СОПРОТИВЛЕНИЕ бесполезно

Энергетические системы в современном государстве можно сравнить с кровеносной системой живого существа. О том, как сделать ее более «проводимой», мы решили поговорить с заместителем научного руководителя ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС» доктором технических наук, экспертом в области сверхпроводящих материалов иустройств Виктором Евгеньевичем Сытниковым

Мал кабель, да дорог

— Сверхпроводимость была открыта в 1911 г. голланд­ским ученым Хейке Камерлинг-Оннесом. До 1960-х гг. она была чисто академическим явлением, которое про­сто изучали и старались понять его природу. Толь­ко в 1960-х гг. появились материалы, из которых мож­но было сделать что-то практичное сверхпроводящее, но их надо было очень сильно охлаждать. В качестве хладагента применяли жидкий гелий, температура ки­пения которого при атмосферном давлении — 4.2 Кель­вина. Это направление развивалось достаточно бур­но. Были созданы огромные установки. Известный вам Большой адронный коллайдер работает на сверхпрово­дящих магнитах. Сейчас во Франции строится термоя­дерный реактор ITER, создана целая серия сверхпрово­дящих установок меньшего масштаба. Первым был наш отечественный сверхпроводящий токамак Т-7, создан­ный в Курчатовском институте, последние установки были построены в Корее и в Китае. Это огромные маши­ны. Но в связи со сложностью это все было далеко от ре­альной промышленности и энергетики, подходило толь­ко для лабораторий, где с установками работали очень квалифицированные люди. Да и сама работа на установ­ках была не постоянной, а велась сериями. Захолодили установку, запустились, поработали три-четыре меся­ца, потом несколько месяцев обрабатывают результаты, потом следующая серия. В 1986 г. была открыта высо­котемпературная сверхпроводимость, за которую Карл Мюллер и Георг Беднорц получили Нобелевскую премию. Вообще за сверхпроводимость получено несколько Нобе­левских премий.

— Петр Капица тоже за нее получил?

— Не совсем. Петр Леонидович получил ее в 1978 г. за открытие свертекучести жидкого гелия. Но можно сказать, что это открытие в смежной области. Тут глав­ные для нас лауреаты— Алексей Абрикосов и Виталий Гинзбург. Они вместе с Энтони Леггетом получили пре­мию в 2003 г. за «основополагающие работы по теории сверхпроводников и сверхтекучих жидкостей». Когда от­крыли высокотемпературную сверхпроводимость, поя­вилась возможность охлаждать сверхпроводники жид­ким азотом. А это далеко не жидкий гелий. Последний, когда испаряется, улетает в верхние слои атмосферы, и достать его почти невозможно, т.е. там возможны толь­ко замкнутые системы. А азотом мы с вами практиче­ски дышим, в воздухе его по массе 75%, он достаточно дешев при сжижении и используется очень широко. По­этому открытие возродило интерес к сверхпроводимости у реальной промышленности, у электротехники. Однако первые восторги более десятилетия разбивались о низ­кие характеристики материалов, которые при этих тем­пературах были сверхпроводящими. При пропускании через них тока или при их попадании в магнитное поле, что взаимосвязано, сверхпроводимость разрушалась. Только в самом конце прошлого века были разработаны материалы, из которых что-то можно было делать. Тогда и начались уже конкретные работы по очень многим на­правлениям.

— По каким?

— Для электротехники основными я бы назвал сверх­проводящие ограничители тока, сверхпроводящие ка­бели, сверхпроводящие трансформаторы, генераторы и накопители электроэнергии. Появились некоторые об­щепромышленные применения. Томографы на низко­температурных сверхпроводниках выпускаются сей­час в огромном количестве — порядка 2-3 тыс. в год. Созданы первые установки по индукционному нагре­ву со сверхпроводящими магнитами, есть сепараторы со сверхпроводящими магнитами. Таким образом, мед­ленно, но верно эта техника идет в промышленность.

— Что дает сверхпроводимость в энергетике?

