Кабельная промышленность переживает расцвет: смелые научные разработки получают практическое применение, и кабели выходят на принципиально новый технологический уровень.
Одна из главных инноваций сегодня – сверхпроводящие кабели. Обычные медные кабели могут пропускать ток не больше тысячи ампер. Сверхпроводящие легко передают 5 кА. В прошлом году в Китае испытали кабель на 20 кА. В Южной Корее существует специальная государственная программа развития сверхпроводящих кабельных сетей. Каждый год на нее выделяется около 10 миллионов долларов США. Ясно, что в будущем нас ждет переход на сверхпроводящие кабели.
Сверхпроводимость
Выгода их очевидна, например, в случае передачи больших мощностей – более 200‑300 мегавольт-ампер (МВА) или, что не менее важно, за счет изменения инфраструктуры и высвобождения земли, в частности путем замены воздушных линий на кабели такой же мощности.
Существует и еще одна возможность для экономии: обычно электростанция дает напряжение 20 кВ, это так называемое генераторное напряжение. Затем электроподстанция повышает его до 110 кВ, энергия передается на высоком напряжении, другая подстанция в городе снижает напряжение до 20 кВ и раздает потребителям. Повышать напряжение при передаче приходится потому, что омические потери энергии в проводах пропорциональны квадрату силы тока. Чтобы снизить потери, надо ток уменьшить, а напряжение увеличить. Но в сверхпроводящем кабеле сопротивление практически равно нулю и потерь нет независимо от силы тока. Передавая ту же самую мощность от электростанции в город по сверхпроводящему кабелю на низком напряжении (20 кВ), мы убираем две подстанции и экономим земельные площади.
Конечно, этот путь не подходит для небольших городов, зато для Нью-Йорка или Москвы с их «золотой» землей тут несомненная выгода.
Кстати, не так давно стало известно, что южнокорейская энергетическая компания LS Power и American Superconductor из США заключили рекордную сделку о поставке 3 миллионов метров сверхпроводящих материалов, полностью избавленных от сопротивления электрическому току. Из них в ближайшие годы корейцы планируют построить 50 километров сверхпроводящих кабельных сетей.
Однако сверхпроводящие кабели – это не только линии электропередачи. Низкотемпературные сверхпроводящие кабели применяют в сверхпроводящих магнитах, в том числе в магнитах ускорителей элементарных частиц. Кстати, приятно, что, по мнению специалистов, в производстве таких кабелей наша страна находится среди лидеров. Не случайно НТСП кабели, производимые в России, используются во многих международных научных проектах, например при строительстве первого термоядерного реактора.
Если говорить о высокотемпературных сверхпроводящих кабелях, то здесь российские успехи скромнее, так как разработка силовых кабелей на основе высокотемпературных сверхпроводников в нашей стране началась лишь в нынешнем веке, с 2005 года, при поддержке РАО «ЕЭС России» и лично Анатолия Чубайса, организовавшего специализированный Координационный совет по сверхпроводящим технологиям.
Однако и здесь мы можем кое‑чем похвастаться: так, в 2010 году благодаря совместным усилиям Всероссийского института кабельной промышленности (ВНИИКП), Энергетического института им. Г. М. Кржижановского, НТЦ электроэнергетики и Московского авиационного института Россией был поставлен рекорд – была изготовлена крупнейшая на тот момент в Европе 200‑метровая кабельная линия электропередачи на основе высокотемпературного сверхпроводника.
Впрочем, наука не стоит на месте, и в 2011 году израильские ученые разработали новый тип сверхпроводников на основе волокон, выполненных из монокристаллов сапфира, которые можно использовать в конструкциях инновационных силовых кабелей. Кроме возможности передавать более высокие нагрузки, такие проводники не испытывают перегрева, которому могут быть подвержены медные токопроводящие жилы. Каждый сверхтонкий проводник на основе сапфира способен передавать приблизительно в сорок раз больше электроэнергии, чем медный проводник такого же размера.
Гибридные кабели
Мы уже отмечали успехи Южной Кореи в разработке кабелей будущего. В начале февраля 2012 года специалисты из этой страны вновь подтвердили, что являются лидерами отрасли. Компания LS Cable & System представила на рынок свой новый продукт – комбинированный силовой кабель 12/20 кВ с вдуваемыми оптическими волокнами, в конструкции которого объединены электрический силовой кабель и кабель связи. Такой гибридный кабель необходим для создания объединенных в одну систему эффективных и «умных» сетей энергоснабжения и связи, что, безусловно, является современным «трендом» в электроэнергетике.
