Кабельные линии электропередачи

Основными ожидаемыми преимуществами СП-кабельных линий элект­ропередачи являются:

возможность передачи электроэнергии практически без потерь;

малые габариты, малая отчуждаемая территория, необходимая для укладки этих линий;

возможность передачи электроэнергии на сравнительно низком напря­жении вследствие практического отсутствия потерь.

При освоении промышленного производства СП-кабельных линий они могут найти следующее применение:

передача электроэнергии на определенные расстояния;

глубокие вводы в города, мегаполисы;

кабельные линии при переходе через водные преграды и др.;

схемы выдачи мощности от ГЭС, ТЭС, АЭС и др.

Можно предположить, что система транспорта электроэнергии с помо­щью СП-кабелей — это не высоковольтная, а высокоамперная электропе­редача при минимальном значении потерь электроэнергии.

Как было отмечено выше, на базе ВТСП-материалов первого поколения возможно создание кабельных СП-линий. Именно это обстоятельство послу­жило причиной тому, что из всех видов СП-оборудования ВТСП-кабели оказались наиболее продвинутыми для практического применения.

Конструкция однофазного СП-кабеля приведена на рис. 16.1, а на рис. 16.2 показан сверхпроводящий кабель 66 кВ в процессе монтажа (Япония).

Ниже приводятся сведения о наиболее крупных проектах ВТСП-кабс-лей, нашедших практическое применение.

В настоящее время два ВТСП-кабеля длиной по 30 м каждый в течение нескольких лет уже испытываются в реальных энергосистемах. Кроме того, крупные проекты ведутся в Японии — кабель длиной 500 м, напря­жением 66 кВ; в США ■— три проекта кабелей длиной 660, 350 и 200 м соответственно. Параметры крупнейшего мирового проекта кабеля L1PA 660 м: напряжение 138 кВ, ток 2400 А, передаваемая мощность 574 MB • А, число фаз 3. Этот кабель введен в конце 2006 г. в эксплуата­цию в схеме питания потребителей г. Нью-Йорка. В Южной Корее ведутся работы по созданию кабелей напряжением до 35 кВ, мощностью 48 MB • А, длиной до 200 м. Предполагается в дальнейшем широкое при­менение этих кабелей в схемах энергоснабжения г. Сеула.

Из приведенного перечня видно, что ВТСП-кабели уже получили при­менение в схемах глубоких вводов в крупные промышленные центры, мегаполисы.

Интересно отметить также следующую особенность. Потери в кабеле постоянного тока практически равны нулю, при протекании же перемен­ного тока существуют небольшие потери. Однако при этом необходимо учесть, что при передаче постоянным током по обоим концам имеются пре­образовательные устройства, имеющие определенные потери. Предвари­тельные расчеты показывают, что при существующих в настоящее время стоимостях ВТСП-кабелей и преобразовательных устройств при передаче электроэнергии на расстояние свыше 8—-10 км использование ВТСП-кабе­лей на постоянном токе может оказаться экономически более выгодным, чем передача на переменном токе с использованием ВТСП-кабелей.

В настоящее время в России разработана программа создания и приме­нения в электроэнергетике СП-технологий и оборудования, основное содержание которой изложено в § 16.3.

Здесь же отметим, что согласно этой программе, предполагается, что в 2009-—2010 гг. на одном из пунктов питания потребителей г. Москвы будет введен в эксплуатацию ВТСП-кабель напряжением до 20 кВ, на ток до 2 кА длиной около 200 м для питания потребителей города.

Для практического применения СП-кабелей необходимо, помимо кабеля, создать и остальные компоненты: муфты для соединения отде-

Рис. 16.2. Сверхпроводящий кабель 66 кВ в процессе монтажа (ТЕРСО , Япония)

льных кусков (модулей) кабеля друг с другом, муфты сопряжения кабеля с другим (обычным) оборудованием, технологии оснастки укладки СП-кабелей, надежные и компактные криогенные системы. С этой целью в настоящее время специалистами ВНИИКГТ в содружестве с другими орга­низациями создается макетный образец кабеля 20 кВ, 2000 А, длиной 30 м со всеми сопрягающими элементами. Все это оборудование будет испы­тано в течение 2007—2008 гг. на экспериментальном полигоне СП-обо­рудования.

