автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.02, диссертация на тему:Разработка конструкции и технологии изготовления сверхпроводящих силовых кабелей на основе высокотемпературных сверхпроводников первого поколения

На правах рукописи

РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ И ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СВЕРХПРОВОДЯЩИХ СИЛОВЫХ КАБЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СВЕРХПРОВОДНИКОВ ПЕРВОГО ПОКОЛЕНИЯ

специальность 05.09.02 - Электротехнические материалы и изделия

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2012

Диссертация выполнена в Открытом Акционерном Обществе Всероссийский научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт кабельной промышленности (ОАО «ВНИИКП»)

Научный руководитель: доктор технических наук - B.C. Высоцкий Научный консультант: кандидат физико-математических наук - В.В. Зубко

Официальные оппоненты: доктор технических наук, старший научный сотрудник, заведующий лабораторией инновационных технологий открытого акционерного общества «Научно-технический центр Федеральной сетевой компании Единой энергетической системы» (ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС») -Копылов Сергей Игоревич;

доктор технических наук, заведующий лабораторией открытого акционерного общества «Всероссийский научно-исследовательский проектно-конструкторский и технологический институт кабельной промышленности» (ОАО «ВНИИКП») - Месенжник Яков Захарович

Ведущая организация: ФГУП «НИИЭФА им. Д.В. Ефремова»

Защита диссертации состоится Мая 2012 г. в /г- часов на заседании диссертационного совета Д 212.157.15 в НИУ МЭИ по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная улица, дом 14/ £ £ -2.0^

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИУ МЭИ. Автореферат разослан

»17 •• аяДР^-А. 2012 г.

Учёный секретарь диссертационноп кандидат технических наук,

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

В последнее время происходит рост потребления электроэнергии во всём мире, соответственно всё острее встаёт вопрос о повышении надежности и электроэффективности линий электропередач энергетических систем и качества поставляемой электроэнергии. Учитывая естественное старение существующих линий электропередач, построенных десятки лет назад, возникает потребность улучшения условий передачи и распределения энергии, при строительстве новых линий электропередач, как в крупных мегаполисах, так и на крупных предприятиях. Рост электропотребления влечёт за собой неминуемое увеличение потерь при передаче и расходовании электроэнергии, что также является следствием использования разработок многолетней давности. Следовательно, возникает необходимость в разработке и внедрении линий электропередач, работающих на новых принципах, что позволило бы решить задачу повышения электроэффективности.

В последние годы, достигнут большой прогресс в области технологии производства высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП-проводников). В связи с этим наблюдается всё возрастающий интерес к практическому использованию ВТСП-проводников в электроэнергетике. ВТСП-силовые кабели одно из наиболее эффективных применений ВТСП для передачи энергии на расстояния, для связи объектов энергосистем и для подачи энергии потребителю. В большинстве промышленно развитых и в некоторых развивающихся странах мира ведутся интенсивные исследования и разработки новых видов электротехнических устройств на основе ВТСП-проводников.

Во ВНИИКП ведутся исследования и разработки в области прикладной сверхпроводимости, главной целью которых является создание кабельных линий с использованием явления сверхпроводимости. Использование ВТСГ1-материалов позволяет выработать принципиально новые подходы к вопросам создания сверхпроводящих кабелей, так как имеется возможность их охлаждения дешевым и легкодоступным жидким азотом.

ВТСП-кабели по сравнению с обычными обладают уменьшенными потерями, большей пропускной способностью даже при снижении класса напряжения. При одинаковой мощности по сравнению с обычным кабелем ВТСП-кабель более компактен и имеет меньший вес, что облегчает транспортировку и монтаж, соответственно сокращается площадь прокладки. Особенность внутреннего охлаждения ВТСП-кабелей (с помощью жидкого азота) позволяет избежать нежелательного перегрева электрической изоляции. По сравнению с традиционно применяемыми кабелями ВТСП-кабели экологичны и пожаробезопасны, что также играет немаловажную роль.

Поэтому разработка алгоритма расчёта конструкции и создания технологии изготовления полномасштабных, оптимизированных сверхпроводящих силовых кабелей на основе ВТСП-материалов является весьма актуальной задачей, что и обуславливает выбор направления диссертационной работы.

Цель работы

Целью настоящей работы является разработка методов оптимизации, технологий изготовления и конструкций силовых кабелей на основе ВТСП-материалов, их экспериментальная проверка на моделях и доведение до уровня, позволяющего непосредственно приступить к производству силовых ВТСП-кабелей для внедрения в энергетические сети и системы. Для реализации этой задачи необходимо:

1) Выполнить экспериментальные и теоретические работы по оптимизации конструкции ВТСП-кабелей.

