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

На правах рукописи

005051Ь2О

Шутов Кирилл Алексеевич

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЕ 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

п апрш

Москва 2013

005051626

УДК

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

Научный руководитель:

доктор технических наук В.С. Высоцкий

Научный консультант:

кандидат физико-математических наук В.В. Зубко

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Ковалёв Константин Львович

доктор технических наук, профессор Месежник Яков Захарович

Ведущая организация:

ФГУП «НИИЭФА им. Д.В. Ефремова»

Защита диссертации состоится "24" Апреля 2013 г. в 15:00 часов на заседании диссертационного совета Д 520.026.01 (Электротехнические материалы и изделия) в ОАО «ВНИИКП» по адресу: 111024, г. Москва, шоссе Энтузиастов, д. 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке «ВНИИКП».

Автореферат разослан "М) " ¿Ь- 2013 г.

Учёный секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, ¿¿^ И. А Овчинникова

© ОАО «ВНИИКП», 2013

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.

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

На сегодняшний день наиболее доступными являются ВТСП-материалы первого поколения. Они дешевле, имеют удовлетворительные электрические и механические параметры и могут выпускаться длинами, достаточными для изготовления длинномерных электротехнических изделий, таких как кабели. Поэтому в этом исследовании мы использовали базовые ВТСП-материалы первого поколения.

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 его 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 конструирования и технологий изготовления 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) На основе известных теоретических работ разработать методы конструирования токонесущих элементов ВТСП-кабелей.

2) Разработать конструкции и технологии создания элементов кабеля и кабеля в целом, обладающих минимальными потерями энергии и полностью использующих сверхпроводящие свойства используемого материала.

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

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

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) Изготовить полномасштабные ВТСП-кабели, провести их испытания и проанализировать результаты испытаний.

Научная новизна

Впервые в России создан алгоритм разработки конструкций силовых ВТСП-кабелей.

Впервые проведены последовательные экспериментальные исследования влияния технологических воздействий, в том числе механических свойств применяемых материалов, на токонесущую способность сверхпроводящих лент на 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 дополненном оснасткой разработанной в данной работе.

Изготовлены и испытаны полномасштабные ВТСП-кабели длиной 30 и 200 метров и проведен анализ экспериментальных данных подтвердивший адекватность, разработанных при выполнении диссертационной работы, технологий.

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 изготовлен крупнейший из реально испытанных в Европе (на сегодняшний день) 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.

Положения, выносимые на защиту:

1. Алгоритм разработки конструкции ВТСП-кабелей основанный на известных теоретических расчетах.

2. Результаты разработки и исследования конструкций различных элементов силовых ВТСП-кабелей.

3. Результаты разработки технологий для изготовления силовых ВТСП-кабелей и их элементов, сохраняющих сверхпроводящие свойства ВТСП-лент, и обеспечивающих оптимальные параметры этих кабелей.

4. Результаты анализа напряженно - деформационного состояния сверхпроводящих лент при изгибе.

5. Анализ результатов экспериментального исследования ВТСП-кабеля длиной 30 метров.

6. Анализ результатов экспериментального исследования ВТСП-кабеля длиной 200 метров.

7. 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, докладывались на Европейской конференции по прикладной сверхпроводимости ЕиСАБ 2009 (Дрезден, Германия, 2009), на конференциях по прикладной сверхпроводимости А8С-2006 (Сиэтл, США, 2006), А8С-2008 (Остин, США, 2008) и (АБС 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» и отчётах ОАО «ВНИИКП» [А-1 - А-9]. По теме диссертации получены патенты на две полезные модели [А-10, А-11].

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Материалы изложены на 135 страницах, содержат 58 рисунков и 6 таблиц. Список литературы состоит из 100 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследований, показана научная новизна и практическая ценность работы, сформулированы 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) (В1,РЬ)25г2Са2СизОх (сокращенно В8ССО - 2223, с критической

6

температурой Тс = 105-120 К) и ВТСП 2-го поколения УВа2Сиз07 (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 ВБССО 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%.

ВТСП провод 1-го поколения ВТСП провод 2-го поколения

Рис. 1. Сечение ВТСП-лент на основе ВБССО и УВСО. Приведены 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 загрязнение 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 на основе ВТСП-материалов первого поколения 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 расчета потерь в ВТСП-кабеле.

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 сформулированы задачи исследования.

