Сверхпроводники используют для создания. Школьная энциклопедия

Вариант 14. Задания по ЕГЭ 2018. Русский язык. И.П. Цыбулько. 36 вариантов

Прочитайте тексти выполните задания 1 - 3

(1)Сверхпроводники используют для создания устройств, которые технически невозможно или экономически

невыгодно изготавливать с применением традиционных проводниковых материалов -меди и алюминия. (2)<...>

мощные магнитные системы для установок термоядерного синтеза или ускорителей элементарных частиц,

сверхбыстродействующие ограничители тока, медицинские томографы, спектрометры высокого разрешения, образцы

перспективной военной техники, поезда на магнитной подушке созданы с применением сверхпроводящих материалов.

(3)Устройства, изготовленные с использованием сверхпроводящих материалов, характеризуются значительно

меньшими размерами и массой.

1. Укажите два предложения, в которых верно передана ГЛАВНАЯ информация, содержащаяся в тексте. Запишите

номера этих предложений.

1) Для создания таких устройств, которые невозможно или невыгодно изготавливать с использованием обычных

проводников, применяют сверхпроводники, помогающие сделать эти устройства более компактными и лёгкими.

2) При создании мощных магнитных систем для установок термоядерного синтеза или ускорителей элементарных

частиц, сверхбыстродействующих ограничителей тока, медицинских томографов, спектрометров высокого разрешения,

образцов перспективной военной техники, поездов на магнитной подушке иногда используют сверхпроводящие

3) Для создания сооружений, которые нецелесообразно возводить с применением лишь традиционных проводниковых

материалов -меди и алюминия, используют также сверхпроводники.

4) Сверхпроводники используют при создании устройств, изготовление которых из обычных проводников невозможно

или экономически невыгодно, причём применение сверхпроводников делает устройства менее объёмными и менее

тяжёлыми.

5) Для изготовления таких устройств, которые должны обладать небольшим объёмом и массой при разнообразии

выполняемых ими функций, используют проводники.

2. Какое из приведённых ниже слов (сочетаний слов) должно стоять на месте пропуска во втором (2) предложении

текста? Выпишите это слово (сочетание слов).

Наоборот, Несмотря на это,Например,Так какТем не менее

3. Прочитайте фрагмент словарной статьи, в которой приводятся значения слова МАССА. Определите значение, в

котором это слово употреблено в третьем (3) предложении текста. Выпишите цифру, соответствующую этому значению

в приведённом фрагменте словарной статьи.

МАССА, - ы, ж.

1) Совокупность чего- нибудь, а также что- нибудь большое, сосредоточенное в одном месте. Воздушные массы. Тёмная

м. здания.

2) Одна из основных физических характеристик материи, определяющая её инертные и гравитационные свойства.

Единица массы.

3) Тестообразное бесформенное вещество, густая смесь. Древесная м. (полуфабрикат для выделки бумаги).

Расплавленная м. чугуна.

4) Множество, большое количество кого- чего- нибудь. У меня м. времени. Тратить массу сил.

5) мн. Широкие слои трудящегося населения. Воля масс. Оторваться от масс (утратить связь с народом).

4. В одном из приведённых ниже слов допущена ошибка в постановке ударения: НЕВЕРНО выделена буква,

обозначающая ударный гласный звук. Выпишите это слово.

кремЕнь окружИтдОнизуОптовыйотбылА

5.В одном из приведённых ниже слов НЕВЕРНО употреблено выделенное слово. Исправьте лексическую ошибку,

подобрав к выделенному слову пароним. Запишите подобранное слово.

Сверхпроводники

При понижении температуры удельное электрическое сопротивление металлов уменьшается и при весьма низких (криогенных) температурах электропроводность металлов приближается к абсолютному нулю.

В 1911 г. при охлаждении кольца из замороженной ртути до температуры 4,2 К голландский ученый Г. Каммерлинг-Оннес обнаружил, что электрическое сопротивление о кольца внезапно падает до очень малого значения, которое невозможно измерить. Такое исчезновение электрического сопротивления, т.е. появление бесконечной удельной проводимости у материала, было названо сверхпроводимостью.