— Сверхпроводник проводит постоянный ток без со­противления. На переменном токе есть небольшое сопро­тивление, но оно связано с потерями на перемагничивание, проникновением в материал магнитного ноля. А на постоянном оно нулевое. Плюс, конечно, колоссальные плотности тока. Если в меди мы имеем в силовых кабе­лях порядка 1 А на квадратный миллиметр, в домашних проводах — 5-10 А, то в высокотемпературных сверхпро­водниках она достигает уровня 100-200 А на квадратный миллиметр. А в самом сверхпроводящем слое уже милли­оны ампер на квадратный сантиметр. Но они делаются только очень тонкими — 2-4 мкм толщиной.

— Кабели из них сворачиваются?

— В том числе и из них. Можно сделать очень эффек­тивное и очень компактное устройство. Сейчас мы де­лаем огромные шинопроводы для того, чтобы отвести мощность от генератора на электростанции и довести ее до трансформатора, который поднимет напряжение и дальше по ЛЭП будет передавать к потребителям. При большой мощности требуются огромные шинопроводы сечением под квадратный метр. И вот их можно заме­нить достаточно компактными сверхпроводящими ка­белями. Именно сверхпроводящие кабели сейчас наибо­лее близки к внедрению.

— Что они дают?

— Резкое снижение потерь энергии и увеличение еди­ничной мощности. Вместо десятка обычных кабельных линий можно проложить одну-две. В среднем сверхпро­водящая линия может передать в три-четыре раза боль­шую мощность, чем обычная таких же габаритов.

— Но обычную не надо охлаждать.

— Так думают люди, незнакомые с темой. Обычные мощные кабели тоже охлаждаются, иногда маслом, ино­гда воздухом в тоннелях. Всегда требуется обеспечение отвода тепла, т.к. при прохождении тока по традицион­ному проводнику он всегда нагревается, а максимальный нагрев ограничивается характеристиками изоляции.

От 30 и дальше

— Но для того, чтобы дело пошло, надо сначала по­строить экспериментальную демонстрационную ка­бельную линию.

— Она уже есть, и не одна. В мире создан целый ряд ли­ний. которые уже отработали контрольный срок. Первые маленькие линии, по 30 м. были поставлены на опытную эксплуатацию в США и Дании еще в 2001 г. Самая пер­вая, в штате Джорджия, работает до сих пор. Другие сня­ли с эксплуатации.

— Почему? Сломались? Не выдержали?

— Выдержали, не сломались. Просто они выполнили свою миссию. Это же не самоцель, это была демонстра­ция возможностей и надежности. В Огайо, на подстан­ции «Биксби» уже около десяти лет работает на поря­док большая линия, порядка 350 м. И работает надеж­но. Примерно такая же линия в городе Олбани в штате Нью-Йорк работала лет шесть-семь, потом была выведе­на из эксплуатации. Задачи, которые они ставили, были решены.

— А у нас что?

— У нас дело тоже движется, хотя и не так быстро, как хотелось бы. Еще в РАО ЕЭС возник интерес к сверхпро­водимости. Первое финансирование было от них, и пер­вые промышленные эксперименты проходили под их па­тронажем. Но реальные проекты пошли с участием Фе­деральной сетевой компании. Первый проект — создание сверхпроводящего кабеля переменного тока протяжен­ностью 200 м. Наша организация принимает в нем самое

активное участие. Мы создали испытательный стенд, на котором можно тестировать кабели большой длины при полной нагрузке. Далее у нас идет следующая про­грамма— создание линии постоянного тока. Первый проект— демонстрационный, он будет по планам при­мерно через два года установлен на подстанции «Дина­мо» и шунтирован обычными кабелями.

— А второй?

— Второй проект, уже 2.5 км, приблизительно в то же время должен быть проложен в Санкт-Петербурге. Это будет реальная линия для соединения двух подстанций.

— В чем смысл второго проекта?

