Развитие технологий высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) обсудили на НТС Компании «Россети»

26 апреля 2018 года в Москве состоялось очередное заседание секции «Технологии и оборудование линий электропередачи» научно-технического совета (НТС) ПАО «Россети». Основной темой обсуждения на этот раз стали сверхпроводящие линии электропередачи.

Состоявшийся НТС стал по-своему уникальным не только за счет выбранной темы, которую многие до сих пор считают футуристической, но и за счет состава участников: впервые на заседаниях НТС обсуждаемую тему открывал доклад иностранного коллеги. О возможностях использования сверхпроводящих линий постоянного тока в качестве наиболее эффективного способа транспортировки электрической энергии, а также обзором основных энергетических трендов XXI века собравшимся рассказал представитель CASER — Сатаро Ямагучи (Университета Чубу, Япония).

Приглашенный гость обратил внимание собравшихся на то, что все более и более ощутимым становится переход от газа и других энергоносителей к электричеству. В настоящее время, если говорить о первичных энергоносителях, 40% в странах Америки и Европы, включая Россию, занимает электроэнергия. А в целом по миру этот показатель первичной энергии составляет 20%. Согласно прогнозам, к концу XXI века доля электроэнергии в общем энергобалансе составит 50%.

Приведенные докладчиком сравнительные данные, иллюстрирующие эффективность применения различных способов передачи энергии, продемонстрировали безусловное преимущество сверхпроводящих линий электропередачи постоянного тока. В частности, при применении сверхпроводящих ЛЭП потери очень низкие. Поэтому существуют значительные преимущества, связанные с передачей электроэнергии на ультрадлинные расстояния при низком напряжении. Еще одним немаловажным фактором в современных условиях является существенно меньшая полоса отчуждения для строительства сверхпроводящей кабельной линии по сравнению с традиционными воздушными ЛЭП.

Безусловно, при строительстве сверхпроводящих линий электропередачи возникают свои особенности, требующие поиска технических решений. Среди них: организация тепловой компенсации (расширение, сжатие) трубопровода сверхпроводящего кабеля, необходимость снижения теплообмена (проникновения высокой температуры в кабель), решение задачи циркуляции хладагента для длинной линии и другие.

В своем докладе Сатаро Ямагучи рассказал участникам НТС о применяемых в Японии технологиях решения этих инженерных задач. Для этого применяется специальная конструкция трубы-криостата, применяется спиральная завивка кабеля, уложенного в трубе. Для обеспечения рабочего тока в высокотемпературного сверхпроводящего кабеля (ВТСП) по всей длине линии должна поддерживаться низкая температура, поскольку критический ток сверхпроводника сильно падает с повышением температуры. При этом необходимо максимально снизить гидравлическое сопротивление потока хладагента. Благодаря использованию теплового экрана тепловые потери находятся на крайне низком уровне, что позволяет увеличить длину ВТСП кабеля до 50 км и даже до 100 км, а использование разработанного криооборудования позволит еще больше снизить тепловые потери.

Решение упомянутых вопросов делает реальностью начало практического применения технологий ВТСП не только при создании линий большой протяженности, но и при строительстве распределительных электрических сетей крупных городов (таких, как Москва и Токио). Охлаждающие устройства можно устанавливать на электростанциях или на подстанциях, и все это замкнуть в единую систему. В общих чертах это выглядит таким образом: охлаждающие станции находятся на расстоянии от 5 до 20 км друг от друга, на них установлены охлаждающие агрегаты, насосы, системы мониторинга или системы вакуумных насосов, и системы безопасности.

Таким образом, основной вопрос, который необходимо решить для начала промышленного внедрения технологий ВТСП – это снижение затрат. В качестве одного из способов оптимизации Сатаро Ямагучи было предложено создать гибридную линию, совмещающую в себе функцию высокотемпературной сверхпроводимости и передачи сжиженного природного газа. Также одним из способов повышения общей экономической эффективности проекта создания длинных ВТСП-линий между энергосистемами разных стран была обозначена возможность использования разницы часовых поясов для передачи дешевой «ночной» электроэнергии из одной энергосистемы в другую.

Все это, по словам японского гостя, открывает огромные возможности по использованию ВТСП-линий уже в самом ближайшем будущем.

