Буслова Н.В., к.т.н. доц., Малиш Ю.Ю., магістрант

Національний технічний університет України

«Київський політехнічний інститут»

Надпровідні кабелі як сучасний спосіб передачі електроенергії

 

Проблема підвищення пропускної здатності та зменшення втрат енергії з використанням силових кабелів в наш час стає особливо актуальною.   В кабелях з традиційних матеріалів (мідь, алюміній) ця проблема вирішується в основному за рахунок збільшення напруги, а також збільшення перерізу  жил. Максимально досягнуті на практиці значення напруги маслонаповнених кабелів  досягає  500 кВ,  а  передача потужності обмежена 0,5-1,5 ГВт. При цьому виникає  ряд екологічних проблем: блукаючі струми, розігрів грунту, електромагнітне випромінювання  і засмічення грунту маслами поблизу підстанцій і в місцях пошкодження кабелю (при використанні маслонаповнених кабелів). Крім того, необхідно створювати установки компенсації реактивної потужності, а довжина кабельних ліній обмежена [1].

Надпровідні  кабелі  мають можливість підняти рівень переданої потужності до  десятків гігавольтампер при  напрузі 110-220 кВ і  є майже ідеально екологічними, оскільки  електромагнітне поле екранується  повністю і при цьому відсутній розігрів ґрунту. ККД передачі в надпровідному кабелі може становити до 98-99%. Це перш за все пов’язано з тим, що  опір провідників при наднизьких температурах може бути в 1017 разів менший, ніж наприклад, опір міді при температурі 20 0С.  Загасання в режимі надпровідності менше, ніж загасання в звичайних умовах  в 106-108 разів [1].

Властивостями надпровідності володіють ряд металів і сплавів при температурах близьких до абсолютного нуля. Для кожного металу та сплаву існує своя критична температура переходу (Тк), при якій виникає явище надпровідності.

Значення критичних температур переходу для деяких надпровідних металів наведена в табл. 1. Показання наведені за шкалою Кельвіна (К), яка зазвичай використовується для оцінки надпровідних металів. За Кельвіном відлік ведеться від абсолютного нуля (-2730С). Між показаннями за Кельвіном (Тк) і Цельсієм (tc) існують такі співвідношення: tс = Тк-273°; Tk = tc+273°.

          Таблиця 1 - Критичні температури переходу Тк надпровідних металів

Элемент

Ніобій

Свинець

Тантал

Ртуть

Олово

Алюміній

Молібден

Цинк

Уран

Тк, К

9,28

7,19

4,46

4,15

3,73

1,19

0,95

0,88

0,80

З таблиці 1 видно, що температура переходу Тк зі звичайних умов до умов надпровідності у різних металів різна і дорівнює приблизно (1-9) К, що становить   -(272-264)°С. З таблиці також випливає, що найбільшу величину критичної температури переходу має ніобій , потім йде свинець. Близькі до абсолютного нуля – алюміній, цинк, молібден та уран.

Наведені дані надпровідності характерні для постійного струму. При дуже високих частотах опір надпровідності зростає і має кінцеве значення. Так, в області частот інфрачервоного та оптичного діапазонів (1012-1014 )Гц опір надпровідності стає рівним опору провідника в нормальному стані. Тобто, якщо при постійному струмі опір надпровідника дорівнює нулю, то при високих частотах опір досягає значної величини.

Треба зазначити, що далеко не всі метали володіють властивістю надпровідності. Наприклад, такі електричні провідники як срібло, золото не стають надпровідниками. Процес охолодження впливає також на діелектрики, змінюючи їх електричні та фізико-механічні властивості. Діелектричні втрати (tgδ) таких найбільш поширених кабельних матеріалів як поліетилен, полістирол, фторопласт при глибокому охолодженні (t = -260 до -269 °С) приблизно в 100 разів менше, ніж при кімнатних температурах (t = + 20 °С ). Причому, чим нижче температура, тим менше tgd.  Так, для фторопласта tgd становить 2x10-4 (20 °С),  4x10-5 (216 °С) і 3x106 (-269 °С). Частотна залежність tgd охолодженого діелектрика не має різко вираженої залежності [2].