Во второй главе приведен разработанный алгоритм конструирования силовых ВТСП-кабелей: оптимизированной токонесущей части, формера, изоляции и электрического экрана. Проведено исследование влияния конструктивных параметров на характеристики ВТСП-кабелей. Показаны результаты измерений изменения относительного критического тока от шага скрутки ВТСП-лент в кабеле. Проведен расчет усилий тяжения при затягивании готового кабеля в криостат.

На основе проведенных исследований разработан алгоритм конструирования ВТСП-кабелей, который представлен на рис. 3 и выглядит следующим образом: 1. Расчёт и оптимизация (по известным теоретическим разработкам В.Е. Сытникова и П.И. Долгошеева [1, 2] и конструирование токонесущей части ВТСП-кабеля (повивов ВТСП-лент) с учетом запаса по значению рабочего тока [3]. 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 Ъ с пропускной способностью тока 12 при том, что токовая нагрузка кабеля должна составлять В таком случае мы можем определить необходимое количество лент N разделив /, на /? 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 ВТСПК, является обеспечение равномерного распределения тока по повивам. Такой анализ был выполнен ранее в работах П.И. Долгошеева и В.Е. Сытникова [1, 2]. Полученные данные о количестве повивов, с числом лент в каждом повиве, используются для проведения расчета шагов и направлений скрутки лент, таким образом, чтобы ток в повивах распределялся максимально равномерно.

Учитывая, что ВТСП-ленты являются хрупким материалом необходимо выполнить проверку влияния выбранных углов скрутки лент на их критический

сохранения сверхпроводящих свойств

ток. Можно записать условие токонесущих элементов в виде:

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

^ 18 ■ 2 „ £тах ^ -81П Р1 (])

- при изгибе кабеля на барабане или в траншее[3]:

яО„

(2)

где: Ет

максимально допустимая относительная деформация растяжения сверхпроводника; Р - шаг скрутки лент в повиве; 26 - толщина ленты по сверхпроводнику; /? - угол скрутки лент в рассматриваемом повиве; Б, -диаметр ¡-го повива; Отш — минимальный диаметр изгиба токонесущего элемента.

Уравнение (1) определяет минимальный шаг скрутки ленты в повиве, а уравнение (2) — максимальный шаг. Для сверхпроводящих ленточных проводников допустимое значение етах = 0.002-0.004.

Нами были проведены измерения относительного критического тока от шага скрутки ВТСП-лент первого поколения (Ш) и второго поколения (№), изготовленных разными фирмами, пример результатов этих измерений показан на рис. 4. Результаты приведены для двух различных диаметров формера. Эти результаты хорошо совпадают с оценками критического напряжения по формуле (1).

20 25 30 35 40 45 Шаг скрутки, см

20 25 30 35 40 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;

III 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.

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.

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

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 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.

На этом стенде проводились исследования первого модельного кабеля длиной 5 м и образцов-свидетелей кабелей длиной 30 м и 200 м.

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. Для проверки методики было исследовано распределение тока между повивами ВТСП-лент на постоянном и переменном токе и электрические потери в кабеле без экрана длиной 5 м.

На основании проведенных расчетов, на разработанном оборудовании был изготовлен, трехфазный ВТСП-кабель длиной 30 метров с медным экраном. В 2008-2009 г.г. кабель прошел полный цикл испытаний. Испытания на постоянном токе показали полное соответствие параметров кабеля расчетным, была получена зависимость критического тока всех трех фаз от температуры (рис. 9). Распределение переменного тока по повивам оказалось равномерным, что подтверждает правильность оптимизационных расчетов и алгоритма конструирования и адекватность разработанной технологии изготовления кабеля.

- Данные от производителей исходной ленты V-V Фаза А (AMSC) В-El Фаза В (SEI) ©-ф Фаза С (AMSC, 2-й эксп.) <3-е Фаза С (AMSC, 1-й эксп.)

figfl I

65 70 75 80

Температура, К

Рис. 9. Зависимость критических токов фаз от температуры

Также было проведено измерение полных потерь в тридцатиметровом кабеле на переменном токе. Первые попытки ввода переменного тока в ВТСПК ограничились значением 400 А, поскольку величина потерь в кабеле превысила 39 Вт/м. Такое низкое значение введённого тока явилось следствием того, что кабели для данной линии были размещены на подставках параллельно друг другу, на расстоянии 0,5 м друг от друга (рис. 10 (а)). Проведённый анализ полученных данных показал, что потери возникают, в заземленном с двух

сторон несверхпроводящем экране, из-за расположения кабелей (большого расстояния между фазами) (рис. 10, 11).

