Высокотемпературные сверхпроводящие кабельные линии постоянного тока – шаг к умным электросетям

В. Е. Сытников, доктор техн. наук, заместитель научного руководителя, АО «НТЦ ФСК ЕЭС»

Т. В. Рябин, заместитель генерального директора, АО «НТЦ ФСК ЕЭС»;

Д. В. Сорокин, канд. техн. наук, начальник Центра системных исследований и разработок ИЭС ААС, АО «НТЦ ФСК ЕЭС»

В большинстве промышленно развитых стран мира ведутся интенсивные исследования и разработка новых видов электротехнических устройств на основе сверхпроводников. Интерес к данным разработкам особенно усилился в последние годы в связи с открытием высокотемпературных сверхпроводников (далее – ВТСП), не требующих сложных и дорогих охлаждающих приборов.

Перспективы внедрения сверхпроводящих кабелей

Именно силовые сверхпроводящие кабели являются наиболее разработанным и продвинутым способом применения сверхпроводимости в электроэнергетике в настоящее время [1, 2]. Основными преимуществами сверхпроводящих кабелей являются:

• высокая эффективность в связи с малыми потерями энергии в сверхпроводнике;
• возможность замены существующего кабеля на кабель с большей передаваемой мощностью при тех же габаритах;
• легкий вес за счет меньшего количества используемого материала;
• увеличение жизненного цикла кабеля в результате замедления процессов старения изоляции;
• низкий импеданс и большая критическая длина;
• отсутствие электромагнитных и тепловых полей рассеяния, экологическая чистота и пожаробезопасность;
• возможность передачи больших мощностей при сравнительно низком напряжении.

СПРАВКА

Совершенно новый материал, который проявлял сверхпроводящие свойства при относительно высоких температурах, был создан в 1986 году сотрудниками IBM Георгом Беднорцом и Алексом Мюллером. Данное открытие, помимо прочего, позволило начать разработку электротехнических устройств на основе сверхпроводников. Как показали современные исследования, проводимые во многих странах мира, такие устройства способны работать при охлаждении дешевым и легкодоступным жидким азотом.

ВТСП КЛ постоянного и переменного тока – инновационная разработка, позволяющая решить значительную часть проблем электрических сетей. Однако при использовании ВТСП КЛ постоянного тока линия становится управляемым элементом сети, регулирующим потоки передаваемой энергии вплоть до реверса передачи. ВТСП КЛ постоянного тока имеют ряд дополнительных преимуществ по сравнению с линиями переменного тока:

• ограничение токов короткого замыкания, что позволяет соединить по низкой стороне отдельные секторы энергосистемы без увеличения токов короткого замыкания;
• повышение устойчивости сети и предотвращение каскадных отключений потребителей за счет взаимного резервирования энергорайонов;
• регулирование распределения потоков мощности в параллельных линиях;
• передача мощности с минимальными потерями в кабеле и, как следствие, снижение требований к криогенной системе;
• возможность связи несинхронизированных энергосистем.

В электрических сетях возможно создание схемы с применением как ВТСП КЛ переменного, так и линий постоянного тока. Обе системы имеют свои предпочтительные области применения, и в конечном итоге выбор определяется как техническими, так и экономическими соображениями.

Сверхпроводящие вставки между подстанциями в мегаполисах

Энергетические сети мегаполисов являются динамично развивающейся структурой, которая имеет следующие особенности:

• быстрый рост потребления энергии, что обычно превышает средний темп роста потребления по всей стране;
• высокая плотность энергопотребления;
• наличие дефицитных по энергообеспечению районов;
• высокая степень разветвленности распределительных электрических сетей, что обусловлено необходимостью многократного дублирования линий электроснабжения потребителей;
• секционирование электрической сети с целью уменьшения токов короткого замыкания.

Все эти факторы определяют основные проблемы в сетях городских агломераций:

• высокий уровень потерь электроэнергии в распределительных сетях;
• высокие уровни токов короткого замыкания, значения которых в некоторых случаях превосходят отключающую способность коммутационного оборудования;
• низкий уровень управляемости.

При этом загрузка подстанций в городе очень неравномерна. Во многих случаях трансформаторы подстанций загружены только на 30–60 %. Как правило, подстанции глубокого ввода в городах запитываются по отдельным линиям высокого напряжения. Соединение подстанций на стороне среднего напряжения может обеспечить взаимное резервирование энергорайонов и высвободить резервные трансформаторные мощности, что в конечном итоге приведет к снижению потерь энергии в сети. Кроме того, такой тип подключения позволяет использовать высвободившиеся мощности для подключения дополнительной нагрузки без необходимости ввода в эксплуатацию новых трансформаторов или строительства новых подстанций и линий электропередачи [3–5].

