Секционированный сверхпроводящийкабель переменного toka

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советских

Социалистических

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДВТВЛЬСМВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву Р 714510 (22) Заявлено 100576 (21) 2357331/24-07 с присоединением заявки 14о (23) Приоритет

Опубликовано 2802.81 Бюллетень No 8

Дата опубликования описания 08. 03. 81 (5f)PA. Кл з

Н 01 В 12/00

Государственный комитет

СССР но делам изобретений н открытий (53) УДК 621 ° 315 °

° 2 (088.8) (72) Авторы изобретения

М.Л.Вулис, И.B.Ðûáèí и П.Б.Шендерови

Государственный научно-исследовательский энергетический институт им. Г.М.Кржижановского (71) Заявитель (54) СЕКЦИОНИРОВАННИЙ СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ

КАБЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Изобретение относится к электрорехнике, в частности к кабельной технике, и может быть использовано при создании сверхпроводящих линий элек-. тропередач.

По основному авт. св. 9 714510 известен секционированный сверхпроводящий кабель переменного тока, содержащий две токонесущие системы, одна из которых выполнена из полого сверхпроводящего элемента, стабилизированного подложкой, снабженной диэлектрическими вставками, разделяющими ее на локальные участки нормального металла, не имеищие контах- 15 та между собой, другая размещена внутри первой и выполнена из нормального металла, а обе токопроводящие жилы электрически соединены, по меньшей мере, в местах, предназначенных 20 для подсоединения концевых устройств. Такая конструкция кабеля позволяет в режиме токовой перегрузки (например в результате короткого эавыкания в энергосистеме) при незначительном увеличении размеров кабеля против номинальных, определенных из токонесущей способности сверхпроводника в заданных условиях охлаждения и номинального тока, про-, 30 пустить перегрузочный ток по жиле

1из нормального металла. Эта жила выполняется транспонированной, что обеспечивает снижение плотности тока в ней, что, в свои очередь, ведет к уменьшению количества тепла, накопленного в кабеле за время перегрузки ° Последнее дает возможность уменьшить габарит кабеля. При этом нагрев сверхпроводника в период перегрузки происходит лишь за счет вихревых тепловыделений в нормальном металле подложки и тепловыделений в самом сверхпроводнике, поскольку он находится в такой конструкции кабеля в сверхпроводящем состоянии, если нагрев подложки не превышает критической температуры сверхпроводника.

Допустивший нагрев подложки определяет степень переразмеривания sceN сверхпроводящей жилы против номинала. Поэтому необходимо стабилизировать температуру хладагента (сохранить ее такой же, как и до перегрузки) хотя бы до конца режима перегруэки. Требования технологичности конструкции и минимального pasмера сверхпроводящей жилы в заданных условиях эксплуатации приводят

809405 ходит по сверхпроводящей токонесущей системе

Однако при увеличении входного тока J<>свыше критического начинается резкое увеличение сопротивления сверхпроводника эа счет движения нитей магнитного потока. Поскольку сверхпроводящая токонесущая система находится в охлаждающей среде с конечным значением коэффициента теплопередачи, то начинается разогрев сверхпроводника, который приводит к лавинообразному процессу разрушения сверхпроводимости, т.е. к увеличению сопротивления R«.q вплоть до значения, соответствующего сверхпроводнику в нормальном состоянии.

По мере увеличения В лпроисходит перераспределение тока между сверхпроводящей токонесущей системой и жилой из нормального металла. Так, например, при R Ä=«)a«. из условия (1) получаем: (4) (5) ФТ,,,Р

+««p Щдр

1 ж,+ сп) + « ьЗ « ) 55 (2) « М ж °

Когда входной ток кабеля 35 « ые превышает критического, уровень гистерезисных потерь в сверхпроводнике Я) определяет некоторое эффективное значение его сопротивления й<д, которое на несколько порядков меньше R«««. В этом случае, как легко убедиться из условия (1), весь ток про(6) к выбору в качестве материала токонесущей жилы сверхпроводника, обла дающего высоким значением критического тока.

Из теории "жестких" сверхпроводников известно, что увеличение критической плотности тока сопровождается расширением диапазона между первым и вторым критическими полями сверхпроводника. Так, например, для соединения МЬ Бп отношение" /н,„ 500, где Р«, Нсг — первое и второе критические поля соответственно.