Материалы, обладающие способностью переходить в сверхпроводимое состояние при их охлаждении до достаточно низкой температуры, стали называть сверхпроводниками. Критическая температура охлаждения, при которой происходит переход вещества в сверхпроводящее состояние, называют температурой сверх-проводимого перехода или критической температурой перехода Ткр.

Переход в сверхпроводимое состояние является обратимым. При повышении температуры до Тк материал возвращается в нормальное (непроводящее) состояние.

Особенность сверхпроводников состоит в том, что однажды наведенный в сверхпроводящем контуре электрический ток будет длительно (годами) циркулировать по этому контуру без заметного уменьшения своей силы и притом без всякого дополнительного подвода энергии извне. Подобно постоянному магниту такой контур создает в окружающем пространстве магнитное поле.

В 1933 г. немецкие физики В.Майснер и Р.Оксенфельд обнаружили, что сверхпроводники при переходе в сверхпроводящее состояние становятся идеальными диамагнентиками. Поэтому внешнее магнитное поле не проникает в сверхпроводящее тело. Если переход материала в сверхпроводящее состояние происходит в магнитном поле, то поле «выталкивается» из сверхпроводника.

Известные сверхпроводники имеют весьма низкие критические температуры перехода Тк. Поэтому устройства, в которых используются сверхпроводники, должны работать в условиях охлаждения жидким гелием (температура сжижения гелия при нормальном давлении примерно 4,2 К). Это усложняет и удорожает производство и эксплуатацию сверхпроводниковых материалов.

Кроме ртути сверхпроводимость присуща и другим чистым металлам (химическим элементам) и различным сплавам и химическим соединениям. Однако такие металлы, как серебро и медь, при самых низких температурах, достигнутых в настоящее время, перевести в сверхпроводящее состояние не удалось.

Возможности использования явления сверхпроводимости определяются значениями температуры перехода в сверхпроводящее состояние Тк и критической напряженности магнитного поля.

Сверхпроводниковые материалы подразделяют на мягкие и твердые. К мягким сверхпроводникам относят чистые металлы, за исключением ниобия, ванадия, теллура. Основным недостатком мягких сверхпроводников является низкое значение критической напряженности магнитного поля.

В электротехнике мягкие сверхпроводники не применяются, поскольку сверхпроводящее состояние в этих материалах исчезает уже в слабых магнитных полях при небольших плотностях тока.

К твердым сверхпроводникам относят сплавы с искаженными кристаллическими решетками. Они сохраняют сверхпроводимость даже при относительно больших плотностях тока и сильных магнитных полях.

Свойства твердых сверхпроводников были открыты в середине нашего столетия и до настоящего времени проблема их исследования и применения является одной из важнейших проблем современной науки и техники.

Твердые сверхпроводники обладают рядом особенностей:

· при охлаждении переход в сверхпроводящее состояние происходит не резко, как у мягких сверхпроводников, а на протяжении некоторого температурного интервала;

· некоторые из твердых сверхпроводников имеют не только сравнительно высокие значения критической температуры перехода Тк, но и относительно высокие значения критической магнитной индукции Вкр;

· при изменении магнитной индукции могут наблюдаться промежуточные состояния между сверхпроводящим и нормальным;

· имеют тенденцию к рассеянию энергии при пропускании через них переменного тока;

· зависимость свойств сверхпроводимости от технологических режимов изготовления, чистоты материала и совершенства его кристаллической структуры.

По технологическим свойствам твердые сверхпроводники делят на следующие виды:

· сравнительно легко деформируемые, из которых можно изготавливать проволоку и ленты [ниобий, сплавы ниобий-титан (Nb-Ti), ванадий-галлий (V-Ga)];

· трудно поддающиеся деформации из-за хрупкости, из которых получают изделия методами порошковой металлургии (интерметаллические материалы типа станнида ниобия Nb3Sn).