При наличии вставки (рис. 1) три трансформатора полностью обеспечат электроэнергией присоединенных потребителей при загрузке не более 80 %. Четвертый трансформатор и питающая его линия могут быть выведены в оперативный резерв, что приведет к снижению потерь энергии. Также они могут использоваться для подключения дополнительных потребителей. Такая вставка может быть выполнена как по традиционным технологиям, так и с использованием сверхпроводящих кабельных линий.

Рисунок 1. Возможная схема соединения двух подстанций

Основной проблемой при реализации такой схемы является тот факт, что прямое соединение подстанций приведет к существенному увеличению тока короткого замыкания. Данная схема станет работоспособной только в случае, если вставка будет выполнять две функции: передачу мощности и ограничение токов короткого замыкания. Следовательно, при передаче больших потоков энергии на распределительном напряжении сверхпроводящие линии имеют неоспоримые преимущества.

Решение задачи создания вставки сулит большие перспективы по совершенствованию систем электроснабжения мегаполисов. В настоящее время в мире осуществляются три крупных научных проекта, имеющих целью передачу высокой мощности на среднем напряжении между двумя подстанциями при одновременном ограничении токов короткого замыкания: проект HYDRA, Нью-Йорк, США; проект AmpaCity, Эссен, Германия²; проект «Санкт-Петербург», Россия [3, 6]. На последнем проекте остановимся подробнее.

Российская ВТСП КЛ постоянного тока

Цель проекта «Санкт-Петербург» – разработка и установка сверхпроводящей линии постоянного тока мощностью 50 МВт между двумя городскими подстанциями с целью повышения надежности электроснабжения потребителей и ограничения тока короткого замыкания в городской сети Северной столицы. Проект предусматривает монтаж кабельных линий между подстанцией 330/20 кВ «Центральная» и подстанцией 220/20 кВ РП 9 (рис. 2). Сверхпроводящая линия постоянного тока свяжет две подстанции на стороне среднего напряжения 20 кВ. Длина линии – 2 500 м, а передаваемая мощность – 50 МВт. В петербургском проекте функции передачи мощности и ограничения токов короткого замыкания разделены между кабелем и преобразователями при их соответствующей настройке. Сверхпроводящий кабель постоянного тока, в отличие от кабеля переменного тока, не имеет потерь энергии, что существенно снижает требования к мощности криогенной установки. Однако при данной схеме возникают дополнительные потери энергии в преобразователях. Линия постоянного тока является активным элементом сети и позволяет управлять энергетическими потоками в прилегающих линиях как по направлению, так и по мощности передачи.

Рисунок 2. Объекты внедрения ВТСП КЛ постоянного тока в схеме электроснабжения Санкт-Пепербурга

Влияние проекта на электрические режимы

В энергорайоне ПС 330 кВ «Центральная» и ПС 220 кВ РП 9 (далее – Центральная/РП 9) возможно возникновение ряда послеаварийных режимов, обусловленных аварийным отключением линий электропередачи и связанных с нарушением электроснабжения потребителей (выделением энергорайонов на изолированную нагрузку).

Расчеты показали, что резервирование электроснабжения потребителей за счет строительства и ввода в эксплуатацию линии электропередачи переменного тока (традиционной кабельной или воздушной линии электропередачи) Центральная/РП 9 невозможно, так как это повышает тяжесть послеаварийных режимов. Избежать этого можно за счет ввода в эксплуатацию управляемой передачи постоянного тока с ВТСП КЛ постоянного тока.

Управление величиной и направлением потока мощности ВТСП КЛ постоянного тока позволяет также обеспечить возможность:

• снижения потерь активной мощности в электрических сетях (за счет перераспределения и ликвидации транзитных потоков мощности);
• подключения новых потребителей на базе существующей электросетевой инфраструктуры (за счет перераспределения потоков мощности и снятия токовых перегрузок электрических сетей в нормальных эксплуатационных и послеаварийных режимах энергосистем).

