Проблемы, перспективы и основные направления развития электроэнергетики и электрооборудования восточной украиныНачало 21 века характеризуется тем, что накопилось много нерешенных проблем: загрязнение окружающей среды, ограниченность топливных и мине- ральных ресурсов, непрерывный рост населения, потенциальная угроза приме- нения ядерного и других видов оружия массового уничтожения, проблемы хра- нения отходов классических тепловых и атомных станций и т.д., [1]. Эти про- блемы затрагивают все направления жизни человечества, но, в первую очередь, электроэнергетику – отрасль, которая является базовой для любого направле- ния деятельности и для которой основными проблемами является следующее: 1) недостаточная мощность источников электроэнергии (генераторов, ус- тановленных на электростанциях), ограниченность запасов топлива для этих электростанций. Классические технологии получения электроэнергии реализу- ют несовершенные, экологически вредные методы получения энергии из отно- сительно низкопотенциальных источников; мировые запасы топлива для этих технологий будут полностью исчерпаны к середине третьего тысячелетия, ос- танутся только "возобновляемые" энергоресурсы – так называемая "зеленая" энергетика; 2) "зеленая" энергетика снижает уровень экологических проблем, но ба- зируется на источниках еще более низкопотенциальных, чем предыдущие, и
поэтому может представлять лишь временное решение, приемлемое тактиче- ски, но лишенное перспективы; 3) значительные потери электроэнергии. Плохое техническое состояние электросетей и значительный износ электрооборудования, несовершенные сис- темы учета вызывают увеличение уровня потерь электроэнергии: потери во всех сетях Украины составляют около 15-18 \%, а в некоторых регионах потери из-за изношенности электросетей достигают и более существенных значений. Так, например, по данным Дебальцевских РЭС, потери в электрических сетях поселка Мироновка Донецкой области составляют в летний период 22 \%, в зимний – 42 \%, [1,2]. 4) низкая надежность работы энергосистем и электрооборудования из-за их значительного физического и морального износа. Это ограничивает возмож- ность регулирования мощности энергогенерирующих систем и электрообору- дования, что весьма важно для нормализации работы систем электроснабжения (СЭС) в соответствии с графиками нагрузок. Надежность работы СЭС – опре- деляющий фактор развития любой отрасли промышленности, быта. Например, для городского электрохозяйства, для осветительных и энергоснабжающих сис- тем городов и поселков наиболее важны сети до 1 кВ. Но именно они на сего- дняшний день наиболее изношены и требуют немедленной модернизации, при- чем с использованием новых достижений, [2]. Силовой энергетический комплекс Украины является составной частью Объединенной энергетической системы (ОЭС), которая осуществляет центра- лизованное энергоснабжение потребителей Украины и взаимообмен электро- энергией с энергосистемами соседних стран. В Украине в ОЭС входят электро- станции энергогенерирующих компаний (14 ТЭС, 4 АЭС, 7 ГЭС и 1 ГАЭС, 97 ТЭЦ, 8 ВЭС, мини- и микро-ГЭС и т.д.), магистральные электрические сети на- циональной энергетической компании (НЭК) «Укрэнерго» и распределитель- ные электросети региональных энергоснабжающих компаний. Структура формирования энергосистемы Украины отличается от средне- мировой, у которой средние показатели следующие: электростанции, которые работают на нефти (мазуте), вырабатывают 38 \% общей выработки электро- энергии, на природном газе – 20\%, на угле – 27\%, что составляет 85 \%. Осталь- ные 15\% приходятся на АЭС и на электростанции, работающие от возобнов- ляемых источников энергии («зеленая энергетика»). В Украине в настоящее время АЭС вырабатывают до 45 \% общего объема электроэнергии. Общая мощность 13 установленных энергетических блоков на 4 АЭС Украины состав- ляет 11800 МВт, [3,4]. Прослеживается тенденция дальнейшего увеличения вклада АЭС в элек- троэнергетику Украины. Анализ литературных источников, [3,4], позволяет сделать вывод, что указанная задача будет решаться поэтапно, разными путями: - повышение единичной мощности установленного электрооборудования; - продление срока службы АЭС первого поколения; - достройка новых энергоблоков АЭС высокой степени готовности,
- создание и ввод в строй АЭС нового поколения с высокими показателями уровня безопасности и экономичности. Развитие атомной энергетики возможно с одновременным устранением проблем, связанных со значительным износом электрооборудования станций: в Украине уже не стоит вопрос о достаточной степени безопасности АЭС, а поя- вился вопрос о самой технической возможности их эксплуатации. В настоящее время АЭС требуют немедленной модернизации, установленное оборудование практически отработало свой ресурс. По инженерно-экономическим оценкам, модернизация одного энергоблока АЭС оценивается в 130 миллионов долларов, [3]. Уже начаты единичные работы по ремонту и модернизации отдельных бло- ков, но это не решает проблем атомной энергетики в целом. Тепловые электростанции оцениваются специалистами аналогично. На 104 блоках тепловых электростанций, работающих на угле, 96\% оборудования отработало проектный ресурс, а 73\% - превысили граничный ресурс, КПД станций снизился до 30 – 35\%, [1,2]. Кроме того, под постоянной угрозой сама поставка твердого топлива на станции. Для тепловых электрических станций нужен импортный уголь, т.