— Все энергосистемы, особенно в больших городах, секционируются. Их нельзя соединить в единую много­связную сеть, потому что при этом очень сильно возрас­тают токи короткого замыкания. А отключающая спо­собность всех имеющихся в мире выключателей — 61 кА, при больших токах весьма вероятно повреждение обору­дования. В Москве есть кольца 110,220 и 500 кВ. В коль­цах 110 и 220 кВ— порядка сотни рассечек. И от этих колец идут станции так называемого глубокого ввода. Они могут находиться совсем рядом, зачастую в 200 м, а короткой связи между ними нет, только через коль­цо. Но при связи через кольцо возникают свои большие проблемы. Как пример можно привести блэкаут, кото­рый произошел недавно в Санкт-Петербурге. На одной из подстанций случилась авария — она отключилась. Возник бросок тока на соседней подстанции. Там ничего не произошло, там просто сработала защита, и она тоже отключилась. Вот так и получается то, что мы называ­ем веерным отключением. Если бы эти станции имели уже в городе связь между собой по низкому напряже­нию, то ничего бы такого не произошло. Соседняя стан­ция подпитала бы обесточенную сеть, и на этом все бы закончилось. Но их сейчас нельзя связать традицион­ными линиями переменного тока, потому что возраста­ют токи короткого замыкания. А вот линией постоянно­го тока связать можно. Это что-то типа вставки, кото­рая у нас стоит на границе с Финляндией. Но там просто вставка— выпрямитель и инвертор, а здесь еще надо связать подстанции, расположенные на некотором рас­стоянии. Для того чтобы связывать подстанции, нужна приличная мощность. А приличную мощность обеспе­чить при помощи обычных кабелей — это одних земля­ных работ будет столько, что уж лучше аварии ликви­дировать. Шутка, конечно. Плюс большое количество достаточно дорогого кабеля. И здесь хорошее решение такое: сверхпроводящий кабель и преобразователь по­стоянного тока, с одной стороны выпрямитель, с дру­гой — инвертор.

— Получается, что такой сравнительно небольшой кусок сверхпроводящего кабеля решает многие про­блемы?

— Да. Вообще, это мечта энергетиков — связать в боль­ших городах глубокие вводы таким сверхпроводящим кольцом. Это на порядок повысит надежность энерго­снабжения. Вот сейчас мы этим и занимаемся. ОАО «ФСК ЕЭС» ставит вопрос достаточно серьезно. Задача уже не в том, чтобы сделать кабель и продемонстри­ровать на испытательном стенде, что он работает, или на месяц куда-то поставить и потом снять. Надо создать для него весь комплект оборудования. Это криогенная установка, которая будет охлаждать жидкий азот и про­качивать его по кабелю.

— А привозным азотом разве нельзя пользоваться?

— Можно. Это не так важно. Но собственный азот — это большая автономность. Система должна быть зам­кнута, и прокачивать кабель хладагентом надо на всю длину. Тут много своих гидротехнических проблем. Надо создать определенное давление, определенный поток, чтобы снимать теплопритоки. потому что через криостат тепло все равно поступает в холодную зону. Плюс надо построить выпрямительные и инверторные станции, обеспечить диагностику, связь с энергосистемой, устано­вить согласующие трансформаторы, если надо — фильтрокомпенсирующие устройства. Вот этот комплекс мы сейчас и разрабатываем. Уже создана кооперация, про­мышленные предприятия занимаются производством и кабеля, и преобразовательной, и криогенной техники.

Раз полоска, два полоска

— Есть ли у нас сейчас промышленное предприятие, которое занимается высокотемпературными сверх­проводниками?

— У нас пока нет производства самих сверхпроводя­щих материалов, мы покупаем их за рубежом. Что ка­сается криогенной техники — у нас с советских времен остались два действующих флагмана: «Криогенмаш» и «Гелиймаш». Мы работаем с московским «Гелиймашем», они делают много техники для металлургии, тех­нику для космодромов, производящую жидкие водород и кислород. Что касается изготовления самого кабеля, то в принципе это можно сделать на любом кабельном заводе. Нужны просто опытные технологи, которые зна­ют, как обращаться со сверхпроводящим материалом, и конструкторы, которые все посчитают.

— Но там же есть какие-то свои особенности?

