Сверхпроводящие кабели для линий электропередачи — кабели будущего

Идея создания сверхпроводящих кабелей для передачи электроэнергии возникла вскоре после открытия явления сверхпроводимости в 1911 г. В упрощённом виде явление сверхпроводимости в металлах можно представить следующим образом. Между электронами как между одноименно заряженными частицами действуют кулоновские силы отталкивания. Однако при сверхнизких температурах для сверхпроводящих материалов (а это 27 чистых металлов и большое количество специальных сплавов и соединений) характер взаимодействия электронов между собой и с атомной решёткой существенно видоизменяется. В результате становится возможным притягивание электронов и образование так называемых электронных (куперовских) пар. Возникновение этих пар, их увеличение, образование «конденсата» электронных пар и объясняет появление сверхпроводимости. С повышением температуры часть электронов термически возбуждается и переходит в одиночное состояние. При некоторой так называемой критической температуре все электроны становятся нормальными и состояние сверхпроводимости исчезает. То же происходит и при повышении напряжённости магнитного поля. Критические температуры сверхпроводящих сплавов и соединений, используемых в технике, составляют 10^о—18 ^о К, т.е. от –263^о до –255°С.

Первые проекты, экспериментальные модели и опытные образцы таких кабелей были реализованы лишь в 70—80-е годы XX в. К этому времени из всех возможных вариантов возобладала концепция полностью гибкого кабеля в гибких гофрированных криостатирующих оболочках. В качестве сверхпроводника использовались ленты на основе интерметаллического соединения ниобия с оловом, охлаждаемые жидким гелием.

В 1986 г. было открыто явление высокотемпературной сверхпроводимости, и уже в начале 1987 г. были получены проводники такого рода, представляющие собой керамические материалы, критическая температура которых была повышена до 90^о К. Примерный состав первого высокотемпературного сверхпроводника YBa₂Cu₃O_7– ( <0,2). Такой сверхпроводник представляет собой неупорядоченную систему мелких кристаллов, имеющих размер от 1 до 10 мкм, находящихся в слабом электрическом контакте друг с другом.

Открытие высокотемпературных сверхпроводников и прогресс в области их разработки возродили интерес к созданию сверхпроводящих кабелей к началу 90-х годов XX в. В США, Японии и странах Западной Европы в 1987—1990 гг. были начаты и на сегодня достаточно продвинуты работы по созданию сверхпроводящих кабелей на основе высокотемпературных сверхпроводников. Такие кабели принципиально отличаются от своих предшественников. Жидкий азот, применяемый для охлаждения, на несколько порядков дешевле гелия, а его запасы практически безграничны. Очень важным является то, что жидкий азот при рабочих давлениях 0,8—1 МПа является прекрасным диэлектриком, превосходящим по своим свойствам пропиточные составы, используемые в традиционных кабелях.

Технико-экономические исследования показывают, что высокотемпературные сверхпроводящие кабели будут более эффективными по сравнению с другими видами электропередачи уже при передаваемой мощности более 0,4—0,6 ГВ · А в зависимости от реального объекта применения.

Высокотемпературные сверхпроводящие кабели предполагается в будущем использовать в энергетике в качестве токопроводов на электростанциях мощностью свыше 0,5 ГВт, а также глубоких вводов в мегаполисы и крупные энергоёмкие комплексы. Естественно, что при внедрении сверхпроводящих кабелей в практику энергосистем необходимо реально оценивать экономические аспекты и провести комплекс работ по обеспечению надёжности таких кабелей в эксплуатации.