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