к. многие шахты Украины закрыты, а другие явля- ются аварийными. На многих тепловых электростанциях отсутствуют газоочи- стные сооружения, что приводит к значительному выбросу в атмосферу окси- дов азота, двуокиси серы и т.д. Постоянна и проблема быстрорастущих зольных отвалов. То есть и тепловая энергетика находится в состоянии, близком к тех- нической катастрофе. Можно констатировать, что ни одна из современных технологий полу- чения энергии не имеет перспектив на отдаленное будущее и может решать только временные, сегодняшние проблемы. Кризисное состояние следует отне- сти к серьезным недоработкам современных технологий получения, распреде- ления и потребления энергии, к недостаточному финансированию энергоком- плекса страны. Предлагаемые решения выхода из кризиса, например, "концеп- ция устойчивого развития", базируются на традиционных принципах эволюци- онного развития энергетики и воздействия на влияющие факторы путем введе- ния ряда ограничений – на выброс газов, на удельное потребление бензина, уг- ля, мазута, газа, на рост населения и т.д. Существуют предложения по выходу из эколого-энергетического тупика, которые в отличие от эволюционного развития, предлагают революционные решения [3,6,7]. Например, применение децентрализации производства элек- трической энергии, интенсивное развитие нетрадиционных источников энер- гии, поиск и внедрение новых источников электроэнергии – новых типов гене- раторов. Но каждый из этих способов имеет очень много недоработок и на се- годняшний день весьма бесперспективен. Очевидно, что необходимо интенси- фицировать научные исследования по поиску принципиально новых источни- ков и способов получения электроэнергии. Этот путь требует вложения значи- тельных материальных средств, но, на наш взгляд, за этим решением - будущее.
Проблемой является то, что срок получения практических результатов неизвес- тен, а электроэнергия нужна каждую минуту. Все эти проблемы значительно обостряются в Восточной Украине и осо- бенно в Донецком регионе, где сосредоточены основные промышленные мощ- ности страны и самая высокая плотность населения. Именно здесь исторически наиболее рано формировались системы энергоснабжения, строились промыш- ленные предприятия, устанавливалось электрооборудование. Однако годы по- сле развала СССР отличаются тем, что ни ремонт, ни обновление, ни реконст- рукция энергохозяйства практически не проводились и наиболее пострадали именно промышленные регионы. Таким образом, и проблема стоит здесь наи- более серьезно и наиболее важно найти ее решение. Как уже указывалось выше, развитие электроэнергетики может, а вероят- но и должно, идти параллельно двумя путями: эволюционным, для обеспечения электроэнергией сегодня, завтра, ежедневно, и революционно, с возможностью выработки рентабельной, экологически чистой электроэнергии в будущем. Правильно, конечно, вести одновременное развитие этих направлений, но это требует настолько значительных материальных инвестиций, что для многих стран это сочетание невозможно. Но в пределах допустимых экономических границ, наше мнение, возможно следующее: 1) продление срока эксплуатации действующего оборудования за счет его модернизации, проведение реконструкции с внедрением новых технологий; по- вышение эффективности энергоустановок классических тепловых, атомных и гидроэлектростанций. Но следует помнить о прогрессирующем старении обо- рудования крупных энергоблоков электростанций; 2) внедрение нового энергооборудования с высокими энергетическими характеристиками: КПД, коэффициентом мощности, линейными нагрузками, индукцией, плотностью тока и т.д. Это приведет к экономии органического то- плива во всех сферах - в промышленности, на транспорте, в быту. Следует так- же повышать единичную установленную мощность электрооборудования в блоках атомных электростанций до 1500 МВт. В качестве основного варианта замещения выбывающих мощностей предполагается строительство атомных энергоблоков с водо-водяными реакторами типа ВВЭР-1500 и турбоагрегатами мощностью 1500 МВт. Для реализации проекта такого энергоблока следует ис- пользовать возможности отечественной промышленности, добиваться мини- мальных, и, по меньшей мере, экономичных вложений для модернизации имеющихся производственных технологий и экспериментальной базы предпри- ятий. Уровень технического оснащения и развития отечественного электрома- шиностроения, в частности, завода «Электротяжмаш» (г. Харьков), и результа- ты предварительных конструкторских и технологических разработок показы- вают, что национальные промышленные предприятия в состоянии разрабаты- вать и изготавливать турбогенераторы мощностью 1500 МВт, как в тихоходном (1500 мин-1), так и быстроходном (3000 мин-1) вариантах. В обоих вариантах