Важная особенность комбинированного кабеля в том, что, в отличие от традиционных гибридных кабелей с оптическими волокнами, прокладка этого нового продукта выполняется с использованием сжатого воздуха. При применении такого метода трубка диаметром 3‑5 миллиметров вставляется внутрь кабеля, и оптические волокна вдуваются внутрь при помощи воздуха под высоким давлением.
В чем здесь плюс? Дело в том, что в существующих комбинированных кабелях может быть максимум шестнадцать оптических модулей, в то время как этот новый метод позволяет объединять в одной кабельной конструкции до 144 оптических модулей. Ключевой момент, как отмечают корейские специалисты, сводится к тому, что комбинированный силовой кабель с вдуваемыми оптическими волокнами пригоден для использования в наращиваемых системах связи, а это очень важно для потребителей, которые хотят модернизировать и расширять свои энергетические системы и сети связи по мере роста спроса на услуги.
Кроме того, в отличие от традиционных комбинированных кабелей, новая конструкция кабеля включает пластмассовую трубку и оболочку для защиты кабеля, что значительно сокращает риск его повреждения, снижая эксплуатационные расходы. Еще одно преимущество состоит в том, что оптический кабель может быть использован для мониторинга температуры и состояния кабелей в режиме реального времени.
Стоит отметить, что сразу после объявления о своей новой разработке корейская компания заключила договор на поставку инновационных кабелей стоимостью 10 миллионов долларов США с австралийским оператором ЛЭП Energy Australia.
Нанотехнологии в кабельной промышленности
Говоря об инновациях в кабельной промышленности, нельзя не упомянуть о модных ныне нанотехнологиях. Перспектива достижения высокой экономической эффективности при производстве кабеля с помощью нанотехнологий, несомненно, вызывает большой интерес, но в то же время подразумевает немало проблем. В чем заключаются эти сложности?
Во-первых, новые наноматериалы должны быть экологически безопасными и совершенно безвредными для окружающей среды. Кроме того, многие материалы проявляют совершенно другие физические свойства, которые становятся очевидными только на уровне нанометрических размеров (это касается электропроводности, теплоемкости, поверхностной свободной энергии, механической прочности и т. д.). Все эти характеристики могут быть использованы для создания «умных кабелей», способных реагировать на окружающие условия таким образом, который недоступен традиционным кабелям.
В самом деле, нанотехнологии дают возможность значительно продвинуться вперед на пути усовершенствования характеристик кабельных изделий, повышения экономической эффективности и упрощения технологических процессов при их производстве. В чем же заключаются достижения нанотехнологии в кабельной отрасли на сегодняшний день? Нанотехнологии используются для производства кабелей, например для их сшивания. Углеродные нанотрубки и наноглины применяются в качестве наполнителей для огнестойких кабелей. Наконец, при помощи нанотехнологий ученые пытаются создать специальные кабели, которые способны предупредить потребителей о сбоях и коротких замыканиях в своих электрических цепях, способны устранить последствия при возникновении повреждений или которые могут оставаться чистыми благодаря наличию покрытия, не поддающегося загрязнению.
Все это позволяет говорить, что кабельная отрасль переживает свой расцвет, однако какими будут кабеля будущего, сейчас даже сложно представить. Наверняка они будут сверхпроводящие, созданные из наноматериаллов, и способные чинить сами себя. В общем, кабельную промышленность явно ожидает светлое будущее.
Как устроен сверхпроводящий кабель
В центре кабеля обычно находится пучок медных проводов диаметром около 20 миллиметров, который служит несущим элементом. На этот элемент по окружности укладываются спиралью сверхпроводящие ленты. Поверх этого слоя укладывается второй слой сверхпроводящих лент с противоположным направлением скрутки. Затем накладывается изоляция от 6 до 12 миллиметров толщиной. Далее кладутся новые сверхпроводящие ленты – так называемый сверхпроводящий экран. Поверх него еще медный экран – защита сверхпроводника. Этот кабель упаковывается в длинную гибкую трубу из гофрированной нержавейки. Причем труба эта двойная – внутренняя труба обмотана так называемой суперизоляцией, и между двумя трубами откачан воздух (это так называемая высоковакуумная термоизоляция). По внутренней трубе прокачивается жидкий азот. Главная проблема сверхпроводящего кабеля – это надежная криогенная система, которая создает этот жидкий азот и качает его по длинному кабелю.
