Перспективы развития криогенной техники
в электроэнергетике

Веников В. А., Зуев Э Н., Околотин В. С.

Начиная с конца 1950-х годов, в электротехнике наблюдался резкий рост числа и объема работ по использованию явления сверхпроводимости, которое имеет место при очень низких температурах. В 1960-е годы проблема использования сверхпроводимости и криогенной техники в электроэнергетике прошла путь от разработки необходимых материалов до создания ряда крупномасштабных опытно-промышленных установок.

В последующие десятилетия инженеры располагали сверхпроводящими, гиперпроводящими, тепло- и электроизоляционными и конструктивными материалами, а также вспомогательным оборудованием (ожижители, криостаты, трубопроводы и т. д.), что обеспечивало необходимую основу для создания первых головных образцов мощных электроустановок.

Среди них:
- десятки крупных соленоидов на большие поля,
- электрические машины со сверхпроводящими обмотками мощностью в несколько сотен киловатт,
- опытные образцы трансформаторов на ту же мощность,
- уникальный униполярный двигатель со сверхпроводящем индуктором,
- целый ряд экспериментальных секций кабелей на сверхпроводниках и гиперпроводниках и т. д.

Задача выхода на серийное производство и внедрение криогенного электрооборудования потребовала решения ряда важных проблем в области конструкции, эксплуатации, режимов и надежности работы таких устройств.

Электроэнергетика является той отраслью техники, где широкое использование явления сверхпроводимости и криогенной техники оказывается многообещающим и особенно плодотворным.

Помимо основных аспектов развития криогенного направления в электроэнергетике остаются вопросы, связанные с использованием сверхпроводников. В числе насущных научно-технических задач остаются проблемы создания и использования трансформаторов постоянного тока, насосов магнитного потока, сверхпроводящих подшипников и подвесок, коммутационных аппаратов (выключателей, разъединителей, предохранителей), измерителей электрических, низкотемпературных и вакуумных показателей объектов, токоограничивающих устройств, средств автоматики и релейной защиты и т. д.

Новые разработки посвящены особенностям конструкции криогенных электротехнических объектов (ввод и съем мощности, теплоизоляционная оболочка, электрическая изоляция и т. д.), экономическим и режимным особенностям их работы, обоснованию зон применения таких устройств и т. д.

Историческое отступление:
В 1970 году исполнилось полвека электрификации страны, начало которой положило принятие Ленинского плана ГОЭЛРО. Установленная мощность электростанций достигла 166 ГВт, общее количество выработанной за год электроэнергии составило 740·10⁹ КВт·ч, что соответствует среднему потреблению около 3 000 КВт·ч на одного человека.

Советский Союз являлся страной крупнейших в мире электростанций и агрегатов. В 1970 году 25 ТЭС имели мощность более 1 ГВт каждая, а ряд ГРЭС достигли 2,4 ГВт. Единичная мощность агрегатов достигла 500 МВт (Назаровская ГРЭС) и 800 МВт (Славянская ГРЭС), разрабатывался блок 1 200 МВт. В СССР работали самые мощные гидрогенераторы, был создан ряд атомных, гидроаккумулирующих, газотурбинных и приливных электростанций. Было успешно освоено напряжение 750 КВ и начались исследования по созданию линий электропередачи класса 1 000-1 200 КВ.

Для того чтобы представить объем и перспективность работ, проводимых в области использования сверхпроводимости в электротехнике, достаточно сказать, что за рубежом этими исследованиями заняты десятки крупнейших фирм. В СССР были начаты предварительные исследования вопросов, связанных с внедрением сверхпроводников в энергетику. Итоги работ по данному направлению обсуждались на первой международной конференции «Низкие температуры и, электроэнергетика» (Лондон, март 1969), куда было представлено около 40 докладов.

С тех пор теоретические и прикладные работы по криофизике занимают важное место на многих конференциях и привлекают неизменное внимание физиков, инженеров и учёных самых разных специальностей.

__________________________________________________________

Кстати. Приглашаем всех специалистов в сфере энергетики принять участие в
Российской национальной конференции по теплообмену (РНКТ).