предлагается безводородный турбогенератор с полным водяным охлаждением, обеспечивающий взрывопожаробезопасность энергоблока и обладающий по- вышенной надежностью вследствие низкого уровня нагрева и вибраций, высо- кой степени отработанности конструкции, [4]. Для сравнения, зарубежные фирмы при создании турбогенераторов мощ- ностью свыше 1000 МВт ориентируются на четырехполюсное исполнение с частотой вращения 1500 мин-1 (50 Гц) или 1800 мин-1 (60 Гц). Это генераторы мощностью 1150... 1360 МВт, изготовленные в Японии (Мицубиси), США (Дженерал Электрик, Вестингауз), Германии (Крафтверкюнион), Швейцарии (Броун Бовери). Наибольшей мощности, 1485 МВт, достигла Франция (Аль- стом), [4]. В машинах предельной мощности основные проблемы возникают с ох- лаждением и механическим креплением обмоток ротора, в торцевых зонах сер- дечников, при решении вопроса крепления лобовых частей обмоток статора. При расчетах турбогенератора предельной мощности (1500 МВт) следует ис- пользовать новый подход к выбору числа фаз обмоток статора (т.е. рассмотреть варианты трехфазного и шестифазного исполнения обмоток статора). Шестифазный турбогенератор имеет существенные преимущества по сравнению с трехфазным. Прежде всего, вдвое снижается объем тока в пазу, что ведет к повышению надежности крепления обмотки статора. Во-вторых, значительно снижаются добавочные потери на поверхности ротора из-за мень- шего содержания высших гармонических в кривой намагничивающей силы об- мотки статора. Это ведет к снижению нагрева отдельных элементов, т.е. к по- вышению КПД. Номинальное напряжение генератора мощностью 1500 МВт принимают равным 27 кВ. Это облегчает задачу разработки генератора, т.к. при увеличении активной длины по сравнению с генератором ТВВ-1200-2-У3 (про- изводство НПО «Электросила», г. Ленинград), имеющим напряжение 24 кВ, удельные электромагнитные нагрузки возрастают не в 1,25 раза, а в 1,11 раза. При проектировании такой машины следует сохранить наиболее интересные технические решения: - высокую перегрузочную способность, низкий уровень тепловых деформаций и, следовательно, стабильность и надежность работы изоляции, имеющей класс нагревостойкости F, [1,3]. - для ротора следует выбрать водоохлаждаемую демпферную обмотку, уложен- ную под пазовые клинья; - на полюсах следует выполнить продольные пазы с магнитным заполнителем. Это обеспечит полное выравнивание изгибной жесткости ротора в плоскостях полюсов и обмотки возбуждения без создания концентраторов напряжений, т.е. позволит выровнять жесткость «бочки» неявнополюсного ротора по окружно- сти. Сегодня мы можем сказать, что одно из направлений развития электро- энергетики – повышение мощности в единице энергетической установки, - воз- можно и подкреплено созданием высокоэффективного турбогенератора пре-
дельной мощности, [1,3]. Такие генераторы востребованы для энергоблоков атомных станций, но само развитие атомной энергетики вызывает определен- ные вопросы из-за целого ряда проблем: - Чернобыльская катастрофа заложила устойчивую психологическую неприязнь и страх не только у среднестатистического гражданина, но и у представителей руководящих органов, которые устанавливают объемы финансирования на на- учные исследования по атомной энергетике; - общемировая тенденция по развитию энергетики - сворачивание объектов ядерной энергетики, т.е. АЭС. И в нашей стране необходимо было бы уже сего- дня постепенно снижать вклад АЭС в общий объем производства электроэнер- гии, от 45 \% до 10-15 \%, как в других странах. Иначе ожидается резкий удар по энергетике через 10-20 лет, когда действующие атомные реакторы выработают свой ресурс, а строительство новых экономически не осуществимо из-за отсут- ствия финансирования, [4]. Но в плане развития электроэнергетики до 2030 го- да планируется увеличение вклада АЭС в общую картину электроснабжения Украины до 51-52 \%; - Проблема энергетической безопасности остается довольно острой, поскольку на данное время все ядерное топливо для украинских АЭС поступает из России, а перспективы строительства отечественного топливного ядерного цикла до се- годня остаются неопределенными. Учитывая большие естественные запасы урановых и циркониевых руд, прогнозируемый рост мировых цен на урановое сырье, наличие значительного промышленного и научно-технического потен- циала, в Украине следует создавать объекты собственного ядерно-топливного цикла, что существенно повысит уровень энергетического самообеспечения страны. - Вызывает опасение и принятый для Украины вариант сухого хранения отра- ботанного ядерного топлива – система СХОЯТ. В настоящее время Украина не имеет возможности переработки отработавшего ядерного топлива (ОЯТ), не может принять отходы после переработки, т. к. нет ни заводов по переработке, ни хранилища для радиоактивных отходов. В результате тщательного сравни- тельного анализа возможных технологий хранения ОЯТ для крупнейшей укра- инской атомной станции: Запорожской АЭС, - была выбрана американская сис- тема сухого хранения ОЯТ в бетонных вентилируемых контейнерах, устанав- ливаемых на бетонной площадке в пределах охраняемой территории АЭС, [1]. Принятие такого решения определялось тем, что в процессе работы АЭС про- исходит накопление отработавшего топлива в специальных бассейнах выдерж- ки внутри энергоблоков. А после развала СССР сократилась возможность вы- воза ОЯТ на хранение в Россию, и как следствие — переполнение приреактор- ных бассейнов выдержки ОЯТ. Обеспечение безопасной эксплуатации энерго- блоков становилось все более проблематичным. Использовались в экстренных случаях внутристанционные перевозки ОЯТ с блока на блок. Однако, это была лишь временная мера решения проблемы, но она требовала больших затрат и существенно снижала выработку электроэнергии. В результате произошло бы