2) Провести исследования влияния конструкции ВТСП-кабеля на параметры кабеля, потери и физико-механические свойства.

3) Исследовать влияние технологических воздействий применяемого оборудования на изменение параметров используемого исходного сверхпроводящего материала.

4) Разработать конструкции и технологии создания элементов кабеля и кабеля в целом, обладающих минимальными потерями энергии и необходимой стабильностью по отношению к тепловым, магнитным и механическим возмущающим факторам.

5) Создать и провести исследования макетных образцов.

6) Исследовать потери в образцах ВТСП-кабелей разных конструкций, для чего необходим специально разработанный алгоритм компьютерной обработки экспериментальных данных.

7) Разработать оборудование для созданного технологического процесса производства силовых ВТСП-кабелей.

8) Изготовить образцы ВТСП-кабелей и провести их испытания.

Научная новизна

Впервые в России разработан алгоритм конструирования силовых ВТСП-кабелей.

Впервые проведены последовательные экспериментальные исследования влияния технологических воздействий, в том числе механических свойств применяемых материалов, на токонесущую способность сверхпроводящих лент па всех стадиях производства кабеля и его элементов. Экспериментально исследовано влияние шага скрутки ВТСП-лент в кабеле на критический ток ВТСП-лент.

Экспериментально подобраны и обоснованы технологические приёмы, обеспечивающие сохранность параметров ВТСП-лент при прохождении всех стадий производства кабелей.

Экспериментально исследованы потери в моделях ВТСП-кабелей разных конструкций, полномасштабных по сечению. Разработан программный комплекс обработки экспериментальных данных, получаемых при исследовании образцов на стенде, который позволяет существенно сократить время обработки результатов.

Разработаны и исследованы конструкции различных центральных несущих элементов (формеров) силовых ВТСП-кабелей. Разработаны технологии изготовления формеров, адаптированных для силовых ВТСП-кабелей разных типов.

Впервые разработан набор технологий для изготовления силовых ВТСП-кабелей и- их элементов, обеспечивающий параметры этих кабелей, соответствующие теоретическим оптимизационным расчетам. Разработанный набор технологий позволяет изготавливать силовые ВТСП-кабели на кабельном оборудовании.

Практическая ценность

Практическая ценность работы заключается в том, что в результате выполненных исследований разработаны базовые технологии для изготовления оптимизированных силовых сверхпроводящих кабелей на основе ВТСП-материалов. Создана база для промышленного производства ВТСП-кабелей. На основе проведенных исследований впервые в Европе изготовлен ВТСП-кабель длиной 200 м.

Достоверность результатов работы

Достоверность полученных результатов подтверждается сравнением экспериментальных и расчетных данных и успешным испытанием полномасштабных ВТСП-кабелей длиной 30 и 200 м, разработанных и изготовленных на основе алгоритмов и технологий, представленных в данной работе.

Автор защищает

1. Методы и результаты экспериментальных и теоретических работ по оптимизации ВТСП-кабелей. Результаты анализа напряженно -деформационного состояния сверхпроводящих лент при изгибе.

2. Алгоритм конструирования ВТСП-кабелей. Результаты разработки и исследования конструкции различных элементов силовых ВТСП-кабелей.

3. Результаты разработки технологий для изготовления силовых ВТСП-кабелей и их элементов с сохранением сверхпроводящих свойств ВТСП лент, обеспечивающих оптимальные параметры кабелей.

4. Результаты экспериментального исследования и конструкцию ВТСП-кабелей длиной 30 метров.

5. Результаты экспериментального исследования и конструкцию ВТСП-кабелей длиной 200 метров.

6. Результаты исследования потерь в ВТСП-кабелях различных конструкций, методику и алгоритм компьютерной обработки экспериментальных данных потерь в ВТСП-кабелях.

Апробация работы

Материалы, которые легли в основу диссертации, опубликованы в работах [1-14], докладывались на Европейской конференции по прикладной сверхпроводимости ЕиСАБ 2009 (Дрезден, Германия, 2009), на конференциях по прикладной сверхпроводимости АБС-2006 (Сиэтл, США, 2006), А8С-2008 (Остин, США, 2008) и (А8С 2010) (Вашингтон, США, 2010), на международных конференциях 1СЕС-22-1СМС (Сеул, Корея, 2008) и МТ-21 (Хэфей, Китай, 2009). Опубликованы в журналах "Кабели и провода", №2 (321), 2010; "СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ: исследования и разработки", №15, 2011; в сборнике статей РАН «Инновационные технологии в энергетике». По теме диссертации получен патент на полезную модель[14].

