Особенности проектирования изоляции оборудования ультравысокого напряжения

В реальном промышленном масштабе в настоящее время в России используются линии электропередачи переменного тока с номинальным напряжением 750 кВ и оборудование для них. Ещё в СССР были впервые в мире решены научные вопросы создания конструкций и линий электро­передачи и оборудования для них как для номинального напряжения 1150 кВ переменного тока, так и 1500 кВ постоянного тока. Более того, опытный участок линии электропередачи напряжением 1150 кВ и образцы промышленного оборудования для него были изготовлены, испы­таны и введены в опытную эксплуатацию. Образцы подтвердили свои необходимые технические характеристики. На этом в России работы по промышленному освоению этих классов напряжения приостановились. Причины остановки — организационно-экономические, но не научно-тех­нические.

Представляется, что для условий России с её территориальным разме­щением источников энергоресурсов и мест их потребления промышлен­ное освоение классов напряжения 1150 и 1500 кВ крайне целесообразно по мере укрепления и развития экономики страны.

Есть ли перспектива появления потребности освоения более высоких классов напряжения, в частности, ультравысокого напряжения 1800 кВ переменного тока? Существуют ли технические возможности создания конструкций линий электропередачи и оборудования на этот класс напря­жения и каковы особенности проектирования изоляции для ЛЭП такого класса напряжения? Какие же могут быть ответы на все эти вопросы?

Возникновение самого вопроса о возможности технической реализа­ции оборудования ультравысокого напряжения определяется прежде всего насыщающимся характером зависимости электрической прочности воз­душной изоляции от межэлектродного расстояния при больших длинах промежутка (кривые / на рис. 15.3 и 15.4). Даже для небольшого увели­чения разрядного напряжения необходимо резкое увеличение межэлект­родного расстояния. Гирлянды подвесных изоляторов, опоры ЛЭП и обо­рудование становятся и технически почти нереализуемыми и эко­номически нерентабельными.

Единственный путь решения проблемы при переходе на новый более высокий класс напряжения — это переход к новому сверхнизкому уровню изоляции, т.е. к сверхглубокому уровню ограничения воздействующих на изоляцию перенапряжений. Если для напряжения 1150 кВ уровень огра-

ничения коммутационных перенапряжений (отношение допускаемого их уровня к максимальному значению фазного рабочего напряжения) был приемлем 1,8, то для напряжения 1800 кВ этот уровень должен быть не выше 1,5. Но тогда резко возрастают требования к ограничивающим пере­напряжения аппаратам. При очень близких уровнях рабочего напряжения и перенапряжения аппарат должен практически не пропускать через себя ток при первом и пропускать больший ток при втором и не перегреваться при большом уровне рассеиваемой энергии перенапряжений. Для этого должны быть существенно повышены нелинейность, стабильность и тер­мостойкость материала ограничителей перенапряжений.

Не меньшие проблемы возникают и при проектировании внутренней изоляции оборудования. Габариты и масса трансформаторного оборудова­ния, силовых реакторов уже при напряжении 1150 кВ с трудом вписыва­ются в возможности существующей инфраструктуры транспортных сетей. Использование в оборудовании 1800 кВ тех же значений рабочей напряжённости поля, что и в оборудовании 1150 кВ, приведёт к невоз­можности вписаться в транспортные сети ни по массе оборудования, ни по его габаритам. Тогда оборудование должно доставляться с заводов-изготовителей на место эксплуатации по частям, а на месте эксплуатации должны быть созданы условия, как и на заводе-изготовителе для сборки и испытаний оборудования. Принципиально такой вариант поставок обору­дования возможен, но очень дорог и совершенно пока не отработан по обеспечению достаточной надёжности оборудования.

Другой вариант — дальнейшее повышение рабочих напряжёнпостей в изоляции оборудования с учётом сверхглубокого ограничения перенапря­жений. Это потребует серьёзных исследований поведения изоляции при повышенных уровнях напряжённости поля в ней, резкого улучшения тех­нологии её изготовления, применения новых материалов. Сближение уровней напряжённости поля при рабочем напряжении и при перенапря­жениях приводит к тому, что выбор изоляции определяется уже исключи­тельно допустимым значением рабочей напряжённости электрического поля. Эта ситуация называется переходом к проектированию оборудова­ния по естественному уровню его изоляции.