(а) (б)

Рис. 10 Расположение кабелей на испытательном стенде

Оценка сопротивпенияпри разъединении экранов

НО3 0.01 0.1 1

дз

Сопротивление контура, Ом

Удеоеннзэ сспрэпгагвч'Бмэдсго экрачах2

МО3 0.01 0.1 1

Сопротивление ДЗ

контура, Ом

Иэм^эо+ьепогерм-юмта<л-се распсггжн/к

Рис. 11. Расчетная величина потерь в экране кабеля в зависимости от сопротивления экрана, при различных расстояниях между кабелями.

Из этих графиков видно, что чем ближе электрические центры кабелей будут расположены друг к другу, тем величина потерь в этих кабелях будет меньше. Также, при снижении сопротивления экрана ниже значения -5*10-4 Ом

16

наблюдается сходство значений величины потерь, в независимости от расстояния между электрическими центрами кабелей, и их одинаковое линейное снижение.

На основании этого вывода было изменено расположение кабелей, а именно кабели были размещены вплотную друг к другу таким образом, что их электрические центры образовывали в перпендикулярном сечении треугольник (рис. 10 (б)), а также был сделан вывод о том, что экран в подобных кабелях должен быть сверхпроводящим.

По результатам испытаний кабеля 30 м которого, был разработан и изготовлен трехфазный ВТСП-кабель длиной 200 метров со сверхпроводящим экраном. Данная конструкция также содержат 2 повива ВТСП-лент и "холодную" изоляцию.

В этом кабеле 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. 12.

Рис. 12. Фотография и компьютерная модель реального силового ВТСП-кабеля

длиной 200 метров.

Позиции, указанные на рис. 12 (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.

От ВТСП-кабеля длиной 200 метров, был отобран образец-свидетель, в котором на разработанном стенде исследовались распределение тока между повивами ВТСП-лент на постоянном и переменном токе и электрические потери.

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

Результаты проведенных испытаний образцов-свидетелей ВТСП-кабеля длиной 200 метров представлены на рис. 13 и 14. На рис. 14 (справа) представлены измеренные полные потери в разработанных кабелях. Из рис. 13 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 измерений установлено, что на переменном токе 1500 А потери в ВТСП-кабеле длиной 200 м составляют около 0,8 Вт/м, что значительно меньше чем в 30-ти метровом ВТСП-кабеле.

- Внешний слой

Рис. 13. Распределение токов в повивах (кабель с экраном и без).

moo....................................................................

О 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 II 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000

Полный ток, А Полный ток, А

Рис. 14. Потери в образце-свидетеле 200 м кабеля (слева). Полные потери в разработанных кабелях (справа).

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.

Вид ВТСП-кабеля длиной 200 метров в криостатах показан на рис. 15.

Рис. 15. Вид ВТСП-кабеля в криостатах, установленного на полигоне (слева) и

токовводов (справа).

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 (4500 А) при температуре 77 К. По кабельной линии была передана мощность 50 МВА, при напряжении 20 кВ.

Таким образом, испытания крупнейшего в Европе силового ВТСП кабеля показали его полную работоспособность и подтвердили полную адекватность алгоритмов конструирования и технологий изготовления силовых

ВТСП кабелей. Можно считать, что в России подготовлена промышленная технология изготовления силовых кабелей на основе ВТСП первого поколения. Следует отметить, что разработанные технологии могут быть применены и для изготовления кабелей на основе ВТСП 2-го поколения. Они были также применены при изготовлении первого в мире кабеля на основе сверхпроводника MgB2 (диборид магния) охлаждаемого жидким водородом [4].

ВЫВОДЫ

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Создан алгоритм разработки конструкции ВТСП-кабелей основанный на известных теоретических расчетах, 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 успещные экспериментальные исследования.

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

7. Проведены исследования потерь в изготовленных ВТСП-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 имеются полезные модели «Сверхпроводящий силовой кабель» [А-10 — А-11].

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 созданы базовые технологии для промышленного производства ВТСП-кабелей в России.

Список публикаций по теме диссертации

А-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, IEEE Trans, on Appl. Supercon., 2007, V. 17, N 2, pp. 16841687.

A-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).

A-3. V.E. Sytnikov, I.P. Radchenko, K.A. Shutov, and V.S. Vysotsky, The Study of Mechanical Properties of HTS Tapes for Power Cables Use, IEEE Trans, on Appl.

Supercon., 2009, Vol.19, Number 3, pp.1770-1773.