полное заполнение бассейнов выдержки и энергоблоки были бы остановлены. Остановка АЭС – это значительные экономические потери на станции, в про- мышленности и т.д., т.к. убытки от простоя блока на 1000 МВт составляют око- ло 10 тыс. грн. в сутки. Это обосновывало необходимость сооружения на АЭС стационарных хранилищ ОЯТ, наличие которого снимает зависимость станций от решения проблемы вывоза ОЯТ с ее территории и обеспечит возможность работы станции еще на 30 лет. Срок хранения ОЯТ в хранилище должен со- ставлять не менее 50 лет с обеспечением возможности последующего вывоза отработанных тепловыделяющих сборок (ОТВС) на переработку или постоян- ное захоронение. Ввод в эксплуатацию проекта СХОЯТ, вместо вывоза отрабо- тавшего топлива в Россию, позволяет Запорожской АЭС экономить 393 млн.грн./год, [1]. Но нет решений по дальнейшей судьбе отработавших ОТВС, хранящихся в СХОЯТ-ах. Нет отработанной технологии по безопасному вскры- тию контейнеров, не понятно, как поведут себя ТВЭЛ-ы даже после 50-летней выдержки в герметичном контейнере СХОЯТ. Перспективным может оказаться использование для атомных реакторов новых тепловыделяющих элементов (ТВСА), у которых, за счет изменения конструкции, в 2-3 раза увеличен срок эксплуатации по сравнению с обычными ТВЭЛ-ами. Это ведет к снижению объема отработанных топливных элементов, упрощает задачу хранения ОЯТ. Достаточно медленно идет внедрение экономичных электроприводов с использованием частотноуправляемых асинхронных двигателей. Дешевые, на- дежные, легкие, простые асинхронные двигатели вполне конкурентоспособны в электроприводах, где исторически из-за хорошей регулировочной способности, т.е. способности плавно, просто, в широких пределах регулировать частоту вращения, были установлены дорогие, сложные в создании, эксплуатации и об- служивании двигатели постоянного тока. На наш взгляд, замена тяговых двига- телей постоянного тока в приводе городского наземного и подземного электро- транспорта, в приводе электричек и пассажирских поездов на частотноуправ- ляемый асинхронный привод весьма рентабельно. Но если и начаты работы по замене приводов подвижного состава городских хозяйств, то только в отдель- ных регионах Западной Украины. На Востоке, где сосредоточена основная мас- са населения, т.е. и транспортные сети (к тому, давно требующие замены), эти работы практически не ведутся. 3) снижение потерь различными путями во всех элементах энергосисте- мы. Решение этой проблемы должно, по нашему мнению, идти как традицион- но (установка нового электрооборудования с исходно более высокими значе- ниями КПД, интенсификация охлаждения, что позволит поднять удельную на- грузку и т.д.), так и искать новые пути. Например, мы считаем целесообразным пересмотреть существующий ряд предпочтительных чисел формирования зна- чений мощности силовых трансформаторов напряжения, т.е. вопрос «учаще- ния» шкалы стандартных мощностей силовых трансформаторов. Например, до- бавить между существующими ступенями мощности 630 и 1000 кВА значение мощности 750-800 кВА. Это позволит проводить выбор оборудования с выпол-
нением рекомендаций по коэффициенту загрузки трансформаторов, исключит или снизит проблему их эксплуатации в режимах недогрузки и перегрузки, по- зволит сократить число устанавливаемых трансформаторов в цехах промыш- ленных предприятий (снизит занимаемые площади, сократит используемую ап- паратуру и приборы, число обслуживающего персонала). Целесообразно повы- шение роли ГАЭС в общей картине генерации электроэнергии, т.к. введение их в единую энергосистему позволит разгружать сети и повышать качество элек- троэнергии в часы снижения электронагрузок, причем без риска аварий, как это было бы при попытке снижать выработку невостребованной электроэнергии за счет разгрузки и перевода в неноминальные режимы (режим холостого хода) генераторов атомных станций (Чернобыльская АЭС). 4) внедрение новых инженерных решений и нового оборудования при проведении работ по реконструкции, обновлению, восстановлению. Например, в НЭК «Укрэнерго» разработана и успешно реализуется программа реконст- рукции и модернизации магистральных электросетей, рассчитанная до 2010 г., в которой предусмотрена замена изношенного оборудования только на совре- менные его виды, включая элегазовые и вакуумные коммутационные аппараты, измерительные трансформаторы, полимерную изоляцию, микропроцессорные и цифровые приборы релейной защиты и противоаварийной автоматики. Для со- временных ВЛЭП предлагается использовать грозозащитные тросы с вмонти- рованными оптоволоконными кабелями связи, современные аккумуляторные батареи, автотрансформаторы, шунтирующие реакторы, изолированные прово- да и т.