Контрольные вопросы

1. Какие вопросы рассматриваются в курсе ТВН?

2. Опишите конструкции испытательного оборудования.

3. Объясните механизм нарушения электрической изоляции.

4. Что такое внутренняя и внешняя изоляции?

5. Какие существуют характеристики отдельных видов изоляции?

6. Объясните природу перенапряжений.

7. Назовите виды испытания изоляции.

Литература для самостоятельного изучения:

15.1.Базуткин В.В., Ларионов В.П,, Пинталь Ю.С.Техника высоких напряжений, М.:
Энергоатомиздат, 1986.

15.2.Электрическиеаппараты высокого напряжения / Г.Н. Александров и др. С.-Петербург:
Изд-во СПбГТУ, 2000.

15.3.Кучинский Г.С., Кизеветтер В.Е., Пинталь Ю.С.Изоляция установок высокого
напряжения. М.: Энергоатомиздат, 1987.

15.4.Александров Г.Н., Иванов В.Л.Изоляция электрических аппаратов высокого
напряжения. Л.: Энергоатомиздат, 1984.

Глава шестнадцатая

СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ

Общие сведения

Сверхпроводимость — явление, заключающееся в том, что у опреде­ленных химических элементов, соединений, сплавов при их охлаждении ниже определенной температуры наблюдается переход из нормального в так называемое сверхпроводящее состояние, в котором их электрическое сопротивление постоянному току полностью отсутствует. При этом пере­ходе структурные свойства этих сверхпроводников остаются практически неизменными. Электрические и магнитные свойства в сверхпроводящем состоянии резко отличаются от этих свойств в нормальном режиме.

Явление сверхпроводимости было открыто Г. Камерлинг-Оннссом в 1911 г. при исследовании ртути. Он обнаружил, что при охлаждение ртут­ной проволоки ниже 4 К (—270 °С) ее сопротивление скачком обращается в нуль. Нормальное же состояние восстанавливается при пропускании через проволоку достаточно сильного тока или при помещении в доста­точно сильное магнитное поле.

В 1933 г. Ф.В. Мейснером было обнаружено другое важное свойство сверхпроводников — внешнее магнитное поле, меньшее некоторого кри­тического значения, не проникает в глубь проводника, имеющего форму бесконечно сплошного цилиндра, ось которого направлена вдоль поля, и отлично от нуля лишь в тонком поверхностном слое.

В разработку теории сверхпроводимости большой вклад внесли отечест­венные ученые Л.Д. Ландау, В.Л. Гинзбург, А.А. Абрикосов, Л.П. Горьков.

Различают низкотемпературную и высокотемпературную сверхпрово­димости.

Низкотемпературная сверхпроводимость достигается при охлаждении определенных материалов жидким гелием при уровне температур 4 К (точнее 4,2 по Кельвину, эта температура кипения жидкого гелия при нор­мальном давлении). Высокотемпературная сверхпроводимость достига­ется при охлаждении определенных материалов жидким азотом при тем­пературе 77 К (точнее 77,3 по Кельвину или -195,7 °С).

Сильноточная прикладная низкотемпературная сверхпроводимость (НТСП) имеет более чем сорокалетнюю историю. Основные технические НТСП-материалы, разработанные в конце 70-х и начале 80-х годов и используемые в настоящее время, представлены двумя подгруппами:

неупорядоченными деформируемыми сплавами ниобий-титан (Nb-Tc) с критической температурой Т_к = 9,6 К и критическим магнитным полем с

индукцией В_к = 12 Тл, они имеют плотность критического тока 3 • 10⁵ А/м² при рабочей температуре 4,2 К в магнитном поле с индукцией В = 5 Тл;

интерметаллическими соединениями Nb₃Sn с критической температу­рой Т_к = 18,3 К, критическим магнитным полем с индукцией 24 Тл, харак­теризуются более высокой плотностью критического тока 10° А/м² при рабочей температуре 4,2 К в магнитном поле с индукцией 10 Тл.