Трансформаторы

Трансформаторы за последние 50 лет практически не подвергались значительным изменениям. Усовершенствование материалов магнитопро-водов позволило сократить на 50 % потери в стали трансформаторов, а усовершенствование изоляции обмоток — повысить их устойчивость к температурным скачкам, возникающим при перегрузках.

Основные преимущества ВТСП-трансформаторов следующие:

экологическая- и пожаробезопасность, благодаря отсутствию транс­форматорного масла;

уменьшенные габариты, что особенно существенно в регионах с высо­кой стоимостью земли, а также при установке трансформаторов на под­станциях, расположенных под землей или в открытых помещениях, в транспортных средствах;

повышенная надежность благодаря отсутствию старения высоковольт­ной изоляции при криогенных температурах жидкого азота;

пониженные потери и, следовательно, повышенный КПД.

Сверхпроводниковые трансформаторы имеют также ряд эксплуатаци­онных достоинств:

обладают пониженным значением реактивного сопротивления, что, как известно, способствует повышению пределов статической устойчивости электроэнергетических систем. При этом пониженное значение реактив­ного сопротивления не означает, что у этих трансформаторов больше, чем у стандартных, ударный ток КЗ. Дело в том, что после определенного зна­чения тока, например в 3 раза более номинального, в ВТСП-трансформа-торе используются естественные свойства сверхпроводника быстро и на порядок изменить (увеличить) электрическое сопротивление перехода из сверхпроводящего состояния в нормальное. Иначе говоря, ВТСП-транс-форматор обладает токоограничивающей способностью.

В различных странах (США, Япония, ФРГ и др.) изготовлены и испы­таны различные опытно-промышленные образцы ВТСП-трансформаторов мощностью 10 MB А и выше.

Ведутся разработки ВТСП-траисформаторов мощностью до 40 MB • А (рис. 16.3).

Рис. 16.3. Обший вид конструкции ВТСП-трансформатора на напряжение 25/4,2 кВ мощностью 10 MB А

Наряду с ВТСП-обмотками, представляет большой интерес использова­ние в этих трансформаторах магнитопроводов из аморфной стали. Резуль­таты экспериментальных исследований магнитопроводов, выполненных из аморфных материалов, показали, что они имеют малые удельные потери и приемлемые магнитные характеристики при охлаждении жидким азотом.

Ограничители токов КЗ

Значение токов КЗ в электрических сетях является одним из определя­ющих параметров при выборе оборудования подстанций и линий электро­передачи. Чем больше это значение, тем большую отключающую способ­ность должны иметь выключатели, тяжелее конструкции ошиновки и опорных изоляторов, разъединителей и т.д., жестче требования по терми­ческой устойчивости кабельных линий и др. Поэтому по мере развития энергосистем большое внимание уделялось и уделяется ограничению токов КЗ. Одним из путей их ограничения является установка в контуре тока токоограничивающих бетонных реакторов. Однако при их использо­вании невозможно удовлетворить двум основополагающим требованиям: минимизации падения напряжения на этих реакторах в нормальных режи­мах и максимально возможному ограничению значения тока при КЗ, осо­бенно ударного тока.

ВТСП-ограничители токов КЗ использует уникальное свойство сверх­проводника — мгновенно изменять свое состояние из сверхпроводнико­вого в нормальное при определенном значении тока.

Различают следующие ВТСП-ограничители токов КЗ: резистивные; с ВТСП-экраноми и с насыщенным магнитопроводом. Имеется еще один тип

А) б)

Рис. 16.4. Схемы включения резистивного ВТСП-ограничителн токов КЗ

токоограничелей -— выпрямительный, который из-за своей высокой стои­мости не нашел пока применения и здесь не описывается.

