В здоровой сети — здоровый провод

Подробности
Взгляд изнутри
Диагноз: здоров!
В здоровой сети —
здоровый провод
Высокотемпературные провода
Мария Орлова
Здоровый человеческий организм на проникновение нежданной инфекции
реагирует однозначно — повышением температуры. Возбудители
болезней не выдерживают «тепловой атаки» и погибают, в то время
как собственные клетки, подогреваясь, активизируются в борьбе с
инородными «захватчиками». Подобная ситуация наблюдается и с
кабелями: высокотемпературные провода, в отличие от обычных, не
подвержены целому ряду пагубных внешних воздействий — «болезней»,
наносящих существенный урон энергохозяйству. Но дело здесь не только в
способности выдерживать высокие температуры…
История болезни
30
Как свидетельствуют официальные источники, общая протяженность
высоковольтных линий на просторах нашей необъятной родины — свыше 2 млн. километров. И использование на них устаревших проводников
выливается в ежегодные потери порядка 60 (!) млрд. рублей, не считая
затрат на регулярные аварийные и восстановительные работы, которые
обходятся энергокомпаниям еще дополнительно в 3 млрд. рублей. Наши
высоковольтные линии плохо противостоят натискам стихии, не повышают пропускную способность, невзирая на рост энергопотребления муниципальных образований и промышленных предприятий. Конечно, име-
ются участки, модернизированные «по случаю»:
Сочинский район, некоторые регионы Сибири,
Дальний Восток. Однако в общем и целом по
России ситуация неутешительная: основная «рабочая сила» сетевого хозяйства — кабели — стара, больна и плохо справляется со своими задачами. Итак, стране нужны молодые, крепкие, работящие провода. Среди кандидатов, способных
поучаствовать в обновлении энергетического
«генофонда», — высокотемпературные провода.
Начнем с медосмотра. Чтобы понять, насколько претендент способен реально улучшить дела в отрасли, необходимо провести подробное «медицинское» обследование, выяснить, какие «мышцы» формируют тело провода и насколько претендент способен справиться с предстоящей работой. В анатомическом отношении наш здоровяк представляет собой неизолированный провод из термостойкого алюминиевого сплава с сердечником из стальной
проволоки, плакированной алюминием, с рабочей температурой до 150 °С. Собственно, именно отличная «анатомия» во многом определяет
замечательные характеристики высокотемпературного провода: обычный алюминий при температуре 90 °С отжигается и резко теряет прочность. Однако сплав алюминия и циркония сохраняет свои свойства до 150 °С с пиковыми нагрузками до 180 °С.
На циркониевых «мышцах» остановимся, ибо
именно они делают из нашего героя непобедимого супермена, придавая ему множество уникальных свойств. Этот тугоплавкий, не поддающийся холодной обработке давлением и устойчивый к действию кислот и щелочей материал уже по достоинству оценен целым рядом отраслей промышленности (нет-нет, речь не о сомнительных браслетах и маловероятной способности этого металла нормализовать артериальное давление). Цирконий нашел широкое применение в атомной энергетике — именно он используется в качестве конструкционных материалов для оболочек ТВЭЛов в ядерных реакторах. В металлургии цирконий по праву признан
лучшей лигатурой. Этот металл считается хорошим раскислителем и деазотатором, по эффективности превосходящим марганец, кремний и
титан. Легирование сталей цирконием (до 0,8%)
повышает их механические свойства и обрабатываемость. Сплав циркония с ниобием является сверхпроводником и выдерживает нагрузку
до 100 тыс. А/см2. В «мышцах» провода цирконий
позволяет повысить температуру рекристаллизации основного компонента — алюминия и таким образом значительно улучшает его свойства.
Однако не только один факт присутствия циркония в «мускулатуре» делает высокотемпературные провода устойчивыми к нагрузкам и природным катаклизмам. «Мышцы» провода имеют еще несколько особенностей,
превращающих их в техническое совершенство. Для их более детального
разбора познакомимся с нашими героями лично. Представители № 1 —
австрийские красавцы с труднопроизносимыми именами TACSR/ACS и
TACSR/HICIN — имеют сердечник из стали, плакированной алюминием,
и токопроводящие повивы, выполненные из термостойкого сплава циркония и алюминия. Для повышения прочностных свойств и уменьшения
стрел провеса таких проводов применяется специальное соединение инвар, на поверхность которого наносят алюминиевое покрытие.
Инвар — еще одно чудо металлургии, сплав, состоящий из никеля
(Ni, 36%) и железа (Fe, 64%). Именно за открытие этого замечательного вещества его автор — швейцарский ученый Ш. Гийом — получил в
1920 году Нобелевскую премию. Сплав обладает малым температурным коэффициентом линейного расширения и практически не расширяется в интервале температур от −100 до +100 °C. Недаром и название материала происходит от латинского «invariabilis», что в переводе означает
«неизменный». Для повышения прочности инвар подвергают холодной
пластической деформации с последующей низкотемпературной термообработкой. После полировки сплав приобретает стойкость против коррозии в атмосферных условиях.
У представителя № 2 — атлета с восточными корнями (производится японской компанией «J-Power») и не менее труднопроизносимым именем GTACSR — свой секрет успеха. Между его токопроводящими слоями
и стальным сердечником имеется зазор (отсюда второе «имя» — «провод
с зазором»). Преимущества такой структуры «мышц» очевидны: при монтаже и дальнейшей эксплуатации все тяжение приходится на стальной
сердечник, и, соответственно, коэффициент расширения и модуль упругости провода как целого совпадают с характеристиками стали. Провод
значительно меньше подвержен удлинению за счет возрастания температуры. При рабочих температурах (~150 °С) стрела провеса провода ощутимо меньше, чем для любых других проводов (при той же температуре). Сочетание перечисленных преимуществ, помноженных на высокую пропускную способность, делает этого героя наиболее развитым в
техническом отношении.