Часто сверхпроводниковые провода покрывают «стабилизирующей» оболочкой из меди или другого хорошо проводящего электрический ток и тепло металла, что дает возможность избежать повреждения основного материала сверхпроводника при случайном повышении температуры.

В ряде случаев применяют композитные сверхпроводниковые провода, в которых большое число тонких нитевидных сверхпроводников заключено в массивную оболочку из меди или другого несверхпроводникового материала.

Пленки сверхпроводниковых материалов имеют особые свойства:

· критическая температура перехода Ткр в ряде случаев значительно превышает Ткр объемных материалов;

· большие значения предельных токов, пропускаемых через сверхпроводник;

· меньший температурный интервал перехода в сверхпроводящее состояние.

Сверхпроводники используют при создании: электрических машин и трансформаторов малых массы и размеров с высоким коэффициентом полезного действия; кабельных линий для передачи энергии большой мощности на большие расстояния; волноводов с особо малым затуханием; накопителей энергии и устройств памяти; магнитных линз электронных микроскопов; катушек индуктивности с печатным монтажом.

На основе пленочных сверхпроводников создан ряд запоминающих устройств и элементов автоматики и вычислительной техники.

Обмотки электромагнитов из сверхпроводников позволяют получать максимально возможные значения напряженности магнитного поля

Вопросы различных применений сверхпроводящих материалов стали обсуждаться практически сразу после открытия явления сверхпроводимости . Еще Камерлинг-Оннес считал, что с помощью сверхпроводников можно создавать экономичные установки для получения сильных магнитных полей. Однако реальное использование сверхпроводников началось в 50-х − начале 60-х годов XX века. В настоящее время работают сверхпроводящие магниты различных размеров и форм. Их применение вышло за рамки чисто научных исследований, и сегодня они широко используются в лабораторной практике, в ускорительной технике, томографах, установках для управляемой термоядерной реакции. С помощью сверхпроводимости стало возможным многократно повысить чувствительность многих измерительных приборов. Такие приборы названы сквидами (от англ. Superconducting Quantum Interference Devices ). Особо следует подчеркнуть внедрение сквидов в технику, в том числе и в современную медицину.

Наибольшее применение сверхпроводники нашли в настоящее время в области создания сильных магнитных полей. Современная промышленность производит из сверхпроводников второго рода разнообразные провода и кабели, используемые для изготовления обмоток сверхпроводящих магнитов, с помощью которых получают значительно более сильные поля (более 20 Тл), чем при использовании железных магнитов. Сверхпроводящие магниты являются и более экономичными. Так, например, для поддержания в медном соленоиде с внутренним диаметром 4 см и длиной 10 см поля 100 кГс необходима электрическая мощность не менее 5100 кВт, которую нужно полностью отвести водой, охлаждающей магнит. Это означает, что через магнит надо прокачивать не менее 1 м 3 воды в минуту, а затем ее еще охлаждать. В сверхпроводящем варианте такой объем магнитного поля создается достаточно просто, необходимо лишь сооружение гелиевого криостата для охлаждения обмоток, что является несложной технической задачей.

Другое преимущество сверхпроводящих магнитов состоит в том, что они могут работать в короткозамкнутом режиме, когда поле «заморожено» в объеме, что обеспечивает практически не зависящую от времени стабильность поля. Это свойство очень важно при исследованиях веществ методами ядерного магнитного и электронного парамагнитного резонансов, в томографах и т. п.