Влияние проекта на уровень токов короткого замыкания

Расчеты токов короткого замыкания выполнены³ для случая ввода в схему традиционной кабельной линии переменного тока, а также ВТСП КЛ постоянного тока. По результатам расчетов (табл. 1) приходим к выводу, что включение в схему электроснабжения Санкт-Петербурга кабельной линии переменного тока Центральная/РП 9 приводит к росту величины тока короткого замыкания выше уровня номинального тока отключения выключателей. Это означает, что потребуется реализация дополнительных токоограничивающих мероприятий или замена коммутационных аппаратов на подстанциях. Применение же ВСТП КЛ постоянного тока (таб. 3) не приводит к увеличению токов короткого замыкания в энергосистеме.

Таблица 1 Результаты расчета токов короткого замыкания

Узел расчета токов короткого замыкания Iоткл, кА КЛ переменного тока ВТСП КЛ постоянного тока     I3, кА I1, кА I3, кА I1, кА Шины 110 кВ ПС «Центральная» 40,0 39,8 45,6 18,4 20,9 Шины 110 кВ ПС РП-9 31,5 40,6 46,0 29,5 31,4

Обозначения: I3 – ток трехфазного короткого замыкания; I1 – ток однофазного короткого замыкания; I откл – номинальный ток отключения выключателей (принят по состоянию выключателей подстанции на уровне 2014 года).

Оценка потерь энергии в сверхпроводящих линиях

В линиях переменного тока среднего напряжения потери электрической энергии возникают в самом кабеле, электрической изоляции и токовых вводах. В линии постоянного тока потери энергии в кабеле и изоляции отсутствуют, однако они есть в преобразовательных устройствах, токовых вводах. Кроме того, криогенная система потребляет электроэнергию для компенсации всех теплопритоков в холодную зону и для прокачки хладагента по всей трассе.

Таблица 2 Сравнительные характеристики ВСТП кабельной линии

Параметры ВТСП КЛ Год 2011 2015 Напряжение, кВ 20 20 80 Мощность, МВт 50 50 200 Длина, м 2 500 2 500 2 500 Стоимость, млрд руб. 3,79 1,62 1,95 Удельная стоимость, тыс. руб./МВт·м 30,3 12,9 3,9

Для трехфазной линии переменного тока среднего напряжения на передаваемую мощность 100 МВА потери энергии на фазу складываются из следующих величин:

• электромагнитные потери в жиле кабеля – 1,0–1,5 Вт/м;
• теплопритоки через криостат – 1,5 Вт/м;
• теплопритоки через токовводы – (200–300 Вт) x 2;
• потери энергии в изоляции – порядка 0,1 Вт/м.

Общие теплопритоки в холодную зону при длине трехфазной линии 10 км составят 78,5–93,5 кВт. Умножая эту величину на типичное значение коэффициента рефрижерации, равное 20, получим 1,57–1,87 МВА, или менее 2% от передаваемой мощности.

Для аналогичной линии постоянного тока теплоприток в холодную зону ограничивается только теплопритоками через криостат и токовводы. Тогда общие потери энергии в кабеле длиной 10 км с учетом криогенной системы составят 0,31 МВА, или 0,31 % от передаваемой мощности.

Для оценки общих потерь в линии постоянного тока следует прибавить потери в преобразователях – 2% от передаваемой мощности. Итоговые потери в ВТСП КЛ постоянного тока длиной 10 км на передаваемую мощность 100 МВт оцениваются величиной не более 2,5 % от передаваемой мощности.

Таблица 3 Проектные параметры ВТСП кабельной линии постоянного тока

Передаваемая мощность 50 МВт Тип преобразователей 12-пульсный Номинальное напряжение 20 кВ Возможность реверса Предусмотрена Номинальный ток 2 500 А Холодопроизво- дительность криогенной установки 12 кВт при 70 К Рабочая температура 66–80 К Давление жидкого азота До 1,4 МРа Длина 2 500 м Расход жидкого азота 0,1–0,6 кг/с

Приведенные оценки показывают, что потери энергии в сверхпроводящих кабельных линиях существенно меньше, чем в традиционных кабельных линиях. При увеличении передаваемой мощности процент потерь энергии снижается. При сегодняшнем уровне характеристик материалов возможна передача энергии 150–300 МВт при напряжении 20 кВ и до 1 000 МВт при 110 кВ.

Возможности внедрения

Успешные испытания ВТСП КЛ постоянного и переменного [7] токов продемонстрировали высокую эффективность сверхпроводящих линий.

Одним из основных преимуществ сверхпроводящих кабельных линий является возможность передачи больших потоков энергии (сотни мегаватт) на распределительном напряжении. Эти открывшиеся новые возможности целесообразно учитывать и использовать при проектировании или кардинальной реконструкции сетевых объектов.