— Разумеется. Если в обычных кабелях основные про­блемы сконцентрированы в изоляции, то в сверхпрово­дящих кабелях— в токопроводящей жиле. На сегодня единичная жила несет 100-200 А, а из них надо набрать 2.5-3 тыс. А. В обычных кабелях этот вопрос решается просто. Вы берете проволоки одинаковой длины и сече­ния, сплетаете их — и ток распределяется по ним равно­мерно, потому что сопротивления всех проволок прак­тически равны. Но в сверхпроводящих проводах нет со­противления. Если вы их сплели, то вы не знаете, как распределится ток. В конце 1990-х гг. в Америке и в Япо­нии была целая гонка за то, кто первым сделает кусок кабеля с наилучшими характеристиками. Потом две японские фирмы Furukawa и Sumitomo, и одна американская Pirelli, сделали 50-метровые куски. Они использовали примерно одинаковые токонесущие ленты и крутили их в несколько слоев, чтобы набрать ток. Все хотели получить где-то 2- кА.  Furukawa сделала десять таких слоев, Pirelli — шесть,  Sumitomo — четыре. Они все испытали их и получили один и тот же ток вне зависимости от ко­личества сверхпроводника. Все это стало физически по­нятно уже потом. Мы опубликовали на эту тему целую серию работ и показали, что так, как они делают (а де­лают они неправильно), у них ток течет только по двум слоям лент, поэтому все получили критический ток двух поверхностей, а все слои внизу просто не работают. Сей­час в этом разобрались, уже есть патенты, решения. Во­просов в этой области нет, да и ленты стали получше. Мы сейчас делаем до шести слоев без проблем, при этом все слои равномерно заполняются током.

— Итак, научные задачи более-менее решены. А как с высоковольтными?

— Жидкий азот — очень хороший диэлектрик. Если он находится под давлением, он лучше выполняет роль изо­лятора, чем трансформаторное масло. Поэтому тут ни­каких проблем не возникает. Мы недавно провели у себя испытание — приготовили серию образцов кабеля посто­янного тока и попытались их «пробить». У нас толщина в изоляции порядка 4 мм, а мы сделали 0.7, 1, 1.5, 2 мм и т.д. Взяли установку до 70 кВ и пробили толщину 0.7 на уровне где-то 47 кВ. Миллиметр взяли — уже не про­бивается. Из трех образцов один пробили на 68 кВ, а два и на 70 кВ не пробились. Это многократно превосходит все наши госстандарты. Притом у нас жидкий азот был при атмосферном давлении, а в кабеле он будет под из­быточным давлением. При атмосферном давлении мо­гут образовываться пузырьки, а когда мы прокачиваем его в кабеле под давлением, там пузырьков нет, т.е. там электрическая прочность будет еще выше. Получается, что проблемы с жилой решены, проблемы с изоляцией решены, остаются вопросы организации производства и наработки опыта. Потому что энергетика, конечно  — очень консервативная область.

— Но она и должна такой быть, поскольку от нее очень многое зависит.

— Разумеется. А для того чтобы дело развернуть в ши­роких масштабах, должна быть наработка. Мы надеем­ся, что в 2014 г. изготовим эти 2.5 км кабеля, к 2015 г. подготовим инфраструктуру и уложим его прямо в цен­тре Санкт-Петербурга, рядом с Обводным каналом. Там роется туннель между двумя подстанциями, и если все будет готово, значит в 2015 г. мы все поставим. Причем это будет эксплуатация уже без шунтирования обычны­ми кабелями 2.5 км. Передаваемая мощность по нему бу­дет 50 МВт, что очень нехарактерно для традиционной энергетики: при напряжении 20 кВ обычно передает­ся не больше 10-15 МВт. И это не предел. На постоянном токе можно передавать 150-250 МВт.

— Получается, такая линия заменяет собой как ми­нимум четыре?

— Она заменяет много линий. Причем вы слышали, наверное, что сейчас все говорят о смартгридах, умных сетях и т.д. Что такое обычная линия переменного тока? Вы присоединили линию к двум точкам— и вы никак не можете на нее повлиять. Куда там потечет ток, зави­сит от потенциала в этих точках. А когда у вас линия по­стоянного тока, у вас же есть преобразователи, это уже регулируемая линия. Таким образом, вы можете регу­лировать поток мощности вплоть до принудительного изменения направления из точки А в точку В и из точ­ки В в точку А. Поскольку все системы довольно много­связные, то если вы включаете в нее сверхпроводящую линию, у нее сопротивление самое маленькое и она бе­рет на себя максимальную нагрузку. Потерь в ней поч­ти нет. Итак, у нас получается КПД передачи на уровне 99% на переменном токе. На постоянном немножко хуже, потому что энергия теряется в самих преобразователях. Тиристоры греются, и получается, что в них мы теряем порядка 2%. Но это все равно неизмеримо меньше, чем потери в распредсетях.

