КАБЕЛИ ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ
С ростом потребляемых мощностей все острее становится проблема передачи энергии. Источники энергии и ее потребители часто разделены огромными расстояниями. Как лучше передавать энергию?
Сегодня электроэнергия передается потребителям в основном посредством воздушных линий передачи (ЛЭП). Для повышения эффективности работы таких линий есть единственный путь — дальнейший подъем напряжения. Уже строятся ЛЭП напряжением 1 MB и выше, КПД таких линий около 95%.
Воздушные линии самые дешевые, но с ними связано множество проблем. В них бьют молнии, они мешают строительству, транспорту, радиосвязи, портят ландшафт, вредят фауне и человеку. Можно, конечно, передавать энергию по подземным кабелям, но и здесь возникает немало сложностей. Приходится укладывать несколько параллельных ветвей кабеля, принудительно охлаждать токонесущие жилы кабеля газом, маслом или водой. Иногда для отвода тепла орошают почву вдоль трассы. Кабельная линия передачи примерно в 10... 15 раз дороже воздушной при одинаковой пропускной способности. И в воздушной, и в кабельной линии приблизительно десятая часть энергии безвозвратно теряется при нагреве токоведущих жил.
Конечно же, очень заманчиво для решения этой проблемы использовать явление сверхпроводимости. Проводник без сопротивления идеально подходит именно для этой цели. По мнению многих ведущих специалистов, будущее ЛЭП связано с подземными сверхпроводящими кабелями. Первые ша<![if !vml]><![endif]>ги в этом направлении были сделаны еще в 60-х годах. Уже тогда американец Р. Мак-фи подсчитал, что по сверхпроводящему кабелю толщиной в руку можно пропускать всю пиковую мощность, вырабатываемую электростанциями США.
Идея создания сверхпроводящих кабелей укреплялась в острой научной борьбе. Необходимо было решить, будет ли применение сверхпроводников экономически конкурентоспособно в каком-либо интервале напряжений. Не превысят ли затраты на низкотемпературное обеспечение экономию за счет уменьшения потерь энергии? Выполненный советскими инженерами технико-экономический анализ показал, что при большой мощности сверхпроводящий кабель будет в 2...3 раза дешевле обычного, а потери энергии в нем будут сокращены примерно в 25 раз. Сам по себе сверхпроводящий материал намного дороже меди, однако токонесущая жила оказывается дешевле. Причина ясна: ведь по проводу площадью сечения 1 мм2 можно пропускать не 1...2 А, а 10 кА. Сэкономленную на токовой жиле сумму можно потратить на криогенное охлаждение.
В кабелях переменного тока некоторая часть энергии все же теряется. Дело в том, что при протекании переменного тока в сверхпроводящем кабеле появляется электрическое сопротивление. Обусловлено оно воздействием переменного электрического поля на неспаренные электроны в сверхпроводнике. В течение одного полупериода тока их скорость нарастает от нуля до максимума и вновь падает до нуля, а затем ток меняет направление на противоположное, и все повторяется снова.
Таким образом, идущий по сверхпроводнику ток расходует свою энергию на колебательные движения электронов. Возникающее сопротивление, хотя оно и мало по сравнению с сопротивлением металла в нормальном состоянии, все же приводит к выделению тепла, и кабель надо охлаждать.
Конечно, с точки зрения потерь в проводнике идеально было бы передавать энергию при постоянном токе. Но для этого необходимо иметь по меньшей мере два преобразователя тока: один на передающем конце линии для превращения переменного тока, вырабатываемого электростанцией, в постоянный и другой на принимающем конце линии для преобразования постоянного тока в переменный промышленной частоты. Хотя в преобразовательной технике за последнее время достигнуты большие успехи (на место вакуумных устройств пришли полупроводниковые), тем не менее стоимость преобразователей остается высокой. В дальнейшем, очевидно, сверхпроводящие ЛЭП на постоянном токе будут использоваться для передачи мощности порядка гигаватт на расстояния не менее нескольких сотен километров.
Основная трудность, которая возникает при прокладке сверхпроводящего кабеля, — тепловая защита сверхпроводника. Предохранить кабель от большого притока тепла извне можно с помощью вакуумной изоляции. Кабель имеет вид многослойной трубы и, в сущности, представляет собой длинный криостат. Поперечное сечение такого кабеля схематично показано на рисунке 6.7.1. Внутренняя труба диаметром около 70 мм, покрытая слоем сверхпроводящего материала толщиной около 0,3 мм, заполнена жидким гелием, который гонят по ней насосы. В качестве сверхпроводника может быть использован, например, сплав ниобия, титана и циркония. Между первой и второй трубами вакуумная изоляция, между второй и третьей течет жидкий азот, между третьей и четвертой (наружной) опять вакуумная изоляция.
Несмотря на простоту конструкции, монтаж такой линии сопряжен со значительными трудностями. Надо обеспечить герметичность кабеля, научиться собирать его из отдельных коротких отрезков, разработать рефрижераторы, концевые устройства, компенсаторы деформаций и другое оборудование. «Холодные» линии должны выдерживать перегрузки и аварийные режимы, поэтому важно совершенствовать и стабилизацию линий.
Проблем много. Чтобы создать сверхпроводящую ЛЭП, нужно преодолеть еще много технических трудностей. Но, во всяком случае, подобная система перспективна, и над ней надо работать.
Рис. 6.7.1.
Сейчас опытные сверхпроводящие кабели проектируются и строятся во многих странах мира. У нас в стране, например, создан и испытан отрезок кабеля длиной 50 м из Nb3Sn, рассчитанный на силу тока 8 кА и напряжение 10 кВт, т. е: на мощность, равную примерно 0,8 ГВт. Подобные кабели мощностью до 5 ГВт испытываются в США и Японии. Словом, идут испытания, ведется сравнение результатов, отрабатываются проблемы охлаждения, теплоизоляции, надежности, решаются инженерные задачи.