A-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, V.19, N 3, p. 1702-1705.

A-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).

A-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, V.19, Number 3, p.1706-1709.

A-7. B.C. Высоцкий, A.A. Носов, A.B. Рычагов, B.E. Сытников, C.C. Фетисов, K.A. Шутов, Создание силового сверхпроводящего кабеля на базе ВТСП технологий, Кабели и провода, №2 (321), с. 3-10,2010.

А-8. 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, V. 21, Number 3,1. 9, ISSN 1051-8223, p. 1001-1004.

A-9. B.C. Высоцкий, A.A. Носов, C.C. Фетисов, K.A. Шутов, Сверхпроводящая кабельная линия длинной 200 метров. История проекта и результаты, СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ: Исследования и разработки, ISSN 08688885, 2011 г., №15, стр. 75 - 80.

А-10. Патент на ПМ № 95428 Сверхпроводящий силовой кабель. А-11. Патент на ПМ № 124034 Сверхпроводящий силовой кабель.

Список цитируемой литературы

1. Сытников В.Е., «Теоретическое и экспериментальное исследование многопроволочных сверхпроводящих обмоточных проводов для обмоток, генерирующих постоянные и импульсные магнитные поля», Диссертационная работа на соискание ученой степени кандидата технических наук, М., 1981, 228 с.

2. В.Е.Сытников, Г.Г.Свалов, П.И.Долгошеев, Основные закономерности распределения тока в многопроволочных сверхпроводящих жилах. В сб. "Сверхпроводимость в технике", т. II, 31., 1884, с. 132.

3. Сытников В.Е., "Основы конструирования высокотемпературных сверхпроводящих силовых кабелей", Известия Академии электротехнических наук РФ, 2008, v., N 1, р.29-44.

4. В.В.Костюк, И.В. Антюхов, Е.В. Благов, B.C. Высоцкий, Б.И. Каторгин, А.А. Носов, С.С. Фетисов, В.П. Фирсов, Экспериментальная гибридная энергетическая магистраль с жидким водородом и сверхпроводящим кабелем на основе диборида магния (MgB2), Письма в ЖТФ, 2012, том 38, вып. 6.

К.А. Шутов

Разработка конструкции и технологии изготовления сверхпроводящих силовых кабелей на основе высокотемпературных сверхпроводников первого поколения.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Оригинал-макет подготовлен с помощью системы WORD.

Подписано к печати 13.03.2013 г. Формат 60x90/16. Тираж 100 экз.

Типография ОАО «ВНИИКП» 111250, г. Москва, шоссе Энтузиастов, д.5.

í/k-

АВТОРЕФЕРАТ ВНИИКП, 2013

ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ КАБЕЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

На правах рукописи

04201355634 Шутов Кирилл Алексеевич

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

ПОКОЛЕНИЯ

05.09.02 - «Электротехнические материалы и изделия»

Диссертация на соискание ученой степени Кандидата технических наук

Научный руководитель: Доктор технических наук Высоцкий B.C.

Научный консультант: Кандидат физико-математических наук

Зубко В.В.

Москва 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение...............................................................................................................4

1. Использование ВТСП-кабелей в электроэнергетике.............................11

1.1. Базовые сверхпроводящие материалы....................................................11

1.2. Силовые ВТСП-кабели и необходимость их внедрения.......................13

1.3. Преимущества ВТСП-кабелей, исследования и разработки................16

1.4. Обзор экспериментальных и теоретических работ по конструкциям ВТСП-кабелей........................................................................................................20

1.5. Теоретические основы создания ВТСП-кабелей и основные принципы конструирования токонесущего элемента ВТСП-кабеля..................................22

1.6. Потери в сверхпроводящих силовых кабелях........................................28

1.7. Выводы и постановка задачи исследования...........................................33

2. Алгоритм разработки конструкций силовых ВТСП-кабелей и исследования влияния конструктивных параметров на их характеристики.......35

2.1. Разработка конструкции оптимизированной токонесущей части ВТСП-кабеля...........................................................................................................38

2.2. Разработка и оптимизация конструкции формера ВТСП-кабеля........43

2.2.1. Разработка центральной спирали формера........................................45

2.2.2. Расчет усилий тяжения.........................................................................47

2.3. Разработка и анализ конструкции изоляции силового ВТСП-кабеля . 50

2.4. Выбор и разработка конструкции экрана ВТСП-кабеля.......................57

2.5. Выводы к главе 2.......................................................................................59

