Сверхпроводящие кабели. Часть 1

Сверхпроводящие электрокабели: авангардная технология

Главная причина потерь мощности в процессе передачи электрической энергии — сопротивление кабелей. Обычно оно много выше, чем ноль. Однако, в зависимости от испытуемого материала, нулевое сопротивление может быть достигнуто путем охлаждения проволоки ниже некоторой температуры. Это научное явление названо сверхпроводимостью. Кабели, где применяется этот эффект, способны намного снизить потери при электропередаче.

Наличие сопротивления в жилах проявляется в существенном снижении значения напряжения, наблюдаемого на выходе. Даже если соблюдаются все требования, потери могут достигнуть 6 процентов. Если предполагать, что пассивные нагрузки подключаются к линии и их мощность будет пропорциональна возведенному в квадрат значению напряжения, потери мощности составляют 12%. И это происходит даже в том случае, если новый кабель установлен строго по правилам.

На самом деле снижение производительности может быть еще больше. Разумеется, остальные потери прямо связаны с окончательным сопротивлением, возникающим в изоляции кабеля. Передачи переменного тока бывают как емкостной, так и индуктивной природы. Однако возникающие потери составляют более половины потерь на сопротивление провода.

Особенности конструкции сверхпроводящих кабелей

Из-за особенностей механических параметров материала нельзя производить гибкие кабели только из обладающей сверхпроводимостью керамики. Однако, поскольку проволока не выделяет тепло без сопротивления, ее также можно изготовить в виде пленки. Керамика покрывается тончайшим слоем из меди, латуни, а также нержавеющей стали или никелевого сплава. Встроенный герметичный корпус (гофрированная сталь), удерживает внутри себя жидкий азот, а внешнее теплоизоляционное покрытие, предохраняет кабель от нагрева. Жидкий азот следует двумя каналами: как внутри, так и снаружи кабеля. Экстракция находящегося в жидком состоянии азота в силовые кабели обычно производится однонаправленно. Обратная циркуляция производится с помощью дополнительно сконструированного трубопровода.

Охлаждение насосов с помощью жидкого азота применяется для кабелей длиной до 1,2 километра. Азот можно подавать по всей длине кабелей. Поэтому для более значительных расстояний, планируемых в будущем, будет разработана охлаждающая система с двумя контурами.

Кабель, заполняемый жидким азотом, а также проходит сквозь трубу, по которой течет газообразный гелий при низких температурах охлаждения. С помощью гелия азотный заполнитель охлаждается до температур, которые будут соответствовать состоянию жидкости.

Самыми известными достижениями начала 21 века являются попытки интеграции сверхпроводящих отрезков в простой кабель. Для соединения подстанций также использовались сверхпроводящие кабели. Во всех подобных экспериментах длина функционирующих сверхпроводящих участков не превышала 200 метров.

В 2014 году первая линия в Эссене в ФРГ была основана на обладающем сверхпроводимостью кабеле, который позволяет передавать электричество на относительно большую дистанцию — около километра. Соответствующие тросы изготовила французская Nexans.

В 2015 году на Хоккайдо в Японии была использована полукилометровая высокотемпературная линия для передачи энергии от солнечной панели в центр обработки данных. Линия работает при постоянном значении напряжения +/- 10 кВ и номинальном токе, равном 2500 А.

В 2021 году в Чикаго, США, к сети был подключен сверхпроводящий «мост», соединивший подстанции, использующие ток 12 кВ, для повышения надежности электроснабжения. Используемый кабель — Nexans, длина не указана. Кабель способен нести ток силой 3000 А, поэтому между подстанциями может передаваться мощность величиной до 62 МВА.

В декабре 2021 года в Шанхае, Китай, начал работу сверхпроводящий кабель протяженностью 1,2 километра, соединяющая подстанции, где напряжение составляет 220 кВ. Максимальное значение силы тока кабеля — 2200 А. Этот кабель был самым протяженным в мире на момент активации.

В 2010 году компания «СуперОкс» в России разработала проект по организации распределения электроэнергии в Московском городском комплексе по сверхпроводящим кабелям. По разным причинам этот проект не осуществился.

В 2020 году анонсировался монтаж сверхпроводящих кабелей на территории Санкт-Петербурга. Запланирована кабельная линия протяженностью 2,5 километра. В ней предусматривается использование сразу нескольких оригинальных решений:

• токопроводящих жил, содержащих висмуто-серебряный сплав;
• двухконтурной системы охлаждения;
• ряда других передовых технологий.