д. Для надежного электроснабжения жителей городов Украины необхо- димо провести замену устаревших линий электропередач напряжением 0,4-6,0 кВ. Эти линии требуют немедленной модернизации, т.к. исчерпали себя не только физически, но и морально. При модернизации городских линий электро- снабжения и осветительных сетей целесообразно заменять провода марки АС на новый тип проводов – самонесущие изолированные провода (СИП). Такой выбор позволит значительно повысить надежность ВЛЭП, продлить их срок эксплуатации, уменьшить аварийность, сократит объем работ, связанных с не- плановыми ремонтами, прорубкой просек и подрезкой деревьев, уменьшит ма- териальные расходы РЭС по компенсации потерь и порчи электробытовой тех- ники у населения и снизит возможность воровства электроэнергии, воровство самих проводов. Это позволит персоналу РЭС проводить плановые ремонты, обслуживание, модернизацию оборудования, что также повысит надежность и снизит энергопотери. Эти линии имеют меньший вес, повышенную надежность в зонах интенсивного гололедообразования, снижена возможность возникнове- ния пожара из-за короткого замыкания при захлестывании проводов и их обры- ве. При этом, т.е. при замене «голых» проводов ВЛЭП на СИП, могут быть ис- пользованы ранее установленные опоры, на тех же опорах, вместе с СИП, мо- гут крепиться телефонные провода, что было недопустимо для «голых» прово- дов, т.е. расходы незначительны, срок окупаемости около 4 месяцев, [2]. Важно
также то, что прослеживается высокая безопасность для обслуживающего пер- сонала, случайных прохожих и животных. 5) внедрение принципа децентрализации производства электрической энергии. Т.е. следует развивать полиэнергетику, что предполагает снижение единичной мощности энергоустановок, приближение источников выработки электроэнергии к потребителям, сокращение и упрощение передающих кабель- ных и воздушных сетей. Но следует помнить об остром дефиците органическо- го ископаемого топлива. Децентрализация выработки электроэнергии требует развития оборудования для автономных источников энергии, делает рентабель- ной нетрадиционную энергетику. Так, по оценкам специалистов, [1], на терри- тории Украины на 4-4,5 \% площадей рентабельны для развития ветроэнергети- ки. Говорить о значительном возможном вкладе ветростанций в общую картину нельзя, но решать задачи местного электроснабжения, в территориально уда- ленных пунктах с невысоким энергопотреблением интересно (хутора, фермы, поселки в горах и т.д.). Целесообразно и весьма перспективно развитие гидро- энергетики. Причем основное внимание следует уделять развитию не крупных электростанций, а созданию малых или даже микро-электростанций, (микро- и мини-ГЭС). Это рентабельно в районах, где есть горные массивы, то есть есте- ственные перепады высот. Такое решение позволит приблизить источники электроэнергии к потребителям, сократив расходы на создание ЛЭП и кабель- ных сетей. 6) Улучшение системы учета распределения и потребления электроэнер- гии, совершенствование систем управления технологическими процессами вы- работки электроэнергии. Для получения реальной картины потребления и распределения электро- энергии необходим точный учет, что возможно только при наличии современ- ных счетчиков. Замена устаревших счетчиков требует материальных затрат, но точный учет позволит исключить неправильное или нерентабельное распреде- ление электроэнергии, что позволит достаточно быстро окупить затраты. Но замена счетчиков должна идти не только по пути физического обновления, не- обходимо внедрять современно оборудование. В последние годы существенно изменилась не только величина, но и характер нагрузки, увеличился вклад в суммарную картину нагрузки мощных однофазных электроприемников, сило- вых преобразовательных систем, реактивный характер нагрузок. Это усиливает асимметрию, нелинейность, нестационарность параметров электроэнергии в сети. Увеличился спектр высоких гармоник, выходящих в сеть, [5]. Учет по со- временным счетчикам идет только по первой гармонике и не учитываются дру- гие составляющие, а их вклад непрерывно растет. По данным литературных ис- точников, [5], убыток от некачественной электроэнергии в США в год состав- ляет до 15 – 26 млрд. долларов, а в промышленности Европейского Союза - до 10 млрд. евро в год. Причем половина потерь возникает из-за несинусоидально- сти напряжения. Этот показатель и несимметрия становятся все более сущест- венными факторами в объеме дополнительных потерь, но ни один реактивный