Електрична міцність діелектриків збільшується з пониженням температури. Ймовірність теплового пробою зменшується, тому при низьких температурах електричні втрати малі.

За конструкцією надпровідний кабель має два варіанти виконання – з «теплим» (від 77,4 К до 138 К) і «холодним» (близько 4,2 К)   діелектриком. Кабель з «теплим діелектриком» (рис. 1) схожий з  традиційним кабелем[3].

Рис. 1. Конструкція надпровідного кабелю з «теплим діелектриком»

Охолодження струмоведечих  жил відбувається за рахунок рідкого азоту. В якості ізоляції можуть використовуватися звичайні ізоляційні матеріали, оскільки діелектрик накладається поверх кріостату. При виробництві і монтажі такого кабелю можна використовувати ті ж технології, що і для звичайних кабелів.

У кабелі з холодним діелектриком (рис. 2) струмоведуча жила кабелю оточена коаксіальним надпровідниковим екраном, слугуючим для екранування магнітного поля. Діелектрик розташовується між струмоведучими жилами і екрануючим шаром [3].

Рис. 2. Конструкція надпровідного кабелю з «холодним діелектриком»

Перевагою надпровідних кабелів з холодним діелектриком є ​​можливість розміщення всіх трьох фаз в загальному криостаті (для класу напруг до 35 кВ). Недоліками надпровідного кабелю з «холодним діелектриком» є складна технологія виготовлення і збільшена витрата надпровідних матеріалів.

Як матеріал для провідників застосовується ніобій, свинець, цинк. Ізоляція - з фторопласту або поліетилену. Кабель має досить малі розміри і належить до групи мікрокоаксіальних кабелів [3].

Виходячи з призначення і особливостей надпровідного кабелю, специфічним параметром його є активний опір R. Решта - первинні (L  - індуктивність, C - ємність, G провідність) і вторинні (a - коефіцієнт затухання, b - коефіцієнт фази, Zв – волновий опір, n - швидкість розповсюдження волни) можуть розраховуватися за звичайними формулами.

Розрахунок R надпровідного коаксіальногокабелю може проводитися [4]

де Rsd і RsD - поверхневий опір внутрішнього і зовнішнього провідників;

d і D - діаметри внутрішнього і зовнішнього провідників;

f - розрахункова частота;

f0 - критична частота.

Інші первинні параметри розраховуються за формулами [4]:

Вторинні параметри:

      В таблиці 2 та 3 [4]  приведені розрахункові параметри коаксіальної кабельної лінії при Тк=4.2 К та при Тк=293 К.

Таблиця 2 - Параметри коаксіального кабелю при T = 4,2K

¦, Гц

103

104

105

106

107

108

109

1010

R, Ом/км

3,9*10-12

3,9*10-10

3,9*10-12

3,9*10-12

3,9*10-12

3,9*10-12

3,9*10-12

3,9*10-12

L, Г/км

0,25*10-3

0,25*10-3

0,25*10-3

0,25*10-3

0,25*10-3

0,25*10-3

0,25*10-3

0,2*10-3

C, Ф/км

1*10-7

1*10-7

1*10-7

1*10-7

1*10-7

1*10-7

1*10-7

1*10-7

G, См/км

6,3*10-10

6,3*10-9

6,3*10-8

6,3*10-7

6,3*10-6

6,3*10-5

6,3*10-4

6,3*10-3

a, дБ/км

12,8*10-8

12,8*10-7

12,8*10-6

12,8*10-5

12,8*10-4

12,8*10-3

0,45

33,6

Zв, Ом

47,5

47,5

47,5

47,5

47,5

47,5

47,5

47,5

 