— Потери 2%— это, как говорится, «в пределах по­грешности».

— В общем, я так считаю, что вместе с тепловыми по­терями, с тиристорами мы укладываемся в 3%, и это на­много лучше, чем любая другая система, включая высо­ковольтные газоизолированные. Нигде нет потерь ниже.

Элементарное шоссе

— Я примерно представляю себе, как работает обыч­ная сверхпроводимость, но так и не смог понять, как работает сверхпроводимость высокотемператур­ная. При обычной, насколько я понимаю, кристалли­ческая решетка, «замерзая», замирает, и электроны получают широченную дорогу, эдакую магистраль, по которой можно нестись, не встречая препятствий. А вот в высокотемпературной что происходит?

— У вас не совсем правильное представление. В низко­температурной сверхпроводимости решетка не полно­стью «замирает». Она реагирует на электроны, и через обмен фононами электронов с решеткой связываются вместе два электрона— образуется так называемая куперовская пара. И вот они уже движутся сквозь решет­ку без сопротивления. Если вы хотите точно узнать ме­ханизм высокотемпературной сверхпроводимости, то я вам желаю успеха, потому что это очередная Нобелевская премия: до конца это еще не описано и не понято. Есть гипотезы, есть предположения, но тут немного другая си­туация. Если в низкотемпературных сверхпроводниках мы имеем трехмерную проводимость, то здесь структура материала должна быть планарной — т.е. по плоскостям. В основном атомы меди и кислорода образуют плоскости, вдоль которых идет движение, поэтому в двух направле­ниях, скажем, в зависимости от поля, оно примерно оди­наково, а в третьем направлении — уже поперек плоско­стей, там все получается намного хуже.

— Значит, тут мое сравнение с магистралью близко к действительности. По бетонной поверхности маши­ны несутся быстрее ветра, а вот сквозь нее уже так легко не пробьешься.

— Высокотемпературный сверхпроводящий матери­ал очень чувствителен к направлению магнитного поля. Даже если его охладить до жидкого гелия, все равно он остается очень чувствительным к поперечному маг­нитному полю. В принципе, это одна из причин, почему именно на кабелях достигнуты большие мощности: у них такая конфигурация, что магнитное поле всегда парал­лельно поверхности. В любой обмотке всегда на концах есть компоненты, перпендикулярные поверхности, и это сильно «режет» токонесущую способность. А в кабелях круговой компонент параллелен поверхности, поэтому в кабелях достигаются высокие плотности тока и. соот­ветственно. мощности. Уже созданы кабели и на сотни мегаватт при большом напряжении. В Китае запущена линия постоянного тока, передающая 10 тыс. А на рас­стояние порядка 800 м. от подстанции к электролизно­му заводу.

— То есть китайцы тут тоже проявляют активность?

— Не особенно. Они довольно давно, лет пять-шесть назад, сделали две небольших линии переменного тока и на этом затормозили. Больше ушли в токоограничители. Только сейчас они создали хорошую постоянно­точную линию. Правда, вначале они объявили, что она будет на 20 кА. но в итоге получилось в два раза мень­ше. Честно сказать, российские специалисты впервые достигли 10 кА в 2000 г. Правда, не на родине, а по кон­тракту в Мексике. Все понимают, что у этих кабелей огромное преимущество. Когда на низком напряжении можно передать большие токи, пропадает необходи­мость строить огромные повышающие подстанции, по­тому что те же мощности можно передать на меньшем напряжении.

— И почему же такие большие линии пока строят такими тихими темпами?

— А где строить? Инфраструктура-то уже создана, и влезть в нее со сверхпроводящим куском, т.е. с больши­ми токами и относительно низким напряжением, слож­но, т.к. потребуется множество согласующих устройств. Это хорошо для новых объектов, которые изначально должны строиться под такую передачу. Но чтобы под нее что-то строилось, надо, чтобы она где-то уже работала и показывала свою работоспособность и рентабельность, иначе просто никто не рискнет. И это правильно. Пример реализации крупномасштабного проекта с ис­пользованием сверхпроводимости— низкотемператур­ный кабель для ITER.