счетчик не учитывает потери из-за нестационарности нагрузки, т.к. в них не предусмотрено учет по данным усреднения реактивной мощности на рассмат- риваемых временных интервалах. Поэтому и расчет реактивной энергии идет неполный. 7) Поиск новых решений в получении электроэнергии. Особое внимание следует уделять исследованиям криогенного и сверхпроводящего электрообо- рудования. Электрические машины традиционного исполнения не имеют перспектив радикального улучшения массогабаритных показателей путем повышения электромагнитных нагрузок, по крайней мере, в диапазоне малых и средних единичных мощностей. Сейчас использование активной стали и изоляционных материалов в электрических машинах находится на технически допустимом пределе. Возможно улучшение параметров электрооборудования, существенное снижение их удельной массы путем перехода на повышенные частоты враще- ния или на увеличение частоты тока для трансформаторов. Можно ожидать улучшение характеристик машин при использовании сверхпроводников (СП- ков) с высокой температурой перехода в безрезистивное состояние. Десятая часть всей производимой в мире электроэнергии расходуется на потери, на нагрев медных и алюминиевых проводов. Между тем уже 100 лет хорошо известно, как этого избежать. Достаточно использовать СП-ники, обла- дающие при низких температурах нулевым сопротивлением. Электроток, воз- бужденный в кольце из подобного материала, способен годами течь безо всякой внешней подпитки. В настоящее время использование СП-ков в промышленно- сти, на транспорте и, в том числе, и в энергетике теперь имеет не только смысл, но требуют немедленного исследования и внедрения, т.к. созданы СП-ки с тем- пературой выше 77,3 К, т.е. выше температуры кипения азота. До 90-х годов высокая стоимость сверхпроводящих материалов и необходимость охлаждения до сверхнизких температур мешали их массовому применению в энергетике. Активность и интерес к СП-никам, достигшие значительной высоты в 70-х го- дах, затем резко снизились, т.к., согласно теории Бардина-Купера-Шриффера (БКШ), СП-мость может существовать только до 25-30 К. Это определяло не- обходимость охлаждения СП-щего материала жидким гелием (ТК=4,2 К), а за- тем защиту самого гелия жидким азотом. Практическое использование СП-ков оценивалось, как высокозатратное, ненадежное, и оно стало перспективным и практически обоснованным после открытия высокотемпературных сверхпро- водников (ВТСП). В начале 1987году появились сообщения о разработке керамического ма- териала со структурой YBa2Cu3O7 , в котором сверхпроводящее состояние на- ступает при 93 К в поле с Вкр=5,7 Тл. Такие материалы имеют структуру типа перовскита (минерала CaTiO3 ). В системах Y-Ba-Cu-O в настоящее время дос- тигнута допустимая плотность тока до 104 А/см2, что меньше, чем в металличе- ских СП-никах. Наиболее перспективны для промышленного использования висмутовые системы Bi2Sr2Ca2Cu3Ox, температура перехода которых достигает
115 К. Есть сведения о получении высокотемпературных сверхпроводников с критической температурой 250 К. Поскольку теория БКШ отвергала такую возможность, для объяснения механизма существования ВТСП необходимо было искать другой механизм, отличный от БКШ – теории формирования куперовских пар, - и один из воз- можных подходов описан американским физиком Литтлом. Он предположил, что в органических веществах особого строения возможна СП-мость при ком- натных температурах, если удастся получить своеобразную полимерную нитку с регулярно расположенными электронными фрагментами. Корреляция элек- тронов, движущихся вдоль цепочки, осуществляется за счет поляризации этих фрагментов, а не кристаллической решетки. Поскольку масса электрона на не- сколько порядков меньше массы любого иона, поляризация электронных фраг- ментов может быть более сильной, а критическая температура более высокой, чем при фононовом механизме (теория БКШ). В основе основной теоретиче- ской модели ВТСП, разработанной академиком В.Л. Гинзбургом, лежит так на- зываемый экситонный механизм взаимодействия электронов: в электронной системе существуют особые волны - экситоны. Подобно фононам, они являют- ся квазичастицами, перемещающимися по кристаллу и не связанными с пере- носом электрического заряда и массы. Модельный образец такого СП-ника представляет собой металлическую пленку в слоях диэлектрика или полупро- водника. Электроны проводимости, движущиеся в металле, отталкивают элек- троны диэлектрика, то есть окружают себя облаком избыточного положитель- ного заряда, который и приводит к образованию электронной пары. Такой ме- ханизм корреляции электронов предсказывает весьма высокие значения крити- ческой температуры (ТК=200 К). Открытие ВТСП опять активизировало инте- рес, и, соответственно, объем материальных вложений в развитие технологий изготовления промышленно применяемых СП-ников. Cвepxпpoвoдимость - квантовое упорядочение коррелированной по спи- ну зарядовой системы в макроскопических масштабах кристалла. Такое коллек- тивное состояние с "аномальными" электронными корреляциями может возни- кать безотносительно к конкретному механизму спаривания только в системах с максимальной делокализацией зарядовых состояний, обеспечивающей даль- ний порядок. В противном случае корреляции не будут носить квантовый мак- роскопический характер. В сверхпроводящих металлах и сплавах делокализа- ция электронов - ситуация общего положения. В смешанных оксидах - типич- ных ионных соединениях с локализованными, как правило, носителями, дело- кализация - исключительное свойство. Свойства ВТСП зависят от химического состава и технологии. Наиболее простой способ состоит в размоле металлических оксидов, прессования смеси и отжиге в атмосфере кислорода при температуре 900оС. Новое вещество образу- ется в результате химической реакции. Для устранения межгранулярных про- слоек и получения более упорядоченной ориентации кристаллов полученное соединение подвергают плавке с последующим охлаждением. Лучшие СП-щие