Например, при реконструкции/создании энергосистемы Новой Москвы целесообразно было бы предусмотреть создание продольных мощных сверхпроводящих линий, а несколько мощных подстанций связать в кольцевую структуру сверхпроводящими линиями постоянного тока на стороне среднего напряжения. Это позволит существенно повысить энергоэффективность сети, уменьшить количество базовых подстанций, обеспечить высокую управляемость энергопотоками и в конечном счете увеличить надежность энергоснабжения потребителей. Такая сеть может стать реальным прообразом умной сети будущего.

Литература

1. Глебов И. А., Черноплеков Н. А., Альтов В. А. Сверхпроводниковые технологии – новый этап в развитии электротехники и энергетики // Сверхпроводимость: исследования и разработки. 2002. № 41.
2. Сытников В. Е. Сверхпроводящие кабели и перспективы их использования в энергетических системах XXI века // Сверхпроводимость: исследования и разработки. 2011. № 15.
3. EPRI. Superconducting Power Equipment Technology Watch 2012. Palo Alto, CA, USA, 2012.
4. Stemmle M., Merschel R, Noe M. Physics Procedia 36 (2012).
5. Сытников В. E., Копылов С. И., Шакарян Ю. Г., Кривецкий И. В. ВТСП передача постоянного тока как элемент «интеллектуальной сети» крупных городов. Материалы 1-й Национальной конференции по прикладной сверхпроводимости. М. : НИЦ «Курчатовский институт», 2013.
6. Kopylov S., Sytnikov V., Bemert S. et. al. // Journal Physics.: Conference. Series. 2014. V. 507. P. 032047.
7. Волков Э. П., Высоцкий B. C., Kapпышев A. B., Костюк В. В., Сытников В. Е., Фирсов В. П. Создание первого в России сверхпроводящего кабеля с использованием явления высокотемпературной сверхпроводимости. Сборник статей РАН «Инновационные технологии в энергетике» под ред. Э. П. Волкова и В. В. Костюка. М. : Наука, 2010.

¹ Основное внимание в статье уделено результатам испытаний и перспективам широкого внедрения в электроэнергетику ВТСП кабельных линий постоянного тока.

² 1. Проект HYDRA, Нью-Йорк, США [1, 6]. Цель проекта – разработка и установка сверхпроводящей кабельной линии переменного тока между двумя городскими подстанциями в Нью-Йорке. Линия должна обеспечивать связь с высокой пропускной способностью (96 МВА) между подстанциями на стороне вторичной обмотки трансформаторов (13,8 кВ). Кабельная система будет иметь способность ограничивать ток короткого замыкания за счет быстрого перехода в нормально проводящее состояние ВТСП лент второго поколения. За счет этого обеспечивается низкое значение сопротивления линии в номинальном режиме (сверхпроводящее состояние линии) и переход в состояние с высоким сопротивлением при перегрузке по току.
В проекте HYDRA сочетаются функции передачи большой мощности и ограничения тока в одном устройстве – сверхпроводящем кабеле специальной конструкции. Это делает чрезвычайно сложной задачу оптимизации кабеля с учетом возможных сетевых режимов, условий охлаждения и прокладки кабеля. Кроме того, технические решения, разработанные для одного проекта, не могут тиражироваться для других в силу различных режимных условий и условий прокладки, а значит, и условий охлаждения кабеля, который периодически должен переходить из сверхпроводящего состояния в нормально проводящее.
2. Проект AmpaCity, Эссен, Германия [2, 7]. Цель проекта – разработка и установка сверхпроводящей передачи переменного тока мощностью 40 МВА между двумя городскими подстанциями. Передача состоит из сверхпроводящего кабеля длиной 1 000 м и токоограничителя на напряжение 10 кВ, включенных последовательно. Эта передача соединяет две подстанции 110/10 кВ Herkules и Dellbrugge в центре города Эссен. Реализация проекта позволит вывести из эксплуатации один трансформатор мощностью 40 МВА и линию 110 кВ.
В проекте AmpaCity функции передачи мощности и ограничения токов короткого замыкания разделены между кабелем и токоограничителем. Это упрощает задачу разработки каждого устройства и позволяет изготавливать кабель с высокой степенью стабилизации, что невозможно в проекте HYDRA. Разумеется, требуется согласование характеристик кабеля и токоограничителя, однако это не является сложной задачей, и разработанные при выполнении проекта технические решения могут тиражироваться при разработке других линий с аналогичными параметрами.

³ Расчеты выполнены на базе применения перспективной схемы энергосистемы Санкт-Петербурга и Ленинградской области на 2020 год.