Еще одно применение сверхпроводников − создание подшипников и опор без трения. Если над металлическим кольцом с током поместить сверхпроводящую сферу, то на ее поверхности в силу эффекта Мейснераиндуцируется сверхпроводящий ток, что приводит к появлению сил отталкивания между кольцом и сферой, и сфера может повиснуть над кольцом. Подобный же эффект может наблюдаться, если над сверхпроводящим кольцом поместить постоянный магнит. На этом может быть основано создание, например, новых видов транспорта. Речь идет о создании поезда на магнитной подушке, в котором будут полностью отсутствовать потери на трение о колею дороги. Модель такой сверхпроводящей дороги длиной 400 м была построенав Японии еще в 1970-х годах. Расчеты показывают, что поезд на магнитной подушке сможет развивать скорость до 500 км/ч. Такой поезд будет «зависать» над рельсами на расстоянии 2−3 см, что и даст ему возможность разогнаться до указанных скоростей.

В настоящее время широко используются сверхпроводящие объемные резонаторы, добротность которых может достигать . С одной стороны, такие устройства позволяют получать высокую частотную избирательность. С другой стороны, сверхпроводящие резонаторы широко используются в сверхпроводящих ускорителях, позволяя существенно уменьшить мощность, требуемую для создания ускоряющего электрического поля.

Применений сверхпроводимости может привести к созданию сверхбыстрых электронно-вычислительных машин. Речь идет о так называемых криотронах − переключающих сверхпроводящих элементах. Такие устройства могут легко сочетаться со сверхпроводящими запоминающими элементами. Важным преимуществом криотронов перед обычными полупроводниковыми устройствами является отсутствие потребности в энергии в стационарном состоянии. После создания переходов Джозефсона было предложено заменить ими криотроны, и оказалось, что время переключения такой системы составляет около 10 -12 с. Именно это и открывает широкие перспективы для создания мощнейших вычислительных машин, но пока эти разработки являются лишь лабораторными образцами.

Наиболее перспективными направлениями широкого использования высокотемпературных сверхпроводников считаются криоэнергетика и криоэлектроника. В криоэнергетике уже разработана методика изготовления достаточно длинных (до нескольких километров) проводов и кабелей на основе висмутовых ВТСП-материалов. Этого уже достаточно для изготовления небольших двигателей со сверхпроводящей обмоткой, сверхпроводящих трансформаторов, катушек индуктивности и т. д. На основе этих материалов созданы сверхпроводящие соленоиды, обеспечивающие при температуре жидкого азота (77 К) магнитные поля порядка 10000 Гс.

В криоэлектронике разработана методика изготовления пленочных сквидов, которые по своим характеристикам практически не уступают гелиевым аналогам. Освоена методика получения совершенных магнитных экранов из ВТСП, в частности, для исследования биомагнитных полей. Из ВТСП созданы антенны, передающие линии, резонаторы, фильтры, смесители частоты и т. д.

Темп технологических и прикладных исследований очень высок, так что, возможно, промышленность освоит выпуск изделий из высокотемпературных сверхпроводников раньше, чем будет достоверно выяснена природа сверхпроводимости в металлооксидных соединениях. Для технологии в первую очередь важен сам факт существования материалов, сверхпроводящих при достаточно высокой температуре. Однако направленное и осмысленное движение вперед, в том числе в технологической сфере невозможно без всестороннего исследования уже известных ВТСП, без понимания всех тонкостей высокотемпературной сверхпроводимости как интереснейшего физического явления.

ПРИМЕНЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ СВЕРХПРОВОДИМОСТИ

Согласно закону электромагнитной индукции, любой электрический ток возбуждает вокруг себя магнитное поле. Сверхпроводники проводят ток практически без потерь, если поддерживать их при сверхнизких температурах (низкотемпературная сверхпроводимость – НТСП), поэтому они представляют собой идеальный материал для изготовления электромагнитов. В медицине широко используется такая медико-диагностическая процедура как электронная томография. Она проводится на сканере, использующем принцип ядерно-магнитного резонанса (ЯМР), и пациент, сам того не подозревая, находится в считанных сантиметрах от сверхпроводящих электромагнитов. Именно они создают поле, позволяющее врачам получать высокоточные образы тканей человеческого тела в разрезе без необходимости прибегать к скальпелю.