свойства получаются в пленочных образцах, пропускающих ток ~106А/см2. Сравнительно небольшие плотности критических токов ВТСП - одна из глав- ных причин, сдерживающих их практическое применение. Поэтому поиски ме- тодов синтеза СП-ков с повышенными плотностями критических токов пред- ставляют несомненный интерес. Одним из путей повышения плотностей кри- тических токов и критических температур оксидных ВТСП является введение в них различных модифицирующих добавок. Так, модифицирование таллий- содержащих ВТСП некоторыми металлооксидами приводит к улучшению кри- тических параметров, некоторое возрастание обнаружено в Tl-содержащих ВТСП, модифицированных тонкодисперсной платиной. Образцы тщательно гомогенизировалась в этаноле и высушивалась при температуре 105С. Высу- шенные смеси прессовались в таблетки под давлением 2 тсм2 и отжигались при температуре 8700С в течение 10 - 20 мин с последующей закалкой на возду- хе. Вследствие обильного газовыделения полученные образцы обладают высо- кой пористостью. Для уменьшения пористости они подвергались сухому пере- тиранию, прессовались и повторно отжигались при тех же условиях. Обнару- жено, что модифицированные таким путем образцы имеют более высокое со- держание СП-щей фазы, меньший размер зерен и обладают более резким пере- ходом в СП-щее состояние по сравнению с образцами, полученными при тех же условиях, но без добавок фторидов. Перспективным методом получения длин- номерных ВТСП композитов сложной формы является металлоорганический синтез, позволяющий формировать материалы в виде нитей, тканей, сеток с
Рост объема продажи сверхпроводникового электротехнического оборудования по прогнозу Всемирного банка. Многие технологии построены на использовании серебряных компо- нентов. Все описанные выше и другие технологические процессы объясняют высокую стоимость ВТСП-ков. Однако, за последние несколько лет цены на СП-ки упали в 7-8 раз, причем эксперты прогнозируют их дальнейшее сни- жение, [6,7].
С конца 90-х годов 20 века началось промышленное использование СП-ков в самых разных отраслях промышленности. По оценкам Всемирного банка, уже через 10 лет рынок СП-никового электротехнического оборудо- вания будет составлять 70 млрд. дол., а через двадцать лет превысит 240 млрд. дол. (рис.), [6]. Повсеместное внедрение СП-ков в промышленность пока ограничива- ется сложной, дорогой технологей их изготовления. Для электроэнергетики наиболее интересны направления внедрения высокотемпературных СП-ков: 1) Генераторы и линии электропередач, накопители электроэнергии. Использование СП-щих электромагнитов для систем возбуждения, может повысить КПД генераторов большой мощности до 99,5\%, по сравнению с максимально достигнутым значением коэффициента полезного действия обычных (теплых) генераторов 98,6 \%. Ежегодная экономия топлива соста- вит 1\%. Экономически рентабельными сверхпроводниковые линии электро- передач, особенно при стабильной передаче по ним большого количества энергии. Сверхпроводящие накопители энергии с охлаждением жидким азо- том на 3\% дешевле, чем обычные, а общие капитальные затраты уменьша- ются еще на 5 \%. 2) Поезда на магнитной подушке - наиболее перспективное примене- ние сверхпроводников для скоростных поездов. Стоимость сооружения пу- ти длиной 500 км обойдется в 1,5 – 4,5 миллиардов долларов, что незначи- тельно превосходит строительство обычной железной дороги. При этом стоимость самих поездов составит не более 10\% от общей суммы затрат, а системы охлаждения - всего 1\%. 3) Силовые кабели. Одним из возможных практических применений изделий из ВТСП могут стать токоподводящие элементы в различных схе- мах электропередачи. Для этого, например, порошок синтезированного YBaCuO с добавлением термопластичного пластификатора (5-7 мас.\%) экс- трудировался при температуре 200°С и давлении около 3 кбар. В зависимо- сти от сечения и профиля выходной матрицы можно было получить провод, шину, трубу. После экструзии изделия обладали определенной пластично- стью. Так, провод диаметром 1 мм без разрушения мог быть намотан на ци- линдр d ~ 4 см. Для удаления пластификатора образцы медленно нагрева- лись до 350 °С. Спекание проводилось путем нагрева до 1050 °С, кратко- временной, в течение 10 мин , выдержки при этой температуре и отжига при 960°С в течение 12 часов с последующим медленным охлаждением и насы- щением кислородом при 420 °С. Достаточно распространено изготовление ВТСП-ков по технологии «порошок в трубе». Этим методом можно полу- чать кабельные изделия любой формы, используя процессы волочения, про- катки и прессования, как при комнатной, так и при повышенных температу- рах. В микрокомпозитах серебро неупорядоченно распределено по объему и находится в основном в порах и на границах зерен. С точки зрения описа-
