Лаборатория прикладной криогенной техники Лутидзе Шота Иванович Заведующий лабораторией, д.т.н., профессор ЭНИН был одной из первых в стране организаций, - презентация

1 Лаборатория прикладной криогенной техники Лутидзе Шота Иванович Заведующий лабораторией, д.т.н., профессор ЭНИН был одной из первых в стране организаций, где по инициативе член-корреспондента АН СССР Дмитрия Георгиевича Жимерина в 1970 году был создан отдел криогенной электротехники под руководством д.т.н. Блинкова Е.Л., который приступил к решению проблемы создания нового вида транспорта электроэнергии с использованием явления сверхпроводимости. В отделе велись теоретические и экспериментальные работы по следующим важным проблемам: жесткие сверхпроводящие кабели (СПК) постоянного тока; жесткие однофазные и трехфазные СПК переменного тока; сверхпроводящие трансформаторы стержневого, электромашинного и тороидального типов, в том числе и с магнитопроводом из аморфной электротехнической стали; сверхпроводящие токоограничители; криотроны и криотронные преобразователи; технико-экономические исследования сверхпроводящих ЛЭП; теоретические исследования в области технической сверхпроводимости; многожильные сверхпроводящие провода; силовой трансформатор с магнитопроводом из отечественной аморфной электротехнической стали и многие другие работы, в ходе которых был решен большой круг научно-технических и конструкторско- технологических проблем создания сверхпроводникового электроэнергетического оборудования. В гг. в ЭНИНе были построены уникальные криогенные стенды, оснащенные самыми передовыми средствами контроля и управления. Целью лаборатории прикладной криогенной техники является разработка электрооборудования нового поколения, основанного на широком использовании явления сверхпроводимости (СП). Такое электрооборудование отвечает всем потребностям энергетики настоящего времени и стремительному развитию электроэнергетики ХХI века, удовлетворяя при этом всем основным требованиям, предъявляемым к современным управляемым системам.

2 Задачей лаборатории прикладной криогенной техники является разработка сверхпроводящих электротехнических и электроэнергетических устройств (СП кабелей постоянного и переменного тока, многожильных СП проводов, СП трансформаторов, СП токоограничителей, криотронов и криотронных преобразователей, СП электрических машин постоянного и переменного тока и т.д.). К крупным научным достижениям в области прикладной сверхпроводимости относится создание и успешное испытание первой в СССР (1970 г.) четырех метровой экспериментальной модели однофазного сверхпроводящего кабеля, являющегося прототипом СП кабеля, охлаждаемого принудительно прокачиваемым потоком гелия сверхкритических параметров. На базе данных, полученных на этой однофазной модели СПК, в ЭНИНе была сконструирована, изготовлена и испытана экспериментальная установка трехфазного СП кабеля длиной 10 м. Разработанные экспериментальные модели СП кабелей позволили создать и испытать в Испытательном центре Мосэнерго «Кожухово» в 1977 г. 100 метровый коаксиальный СП кабель жесткого типа с расчетными номинальными параметрами: 10,5 кВ, 10 кА (рис.1). Рис метровый коаксиальный СП кабель жесткого типа с расчетными номинальными параметрами: 10,5 кВ, 10 кА

3 Одним из направлений разработки сверхпроводящих электроэнергетических устройств является создание сверхпроводящих трансформаторов энергетического назначения. В ЭНИНе разработаны, изготовлены и испытаны экспериментальные модели СП трансформаторов стержневого, тороидального и электромашинного типа, в том числе с магнитопроводом из аморфной электротехнической стали. Преимуществом СП трансформаторов ЭНИНа является наличие в них локализированного магнитного поля возбуждения и рассеяния, что позволяет увеличить от 5 до 10 раз величину критического тока СП обмоток трансформатора при одновременном снижении потерь энергии в них. На рис.2 представлена криогенная часть однофазного СП трансформатора стержневого типа мощностью 5 кВА с локализированным магнитным полем возбуждения и рассеяния, а на рис.3 - СП обмотка. На рис. 4 представлен тороидальный СП трансформатор мощностью 1 кВА. На рис. 5 представлен СП трансформатор электромашинного типа мощностью 4 кВА. Сверхпроводящие трансформаторы, разработанные в ЭНИНе, нашли применение на объектах Министерства обороны СССР. По разработкам лаборатории прикладной криогенной техники в ОАО «Электрозавод» изготовлен и успешно испытан первый в России силовой трехфазный групповой трансформатор мощностью 100 кВА, напряжением 10 кВ с магнитопроводом из отечественной аморфной электротехнической стали (на рис.6 показан этот трансформатор и его активная часть, а на рис. 7 – аморфные сердечники магнитопровода). Рис. 2. Криогенная часть однофазного СП трансформатора стержневого типа мощностью 5 кВА Рис. 3. СП обмотка Рис. 4. Тороидальный СП трансформатор мощностью 1 кВА Рис. 5. СП трансформатор электромашинного типа мощностью 4 кВА Рис. 6. Трехфазный групповой трансформатор 100 кВА/10 кВ Рис. 7. Аморфные сердечники магнитопровода