Наибольшее распространение из сверхпроводящих материалов в электротехнике получили сплав ниобий-титан и интерметаллид ниобий-олово. Технологические процессы изготовления исключительно тонких ниобий-титановых нитей и их стабилизации достигли весьма высокого уровня развития. При создании многожильных проводников на основе ниобий-олова широкое применение находит так называемая бронзовая технология.

Развитие сверхпроводниковой техники связано также с созданием ожижителей и рефрижераторов с все большей хладопроизводительностью на уровне температур жидкого гелия. Эволюция температуры сверхпроводящего перехода привела к возможности использования хладагентов с все более высокой температурой кипения (жидкий гелий, водород, неон, азот).

Наиболее широкое реальное применение сверхпроводимость находит при создании крупных электромагнитных систем. Уже в 80-х гг. прошлого века в СССР был осуществлен запуск первой в мире установки термоядерного синтеза Т-7 со сверхпроводящими катушками тороидального магнитного поля.

Сверхпроводящие катушки используются также для пузырьковых водородных камер, для крупных ускорителей элементарных частиц. Изготовление таких катушек для ускорителей довольно сложно, так как требование исключительно высокой однородности магнитного поля вызывает необходимость точного соблюдения заданных размеров.

В последние годы явление сверхпроводимости все более широко используется при разработке турбогенераторов, электродвигателей, униполярных машин, топологических генераторов, жестких и гибких кабелей, коммутационных и токоограничивающих устройств, магнитных сепараторов, транспортных систем и др. Следует также отметить такое направление в работах по сверхпроводимости как создание устройств для измерения температур, расходов, уровней, давлений и т.д.

Сегодня большое внимание уделяется исследованию и разработке конструкций, использующих сверхпроводниковые материалы, которые дают возможность по-новому подойти к вопросам создания электротехнических устройств.

Увеличение плотности тока, повышение удельной мощности, а также наличие особых, присущих только сверхпроводникам, физических свойств создают предпосылки для разработки высокоэффективных видов электроэнергетического оборудования.

Одной из основных технологий, позволяющих удовлетворить возрастающие потребности электроэнергетики, является использование явления сверхпроводимости, то есть состояния некоторых материалов, обладающих нулевым сопротивлением при их охлаждении ниже критических температур Тк. Различаются как низкотемпературные сверхпроводники (НТСП) с максимальной Тк около 20 К (-257 °С), эксплуатируемые при температурах жидкого гелия (-268,95 °C), так и высокотемпературные (ВТСП) с Тк до 138 К (-135 °С), эксплуатируемые вблизи температуры жидкого азота 77,4 К (-195,75 °C).

Положение со сверхпроводниковой технологией радикальным образом изменилось после открытия в конце 80-х годов ВТСП-материалов с более высокими возможными рабочими температурами, вплоть до температуры кипения жидкого азота. Это позволило, наряду с упрощением криогенной техники, создать предпосылки для преодоления коммерческого барьера по отношению к традиционным технологиям при использовании технологий на основе ВТСП-материалов в электроэнергетике и других областях промышленности.

Применение СП-оборудования и технологий в электроэнергетике обеспечивает многие преимущества:

сокращение потерь электроэнергии примерно в два раза;
снижение массогабаритных показателей оборудования в два-четыре раза;
повышение надежности и продление срока эксплуатации электрооборудования за счет снижения старения изоляции;
повышение надежности и устойчивости работы энергосистем;
повышение качества электроэнергии, поставляемой потребителям;
повышение уровня пожарной и экологической безопасности электроэнергетики;
создание принципиально новых систем энергетики.

Особый эффект в электроэнергетике СП-технологии могут дать при их применении в системах электроснабжения мегаполисов и крупных городов.

Рассмотрим лидирующие на сегодняшний день направления по применению СП-электрооборудования и технологий в электроэнергетических системах.