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Материалы изложены на 137 страницах, содержат 54 рисунка и 5 таблиц. Список литературы состоит из 91 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследований, показана научная новизна и практическая ценность работы, представлены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ исходных ВТСП-лент и ВТСП-кабелей на их основе. Интенсивные исследования и разработки в области технологии ВТСП-материалов привели к созданию сверхпроводящих лент с достаточно высокой токонесущей способностью при температурах выше 77 К. Основой для разработанной технологии ВТСП-проводников, после 20 лет поиска стали лишь два соединения: ВТСП-проводники 1-го поколения (на базе висмутовой керамики) (В^РЬ^БггСагСиэО* (сокращенно ВБССО - 2223, с критической температурой Тс = 105-120 К) и ВТСП 2-го поколения УВа2Си307 (УВСО или 123, Тс = 90-92 К). В настоящее время ВТСП- проводники 1-го и 2-го поколения представляют собой конкурирующие направления, причём технология проводов 1-го поколения уже продемонстрировала свой потенциал - получены многие сотни километров провода. ВТСП-проводники обоих типов

изготавливаются в виде лент. На рис. 1. показано сечение ВТСП-лент на основе В8ССО и УВСО. Сечение сверхпроводящей части ВТСП-проводника составляет лишь часть общего сечения провода: в лентах 1-го поколения эта величина обычно не превышает 40%, а в лентах 2-го поколения и того меньше -5%.

типичные линейные размеры провода (мм). Наиболее распространены в настоящее время проводники шириной около 4 мм.

В главе 1 отмечена отлаженность технологии изготовления ВТСП-лент 1-го поколения и их доступность, что и обусловило выбор этих материалов для изготовления полномасштабных ВТСП-кабелей в настоящей работе. Отмечено, что ВТСП-лента обладает анизотропией критических свойств, критический ток уменьшается в магнитном поле гораздо меньше, если поле направлено параллельно широкой поверхности ленты.

Далее в главе 1 рассмотрены успешно завершившиеся и продолжающиеся проекты по созданию ВТСП-кабелей. Отмечено, что ВТСП-кабели позволяют поднять уровень передаваемой энергии до единиц-десятков ГВА. Экологически ВТСП-кабели коаксиальной конструкции, являются почти идеально электромагнитно чистыми, так как экранируют электромагнитное поле полностью, при этом отсутствует разогрев почвы и загрязнете окружающей среды маслами.

Проанализированы теоретические основы создания ВТСП-кабелей и основные принципы конструирования сверхпроводящего элемента ВТСП-кабеля. Проведен обзор экспериментальных и теоретических работ по конструкциям ВТСП-кабелей. Отмечено, что успехи в создании ВТСП-кабелей обусловлены оптимальной конфигурацией магнитного поля в кабеле по отношению к токонесущему сверхпроводящему элементу, когда доминирует магнитное поле, параллельное широкой поверхности сверхпроводника. На рис. 2 показана модель ВТСП-кабеля, а также распределение и направление магнитного поля в ВТСП-кабеле. Из рисунка видно, что в ВТСП-кабеле магнитное поле направлено в азимутальном направлении параллельно широкой поверхности ВТСП-лент. Далее проанализированы модели для расчета и измерения потерь в ВТСП-кабеле. Отмечено, что существует несколько основных видов потерь энергии в сверхпроводящих силовых кабелях: потери в сверхпроводящем элементе кабеля, диэлектрические потери и потери в

металлических оболочках. Представлены основные модели для в ВТСП-кабеле.

расчета потерь

Рис. 2. Фото ВТСП-ленты 1-го поколения (вверху слева). Модель ВТСП-кабеля и его основные элементы: формер, повивы ВТСП-лент, изоляция, экран (слева). Направление магнитного поля в ВТСП-кабеле (справа).

На основе проведенного анализа поставлены задачи исследования.

Во второй главе приведены результаты разработки алгоритма расчёта и принципов конструирования силовых ВТСП-кабелей и исследования влияния конструктивных параметров на характеристики кабелей.

На основе проведенных исследований разработан алгоритм конструирования ВТСП-кабелей, который представлен на рис. 3 и выглядит следующим образом:

1. Расчёт, оптимизация и конструирование токонесущей части ВТСП-кабеля (повивов ВТСП-лент) с учетом запаса по значению рабочего тока. Выбор запаса по току обусловлен различными причинами, так для кабелей переменного тока запас обусловлен потерями в элементах кабеля. Анализ напряженно - деформационного состояния ВТСП-лент при изгибе.

2. Разработка конструкции формера, пригодной для укладки заданного количества ВТСП-лент с расчётом полезного сечения формера для обеспечения шунтирования ВТСП - лент при коротком замыкании.

3. Выбор допустимой рабочей напряжённости электрического поля в изоляции и расчёт толщины изоляции в зависимости от используемого экрана.