4 Одним из направлений разработки сверхпроводящих электроэнергетических устройств является создание сверхпроводящих трансформаторов энергетического назначения. В ЭНИНе разработаны, изготовлены и испытаны экспериментальные модели СП трансформаторов стержневого, тороидального и электромашинного типа, в том числе с магнитопроводом из аморфной электротехнической стали. Преимуществом СП трансформаторов ЭНИНа является наличие в них локализированного магнитного поля возбуждения и рассеяния, что позволяет увеличить от 5 до 10 раз величину критического тока СП обмоток трансформатора при одновременном снижении потерь энергии в них. На рис.2 представлена криогенная часть однофазного СП трансформатора стержневого типа мощностью 5 кВА с локализированным магнитным полем возбуждения и рассеяния, а на рис.3 - СП обмотка. На рис. 4 представлен тороидальный СП трансформатор мощностью 1 кВА. На рис. 5 представлен СП трансформатор электромашинного типа мощностью 4 кВА. Сверхпроводящие трансформаторы, разработанные в ЭНИНе, нашли применение на объектах Министерства обороны СССР. По разработкам лаборатории прикладной криогенной техники в ОАО «Электрозавод» изготовлен и успешно испытан первый в России силовой трехфазный групповой трансформатор мощностью 100 кВА, напряжением 10 кВ с магнитопроводом из отечественной аморфной электротехнической стали (на рис.6 показан этот трансформатор и его активная часть, а на рис. 7 – аморфные сердечники магнитопровода). Рис. 2. Криогенная часть однофазного СП трансформатора стержневого типа мощностью 5 кВА с локализированным магнитным полем возбуждения и рассеяния Рис. 3. СП обмотка Рис. 4. Тороидальный СП трансформатор мощностью 1 кВА Рис. 5. СП трансформатор электромашинного типа мощностью 4 кВА Рис. 6. Трехфазный групповой трансформатор 100 кВА/10 кВ с магнитопроводом из отечественной аморфной электротехнической стали Рис. 7. Аморфные сердечники магнитопровода

5 Создание и исследование лабораторных образцов сверхпроводникового токоограничивающего устройства Рост уровней токов короткого замыкания (КЗ) предъявляет повышенные требования к обеспечению электродинамической и термической стойкости электротехнического оборудования и надежности его работы в режиме КЗ. Особенно актуальной эта проблема становится для сверхпроводникового (СП) электрооборудования: СП трансформаторов, СП генераторов, СП линий электропередачи и т.д. Внутренние сопротивления СП электрооборудования по сравнению с их значениями у традиционного оборудования существенно снижены, вследствие чего токи КЗ могут принимать недопустимо высокие значения. Для обеспечения надежной и устойчивой работы электроэнергетических систем применяются различные методы и средства ограничения токов КЗ, в том числе токоограничивающие устройства (ТОУ). В Лаборатории прикладной криогенной техники Энергетического института им. Г.М. Кржижановского при участии Физического института им. П.Н. Лебедева РАН разработаны и реализованы в лабораторных образцах СП ТОУ с применением как низкотемпературных, так и высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП). Принцип действия ВТСП токоограничителей (ВТСП ТОУ) основан на нелинейности вольтамперной характеристики (ВАХ) сверхпроводника, сопротивление которого меняется в зависимости от величины протекающего тока. Рис. 1. Электрическая схема ВТСП ТОУ трансформаторного типа. 1 – медная первичная (сетевая) обмотка, 2 – медная вторичная обмотка, 3 – ВТСП нелинейный резистор. Электрическая схема ТОУ переменного тока трансформаторного типа (рис.1) содержит трансформатор последовательного включения с ВТСП нелинейным резистором во вторичной цепи. Первичная обмотка ТОУ (сетевая обмотка) включается последовательно в цепь переменного тока. Вторичная обмотка, замкнутая на ВТСП токонесущий элемент (рис.2), при номинальном рабочем токе цепи имеет низкое активное сопротивление. Рис. 2. Схема цепи с ВТСП ТОУ (обведено пунктиром)

6 При возникновении КЗ происходит значительное увеличение активного сопротивления ВТСП резистора во вторичной цепи. В результате сопротивление ТОУ принимает значение полного сопротивления трансформатора в режиме холостого хода (рис.3). Высокое значение полного сопротивления ограничивает ток КЗ в защищаемой цепи. Рис. 4. Временные зависимости тока в цепи с ВТСП ТОУ во время КЗ Рис. 5. Временные зависимости тока в цепи с ВТСП ТОУ при переходном процессе после КЗ. Эксперименты на лабораторном образце ТОУ с использованием ВТСП проводов второго поколения подтвердили эффективность его применения для ограничения ударного (рис.4) и установившегося токов КЗ (рис.5). ВТСП ТОУ ограничивает ожидаемый ток КЗ в 10 раз с быстродействием 2 мс. Рис. 3. Вольтамперная характеристика ВТСП ТОУ на переменном токе. Стрелками указаны переходы из низкоомного в высокоомное состояние.

