Файл: 1. Приемники электрической энергии Введение.pdf

54
Рис. 44. Структура сверхпроводящего кабеля
Иногда в подобных конструкциях применяют двойное охлаждение – гелиевое и азотное, но в последнее время предпочитают лишь азотное, поскольку оно дешевле.
Из-за крайне низких температур обеспечение высокой механической прочности кабеля является сложной задачей. Его несущим элементом служит пучок медных проводов или спираль из нержавеющей стали, по которым прокачивается жидкий хладагент. Поверх несущего элемента наматывается собственно сверхпроводник, представляющий собой набор лент из нержавеющей стали с тонким напылением сверхпроводящего материала.
Если кабель трехфазный, то таких ленточных конструкций будет три, разделенных слоями диэлектрика.
Поверх фазных проводников располагается медная оболочка, выполняющая роль нулевого провода.
Снаружи этой оболочки проходит обратный канал прокачки хладагента, ограниченный снаружи теплоизоляцией, обычно включающей вакуумные полости и различные инновационные материалы. Все вышеперечисленные элементы сверху закрыты внешней защитной оболочкой.
Обратный канал для жидкого гелия
Сверхпроводящая лента
(3 фазы)
Медная оболочка для термостабилизации/ экран/нулевой провод
Диэлектрик
Теплоизоляция криостата
Каркас для жидкого азота

55
Наша страна в области разработки и внедрения сверхпроводниковых кабелей находится в числе мировых лидеров. Среди фирм-разработчиков особо выделяется ЗАО «СуперОкс», зародившееся в МГУ имени М.В.
Ломоносова. Наиболее передовой продукт этой компании – сверхпроводящая лента второго поколения. Она представляет собой подложку из специальной нержавеющей стали, на которую по специальной технологии нанесены тонкие пленки из различных материалов, в числе которых собственно сверхпроводящий материал – купрат гадолиния-бария. При толщине пленки не более 2 микрон обеспечивается фантастическая плотность тока – 500
А/мм
2
, что больше, чем у медного кабеля, в сотни раз! Этот инновационный продукт оказался востребован не только в России. Он импортируется в
Японию и Евросоюз.
Использование подобных кабелей в составе реальных систем электроснабжения уже испытано в нескольких странах мира. В 2010 году в
Париже заявили об установлении нового мирового рекорда по передаче электроэнергии. Однофазный коаксиальный кабель, рассчитанный на среднее напряжение 24 кВ, выдержал нагрузку в 3200 А в течение 10 циклов по 8 часов, причем номинальное напряжение было превышено в 2 раза. А в
Германии в 2014 году впервые сверхпроводящий кабель использовали в городской системе энергоснабжения. В городе Эссене трехфазный сверхпроводящий кабель длиной 1 км соединил две трансформаторные подстанции. Он работает при напряжении 10 кВ, в отличие от прежнего, на напряжение 100 кВ. Пропускная способность данного кабеля в 5 раз выше, чем у медного соответствующих габаритов.
В нашей стране кабель переменного тока длиной 200 м разрабатывался и испытывался совместно несколькими научно-производственными объединениями. Разработка началась в 2005 г., а в 2009 г. был создан опытный образец, успешно прошедший испытания на специально созданном уникальном полигоне. Результаты испытаний подтвердили все преимущества сверхпроводниковых технологий.

56
После этого успеха была принята и в настоящее время близится к завершению НИОКР «Создание высокотемпературной сверхпроводящей кабельной линии постоянного тока на напряжение 20 кВ с током 2500 А длиной до 2500 м». Пробные отрезки кабеля длиной по 30 м, изготовленные на заводе «Иркутсккабель», успешно прошли испытания в 2013 году.
Испытания необходимого преобразовательного оборудования мощностью 50
МВт прошли в 2014 году. Практическое внедрение кабеля длиной 2,5 км ожидается в ближайшее время в Санкт-Петербурге.
Эффект от внедрения таких ЛЭП, кроме повышения нагрузочной способности, заключается еще в снижении эксплуатационных потерь, потому что не будет затрачиваться энергия на нагрев проводов и увеличится их срок службы. Дополнительными преимуществами следует считать уменьшение площади отчуждаемых земель, экологическую чистоту и пожаробезопасность. В крупных городах упростится распределение энергии, так как повышение пропускной способности позволит сократить количество трансформаторных подстанций. В более отдаленной перспективе ожидается создание глобальной энергетической сети на основе сверхпроводящих технологий.
Много сложных проблем в эксплуатации линий электропередачи связано с токами короткого замыкания, величины которых определяют нагрузочную способность высоковольтных выключателей и некоторых других коммутационных устройств. Здесь сверхпроводники могут сыграть крайне важную роль. Их замечательные свойства проявляются лишь до некоторого порогового значения тока, а при его превышении утрачиваются, то есть сверхпроводник становится обычным проводником. Это свойство естественным образом ограничивает ток короткого замыкания и, следовательно, упрощает и удешевляет коммутацию высоковольтных цепей.
Срабатывание сверхпроводящих ограничителей короткого замыкания занимает не более ¼ периода колебания тока. В результате вместо