4. Проведение проверочного расчета.

Рис. 3. Схема расчёта ВТСП-кабеля.

Необходимое количество ВТСП-лент и повивов для передачи заданного тока выбирается исходя из параметров данных лент. Предположим, что для изготовления ВТСП-кабеля нам доступна ВТСП-лента толщиной а и шириной Ь с пропускной способностью тока 12 при том, что токовая нагрузка кабеля должна составлять 1¡. В таком случае мы можем определить необходимое количество лент N разделив 1\ на 12 и умножив полученное значение на коэффициент запаса. Зная общее количество ВТСП-лент, необходимое для пропускания заданного тока, можно принять решение о числе повивов этих лент в токопроводящем элементе. Главной задачей конструирования оптимизированного ВТСП-кабеля является обеспечение равномерного распределения тока по повивам.

Для расчета распределения тока по повивам ВТСП-кабеля использовалась следующая математическая модель, в которой учтено, что повивы в ВТСП-кабеле электрически изолированы:

(д, + г, ■ 2)1,(?) + = (1)

-Л«, (О (2)

У-1

где: М1 и Му коэффициенты собственной (;'=у) и взаимной (/';$') индукций повивов, обусловленные осевым магнитным потоком; К, и К- коэффициенты взаимоиндукции, обусловленные азимутальным магнитным потоком (для у>г

Ку=0); Я и г, сопротивление и удельное сопротивление; 1,о1а1(0 - общий ток в кабеле; N - число повивов. Пределы изменения г: 0 - 1/2, где / - длина проводника в повиве.

Совместное решение этой системы уравнений позволяет определить распределение токов на токовводах (г = 0) и вдоль повивов кабеля (0 < г < 1/2) и выбрать оптимальный шаг скрутки ВТСП-лент.

Так как ВТСП-ленты являются хрупким материалом необходимо проверить, как влияют выбранные углы скрутки лент на критический ток.

Условие сохранения сверхпроводящих свойств токонесущих элементов:

- при изгибе лент вокруг сердечника при изготовлении кабеля (при скрутке) без учета усилия натяжения ленты:

(3)

- при изгибе кабеля на барабане или в траншее: ™ Р™ Рят но*.

где: Ещи" максимально допустимая относительная деформация растяжения сверхпроводника; Р - шаг скрутки лент в повиве; 26 - толщина ленты по сверхпроводнику; |3- угол скрутки лент в рассматриваемом повиве.

Уравнение (3) определяет минимальный шаг скрутки ленты в повиве, а уравнение (4) - максимальный шаг. Для сверхпроводящих ленточных проводников допустимое значение Бшах = 0.002-0.004.

Результаты измерений изменения относительного критического тока от шага скрутки ВТСП-лент первого поколения(Ю) и второго поколения (20), изготовленных разными фирмами, показаны на рис. 4. Результаты приведены для двух диаметров формера.

Из рисунка видно, что при оптимальном шаге скрутки ВТСП-лент (20-30 см) деградация критического тока незначительна.

Шаг скрутки, см Шаг скрутки, см

Рис. 4. Изменение относительного критического тока ВТСП-лент от шага скрутки.

После проведения расчета токонесущего элемента ВТСП-кабеля становится известен основной параметр формера - его диаметр. Это даёт возможность перейти к разработке его конструкции.

Формер должен удовлетворять следующим требованиям:

а) обеспечивать возможность укладки на него необходимого количества сверхпроводящих лент заданных геометрических размеров без угрозы их механического повреждения как в процессе их укладки, так и при последующих изгибах готового изделия при его прокладке;

б) создавать канал для беспрепятственной прокачки жидкого хладагента по всей длине готового кабеля (если есть такая необходимость);

в) выполнять роль основного силового элемента при установке (затягивании) кабеля в криостат, т.е. противостоять, без определённого растяжения, заданным растягивающим усилиям (усилиям тяжения).

г) выполнять функции электрического шунта в аварийных режимах работы ВТСП-кабеля.

Следующим элементом для расчетов является изоляция. За основу расчета конструкции изоляции был взят расчет изоляции маслонаполненных кабелей с бумажной изоляцией, т.к. жидкий азот имеет схожие с пропиточным кабельным маслом диэлектрические свойства.

Как известно, высокий уровень напряжения токопроводящей жилы кабеля приводит к необходимости использования металлического экрана. Основным назначением металлического экрана является устранение электрического поля на поверхности кабеля и его выравнивание в изоляционном слое кабеля.

Экраны кабелей могут быть выполнены из хорошо проводящего материала (алюминия, меди) или сверхпроводящих материалов. Следовательно, их заземление более чем в одной точке ведет к появлению значительных токов, сопоставимых с током жилы кабеля. Если по условиям ограничения напряжения на экране обязательно его заземление в нескольких точках, то для снижения токов в экранах трехфазной группы однофазных кабелей может быть применена транспозиция экранов, но оптимальным решением является изготовление сверхпроводящего экрана.

