Владимир Карцев - Магнит за три тысячелетия (4-е изд., перераб. и доп.)
между этой трубой и внутренней стенкой вала.
В конструкции трубопровода для гелия, как и в самом роторе, есть вакуумные
полости, создающие хорошую теплоизоляцию. Вращающий момент от первичного
двигателя подается к обмотке возбуждения через "тепловые мосты" — конструкцию,
достаточно прочную механически, но плохо передающую тепло.
В итоге конструкция ротора представляет собой вращающийся криостат со
сверхпроводящей обмоткой возбуждения.
Статор сверхпроводящего турбогенератора, как и в традиционном варианте, имеет
трехфазную обмотку, в которой магнитным полем ротора возбуждается
электродвижущая сила. Исследования показали, что применять сверхпроводящую
обмотку в статоре нецелесообразно, так как на переменном токе в сверхпроводниках
возникают немалые потери. Но в конструкции статора с "обычной" обмоткой есть
свои особенности.
Обмотку оказалось возможным в принципе разместить в воздушном зазоре между
статором и ротором и крепить по-новому, с помощью эпоксидных смол и
конструктивных элементов из стеклопластика. Такая схема позволила разместить
больше медных проводников в статоре.
Оригинальна и система охлаждения статора: тепло отводится фреоном, который
одновременно выполняет и функцию изолятора. В перспективе это отведенное тепло
можно будет использовать для практических целей с помощью теплового насоса.
В моторе турбогенератора мощностью 20 МВт был применен медный провод
прямоугольного сечения 2,5 х 3,5 мм. В него впрессовано 3600 жил из ниобий-
титана. Такой провод способен пропускать ток до 2200 А.
Испытания нового генератора подтвердили расчетные данные. Он оказался вдвое
легче традиционных машин той же мощности, а его КПД выше на 1 %. Сейчас этот
генератор работает в системе "Ленэнерго" в качестве синхронного компенсатора и
вырабатывает реактивную мощность.
Но основной итог работы — колоссальный опыт, накопленный в процессе создания
турбогенератора. Опираясь на него, ленинградское электромашиностроительное
объединение "Электросила" приступило к созданию турбогенератора мощностью уже
300 МВт, который будет установлен на одной из строящихся в нашей стране
электростанций.
Сверхпроводящая обмотка возбуждения ротора изготовлена из ниобий-титанового
провода. Устройство его необычно — тончайшие ниобий-титановые проводники
запрессованы в медную матрицу. Сделано это для того, чтобы предотвратить переход
обмотки из сверхпроводящего состояния в нормальное в результате воздействия
флуктуаций магнитного потока или других причин. Если же это все-таки произойдет,
ток потечет по медной матрице, тепло рассеется, сверхпроводящее состояние
восстановится.
Технология изготовления собственно ротора потребовала внедрения принципиально
новых технических решений. Если ротор обычной машины делают из цельной поковки
магнитопроводящей стали, то в данном случае он должен состоять из нескольких
вставленных один в другой цилиндров, изготовленных из стали немагнитной. Между
стенками одних цилиндров находится жидкий гелий, между стенками других создан
вакуум. Стенки цилиндров, естественно, должны обладать высокой механической
прочностью, быть вакуумно-плотными.
Масса нового турбогенератора, так же как масса его предшественника, почти в 2
раза меньше массы обычного той же мощности, а КПД увеличен еще на 0,5…0,7 %.
Турбогенератор "живет" около 30 лет и большую часть времени находился в работе,
поэтому совершенно очевидно, что такое, казалось бы, небольшое увеличение КПД
будет весьма солидным выигрышем.
Энергетикам нужны не только холодные генераторы. Уже изготовлено и испытано
несколько десятков сверхпроводящих трансформаторов (первый из них построен
американцем Мак-Фи в 1961 г.; трансформатор работал на уровне 15 кВт). Имеются
проекты сверхпроводящих трансформаторов на мощность до 1 млн. кВт. При
достаточно больших мощностях сверхпроводящие трансформаторы будут легче обычных
на 40…50 % при примерно одинаковых с обычными трансформаторами потерях мощности
(в этих расчетах учитывалась и мощность ожижителя).