Конференция проводится раз в четыре года и является крупнейшим форумом страны, на котором обсуждаются научные достижения в сфере энергетики и прикладной инженерии. Организаторами выступают Министерство науки и высшего образования Российской Федерации, Национальный исследовательский университет «МЭИ», Российская академия наук - Отделение энергетики, машиностроения, механики и процессов управления, Национальный комитет РАН по тепло- и массообмену.
__________________________________________________________

Задачи, стоящие перед энергетикой, не могут решаться только за счет увеличения числа и единичной мощности электроэнергетических объектов. Особенное значение в этих условиях приобретает поиск новых, более перспективных физических принципов производства, передачи и потребления электроэнергии. Поясним этот тезис некоторыми фактами.

Известно, что при среднем расходе топлива на ТЭС около 370 г. усл. Топл квт ч вопросы топливоснабжения, подачи и сжигания топлива становятся самым узким местом на крупных станциях, потребляющих более 200 тыс. т. угля в сутки. Кроме того, серьезнейшей проблемой становится загрязнение воздушных бассейннов промышленных районов продуктами сгорания топлив, Мало того, при тех же темпах развития ТЭС в Европейской части страны на уровне 2000 г. суточный расход воды, охлаждающей конденсаторы турбин, превысит весь речной сток. Естественным выходом из положения является поиск нового топливного энергоносителя, роля которого начинает выполнять ядерное горючее, расходуемое на АЭС.

Не менее серьезной проблемой является производство пара на ТЭС, которое при современном масштабе развития энергетики требует применения огромных котлов и паропроводов. Кроме модернизации существующего оборудования и увеличения параметров пара, что вряд ли позволит поднять рабочие температуры выше ~ 6 000^оС, а к, п. д.— более 40%, серьезные работы ведутся по пути создания мощных МГД-генераторов, применение которых позволит полностью исключить и обычного цикла две промежуточные ступени трансформации энергии.

Вслед за топливным и пароводяным трактами многоступенчатого процесса производства электроэнергии электрическая часть энергосистем также имеет целью ряд принципиальных недостатков. Так, практически достигнуты предельно возможные по электрической прочности воздуха напряжения; габариты и вес наиболее мощных трансформаторов, турбин и генераторов во много раз превышают допустимые значения по грузоподъемности и площади железнодорожных платформ.

Кроме того, при высоких уровнях потребления становится огромной реактивная мощность, которую должны вырабатывать ее источники. При малых нагрузках, особенно кабельной сети, из-за преобладания емкостных токов затрудняется регулирование напряжения сети. Все более усложняется проблема управления, контроля и устойчивости электрических систем при авариях, а также проблема покрытия пиковых нагрузок.

Таким образом, даже беглое обсуждение столь серьезных проблем позволяет сформулировать необходимость повышения компактности разных видов электрооборудования, снижения его индуктивных и емкостных сопротивлений, поиска эффективных способов аккумулирования электроэнергии и покрытия пиков нагрузки при равномерной загрузке электростанций, повышения единичной мощности установок не за счет увеличения рабочих напряжений, а путем роста рабочих токов и т. д.

При этом не следует забывать, что массовые потребители не нуждаются в напряжениях более 220 — 380 В, а осветительные, отопительные и электромагнитные устройства требуют в конечном итоге увеличения рабочих токов (джоулево тепло, ампер-витки). Использование напряжения от 500 в до 750 кв вызвано, по существу лиишь необходимостью снизить рассеяние активной мощности в проводниках между генератором и потребителем.

Таким образом, использование материалов с нулевым или пониженным активным сопротивлением позволяет удовлетворить практически все требования потребителей, не прибегая к промежуточному повышению напряжений. Понижение активных сопротивлений обычных проводниковых материалов высокой чистоты (гиперпроводники) или достижение бесконечно большой электропроводности (сверхпроводники) имеет место при очень низких температурах до 4 — 70^оК.