В третьей главе приведены результаты по разработке технологического процесса изготовления ВТСП-кабеля, оборудования и оснастки для его производства.

Технологический процесс изготовления ВТСП-кабеля на кабельном оборудовании полностью зависит от типа каждой конкретной единицы оборудования. Соответственно, и специальное оборудование, и оснастка для различных кабельных машин будут различаться, но общий смысл и идея остаются неизменными. Сам процесс производства ВТСП-кабеля можно условно подразделить на четыре этапа:

I этап - подготовка комплектующих ВТСП-кабеля (элементы формера и сам формер, элементы токонесущей части ВТСП-кабеля, изоляция, экран);

II этап - изготовление токонесущего элемента ВТСП-кабеля;

П1 этап - наложение изоляции на токонесущий элемент ВТСП-кабеля и изготовление экрана на поверхности изоляции;

IV этап - установка ВТСП-кабеля в криостат.

Схема технологического процесса изготовления ВТСП-кабеля представлена на рис. 5.

Рис.5. Схема технологического процесса создания ВТСП-кабеля.

В ОАО «ВНИИКП» было изготовлено несколько различных конструкций формера ВТСП-кабеля. Конструкция медного формера на основе стальной спирали зарекомендовала себя, как наиболее надежная и легко модернизируемая для различных задач и легла в основу описанных в работе конструкций длинномерных ВТСП-кабелей. Отличительной особенностью данной конструкции от других образцов, является возможность установки (затягивания) готового изделия в криостат гораздо большей длины, благодаря наличию в конструкции формера скрученных особым образом медных проволок вокруг стальной проволоки (рис. 6). Количество таких элементов формера определяет максимальное усилие тяжения при установке кабеля в криостат. Данный вариант формера обеспечивает прокачку жидкого хладагента, шунтирование мест перехода ВТСП-лент в нормальное состояние, а также укладку их на заданный радиус с последующими изгибом готового кабеля без повреждений для него.

Стальная ' 'ЩШВШ Центральная

проволока ; ¿йИ¡шИЙ спираль из

нержавеющей

¡¡¡¡я стали

Медная Медные

лента ШШЩШт проволоки

Рис. 6. Поперечное сечение формера кабеля с применением дополнительных усиливающих элементов в виде стальных проволок.

Процесс наложения ВТСП-ленты на формер является весьма трудоемким. В связи с высокой повреждаемостью ленты, в первую очередь, необходимо представлять сам процесс укладки лент в повив и схему прохождения материала в узлах оборудования.

Для решения задачи, связанной с укладкой тонких ВТСП-лент на формер цилиндрической формы, были разработаны специальные приспособления:

• Отдающие устройства для тонких лент, снабженные ленточными тормозами (на схеме «отдающая кассета»);

• Направляющие устройства с дополнительными тормозными устройствами колодочного типа, либо без них (просто поверхность скольжения) (на схеме «направляющие полуцилиндрической формы»);

• Устройство для равномерного распределения лент перед и во время укладки их на формер (на схеме «шар» и «калибр»).

Общий вид всего маршрута наложения ВТСП-ленты на формер

представлен на рис. 7.

(а) (б)

Рис. 7. Общий вид технологического маршрута укладки ВТСП-лент в повив: а - компьютерная модель; б — реальное воплощение.

Для наложения изоляции на изготовленный ВТСП-токонесущий элемент (он хрупкий) в отличие от работы с «обычными» токонесущими элементами (медь и алюминий), необходимо тщательнейшим образом просмотреть весь путь прохождения токонесущего элемента по маршруту обмоточного оборудования и попытаться исключить возможные повреждения ВТСП-лент при соприкосновении с поверхностями узлов оборудования.

Задача наложения экрана схожа с рассмотренной выше задачей наложения повивов ВТСП-лент на поверхность формера, а также устранение неблагоприятных для ВТСП-лент воздействий (трение, удары и надавливание).

Первым и самым простым вариантом является экран из медных лент, накладываемых поверх изоляции, при наложении самой изоляции. Данная операция стандартна в кабельной технике и не требует детального рассмотрения.

Второй - экран из ВТСП- лент. Данная конструкция экрана гораздо сложнее первой и работы по его изготовлению проводятся отдельно от наложения изоляции на том же технологическом маршруте, что и наложение повивов ВТСП- лент. Здесь появляется новый дополнительный элемент - плющеная скрутка медных проволок, накладываемая поверх экрана из ВТСП- лент для его защиты при КЗ.