3. Разработка технологического процесса изготовления ВТСП-кабеля, оборудования и оснастки для его производства.....................................................60

3.1. Технологические эксперименты по изготовлению макета силового ВТСП-кабеля длиной 5 метров.............................................................................61

3.2. Разработка технологии изготовления и оборудования для производства спирали из нержавеющей стальной ленты..................................64

3.3. Разработка технологии изготовления формера.....................................67

3.4. Разработка технологии укладки ВТСП-лент в повив...........................71

3.4.1. Разработка и изготовление оборудования для наложения повивов ВТСП-лент..........................................................................................................72

3.5. Разработка технологии наложения ленточной бумажной изоляции... 79

3.6. Разработка технологии изготовления экрана для ВТСП-кабелей.......80

3.7. Установка ВТСП-кабеля в криостат.......................................................82

3.8. Выводы к главе 3.......................................................................................83

4. Исследования полномасштабных длинномерных ВТСП-кабелей,

изготовленных по разработанным технологиям....................................................85

4.1. Методика экспериментального исследования моделей и образцов-свидетелей ВТСП-кабеля......................................................................................85

4.2. Изготовление и исследование макетного пятиметрового образца ВТСП-кабеля..........................................................................................................91

4.3. Конструкция изготовленного по разработанным технологиям полномасштабного силового ВТСП-кабеля длиной 30 метров и его исследования..........................................................................................................96

4.4. Конструкция изготовленного по разработанным технологиям силового ВТСП-кабеля длиной 200 метров, и его исследования...................109

4.5. Сравнительный анализ образцов изготовленных ВТСП-кабелей.....118

4.6. Выводы к главе 4.....................................................................................120

Заключение......................................................................................................122

Список литературы.........................................................................................126

Введение

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 ВТСП-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 создание алгоритма разработки конструкций и технологий изготовления полномасштабных, оптимизированных сверхпроводящих силовых кабелей на основе ВТСП-материалов является весьма актуальной задачей, что и обуславливает выбор направления диссертационной работы.

На сегодняшний день самыми доступными являют ВТСП-материалы первого поколения. Они имеют относительно невысокую стоимость, удовлетворительные электрические и механические параметры и могут выпускаться длинами, достаточными для изготовления длинномерных электротехнических изделий, таких как кабели. Поэтому в этом исследовании мы использовали базовые ВТСП-материалы первого поколения

Цель работы

Целью настоящей работы является разработка методов конструирования, технологий изготовления силовых кабелей на основе ВТСП-материалов первого поколения, их экспериментальная проверка на моделях и доведение до уровня, позволяющего непосредственно приступить к промышленному производству силовых ВТСП-кабелей для внедрения в энергетические сети и системы.

Для реализации этой задачи необходимо:

1) На основе известных теоретических работ разработать методы конструирования токонесущих элементов ВТСП-кабелей.

2) Разработать конструкции и технологии создания элементов кабеля и кабеля в целом, обладающих минимальными потерями энергии и полностью использующих сверхпроводящие свойства используемого материала.

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

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

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) Изготовить полномасштабные ВТСП-кабели, провести их испытания и проанализировать результаты испытаний.

Научная новизна

Впервые в России создан алгоритм разработки конструкций силовых ВТСП-кабелей.

Впервые проведены последовательные экспериментальные исследования влияния технологических воздействий, в том числе механических свойств применяемых материалов, на токонесущую способность сверхпроводящих лент на 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 сверхпроводящих лент при прохождении всех стадий производства кабелей.

Экспериментально исследованы потери в моделях сверхпроводящих 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 сверхпроводящих 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 дополненном оснасткой разработанной в данной работе.

Изготовлены и испытаны полномасштабные ВТСП-кабели длиной 30 и 200 метров и проведен анализ экспериментальных данных подтвердивший адекватность, разработанных при выполнении диссертационной работы, технологий.

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 изготовлен крупнейший в Европе силовой 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. Алгоритм разработки конструкций ВТСП-кабелей основанный на известных теоретических расчетах.

2. Результаты разработки и исследования конструкций различных элементов силовых ВТСП кабелей.

3. Результаты разработки технологий для изготовления силовых ВТСП кабелей и их элементов, сохраняющих сверхпроводящие свойства ВТСП лент, и обеспечивающих оптимальные параметры этих кабелей.

4. Результаты анализа напряженно - деформационного состояния сверхпроводящих лент при изгибе.

5. Анализ результатов экспериментального исследования ВТСП кабеля длиной 30 метров.