Известно, что охлаждающие (рефрижераторные) установки и тепловая изоляция достаточно дороги. Однако, как показывают результаты теоретических и экспериментальных исследований, глубокоохлаждаемые (криогенные) электроэнергетические объекты могут стать конкурентоспособными по отношению к обычным ЛЭП, трансформаторам и электрическим машинам, Мало того, за счет огромных плотностей рабочих токов сверхпроводящие устройства компактны, имеют меньший удельный расход активных материалов, а отсутствие омических потерь на постоянном токе и диамагнитные свойства позволяют создать целый ряд принципиально новых технических установок от накопителей электроэнергии, предназначаемых для выравнивания графиков нагрузки и покрытия пиков, до генераторов нового типа и опор без трения.

Рассмотрим табл. 1, характеризующую ожидаемые технические показатели сверхпроводящих электроэнергетических устройств по сравнению с обычными.

Таблица 1

Характеристика объекта	Предел по обычному исполнению	Предел по сверхпроводящему варианту
Электрические генераторы, номинальная мощность, Гва	2 — 6*	10
Электропередачи: рабочие напряжения, кв передаваемая мощность, Гва	1 200 — 1 500 6 — 10	300 — 500 100
Токопроводы: рабочие токи, КА	150 — 200	500
Трансформаторы, номинальная мощность, Гва	6 — 8	6 — 8
Выключатели, разрывная мощность, Гва	35 — 40	40 — 50
Накопители электроэнергии, Мвт ч	—	30 000

* Для четырехполюсных турбогенераторов.

Помимо энергетического применения сверхпроводников и криогенной техники, которое только зарождается, в течение нескольких лет уже ведутся исследования в области электротехники слабых токов и сильных магнитных полей. На основе сверхпроводящих пленок создан ряд быстродействующих логических и запоминающих элементов, туннельные диоды и триоды, усилители постоянного напряжения, индикаторы микроволнового и субмиллиметрового излучения, модуляторы, гальванометры высокой чувствительности и т. д.

Сверхпроводящие резонаторы и волноводы используются для линейных ускорителей электронов и протонов, синхротронов, высокочастотных сепараторов частиц высокой энергии, В авиации и ракетной технике испытываются образцы сверхпроводящих гироскопов, акселерометров, подшипников. В технике физического эксперимента используются сверхпроводящие магнитные системы для пузырьковых камер, ускорителей заряженных частиц, магнитных бутылей для плазмы, разделителсй изотопов, лазерных систем с высокой однородностью поля и т. д.

По мнению специалистов при космических исследованиях перспективно использование сверхпроводящих соленоидов для радиационной защиты космонавтов, соединения кораблей, их торможения и ориентации, для плазменных ракетных двигателей. Индуктивные сверхпроводящие катушки могут употребляться в качестве источников энергии для импульсных ламп, инициирующих работу квантовых генераторов света.

Возможным направлением практического использования сверхпроводимости на транспорте является создание поезда на магнитной катушке. По расчетам американских специалистов сверхпроводящие магниты позволяют поднять над трассой 100-местные поезда весом приблизительно 22 т, для привода которых в движение со скоростью 300 миль/ч потребуется мощность около 5500 л. с. Основным преимуществом поездов на магнитной подушке перед высокоскоростными .поездами обычного типа будет являться практически полная бесшумность при движении.

Таково многообразие возможных направлений практического применения этого выдающегося физического явления. Однако именно энергетика является той областью, где использование сверхпроводников и криогенной техники позволяет надеяться на получение значительного народнохозяйственного эффекта за счет создания высокоэкономичных установок большой мощности, участвующих в процессах выработки, преобразования, передачи и распределения электрической энергии. Поэтому исследовательские и опытно-конструктивные работы в сфере криогенной энергетики в настоящее время следует всемерно интенсифицировать, чтобы приблизить время внедрения первых сверхпроводящих установок в энергосистемах страны.

Текст публикуется по изданию:
Веников В. А., Зуев Э Н., Околотин В. С. Сверхпроводники в энергетике. М., «Энергия, 1972, 120 с., с ил.
Фото: Bishnu Sarangi (pixabay)

Следующая страница: Машины сухого трения