— Сколько стоит производство такого кабеля?

— Гораздо дешевле, чем стоит сам материал, раз в пять. Потому что каждая проволочка содержит поряд­ка 8 тыс. волокон диаметром 4-5 мкм. И из конца в конец на километры эти волокна должны не быть порваны. Все это делается в России. Низкотемпературные сверхпро­водники у нас очень хорошие. Надеемся, что скоро будут и хорошие высокотемпературные. Сейчас «Росатом» при­нял программу и взял на себя задачу по разработке этих высокотемпературных материалов.

Сверхпроводящий супертормоз

— Я вам рассказал уже много о кабеле потому, что мы сейчас им занимаемся. Ноя считаю, что для широкого внедрения в энергетику наиболее перспективны сверх­проводящие токоограничители.

— Сверхпроводник тока ограничивает ток? Это что- то из области парадоксов.

— Никаких парадоксов, все элементарно, принцип действия значительно проще, чем любой современный токоотключающий аппарат. Когда где-то на линии ко­роткое замыкание, у нас стандартное срабатывание релейной защиты составляет 200 миллисекунд, т.е. на оборудование воздействует первая полуволна мак­симальной амплитуды (ударный ток), потом успевает пройти еще несколько волн большой амплитуды, и толь­ко следом срабатывает защита. Этот ударный ток очень вреден для оборудования, т.к. приводит к повышенному электромагнитному и электродинамическому воздей­ствию на него. Кстати, одна из основных причин выхо­да из строя трансформаторов— как раз механические нагрузки во время прохождения ударного тока. Сверх­проводящий токоограничитель— единственный вари­ант. который позволяет срезать ударный ток, потому что тут нет никаких исполнительных механизмов, это про­сто свойство материала. Изначально сопротивление ну­левое. При резком превышении критического значения тока сверхпроводимость исчезает мгновенно, следова­тельно, сопротивление вырастает сразу на несколько по­рядков. Фактически сверхпроводник почти моменталь­но превращается в резистор. У такого токоограничителя время срабатывания, в зависимости от фронта нараста­ния, две-пять миллисекунд максимум. И он замечатель­но режет уже первую волну.

— А у военных есть применение для таких сверхпро­водящих технологий?

— И не одно. Первое— это низкооборотные двигате­ли. которые не требуют механической коробки передач, а это означает снижение шума для подводных лодок. Кроме того, они намного легче. Уже создан двигатель на 36 МВт, он примерно в пять раз легче, чем обыч­ный. Но они пока работают при низких температурах, до 30° К. Есть проекты со сверхпроводящей магнитной катапультой, которую можно использовать на авианос­це для старта самолетов. Источники бесперебойного пи­тания на базе сверхпроводящих индуктивных накопи­телей энергии используются для аварийного питания узлов связи, штабов, пусковых установок и других объ­ектов. Индуктивные накопители энергии используются также для питания ламп накачки мощных импульсных лазеров. Довольно много так называемой слаботочной сверхпроводимости используется в космосе — всяче­ские системы обнаружения, болометры, датчики... Ведь что такое чувствительность? Это соотношение полезного сигнала и шума. А шум уменьшается при снижении тем­пературы. Кроме того, использование квантовых эффек­тов в сверхпроводниках позволяет на несколько поряд­ков повысить чувствительность датчиков и точность из­мерительных приборов. Поэтому низкотемпературные сверхпроводники применяются в антеннах. Сверхпрово­дящие антенны чрезвычайно чувствительны, даже ког­да используются не в космосе, а на Земле. Так что, если мы когда-нибудь установим связь с инопланетянами, скорее всего нам помогут в этом сверхпроводники. ■

В мире науки 6.2013

Беседовал Валерий Чумаков

Хочешь всегда знать и никогда не пропускать лучшие новости о развитии России? У проекта «Сделано у нас» есть Телеграм-канал @sdelanounas_ru. Подпишись, и у тебя всегда будет повод для гордости за Россию.