6. Анализ результатов экспериментального исследования ВТСП кабеля длиной 200 метров.

7. 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, докладывались на Европейской конференции по прикладной сверхпроводимости ЕиСАБ 2009 (Дрезден, Германия, 2009), на конференциях по прикладной сверхпроводимости А8С-2006 (Сиэтл, США, 2006), А8С-2008 (Остин, США, 2008) и (АБС 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» [1-10, 86-87]. По теме диссертации получен патент на две полезные модели [99, 100].

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения.

В первой главе проведен обзор работ по теме диссертации. Проведен анализ различных ВТСП-лент и их свойств. Показаны основные преимущества ВТСП-кабелей. Проанализированы исследования и разработки в мире ВТСП-кабелей и показаны их преимущества. Проанализированы модели для расчета потерь в ВТСП-кабелях. Сформулированы задачи исследования.

Во второй главе приведен разработанный алгоритм конструирования силовых ВТСП-кабелей: оптимизированной токонесущей части, формера, изоляции и электрического экрана. Проведено исследование влияния конструктивных параметров на характеристики ВТСП-кабелей. Показаны результаты измерений изменения относительного критического тока от шага скрутки ВТСП-лент в кабеле. Проведен расчет усилий тяжения при затягивании готового кабеля в криостат.

Третья глава посвящена разработке технологического процесса изготовления ВТСП-кабеля, а также оборудования и оснастки для его производства на кабельном оборудовании. Приведены технологические эксперименты по изготовлению ВТСП силового кабеля. Приведена проверка

принципов конструирования и «обкатки» технологии изготовления токонесущих элементов кабеля.

Четвертая глава посвящена разработке полномасштабных длинномерных ВТСП кабелей длиной 30 и 200 метров, их испытаниям и анализу полученных результатов. Описан стенд для всесторонних испытаний образцов свидетелей ВТСП-кабеля (длиной до 5 м) различной конструкции, полномасштабных по сечению и токонесущей способности. Приведены результаты испытаний на переменном токе: зависимость тока от времени, токи в повивах и отношение тока в повиве к полному току. Приведены экспериментальные и расчетные исследования потерь на переменном токе в данных кабелях. Показаны результаты обработки экспериментальных данных различными методами. Проведено сравнение измеренных потерь с различными теоретическими моделями.

В заключении изложены основные выводы и результаты работы. Приведены результаты обработки и анализа проведённых экспериментальных испытаний кабелей длиной 30 и 200 метров, а также сделан вывод об адекватности разработанных конструкций и технологий, готовых для полномасштабного производства ВТСП-кабелей.

1. Использование ВТСП-кабелей в электроэнергетике

1.1. Базовые сверхпроводящие материалы

Терминологически технические сверхпроводящие материалы делятся на две категории: низкотемпературные сверхпроводящие материалы (НТСП), имеющие критическую температуру (температуру перехода в сверхпроводящее состояние в нулевом магнитном поле (Тс)) ниже 25 К и работающие при гелиевом уровне температур, и ВТСП-материалы, имеющие критическую температуру выше 35 К.

60-летний опыт создания практических НТСП-проводников и, почти, 25-летний опыт разработок ВТСП-проводников, создали широкую номенклатуру различных материалов, из которых могут быть созданы всевозможные сверхпроводниковые устройства [11-16]. Подробно вопросы сверхпроводящих материалов освещены в работах [17,18].

Интенсивные исследования и разработки в области технологии ВТСП-материалов привели к созданию ВТСП-проводов с достаточно высокой токонесущей способностью при Тс выше 77 К. В качестве хладагента, для этих материалов может использоваться жидкий азот (77 К). На сегодня, известны десятки ВТСП-соединений, демонстрирующих сверхпроводимость при температурах выше 77 К. Основой для технологии ВТСП-проводов, после 20 лет поиска стали лишь два соединения: 1-го поколения (на базе висмутовой керамики) (В1,РЬ)28г2Са2СизОх (сокращенно В8ССО или 2223, с Тс = 105-120 К) и 2-го поколения УВа2Си307 (УВСО или 123, Тс = 90-92 К). В настоящее время ВТСП-провода 1-го и 2-го поколения представляют собой конкурирующие направления, причём если технология проводов 1-го поколения уже продемонстрировала свой потенциал - получены многие сотни километров провода. В США, Германии, Японии, Китае и других странах налажено промышленное производство ВТСП-провода первого поколения с

параметрам