57 дорогостоящих элегазовых выключателей можно применять более дешевые воздушные.
Специалисты утверждают, что наиболее необходимыми и востребованными для электроэнергетики являются сверхпроводящие ограничители тока короткого замыкания (КЗ) на уровни напряжения от 100 кВ и выше. Обычных устройств такого класса напряжения не существует и без сверхпроводимости здесь просто не обойтись. Такие проекты уже обсуждаются в нашей стране.
Интересным и перспективным устройством в ЛЭП может стать сверхпроводящий индуктивный накопитель энергии. Ток в замкнутой обмотке может протекать без потерь до тех пор, пока он не понадобится, например, для компенсации скачка напряжения в ЛЭП. Это позволит обеспечивать более высокое качество электроэнергии.
Применение сверхпроводников позволяет изготавливать сверхмощные электромагниты, с помощью которых стала возможной реализация принципиально новых технологий в самых различных областях – от медицины до транспорта. Так, еще в 80-х годах 20-го века была введена в эксплуатацию первая в мире установка термоядерного синтеза Т-7, содержащая сверхпроводящие катушки электромагнитов. Подобные же катушки использовались во многих других ускорителях элементарных частиц, включая знаменитый адронный коллайдер.
Сильные электромагниты широко применяются в медицине, в частности в установках магнитно-резонансной томографии. Новые возможности сверхпроводящие технологии могут открыть и в области компьютеров, прежде всего многократно повысить их быстродействие.
С помощью сверхпроводников может быть обеспечена магнитная левитация, позволяющая высокоскоростным поездам двигаться плавно, без шума и трения. Опытные образцы таких поездов успешно испытаны в
Японии, Китае и некоторых других странах. Также магнитная левитация позволяет создать магнитные аналоги подшипников, что позволяет

58 полностью исключить трение во вращающихся системах. В частности, это может решить проблему запаса энергии в маховиках, что с учетом развития нанотехнологий считается перспективным.
Способность сверхпроводников полностью экранировать магнитное поле может найти самое широкое применение, вплоть до военного. В частности, это может защитить людей и аппаратуру от воздействия электромагнитного импульса, сопровождающего ядерный взрыв.
Рассмотренные при изучении проблем передачи электроэнергии сверхпроводящие технологии в последнее время нашли применение и в электрических машинах. Имеет место выраженная тенденция расширения областей их применения. Первые практические результаты в этой сфере уже есть, и они убедительно доказывают, что даже с учетом криосистемы такие устройства в несколько раз превосходят традиционные аналоги по удельной мощности. Они, прежде всего, могут найти применение в авиации, судостроении, мобильных и стационарных энергоустановках.
В первых версиях генераторов сверхпроводники применялись только в обмотке возбуждения, которая, как правило, размещалась на роторе. Главное достоинство такого подхода – возможность использования существующих генераторов, в которых заменяется только ротор. Недостаток очевиден – необходимость надежной термоизоляции холодной обмотки ротора от горячей обмотки статора. Тем не менее, знаменитая компания General Elektric считает такой путь наиболее перспективным.
Якорь
Вакуум
Каркас уум
Тепловой экран
Бронзовый экран
Обмотка возбуждения
Стальной экран
Вакуум