В России высокотемпературные провода пока
встречаются нечасто, однако уже успели отлично
зарекомендовать себя на некоторых объектах. Так,
высокотемпературный провод TACSR/ACS был применен
при монтаже двухцепной высоковольтной линии «ВЛ 220 кВ
Пермская ГРЭС − Соболи 1,2» (около 105 км) — объекта,
направленного на энергообеспечение потребителей в
городе Пермь и повышение надежности работы сети
220 кВ. Сверхзадача заключалась в том, что линия
предполагала протяженный переход через Камское
водохранилище (1480 м). Инновация позволила
снизить высоту переходных опор на 30 м (высота опор
составила 106 м) по сравнению с применением обычного
сталеалюминиевого провода и получить значительную
экономию металла. Кроме того, напомним, что
высокотемпературный «работник» устойчив к коррозии,
что в данных условиях особенно актуально, ведь
«трудиться» ему предстоит в условиях перехода через
судоходный водоем.
31
Подробности
Места рождения
Манеры и поведение
32
Итак, высокотемпературный провод предназначен, как водится, для
передачи электроэнергии в воздушных сетях. Наш герой настолько хорош, что даже не нуждается в «косметике»: благодаря комбинации термостойкого алюминия (TAL) и ACS-проволок при свивке провода нет
необходимости использовать жир. Механические качества термостойкого алюминия соответствуют свойствам чистого алюминия (99,5%).
Высокотемпературный провод находится в отличной форме и не склонен к «полноте»: его вес может составлять всего 60% от веса проводов
других марок при прочих равных параметрах. Для энергосистемы это
очень важно, поскольку позволяет существенно снизить стрелы провеса
и уменьшить нагрузку на опоры.
Высокотемпературный «супермен» удивительно работоспособен: его
пропускная способность вдвое выше, чем у обычных кабелей, при том
же сечении фазных проводов. Ему неведомы старость — сталь сердечника практически не подвержена коррозии и метеочувствительность —
лед плавится на мускулистом теле этого красавца значительно быстрее,
чем на обычных проводах.
При этом высокотемпературный провод не страдает «звездной болезнью» и весьма скромен в запросах: проектирование, монтаж, ремонт и защита высокотемпературных проводов не отличаются от работ
с другими его «коллегами». Единственное исключение составляет японец
GTACSR — в данном случае следует отметить, что пословица «Восток —
дело тонкое» во многом себя оправдывает: провод имеет сложную конструкцию, а технология его монтажа весьма сложна, требует применения
специального оборудования и участия обученного персонала. Много неприятностей может доставить и «болезнь» (жизнь есть жизнь, супермены тоже иногда болеют): ремонт провода превращается в очень сложное
мероприятие. GTACSR предъявляет жесткие требования к пролетам (не
более трех поддерживающих опор в анкерном участке). Кроме того, такой провод обходится покупателям существенно дороже. С другой стороны, логично, что специалист такой квалификации требует соответствующей оплаты за свой труд.
Но даже несмотря на некоторые сложности,
очевидно: за высокотемпературными проводами будущее. Только такие здоровые провода
способны сформировать здоровое сетевое хозяйство. Где же появляются на свет столь совершенные «работники»? Лаборатории и предприятия по разработке и производству высокотемпературных проводов открываются повсеместно: нет пределов совершенству, их стальные
«мускулы» могут быть еще лучше, вес — еще
меньше, а «работоспособность» (проводимость
электрического тока) — выше. Что и подтвердилось в ходе научных изысканий.
В апреле National High Magnetic
Field Laboratory протестировала
высокотемпературный сверхпроводящий провод, изготовленный
компанией Advanced Conductor
Technologies LLC, созданной в
прошлом году и возглавляемой
Данко Ван дер Лааном — автором технологической разработки, сотрудником Universit y of
Colorado (Department of Physics) и
National Institute of Standards and
Technology. Новый «красавец» отличается необычайной стройностью — его внешний диаметр всего
7,5 мм. Для его производства были
использованы 40 сверхпроводящих лент
второго поколения, изготовленных компанией SuperPower Inc. Результаты испытаний поражают воображение:
при температуре 4,2 К в магнитном
поле 19,81 Т провод проявил чудеса работоспособности, пропуская ток силой 4101 (!) A, что на
сегодняшний день является
рекордом.
Вдохновленное успехом Министерство энергетики США уже сообщило
о выделении компании Advanced
Conductor Technologies LLC в рамках
Программы поддержки малого бизнеса
(Small Business Innovation Research) гранта в размере ни много ни мало $150 тыс. на разработку
высококачественного кабеля из высокотемпературного сверхпроводника второго поколения
для магнитных систем различного назначения,
в том числе и термоядерных исследований.
Компания в течение следующих девяти месяцев должна определиться с инновационными
перспективами и в случае успеха получит право
претендовать на двухлетний грант в размере
$1 млн. на проведение второго (научно-исследовательского) этапа. Так что в скором времени
можно ожидать, что крепкие, мускулистые суперпровода займут свое место в энергосистемах, значительно оздоровив их. Светлое во всех
смыслах будущее обеспечено!
ЭS