На базе этих материалов были изготовлены опытные образцы различ­ных электротехнических устройств: электрических турбогенераторов, накопителей электрической энергии, кабелей, трансформаторов и др., испытаниями которых были подтверждены их ожидаемые свойства. Вместе с тем, высокая стоимость криогенной системы, требующейся для получения температуры 4,2 К жидкого гелия, стоимость эксплуатацион­ных расходов и недостаточная надежность не позволили этим устрой­ствам получить практическое применение в сильноточной электротехнике.

В других областях, например в медицине (в томографах), НТСП-техно-логии получили достаточно широкое и практическое коммерчески выгод­ное применение.

Большие надежды на практическое применение сверхпроводимости в электроэнергетике связаны с открытием в 1986 г. высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП). Жидкий азот, применяемый для охлаждения ВТСП-материалов, существенно более дешевый хладагент, чем гелий, его производство освоено в промышленных масштабах.

ВТСП-материалы подразделяются на материалы первого и второго поколений.

Материалы первого поколения созданы на базе сверхпрпроводников семейства висмутовых купратов (Bi-2223) со структурой слоистого перов-скита с критическими параметрами Г_к = 110 К, В_к > 100 Тл. Плотность

критического тока при 77 К немного превышает 10⁸ А/м², рабочие токи единичных проводников (4—5 мм шириной, 0,2—0,3 мм толщиной) составляет 40—150 А.

На базе этих проводников уже созданы опытные образцы разнообраз­ных устройств: кабелей, ограничителей токов короткого замыкания (КЗ), трансформаторов, синхронных компенсаторов, электродвигателей.

Есть, однако, два обстоятельства, заметно ограничивающих использо­вание ВТСП-материалов первого поколения. Очевидно, что в ближайшем будущем предпочтительной рабочей температурой будет являться 77,3 К. Висмутовые провода (Bi-2223) в этих условиях могут работать в магнит­ных полях, перпендикулярных плоскости ленты и не превышающих 0,3 Тл. При этом плотность тока составляет лишь 2—4 • 10^ А/м², что обес­печит практическое использование ВТСП-материалов первого поколения для электрических кабелей, и, возможно, ограничителей токов КЗ, где амп­литуда индукции магнитного поля, как правило, не выше 0,2—0,3 Тл.

Второе обстоятельство касается проблем цена/качество ВТСП-прово-дов первого поколения. Для широкомасштабного использования в элект­роэнергетике сверхпроводникового оборудования даже с учетом вышеиз­ложенного ограничения по значению магнитной индукции, стоимость ВТСП-провода должна быть соизмерима со стоимостью меди.

В настоящее же время стоимость ВТСП-проводов первого в 6—8 раз выше стоимости медных и по оценкам фирм-производителей не опус­тится выше 3—4 раз.

Все надежды на широкомасштабное промышленное использование в электроэнергетике сверхпроводниковых технологий и оборудования связывают с так называемыми ВТСП-материалами второго поколения, производство которых осваивается в США, Японии, странах ЕС, Южной Корее, КНР и др.

Основу ВТСП-материалов второго поколения составляют иттриевая керамика (пленка с покрытием). На гибкой подложке никелевого сплава формируется специальный буферный слой с кристаллической структурой. На этот слой осаживается сверхпроводник, который затем покрывается стабилизирующим металлом. Получается гибкая тонкая монокристалли­ческая сверхпроводящая пленка на несущей ленте, обладающая весьма высокой токонесущей способностью и большой плотностью тока.

В настоящее время фирмы предлагают эти материалы по стоимости в 7—8 раз выше стоимости медных проводов. Однако по прогнозам фирм-производителей ВТСП-материалов второго поколения к 2010—2015 гг. их стоимость может оказаться соизмеримой со стоимостью медного провода. Если эти прогнозы оправдаются, то сверхпроводимость в электроэнерге­тике найдет широкое применение.

Есть большая доля уверенности, что эти прогнозы оправдаются.