На рис. 8 представлен поперечный разрез силового ВТСП-кабеля со сверхпроводящим экраном.

После изготовления ВТСП-кабеля его необходимо установить (затянуть в криостат).

Рис. 8. Поперечный разрез ВТСП-кабеля с сверхпроводящим экраном.

В четвертой главе описана конструкция изготовленных во ВНИИКП полномасштабных длинномерных ВТСП-кабелей. Приведены результаты их испытаний и проведен анализ полученных результатов.

В первой части описан стенд для всесторонних испытаний образцов свидетелей ВТСП-кабелей (длиной до 5 м) различных конструкций,

полномасштабных по сечению и токонесущей способности. Испытательный комплекс позволяет проводить:

• Криостатирование моделей кабелей и образцов исходных лент до температуры 77 К и поддержание моделей при данной температуре;

• Запитку моделей кабелей и образцов исходных лент постоянным или переменным током;

• Всесторонние измерения параметров кабеля в различных режимах, а именно: величины токов и напряжения на всем кабеле и на его отдельных частях; вольтамперные характеристики различных частей кабеля; температуру различных частей кабеля; распределения токов по повивам; потери в кабеле на переменном токе.

В ходе работ, автором созданы программы для автоматической обработки результатов. Преимуществом использования автоматизированных экспериментальных стендов является наличие полного контроля над системой ввода/вывода тока и синхронизация во времени всех измеряемых величин. Все полученные данные синхронно заносятся в таблицу для последующей обработки.

На основании проведенных расчетов, на разработанном оборудовании был изготовлен трехфазный ВТСП-кабель длиной 30 метров, по результатам испытаний которого, был изготовлен трехфазный ВТСП-кабель длиной 200 метров. Данные конструкции содержат 2 повива ВТСП-лент, "холодную" изоляцию. В кабеле длиной 30 м использован медный экран, а в ВТСП-кабеле длиной 200 метров использован сверхпроводящий экран.

В кабелях использовалась армированная ВТСП-лента шириной 4 мм производства компании Sumitomo (Япония). Выбор основывается на том, что армированный (ламинированный) материал лучше воспринимает нагрузки используемого технологического оборудования и специальной оснастки.

Фотография и модель реального силового ВТСП-кабеля длиной 200 метров представлена на рис. 9.

2

Рис. 9. Фотография и компьютерная модель реального силового ВТСП-кабеля длиной 200 метров.

Позиции, указанные на рис. 9 (компьютерная модель): 1 - спираль из стальной проволоки; 2 - два повива скрученных медных проволок; 3 - медная лента для выравнивания поверхности формера; 4 - первый повив ВТСП -лент; 5 - стальная лента, фиксирующая положение сверхпроводящих лент первого повива; 6 - второй повив ВТСП-лент; 7 - стальная лента, фиксирующая положение сверхпроводящих лент второго повива; 8 - внутренний слой полупроводящей бумажной ленты; 9 - бумажная ленточная изоляция; 10 -второй слой полупроводящей бумажной ленты; 11 - экран из ВТСП - лент с шунтирующим слоем скруток медных проволок; 12 - 17 - элемента криостата.

Геометрические размеры основных элементов ВТСП-кабеля длиной 200 метров приведены в таблице 1. Вид ВТСП-кабеля длиной 200 метров в криостатах показан на рис. 10.

Таблица 1. Геометрические размеры основных элементов ВТСП-кабеля.

Элемент конструкции Внутр. диам., мм Внеш. диам., мм

1-3 Формер ~8 -22.2

4-7 Два повива ВТСП-лент -24.0 -40.0

8-10 Изоляция -24.0 -40.9

11 Экран (ВТСП-ленты) -40.0 -40.9

12. Внутренняя труба криостата 60 66

16. Внешняя труба криостата 84 92

17 Изоляционный слой 94 102

Рис. 10. Вид ВТСП-кабеля в криостатах, установленного на полигоне (слева) и токовводов (справа).

От ВТСП-кабелей длиной 30 и 200 метров, были отобраны образцы-свидетели, в которых исследовались распределение тока между повивами ВТСП-лент на постоянном и переменном токе и электрические потери.

Результаты проведенных испытаний образцов-свидетелей ВТСП-кабеля длиной 200 метров представлены на рис. 11 и 12.

Из рис. 11 видно, что распределение тока по повивам в случае, когда нет экрана- неравномерное, и напротив, когда в кабеле присутствует ВТСП-экран распределение токов практически идеальное. В результате испытаний установлено, что на переменном токе 1500 А потери в ВТСП-жиле кабеля длиной 200 м составляют около 0,8 Вт/м, что в 2,5 меньше чем в случае с 30-ти метровым ВТСП-кабелем, а полные потери 1,36 Вт/м. Это говорит о том, что присутствие экрана из ВТСП-лент в кабеле снижает потери на переменном токе.