В токоограничителе резистивного типа ограничение тока КЗ достига­ется за счет возрастания активного сопротивления при переходе в нор­мальное состояние ВТСП-элемента токоограничителя.

Токоограничитель подобного рода должен переходить в нормальное состояние за время 5—5 мс, выдерживать сильное тепловыделение, обла­дать малыми потерями в номинальном режиме. На рис. 16.4, а показана схема включения в контур резистивного ограничителя ОТ токг.. Ограничи­тель может быть так же включен последовательно в цепь через трансфор­матор тока 7Т(рис. 16.4, б). В этом случае параметры ограничителя тока могут быть оптимизированы.

В настоящее время прогресс в области создания материалов ВТСП вто­рого поколения позволяет рассчитывать на создание ограничителей тока, рассчитанных на номинальные токи в сотни ампер.

Ограничитель токов КЗ со сверхпроводящим экраном состоит из мед­ной или алюминиевой обмотки, через которую протекает ток, криостата с жидким азотом, кольцевого ВТСП-экрана и стального магнитопровода. При работе в нормальном режиме экран, находящийся в сверхпроводя­щем состоянии, экранирует обмотку с ограничиваемым током. Во время КЗ происходит переход ВТСП-экрана в нормальное состояние, экраниро­вание прекращается, из-за чего резко возрастает его индуктивность и общее сопротивление устройства.

Схема токоограничителя с насыщенным магнитопроводом состоит из ВТСП-катушки подмагничивания, сетевых обмоток и магнитопровода (рис. 16.5). Катушка подмагничивания насыщает магнитопровод в нор­мальном режиме, при этом сопротивление всего устройства достаточно мало. При КЗ ВТСП-обмотки переходят в нормальное состояние, что спо­собствует резкому увеличению сопротивления устройства.

Из всех типов устройств на практике нашли наибольшее применение резистивные токоограничители. В Японии и Южной Корее созданы токо-ограничители напряжением 6,6 кВ мощностью 2,2 MB • А, в Германии — на напряжение 15,75 кВ и мощностью 10 MB * А, создаются так же огра­ничители токов КЗ напряжением 138 кВ.

Рис. 16.5. Схема ограничителя токов КЗ с ВТСП-катушкой

Рис. 16.6. Осциллограмма работы резис-тивного ВТСП-ограничителя токов КЗ

В других странах также реализованы проекты ограничителей токов КЗ на мощности 10 MB • А.

На рис. 16.6 даны осциллограммы работы одного из реально использу­емых на практике токоограничителя. Пунктиром показано значение тока КЗ при отсутствии ограничителя, сплошной линией —- при его наличии.

Основные требования, предъявляемые к ограничителям токов КЗ:

ограничение ударных токов КЗ в течение первого полупериода;

ограничение установившихся токов КЗ;

низкий уровень потерь и падения напряжения в ограничителе в нор­мальном режиме (ниже, чем в трансформаторе);

быстрый возврат к исходному режиму после ограничения аварийных токов (<1 с);

работа ограничителя тока не должна приводить к появлению опасных перенапряжений, возникающих при ограничениях ударных токов КЗ. Рас­четы и эксперименты, проведенные на опытных образцах токоограничи-телей, показали, что время срабатывания, соответствующее 2—4 мс, достаточно как для ограничения ударных токов КЗ, так и не вызывает опасных перенапряжений.

Основной задачей, которую удается решить при установке токоограни-чителей, является координация значения токов КЗ и параметров электро­оборудования подстанций. Применение токоограничений позволяет сни­зить требования к коммутационной аппаратуре. Это означает, что упрощается и становится более надежной их работа.

В заключение следует отметить, что ВТСП-ограничители токов КЗ являются практически безальтернативными устройствами, позволяю­щими решить проблему координации уровней токов КЗ с функционирова­нием коммутационной аппаратуры в электроэнергетических системах.