Российской практике создания ВТСП-линий был посвящен доклад Руководителя Центра КМиС АО «НТЦ ФСК ЕЭС» Андрея Кащеева, который рассказал о текущем статусе и накопленном опыте в рамках реализации проекта по разработке и строительству СПК-линии для установки на длительную эксплуатацию в Санкт-Петербурге.

Проект имеет довольно длительную историю, еще со времен существования РАО «ЕЭС России». Предпосылкой является то, что по итогам комплексного энергообследования энергосистемы Санкт-Петербурга, которое было организовано НИИПТ, был выявлен ряд узлов, где существовала серьезная проблема повышения режимной управляемости и ограничения уровня токов короткого замыкания. Поэтому, исходя из проведенного анализа, наиболее эффективным методом решения этой проблемы определена вставка постоянного тока на основе высокотемпературной сверхпроводимости, и реализацией этого проекта занимается ПАО «ФСК ЕЭС».

Проект в Санкт-Петербурге, реализация которого должна завершиться в 2020 году, соединит две подстанции различного класса напряжений – это центральная подстанция 330 кВ и подстанция 220 кВ РП-9. Протяженность трассы составляет 2,5 км, передаваемая мощность 50 МВт. На сегодняшний день в части протяженности трассы данный проект является условно крупнейшим в мире. Трассы проходят по центру города, поэтому внимание к этому проекту со стороны не только технического сообщества, но и со стороны администрации и общественности повышенное.

Ресурсные испытания ВТСП-линии завершились успешно в 2017 году. Испытания проводились на двух строительных длинах, суммарная длина составила 860 метров. По итогам ресурсных испытаний была также подтверждена полная корректность работы всех без исключения узлов системы криогенного обеспечения. Был определен рабочий диапазон, при котором оборудование работает безотказно, и при этом обеспечивается эффект сверхпроводимости на всей длине ВТСП-кабеля.

На полигоне НТЦ «ФСК ЕЭС» были проведены испытания ВТСП-кабельной линии в условиях, приближенных к реальным условиям эксплуатации на объекте, установленном в Санкт-Петербурге. В настоящее время проводятся испытания аварийных режимов и системы аварийных блокировок и защит для того, чтобы повысить надежность эксплуатации кабельной линии на объекте установки. Результаты испытаний демонстрируют надежное обеспечение сверхпроводникового эффекта в высокотемпературной сверхпроводниковой кабельной линии, что является отправной точкой для того, чтобы внедрять подобные решения в электроэнергетику.

По мнению Андрея Кащеева, разработанные и апробированные ВТСП-решения во многом могут составить конкуренцию имеющимся на сегодняшний день традиционным решениям по передаче энергии благодаря своим уникальным характеристикам. Для полномасштабного тиражирования результатов Проекта необходима административная поддержка путем инициирования мероприятий по комплексному обследованию энергосистем мегаполисов для выявления перспективных площадок для внедрения ВТСП-линий постоянного и переменного тока.

Всеми участниками НТС были отмечены высокие перспективы применения технологий высокотемпературной сверхпроводимости в электроэнергетике. Все представленные для обсуждения проекты получили высокую оценку экспертного сообщества, а их результаты были признаны особо важными вехами для дальнейшего развития этого направления.

Справочно:

Коллегиальный совещательный орган НТС ПАО «Россети» ведет работу с 2013 года и рассматривает стратегические, концептуальные и программные документы инновационного развития ПАО «Россети», научно-технические вопросы, способствует выработке перспективных направлений развития электросетевого комплекса, формированию технических решений для перевооружения энергообъектов, оценке эффективности проводимых прикладных и фундаментальных научных исследований, формирует предложения по использованию научно-технических достижений и передового опыта зарубежных стран при решении производственных задач и вопросов совершенствования ресурсного обеспечения инновационной деятельности ПАО «Россети».

Состав Научно-технического совета формируется из числа руководителей и экспертов ПАО «Россети» и ДЗО, руководителей компаний электросетевого комплекса, Российской академии наук, АО «СО ЕЭС», АО «НТЦ ФСК ЕЭС», а также ведущих ученых и сотрудников научно-исследовательских, проектных организаций и образовательных учреждений.

Екатерина Гусева, руководитель журнала «ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение», член Правления НП «Электросетьизоляция», работает в составе Секции 1 «Технологии и оборудование линии электропередачи» с сентября 2013 года.

Источник: журнал «ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение»