сопротивление металла при глубоком охлаждении, стоимость проводников и способность поддаваться обработке. С учетом этих факторов наиболее подходящими металлами являются медь, алюминий и бериллий. Сопротивление при низких температурах сильно зависит от чистоты металла. Изменение сопротивления при снижении температуры для различных металлов происходит непропорционально. Так, при температуре жидкого азота (77 К) сопротивления меди и алюминия близки, а при температуре жидкого водорода (20,4 К) сопротивление меди значительно ниже, и только экстрачистый алюминий по сопротивлению приближается к меди.
При выборе материала проводников следует считаться с наличием магнитосопротивления, которое характеризуется тем,, что сопротивление чистых металлов при низких температурах достаточно сильно зависит от магнитного поля и его направления. Значительное увеличение сопротивления в магнитном поле наблюдается у бериллия. Наименьшее изменение сопротивления происходит у алюминия.
Медь и алюминий легко обрабатываются. Токопроводы фаз из них могут быть выполнены в виде полых труб, отдельных проволок и т. п. Бериллий же при низких температурах обладает хрупкостью. Стоимость алюминия в 20—30 раз меньше стоимости меди и бериллия.
На основе общего анализа можно сделать вывод о том, что для криорезистивных устройств основной интерес представляет чистый алюминий. Однако окончательный вариант проводникового материала для конкретных устройств выбирается на основании технико-экономических расчетов.
К наиболее пригодным для электропередач сверхпроводникам относятся те, которые обладают высокими критической температурой и критическими полями, большими критическими токами, малыми потерями, гибкостью и ковкостью. К сожалению, ни один из известных сверхпроводников не обладает одновременно всеми указанными свойствами.
В настоящее время открыты сверхпроводники с максимальной критической температурой 20 К- Поэтому в качестве хладагента может применяться только жидкий гелий (температура 4,2 К) либо газообразный гелий (температура менее 20 К). В этих условиях для электропередачи могут быть применены только сверхпроводники, имеющие критическую температуру от 8—9 до 20 К. К таким сверхпроводникам относятся сплавы и соединения, а из металлов — ниобий.
Большинство чистых металлов не пригодно для электропередач, потому что они относятся к сверхпроводникам I рода (кроме ниобия и ванадия) и обладают низкими критическими полями, хотя и имеют малые потери.
Сверхпроводники II рода, напротив, имеют большое верхнее критическое поле и в смешанном состоянии могут передавать большие объемные токи при высокой плотности тока. Однако при переменном токе они характеризуются большими потерями мощности.
Следует обратить внимание на то, что абсолютная величина самих потерь в любых сверхпроводниках несоизмеримо мала по сравнению с потерями в нормальных проводниках и практически не оказывает влияния на к.п.д. электропередачи. Однако эти потери чрезвычайно важны с точки зрения их отвода из холодной зоны и требующихся для этого значительных затрат.
С учетом сочетания критических параметров Гк, Як, к и потерь АРсд перспективными для электропередач сверхпроводниками являются Nb3Sn, Nb—T1 и Nb, хотя и другие сверхпроводники также могут найти применение.
Соединение Nb3Sn обладает высокими значениями критической температуры Тк и верхнего критического поля Як2. Потери в нем больше, чем в ниобии. К недостаткам относятся также твердость и хрупкость, в то время как ниобий характеризуется хорошей гибкостью.
Ниобий имеет более высокое значение нижнего критического поля, что дает возможность применять его для работы в полях Я<Якь С другой стороны, вследствие наличия у соединения Nb3Sn высоких значений Тк и Як2 он способен к большей токовой перегрузке, чем ниобий.
В проектах сверхпроводящих электропередач выбор материала сверхпроводника должен производиться на основе .технико-экономических расчетов.