Не имеющие аналогов

Основным преимуществом кабелей из ВТСП-материалов перед обычными маслонаполненными кабелями или кабелями со сшитым полиэтиленом является их высокая пропускная способность при малом сечении, низкие потери энергии, а также пожарная и экологическая безопасность.

Прежде всего, создание сверхпроводникового кабеля на большие токи позволит эффективно решить проблему глубоких вводов мощности в крупные города, а также выдачу мощности от крупных электростанций, расположенных в трудных географических условиях. А в таких мегаполисах, как Москва, с целью снижения потерь распределение электроэнергии внутри города происходит на напряжении 110 кВ с последующим понижением до 10 кВ и 0,4 кВ. Минимальные потери в ВТСП- кабелях при их повышенной токонесущей способности могут позволить исключить промежуточную ступень трансформации на напряжение 110 кВ и перевести распределение электроэнергии в городе сразу на напряжение 10-20 кВ при значительном снижении стоимости подстанций.

В настоящее время в мире эксплуатируется около 10 коротких ВТСП - кабельных линий и ведутся работы более чем по 10 крупным проектам в этой области. Крупнейший проект в США: 650 м, 138 кВ, 2,4 кА, 574 МВА. Сейчас идет установка и подготовка к эксплуатации. Американцами разработан проект создания не отдельной кабельной линии, а целой сети в одном из центральных районов Нью-Йорка.

ВТСП - ограничитель токов короткого замыкания (ВТСП ТО) представляет собой токоограничивающее устройство, включаемое в защищаемую часть сети. Основное преимущество ВТСП ТО заключается в его возможности иметь существенное низкое сопротивление по сравнению с эксплуатируемыми токоограничительными реакторами в нормальном режиме и практически безынерционно увеличивать его до требуемой величины при коротком замыкании. Это позволяет использовать ВТСП ТО в сетях с целью снижения ударных значений токов короткого замыкания (КЗ), координации токов КЗ с отключающей способностью коммутационной аппаратуры. Уникальные свойства сверхпроводящих материалов позволяют создать ограничители токов КЗ, не имеющие аналогов среди традиционных электротехнических устройств . Токоограничители позволяют также продлить срок службы коммутационной аппаратуры.

В настоящее время реализовано несколько опытно-промышленных проектов ВТСП ТО на напряжения до 20 кВ и на мощности порядка 10-15 МВА. Начаты разработки ВТСП ТО на напряжение 110-138 кВ (США, Евросоюз).

Ожидается, что при создании коммерчески выгодных ВТСП ТО (2010-2012 гг.) рынок их применения будет достаточно емким.

ВТСП-трансформаторы могут быть совместимы с существующим оборудованием электрических сетей и их защитными устройствами. Нагрузочные потери в ВТСП-трансформаторах при нормальном токе могут быть уменьшены на 80-90% по сравнению с традиционными. Замена масла жидким азотом и уменьшенные размеры позволят повысить экологическую и пожарную безопасность и устанавливать такие трансформаторы в помещениях. Уменьшение массы облегчает условия транспортирования, особенно для больших трансформаторов, включая охлаждающее устройство, а также снизит материалоемкость.

ВТСП-трансформаторы обладают также рядом других привлекательных свойств, например пониженным значением реактанса трансформатора (25% от традиционных). Это положительно влияет на условия устойчивости электроэнергетических систем и увеличивает возможности по регулированию реактивной мощности. ВТСП-трансформаторы обладают также токоограничивающей способностью. Созданы опытные образцы ВТСП-трансформаторов напряжением 20 кВ мощностью до 10 МВА. Ожидаемое коммерческое использование ВТСП трансформаторов - 2010-2012 гг.