Таблиця 3 - Параметри коаксіального кабелю при T = 293 K

¦, Гц

103

104

105

106

107

108

109

1010

R, Ом/км

40

127

400

1270

4000

12700

40000

127000

L, Г/км

6,56*10-3

2,25*10-3

0,76*10-3

0,42*10-3

0,28*10-3

0,24*10-3

0,23*10-3

0,22*10-3

C, Ф/км

1*10-7

1*10-7

1*10-7

1*10-7

1*10-7

1*10-7

1*10-7

1*10-7

G, См/км

12,5*10-8

12,5*10-7

12,5*10-6

12,5*10-5

12,5*10-4

12,5*10-3

12,5*10-2

12,5*10-1

a, дБ/км

3,6

11,4

36

114

360

1140

3600

11650

Zв, Ом

312

178

106

69,6

53,9

47,5

47,5

47,5

 

 Аналізуючи дані, можна відзначити, що активний опір кабелю в режимі низьких температур істотно менше, ніж при звичайних температурах. Так, при частоті в 1 МГц співвідношення становить 108 разів. Зі збільшенням частоти це співвідношення зменшується і становить 104 разів при 1 ГГц.   Можна вважати, що надпровідний кабель в діапазоні до 108 Гц позбавлений активного опору. Зі зростанням частоти опір зростає. Ємність і індуктивність практично однакові. Провідність ізоляції в надпровідному режимі на 2-3 порядки менше, ніж у звичайному [4].

Можливість працездатності надпровідникового кабелю та системи кріогенного забезпечення були дослідженні за допомогою моделювання однофазного надпровідникового кабелю з використанням програмного забезпечення Solid Works 2013 x64 Edition.

При компонуванні моделі надпровідникового кабелю бралися наступні дані:

-         для провідникової жили в низькотемпературній моделі кабелю використовується свинець;

-         для провідникової жили в високотемпературній моделі кабелю використовується мідь;

-         в якості ізоляційних матеріалів використовується  пироксидносшитий поліетилен;

-         в якості матеріалу для кріостату використовується сталь;

-         охолоджуюча рідина -  рідкий гелій з температурою 4.2 К;

-         початкова швидкість гелію  2 м/с, 6 м/с, 9 м/с;

-         температура зовнішнього середовища 313 К.

Задачею дослідження було визначення розподілу температури, тиску в кріостаті, швидкості гелію вздовж кабелю при відстані від 500 м. до 5000 м.

Результати приведених програмних розрахунків показали, що при досягненні швидкості рідкого гелію до 9 м/с параметри лінії в допустимих нормах і можливе функціонування кабелю в режимі надпровідності.

Треба відмітити, що реальні роботи щодо надпровідникових кабелів почалися після відкриття з’єднання  Nb з Sn. Відомими компаніями світу було розроблено і випробувано ряд зразків і моделей кабелю довжиною від 1 до 115м. Найбільш інтенсивно ці  роботи проводилися в Брукхейвенській національній лабораторії «США» [1].

 На сьогоднішній день у деяких країнах світу в дослідно-промислову експлуатацію запущено кілька коротких надпровідникових кабелів, існують також досить амбітні проекти, реалізація яких дозволить зробити ще один крок на шляху до більшого застосуванню нового покоління кабелів.

Висновки

Використання ефекту надпровідності при створенні кабельних ліній відкриває широкі можливості передачі електромагнітної енергії з дуже малими втратами, що значно підвищує пропускну здатність кабельних мереж.

 

Література:

1.     Журнал «Наука и техника» №5 – 2007 г.

2.     Открытие сверхпроводимости  – глава з книги Дж. Тригг «Физика ХХ века: Ключевые эксперементы»  - 1978 г.

3.     Науковий журнал Кабель-news №12, грудень-січень 2009 р.

     4. Інформація з сайту: http://gendocs.ru/v18016