ния концентрационных зависимостей свойств такие материалы представля- ют собой двух- (с учетом пор - трех-) компонентную среду с известными свойствами компонентов и неопределенной микрогеометрией их распреде- ления по объему образца. Серебро может быть введено в ВТСП - материалы как на стадии синтеза (в этом случае не исключено частичное замещение им ионов меди в кристалли- ческой решетке), так и после, образуя механическую смесь. Ввод может быть осуществлен как в твердой фазе (мелкодисперсный порошок металлического серебру окисла или соли), так и в виде осаждения из раствора. Наиболее пер- спективны технологии, в которых каждая частица порошка ВТСП- соединения предварительно покрывается серебром (напылением, осаждением и т.д.), после чего происходит прессование; это первый шаг к контролируемой морфологии композита с оптимальным распределением серебра. Рассмотрено влияние кон- центрации серебра на сверхпроводящие характеристики композитов (критиче- скую плотность тока, критическую температуру). Показано, что критическая температура уменьшается лишь незначительно вплоть до больших кон- центраций нормального металла (50~60\% об.). Данные по критической плотно- сти тока не столь однозначны; большая часть результатов свидетельствует о наличии максимума на ее концентрационной зависимости в районе 10-20\% об. Описанные технологии позволяют получать одножильные и многожильные провода из порошка керамики любого состава. Для получения высоких значе- ний необходимо оптимизировать металлургическими способами (температурой и обработкой давлением) состав и структуру сверхпроводящего керна в сереб- ряной оболочке. Есть данные о внедрении ВТСП-щих кабелей в промышленность. В апреле 2005 года группа китайских разработчиков (CAS, IEE, TIPC) и ком- пания American Superconductor объявили об успешной демонстрации 76- метрового трехфазного кабеля с теплым диэлектриком в действующей сети, Uном = 6,6 кВ. С декабря 2004 года по апрель 2005 года данный кабель питал заводы компании Changtong Power Cable в городе Байин (Китай). Для под- вода электроэнергии к одному из кварталов Детройта (США) был проложен сверхпроводящий кабель (длиной 3 км); примеру Детройта собираются по- следовать и некоторые другие американские города. Многофакторная и неоднозначная связь между параметрами состава, структуры и токонесущей способностью приводит к тому, что на сегодняш- ний день каждый исследователь изучает свойства конкретного порошка и конкретного изделия и вынужден эмпирически подбирать оптимальные ус- ловия формования сверхпроводящей ленты и режимы ее термообработки, т.е. разрабатывать новые, собственные технологические процессы. Это так- же усложняет положение на рынке ВТСП-ков. ВЫВОДЫ: 1) современная электроэнергетика – основа любого промышленного комплекса, сельского хозяйства, медицины, науки, т.д. - требует немедлен-
ного изучения во всех аспектах, поиска и решения проблем ее будущности. 2) развитие, реконструкции, обновление парка электрооборудования должно идти эволюционным путем, в поисках решений традиционного раз- вития и модернизации. Но необходим и поиск принципиально новых реше- ний, несмотря на то, что последнее требует значительных экономических вливаний. 3) при работе по решению проблем электроэнергетики нельзя пренеб- регать ни одним из видимых вариантов их устранения, внедрять новое обо- рудование, как известное ранее, так и раньше не применявшееся. Вносить изменения в государственные стандарты. Следует внедрять достижения но- вых направлений в науке, осуществлять поиск возможных областей приме- нения в электроэнергетике новых открытий в физике и технике. В частно- сти, необходимо вести работы по практическому применению нетрадици- онных, автономных источников энергии (ветроэнергетика, мини- и микро- ГЭС), заниматься изучением, созданием и внедрением в технику высоко- температурных сверхпроводников. 4) следует признать, что настоящая электроэнергетика и электроэнер- гетика ближайшего будущего невозможна без атомных электростанций. Следует признать это и заниматься очень пристально вопросами повышения надежности электрооборудования электростанций, хранением, переработ- кой и утилизацией радиоактивных отходов. ЛИТЕРАТУРА 1. Шевченко В.В. Проблемы и основные направления развития электроэнергетики в Украине. //Електроенергетика та електрифікація. – 2007, № 7, с. 11 – 16. 2. Шевченко В.В., Цурак С.М., Лизан И.Я. Перспективы внедрения и особенности прое- ктирования ВЛЭП с изолированными проводами. //Системи обробки інформації. Збі- рник наукових праць. Вип. 4(62 ), 200 7 г., с. 127-134. 3. Кузьмин В.В. О нетрадиционном сценарии развития энергетики в XXI веке // Новини енергетики, 1999, № 2, с. 49-59. 4. Кузьмин В.В. Энергетика Украины в третьем тысячелетии – пути преодоления кризи- са и задачи научных исследований. // Региональный европейский форум WEC "Киев- 2000", доклады, Киев, 2000, С. 135-140. 5. Кизилов В.У. К концепции компенсации некачественности потребителя электроэнер- гии//Електроенергетика та Електрифікація,№1,2007,с.50– 52. 6. Шевченко В.В., Шевченко С.Е. Направления и перспективы использования специаль- ных типов генераторов для энергетических установок с возобновляемыми источни- ками энергии//Системи обробки інформації. Збірник наук. праць.-Вип. 9,с.213-218. 7. Шевченко В.В., Гавриш А.Ю. Современное состояние и перспективы применения сверхпроводников в электроэнергетике. //Системи обробки інформації. Збірник нау- кових праць. Вип. 5(45). – Харьков, 2005, с. 194-204.
Ше вч е н к о В. В. , Ц ур а к С . М . , Ал е к с е е в И. А. |
|