— Внешний слой

Рис. 11. Распределение токов в повивах (кабель с экраном и без).

Рис. 12. Потери (в жиле, экране и полные) в образце-свидетеле 200 м кабеля.

После испытания образца-свидетеля в ОАО НТЦ «Электроэнергетики» были проведены следующие приёмочные испытания представленных кабелей:

• Проверка соответствия времени захолаживания кабельной линии.

• Проверка стабильности температуры хладагента на входе и выходе линии.

• Проверка соответствия максимального (критического) тока кабеля.

• Проверка соответствия уровня передаваемой мощности.

По результатам приёмочных испытаний кабель является полностью работоспособным и пригодным для дальнейших исследований, в том числе для установки в реальную распределительную сеть. Кабельная линия была

захоложена за 30 часов (1.25 суток), что значительно меньше требуемого (7 суток). Температуры на входе и выходе кабеля отличались на 4-6 К, что соответствует норме. Критический ток кабеля соответствовал номинальному значению для всех фаз (4000А ±300А) при температуре 77 К. По кабельной линии была передана мощность 50 MB А, при напряжении 20 кВ.

ВЫВОДЫ

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Разработан алгоритм расчёта оптимизированных кабелей на основе высокотемпературных сверхпроводящих материалов, а также проведены последовательные экспериментальные исследования влияния технологических воздействий на токонесущую способность сверхпроводящих лент на всех стадиях производства кабеля и его элементов, в том числе механических свойств применяемых материалов. Это позволило экспериментально подобрать и обосновать технологические приёмы, обеспечивающие целостность сверхпроводящих лент и сохранность их электрических параметров при прохождении всех стадий производства ВТСП-кабеля и его элементов. Выполнен анализ факторов, влияющих при изготовлении кабелей на свойства сверхпроводящего материала.

2. Проведено исследование различных видов изоляционных материалов, которые возможно применять в силовых ВТСП-кабелях. Показано, что «классический» вариант бумажно-ленточной изоляции оказывается оптимальным, исходя как из его стоимости, так и практического применения в конструкции кабеля.

3. Разработаны и исследованы конструкции различных центральных несущих элементов силовых ВТСП-кабелей. Разработаны конструкции и технологии изготовления формеров, адаптированных для разных типов силовых сверхпроводящих кабелей.

4. Впервые в России разработан набор технологий для изготовления силовых ВТСП-кабелей и их элементов, обеспечивающий параметры этих кабелей, соответствующие теоретическим оптимизационным расчетам. Разработанные технологии позволяют изготавливать кабели на кабельном оборудовании, оснащённом, впервые разработанным, специальным технологическим оборудованием и оснасткой для изготовления длинномерных силовых ВТСП-кабелей и их компонентов, которое позволяет реализовать предложенные технологии изготовления длинномерных ВТСП-кабелей. В состав разработанного комплекса оборудования входят:

• отдающие устройства нескольких модификаций, в том числе с возможностью использования в качестве отдающих кассет транспортную тару;

• направляющие устройства с возможностью обеспечения дополнительного натяжения на сверхпроводящих лентах непосредственно перед их укладкой в повив;

• элементы направляющего узла;

• раскладывающий узел, состоящий из сферического направляющего элемента и калибра специальной формы;

• направляющие и поддерживающие устройства по всей длине технологической линии.

5. Изготовлены короткая модель и образцы-свидетели ВТСП - кабелей разных конструкций, полномасштабные по сечению. На специально созданном стенде проведены их успешные экспериментальные исследования.

6. С целью повешения точности расчетов разработан программный комплекс обработки данных, полученных при исследовании образцов на стенде, позволяющий существенно сократить время обработки результатов.

7. Проведены исследования потерь в этих кабелях. Показано, что разработанные конструкции и набор технологии изготовления ВТСП-кабелей и их элементов обеспечивают приемлемый уровень потерь в данных кабелях.

8. На основе проведенных исследований и разработанных технологий, на промышленном оборудовании изготовлены длинномерные силовые ВТСП-кабели переменного тока, в том числе крупнейший в Европе силовой кабель на основе ВТСП материалов первого поколения длиной 200 метров.

На созданный ВТСП-кабель имеется полезная модель «Сверхпроводящий силовой кабель».

Изготовленные длинномерные ВТСП-кабели успешно выдержали испытания в НТЦ «Электроэнергетики» (г. Москва), чем подтвердили правильность разработанных и внедрённых базовых технологий производства ВТСП-кабелей.

Таким образом, в результате проведенных исследований создана технология для производства ВТСП-кабелей в России.