59
Рис. 45. Сечение ротора генератора на сверхпроводниках
На рис. 45 показано сечение ротора одного из таких генераторов.
Обмотка возбуждения размещается на вакуумированном каркасе, и продувается парами гелия при температуре 20–50 К. Ее окружают тепловой и электромагнитный экраны.
Тепловой экран, состоящий из высокотехнологичных термоизоляторов, сводит к минимуму проникновение тепла извне. Электромагнитный экран, состоящий из нержавеющей стали и фосфористой бронзы, образует короткозамкнутый контейнер, препятствующий изменению потока возбуждения.
Применение сверхпроводников во всех обмотках генератора предполагает его полное охлаждение.
Использование принципа термоизоляции, давно реализованного в сосудах Дьюара, предназначенных для хранения сжиженных газов, позволило решить задачу охлаждения, но первый опыт по созданию генератора такого типа, проведенный еще в 1967 году фирмой Dynatech, оказался неудачным. Это было связано с комплексом проблем, проявившихся при использовании сверхпроводников на переменном токе. В 80-е годы эти проблемы были в основном решены, но появились некоторые другие. Упрощенная схема сверхпроводящего генератора с полным охлаждением представлена на рис. 46.

60
Рис. 46. Сверхпроводящий генератор с полным охлаждением
Первые генераторы основывались на низкотемпературной сверхпроводимости, так как успехи в области высокотемпературной были еще не достигнуты. Это были гибридные генераторы, то есть в них охлаждался только ротор. В 70-е годы в СССР, США, Японии и ФРГ были успешно реализованы генераторы мощностью от 8 до 30 кВт. В 80-е годы в нескольких странах были освоены генераторы мощностью более 1 МВт, а в
СССР первый в мире 20-мегаваттный генератор успешно прошел испытания в Ленэнерго.
К этому времени советские конструкторы заявили о принципиальной возможности построения генератора мощностью 1 ГВт. К концу 80-х компания General Elektric изготовила генератор мощностью 300 кВт. Такой же генератор был создан и в СССР, однако дальнейшие работы были заторможены начавшейся перестройкой.

61
2.1.1. Оборудование для обработки металла
Литье металлов – это один из первых способов обработки металлов.
Несмотря на древнее происхождение, он широко применяется и в наше время.
Ковка является другим древним способом и относится к обработке металлов давлением. Во все времена кузнецы и их деятельность пользовались авторитетом. В древнегреческой мифологии Гефе́ст – бог огня, покровитель кузнечного дела, сам искусный кузнец. Со временем обработка металлов давлением пополнилась такими новыми способами, как прокатка, волочение, прессование и штамповка.
Обработка резанием появилась сравнительно недавно, в эпоху промышленной революции. При этом методе с помощью различного режущего инструмента – резцов, фрез и сверл – с металла удаляется его часть в виде стружки.
Понятие кузнечной сварки известно давно, но его следует отнести к одному из приемов ковки. Сварка в современном значении этого термина еще моложе обработки металлов резанием.
Наконец, к металлообработке относятся связанные с ней процессы.
Самый известный из них – термообработка. После нее металл значительно меняет свои свойства. При медленном остывании он становится мягким, а при быстром – закаливается.
Литье металлов и сплавов
Литью подвергают практически все металлы, но чаще всего чугун, обладающий многими ценными качествами, в том числе низкой ценой.
Также этим способом обрабатывают цветные металлы и пластмассы.
Используется литье и в ювелирном деле. Суть метода проста: в предварительно нагретую форму заливают расплавленный металл или пластмассу, дожидаются затвердевания и извлекают из формы. Очевидно, что этот процесс требует значительных затрат тепловой энергии, которую в

62 большинстве случаев получают при сжигании топлива с принудительным наддувом.
Древние скульпторы сначала ваяли отливаемую скульптуру из воска, затем ее помещали в специальную смесь из глины и песка, нагревали для удаления воска, а после этого заливали бронзу или другой металл. Подобные технологии сейчас применяются только ювелирами. Для промышленных объемов производства нужны более простые способы.
Самым старым считается способ литья в песчаные формы, показанный на рис. 47.
Рис. 47. Литье в песчаную форму
1 – ковш с расплавленным металлом, 2 – литник, 3 – песчаная форма
Этот способ не может обеспечить высокой точности отливки, но зато прост и дешев. Для изготовления формы в двух заполненных специальной формовочной смесью ящиках, называемых опо́ками, делают отпечатки каждой из сторон образца. После этого ящики соединяют, предварительно сделав литники – каналы для заливки металла. В зависимости от состава смеси, ее затвердевание происходит при нагреве или просто по истечении времени. После этого заливают металл, дожидаются его кристаллизации и извлекают. Такой подход применяется для изготовления достаточно грубых отливок, например станин или различных противовесов.