7 Новейшие разработки В гг. в рамках государственного контракта от 5 июня 2007 г. с Федеральным агентством по науке и инновациям «Создание силовой электрической линии для распределительных сетей на базе ВТСП технологий» при софинансировании ОАО «ФСК ЕЭС» группой российских компаний под руководством ОАО «ЭНИН» выполнены разработки в области высокотемпературной сверхпроводимости, имеющая важное значение для энергетики и ряда других отраслей промышленности России: крупнейший в Европе силовой сверхпроводящий трехфазный кабель на основе высокотемпературных сверхпроводников (создан ОАО «ВНИИКП» с участием ОАО «ЭНИН»); принципиально новая автономная высокоэффективная азотная система криообеспечения СК 001 для силовых высокотемпературных сверхпроводящих систем различного назначения, таких как кабели, токоограничители, трансформаторы, транспортные системы и т.п. (создана МАИ и ОАО «ЭНИН»); уникальный криогенный насос с ВТСП электроприводом для функционирования систем криообеспечения (создан МАИ) октября 2009 года по результатам приемочных испытаний Государственная комиссия отметила, что по всем показателям созданные изделия выдержали испытания (по некоторым из них превысили мировой уровень) и соответствуют требованиям технического задания и приняла выполненную работу. Разработки мирового уровня, использующие российские технологии и «ноу-хау». Защищены патентами РФ. Область применения сверхпроводящего кабеля: распределительные сети мегаполисов, крупных городов и энергоемких промышленных производств; при использовании на постоянном токе существует возможность передачи больших мощностей (порядка нескольких гигаватт) на дальние расстояние и объединение энергосетей.

8 Крупнейший в Европе силовой сверхпроводящий трехфазный кабель длиной 200 м с током 1500/2000А на напряжение 20 кВ с передаваемой мощностью 50/70МВА. Изготовлен на основе высокотемпературных сверхпроводников, работающих при температуре жидкого азота ( С и ниже). Ключевые конкурентные преимущества: - Увеличение передаваемой мощности в 3-9 раз в сравнении с обычным кабелем; - Снижение потерь электроэнергии в 2-3 раза при передаче сопоставимой мощности; - Увеличение ресурса кабеля примерно в 2 раза (до 60 лет); - Экологическая чистота и пожаробезопасность; - Возможность передачи большей мощности при пониженном напряжении. Это позволяет передавать электроэнергию на генераторном напряжении и исключить две мощные подстанции с соответствующей экономией площади в мегаполисах. Научная значимость: Первая разработка в России, использующая российские технологии и «ноу-хау». Заложены предпосылки для массового производства ВТСП-кабелей. Является крупнейшим в Европе по длине и величине передаваемой мощности. Стадия разработки - опытный образец успешно выдержал приемочные испытания на стенде и в гг. планируется его установка и опытно-промышленная эксплуатация в электрической сети Москвы. Монтаж кабеля с токовыми вводами Укладка кабеля на испытательном полигоне ОАО «НТЦ Электроэнергетики»

9 Принципиально новая автономная высокоэффективная азотная система криообеспечения СК 001 для силовых высокотемпературных сверхпроводящих систем различного назначения (кабелей, токоограничителей, трансформаторов, транспортных систем и т.п.) Впервые в мире создана система криообеспечения протяжённых силовых сверхпроводящих кабелей, что стало возможным благодаря использованию криорефрижераторов с неоновым контуром и высокоресурсными турбомашинами, погружных крионасосов с ВТСП электроприводом, «активной» системы криостатирования. Область применения: криостатирование силовых высокотемпературных сверхпроводящих систем различного назначения (кабелей, токоограничителей, трансформаторов, транспортных систем и т.п.). Система криообеспечения по сравнению с аналогами имеет следующие преимущества: обеспечивает работу протяжённых силовых сверхпроводящих кабелей длиной до 1,5 км; в 5…10 раз увеличен межремонтный ресурс системы (до ч); криорефрижератор обладает большей в 1,6 раза холодопроизводительностью и в 1,5 раза большим коэффициентом полезного действия при температуре 65 К; не требует водяной системы охлаждения, что обеспечивает его автономную работу. Система криообеспечения разработана и испытана МАИ и ОАО «ЭНИН». Разработка защищена патентами РФ. Основные параметры: Массовый расход жидкого азота от 0.01 до 2 кг/с; Давление на выходе до 20 бар; Температура жидкого азота на входе в насос67…78 К; Давлением на входе в насос 0.6…0.8 кгс/см2; Мощность на валу привода до 12 кВт; Число оборотов насоса от 0 до об/мин. Автономная высокоэффективная азотная система криообеспечения протяженных силовых ВТСП кабелей (и других систем - токоограничителей, трансформаторов и т.п.)