Революция не за горами

Крупным достижением в области нанотехнологий стало создание ВТСП-проводников второго поколения (сверхпроводниковые индуктивные накопители энергии -СПИНЭ). Это, каки совершенствование криогенной техники, позволяет надеяться на существенное снижение затрат на создание систем хранения электроэнергии, что может внести революционные изменения в конструкции и условия эксплуатации энергосистем . СПИНЭ могут находить применение в электроэнергетике как одно из эффективных средств повышения режимной надежности и устойчивости электроэнергетических систем. При этом выделяются такие свойства индуктивных накопителей, как быстродействие, высокий КПД, возможность полной автоматизации ввода и вывода энергии, большая удельная энергоемкость, регулирование активной и реактивной мощности. Ожидается, что к 2016-2020 гг. будут созданы недорогие системы хранения энергии достаточной энергоемкости. Перспективны СПИНЭ и как источники питания мощных импульсных устройств.

ВТСП-генераторы и синхронные компенсаторы обладают, по сравнению с традиционными, повышенным значением КПД, пониженными в 2-3 раза массогабаритными показателями, возможностью создания высоковольтных машин (без трансформаторов на напряжение 110-220 кВ и выше), возможностью создания машин большой мощности (свыше 1000 МВт).

Сверхпроводящие генераторы и компенсаторы имеют уменьшенные массогабаритные характеристики, высокую синусоидальность выходного напряжения, уменьшенные величины реактивностей и расширенные пределы регулирования реактивной мощности в области потребления, возможность создания машин с повышенным уровнем переменного напряжения.

В настоящее время созданы опытные образцы ВТСП-генераторов мощностью 50 МВА (США), ВТСП - синхронный компенсатор мощностью 8 МВА (США). Ожидается, что с 2015 года ВТСП-генераторы и синхронные компенсаторы станут коммерческим продуктом . В подобном положении по проработанности технологии и началу коммерческого завоевания рынка находятся ВТСП-электродвигатели различного назначения. Еще в 2007 году по инициативе РАО «ЕЭС России» на основе предложений ОАО НТЦ «Электроэнергетики» и РНЦ «Курчатовский институт» была разработана и утверждена Комплексная программа по созданию ВТСП оборудования и технологий его применения в электроэнергетике со сроком ее исполнения до 2015 года. Цель программы - реализовать на базе ВТСП принципиально новую технологическую основу для российской электроэнергетики, существенно повышающую надежность и экономичность ее функционирования.

Реализация этой программы позволит проверить в условиях эксплуатации все основные виды ВТСП - электротехнического оборудования: кабельные линии электропередачи переменного и постоянного тока, устройства для ограничения токов короткого замыкания, трансформаторы, накопители энергии, генераторы, электродвигатели, синхронные компенсаторы. Для реализации Программы был создан Координационный совет, в который вошли представители РАО «ЕЭС России», Минпромэнерго РФ, Минобрнауки РФ, ОАО «Корпорация Атомэнерго», РАН, ведущие специалисты РНЦ «Курчатовский институт» и других научно-исследовательских институтов России.

Важнейшим направлением технологического развития систем энергоснабжения мегаполисов является создание высокоамперных линий. Объективно существуют две основные возможности повышения мощности передающих линий - повышение напряжения и повышение номинального рабочего тока.

Традиционный базовый уровень номинального напряжения распределительных сетей в России - 10 кВ представляется недостаточным и требует постепенного перехода на напряжение 20-35 кВ, что уже неоднократно отмечалось в литературе и во многих случаях реализовано на практике.

Повышение номинального рабочего тока за счет оптимизации выбираемых материалов, контактных соединений, самой конструкции высоковольтных устройств для электрических сетей в принципе давно уже реализовано в таком «гигаполисе», как Япония. В этой стране номинальные рабочие токи, как правило, составляют 6-8 кА. Такая техническая политика, несомненно, представляет интерес и для других стран, где число мегаполисов растет.

Поскольку плотность электропотребления в мегаполисах в последние годы резко возрастает, и Москва здесь уже в первом ряду, наиболее эффективным и кардинальным решением по увеличению рабочих токов передающих линий является применение сверхпроводящих кабелей, где рабочий ток при тех же радиальных габаритах токоведущей жилы может быть увеличен почти на порядок.