У сверхпроводящих трансформаторов, однако, есть и существенные недостатки. Они
связаны с необходимостью защиты трансформатора от выхода его из сверхпроводящего
состояния при перегрузках, коротких замыканиях, перегревах, когда магнитное
поле, ток или температура могут достичь критических значений.
Если трансформатор при этом не разрушится, то потребуется несколько часов, чтобы
снова охладить его и восстановить сверхпроводимость. В ряде случаев такой
перерыв в электроснабжении неприемлем. Поэтому, прежде чем говорить о массовом
изготовлении сверхпроводящих трансформаторов, необходимо разработать меры защиты
от аварийных режимов и возможности обеспечения потребителей электроэнергией во
время простоев сверхпроводящего трансформатора. Достигнутые в этой области
успехи позволяют думать, что в ближайшем будущем проблема защиты сверхпроводящих
трансформаторов будет решена, и они займут свое место на электростанциях.
В последние годы становится все более близкой к осуществлению мечта о
сверхпроводящих линиях электропередачи. Все возрастающая потребность в
электроэнергии делает очень привлекательной передачу большой мощности на большие
расстояния. Советские ученые убедительно показали перспективность
сверхпроводящих линий передачи. Стоимость линий будет сопоставима со стоимостью
обычных воздушных линий передачи электроэнергии (стоимость сверхпроводника, если
учесть высокое значение критической плотности его тока по сравнению с
экономически целесообразной плотностью тока в медных или алюминиевых проводах,
невелика) и ниже стоимости кабельных линий.
Осуществлять сверхпроводниковые линии электропередачи предполагается так: между
конечными пунктами передачи в земле прокладывается трубопровод с жидким азотом.
Внутри этого трубопровода располагается трубопровод с жидким гелием. Гелий и
азот протекают по трубопроводам вследствие создания между исходным и конечным
пунктами разности давлений. Таким образом, ожижительно-насосные станции будут
лишь на концах линии.
Жидкий азот можно использовать одновременно и в качестве диэлектрика. Гелиевый
трубопровод поддерживается внутри азотного диэлектрическими стойками (у
большинства изоляторов диэлектрические свойства при низких температурах
улучшаются). Гелиевый трубопровод имеет вакуумную изоляцию. Внутренняя
поверхность трубопровода жидкого гелия покрыта слоем сверхпроводника.
Потери в такой линии с учетом неизбежных потерь на концах линии, где
сверхпроводник должен стыковаться с шинами при обычной температуре, не превысят
нескольких долей процента, а в обычных линиях электропередачи потери в 5…10
раз больше!
Силами ученых Энергетического института имени Г.М.Кржижановского и Всесоюзного
научно-исследовательского института кабельной промышленности уже создана серия
опытных отрезков сверхпроводящих кабелей переменного и постоянного тока.
Подобные линии смогут передавать мощности во много тысяч мегаватт при КПД более
99 %, при умеренной стоимости и относительно невысоком (110…220 кВ) напряжении.
Может быть, еще более важно, что сверхпроводящие линии электропередачи не будут
нуждаться в дорогостоящих устройствах компенсации реактивной мощности. Обычные
линии требуют установки токовых реакторов, мощных конденсаторов, чтобы
нивелировать чрезмерные потери напряжения вдоль трассы, а линии на
сверхпроводниках в состоянии себя самокомпенсировать!
Сверхпроводники оказались незаменимыми и в электрических машинах, принцип
действия которых предельно прост, но которых никогда раньше не строили, ибо для
их работы нужны очень сильные магниты. Речь идет о магнитогидродинамических
(МГД) машинах, осуществить которые Фарадей пытался еще в 1831 г.
Идея опыта проста. В воду Темзы на ее противоположных берегах погружали две
металлические пластинки. Если скорость реки 0,2 м/с, то, уподобив струи воды
проводникам, движущимся с запада на восток в магнитном поле Земли (его
вертикальная составляющая примерно равна 5·10-5 Тл), с электродов можно
снять напряжение примерно 10 мкВ/м.
К сожалению, этот опыт окончился неудачей, "генератор-река" не заработал.