Список публикаций по теме диссертации

1. V.E. Sytnikov, V.S. Vysotsky, A.V. Rychagov, N. V. Polyakova, I. P. Radchenko, K.A. Shutov, E.A. Lobanov, S.S. Fetisov, The 5m HTS Power Cable Development and Test, ШЕЕ Trans, on Appl. Supercon., 2007, Volume 17, Number 2, pp. 16841687.

2. V.E. Sytnikov, V.S. Vysotsky, A.V. Rychagov, N.V. Polyakova, I.P. Radchenko, K.A. Shutov, S.S. Fetisov, A.A. Nosov, V.V. Zubko, The 30 m HTS power cable development and test, Proceedings of ICEC-22-ICMC-2008, Korean Institute of Appl. Supercon and Cryogenics, pp. 907-912, 2009 (Paper TH-C1-C05 presented at ICEC-22-ICMC, Seoul, Korea, July, 2008).

3. V.E. Sytnikov, I.P. Radchenko, K.A. Shutov, and V.S. Vysotsky, The Study of

z- 1 0 488

Mechanical Properties of HTS Tapes for Power Cables Use, IEEE Trans, on Appl. Supercon., 2009, Volume 19, Number 3, pp.1770-1773.

4. V.E. Sytnikov, V.S. Vysotsky, A.V. Rychagov, N.V. Polyakova, I.P. Radchenko, K.A. Shutov, S.S. Fetisov. A.A. Nosov and V.V. Zubko, 30 m HTS Power Cable Development and Witness Sample Test, IEEE Trans, on Applied Superconductivity, 2009, Volume 19, Number 3, p.p.1702-1705.

5. V. Vysotsky, V. Sytnikov, A. Nosov, S. Fetisov, K. Shutov, N. Polyakova, AC Loss of a Model 5m 2G HTS Power Cable Using Wires with NiW Substrates,

2010 J. Phys.: Conf. Ser. 234 032061 doi: 10.1088/1742-6596/234/3/032061 (EUCAS-2009, Dresden, Germany, 13-17 September).

6. V.E. Sytnikov, K.A. Shutov, N.V. Polyakova, S.S. Fetisov, A.A. Nosov, V.S. Vysotsky, The AC Loss Analysis in the 5m HTS Power Cables, IEEE Trans, on Appl. Supercon., 2009, Volume 19, Number 3, p.p. 1706-1709.

7. A. Taran, V. Sytnikov, A. Rychagov, K. Shutov and Y. Ipatov, New Technology Complex for ITER TF and PF Cables and TF Conductors Production, IEEE Trans, on Appl. Supercon., 2010, Volume 20, Number 3,1. 9, ISSN 1051-8223, p.p. 394397.

8. V.E. Sytnikov, V.S. Vysotsky, S.S. Fetisov, A.A. Nosov, Yu.G. Shakaryan, V.l. Kochkin, A.N. Kiselev, Yu.A. Terentyev, V.M. Patrikeev, V.V. Zubko, Cryogenic And Electrical Tests Results Of 30 M HTS Power Cable, (ADVANCES IN CRYOGENIC ENGINEERING: Transactions of the Cryogenic Engineering Conference - CEC 2009, Volume 55.

9. A.B. Рычагов, B.E. Сытников, A.B. Таран, K.A. Шутов, Разработка конструкции и технологии производства сверхпроводящих проводов для крупных магнитных систем, Сборник статей РАН «Инновационные технологии в энергетике» под редакцией Э.П. Волкова и В.В. Костюка, Москва, Наука 2010.

10. B.C. Высоцкий, A.A. Носов, A.B. Рычагов, В.Е. Сытников, С.С. Фетисов, К.А. Шутов, Создание силового сверхпроводящего кабеля на базе ВТСП технологий, Кабели и провода, №2 (321), стр. 3-10, 2010.

11. V.S. Vysotsky, A.A. Nosov, S. S. Fetisov, K.A. Shutov, AC Loss and Other Researches with 5 m HTS Model Cables, IEEE Trans, on Appl. Supercon., 2011, Volume 21, Number 3,1. 9, ISSN 1051-8223, p.p. 1001-1004.

12. B.C. Высоцкий, A.A. Носов, С.С. Фетисов, К.А. Шутов, Сверхпроводящая кабельная линия длинной 200 метров. История проекта и результаты, СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ: Исследования и разработки, ISSN 0868-8885,

2011 г., №15, стр. 75 - 80.

13. Патент на ПМ № 95428 Сверхпроводящий силовой кабель.

Подписано в печать ¡6- 04- Г. Зак. Ц9 Тир. ЮО П.л. Полиграфический центр МЭИ

Красноказарменная ул., д. 13

2012094260

2012094260