Появление же в 2002-2003 гг. высокотемпературных сверхпроводников 2-го поколения резко активизировало работы по практическому применению этих технологий. Реальным препятствием для широкого практического применения сверхпроводящих кабелей, ограничителей тока, трансформаторов сегодня является лишь технологическая отработка производства лент сверхпроводников, их соединений, обеспечение стабильности их свойств, а также пока высокая стоимость сверхпроводниковых материалов.

Проведенный анализ эффективности ВТСП-кабелей показывает, что с учетом затрат на прокладку, эти кабели будут дешевле традиционных, медных уже к 2010 году при мощности более 70-100 МВт.

В 2004-2007 гг. были реализованы и продолжают выполняться несколько коммерческих проектов сверхпроводящих кабелей: SUMITOMO ELECTRIC завершила длительные испытания трехжильного сверхпроводящего кабеля на напряжение 66 кВ, номинальный ток 1 кА длиной 100 м, а также заключила контракт с Южной Кореей (KEPRI) на разработку, изготовление и поставку сверхпроводящего кабеля 22,9 кВ, 1,25 кА длиной 100 м. В США реализуется проект DOE/NYSERDA по установке в промышленную эксплуатацию кабеля 34,5 кВ, ток 800 А длиной 350 м в районе Гудзона и т. д. Эксперты оценивают начало массового применения сверхпроводящих кабелей в 2010-2015 гг.

В России (ОАО «НТЦ электроэнергетики», ОАО «ВНИИКП») разработан и подготовлен к испытаниям образец ВТСП-кабеля на напряжение 20 кВ, 1 500 А. В 2009 году планируется установка ВТСП-кабеля 20 кВ, 2 000 А длиной 200 метров на одном из объектов в г. Москве.

Другими многообещающими направлениями применения ВТСП- технологий являются сверхпроводящие ограничители тока и трансформаторы. В сверхпроводящих ограничителях тока может быть реализовано свойство сверхпроводников переходить из сверхпроводящего состояния в обычное. Таким образом, при возникновении тока короткого замыкания резкое возрастание сопротивления сверхпроводника приведет к ограничению величины тока КЗ. ВТСП-трансформатор имеет потенциально больше преимуществ перед стандартным: малые габариты, высокий КПД, пожаро- и взрывобезопастность, благодаря наличию жидкого азота вместо масла. Кроме того ВТСП-трансформатор - экологически чистое изделие.

Несомненный интерес представляет использование ВТСП-технологий и в генераторах, поскольку значительно снижаются размеры этого оборудования, как и потери в них. Здесь, однако, предстоит решить ряд проблем, связанных с их регулированием при работе в современных энергосистемах.

Создание высокоамперных линий электропередачи связано с освоением производства кабелей, ограничителей тока, трансформаторов, использующих явление высокотемпературной сверхпроводимости. В настоящее время в мире реализован ряд пилотных проектов ВТСП-кабелей, причем начало массового применения ВТСП-кабелей ожидается в 2010-2020 гг.

Лекция 1.1.3. Свехпроводники и криопроводники

Известно 27 чистых металлов и более тысячи различных сплавов и соединений, у которых возможен переход в сверхпроводящее состояние. К ним относятся чистые металлы, сплавы, интерметаллические соединения и некоторые диэлектрические материалы.

Материалы, обладающие способностью переходить в сверхпроводимое состояние при их охлаждении до достаточно низкой температуры, стали называть сверхпроводниками. Критическая температура охлаждения, при которой происходит переход вещества в сверхпроводящее состояние, называют температурой сверхпроводимого перехода или критической температурой перехода Ткр.

В 1933 г. немецкие физики В.Майснер и Р.Оксенфельд обнаружили, что сверхпроводники при переходе в сверхпроводящее состояние становятся идеальными диамагнетиками. Поэтому внешнее магнитное поле не проникает в сверхпроводящее тело. Если переход материала в сверхпроводящее состояние происходит в магнитном поле, то поле «выталкивается» из сверхпроводника.