В разрабатываемых конструкциях сверхпроводник жилы в период токовой перегрузки (в энергетических системах кратность тока перегрузки не пре- Я вышает 25) остается в сверхпроводящем состоянии как по температуре (что является одним из условий, предьявляемых к поведению сверхпроводящего кабеля в режиме токовой пере- 2«1 грузки), так и.по полю, несмотря на то, что рабочая напряженность поля (Нр) выбирается несколько выше, чем Нс,. Следовательно, происходит перераспределение тока между сверхпроводником и жилой иэ нормального металла так, что они оказываются под одним потенциалом.

Наиболее просто может быть получено аналитическое выражение условия перераспределения тока для каак.сйальной конструкции однофазного сверхпроводящего кабеля. Оно может быть записано так: где 3л - ток в сверхпроводящей токо- 4О несущей системе;

1щ, — полный ток на входе кабеля;

R,„ - сопротивление (активное) жилы из нормального металла;

R «1- сопротивление (активное) сверхпроводящей токонесущей системы;

«)«««. — разность индуктивных сопротивлений сверхпроводящей токонесущей системы и жилы из нормального металла.

Для сверхпроводящего кабеля, в котором используются чистые металлы, характерным является выполнение условия:

В конечном счете, при значениях и п>«АМ получаем:

Это приводит к тепловыделениям в сверхпроводящей жиле, определяемым по формуле". где U — разность потенциалов по концам токопроводящей систеЬЫ; ток.в сверхпроводящей жиле, практически определяемый по ее периметру,температуре и магнитному полю, в котором она находится.

Цель изобретения — уменьшение тепловыделений в сверхпроводящей жиле в режиме токовой перегрузки кабеля, и, как следствие, повышение надежности его работы.

Указанная цель достигается тем, что сверхпроводящая жила снабжена размещенными в каждом стыке соседних секций кабеля вставками, выполненными из сверхпроводящего материала второго рода, удовлетворяющего условию: где Нс, Нс - первое и второе критические поля сверхпроводника вставки соответственно;

809405

3„,З„,р- номинальный и перегрузочный токи кабеля соответственно.

Размещение вставок в технологически обусловленных стыках секций иэ сверхпроводящего материала, удовлетворяющего указанному выше условию, позволяет перевести сверхпроводник уставки из сверхпроводящего состояния в нормальное в режиме токовой перегрузки от поля, созданного жилой иэ нормального металла на поверхности сверхпроводника вставки. Это, в свою очередь, приводит к тому, что разность потенциалов оказывается приложенной не к сверхпроводнику жилы, находяще- t5 муся в сверхпроводящем состоянии, а к сверхпроводнику вставки. Этим достигается снижение общего тепла, выделяющего в сверхпроводящей жиле, и воэможность управления коли- 2О чеством этого тепла эа счет изменения длины вставки.

На чертеже представлена конструкция предлагаемого кабеля.

Секционированный сверхпроводящий кабель содержит секции 1, в каждой из которых виутри криорубашки

2 размещены сверхпроводящая жила

3 и жила 4 из нормального металла, раэделеннные теплоизоляцией 5, и вставки 6, размещенные в каждом стыке соседних секций 1, снабженные стабилизированным сверхпроводником, соединенным со сверхпроводником жилы 3 с помощью перемычек 7 иэ сверхпроводящего материала. В зависимости от типа кабеля (жесткий или гибкий) жила 4 иэ нормального металла может быть длиннее одной секции кабеля, как показано на чертеже.

При токовой перегрузке кабеля 40 сверхпроводник вставки 6 выходит из сверхпроводящего состояния, поскольку он выполнен из материала, удовлетворяющего условию:- -<

° ЙСХ 1 свао т.е. запирается полем, созданнйм на его поверхности током, протекающим в жиле 4 из нормального металла.

Это приводит к тому, что разность потенциалов прилагается именно к сверхпроводнику вставки, стабилизированному подложкой, имеющей такую же конструкцию, как и подложка сверхпроводящей жилы 3, а не к сверхпроводнику укаэанной жилы. Следовательно, величина тепловыделений определяется соотношением сопротивлений участка жилы 4 из нормального металла длиной, соответствующей длине секции и сверхпроводника вставки 6. Изменением длины вставки 6 можно управлять величиной этих тепловыделений.

Поскольку выполнение указанного соотношения для материала сверхпроводника вставки означает, что критическая плотность тока у него мень- 65 ше, то диаметр сверхпроводника вставки больше диаметра основной жилы при условии сохранения тех же потерь в сверхпроводнике на номинальном режиме работы, причем Нр> Н .

В качестве примера рассмотрим вариант кабеля с номинальным током 4 кА и напряжением 320 кВ, у которого перегрузочный ток равен 60 кА, а время перегрузки равно 1 с. Берем материал сверхпроводника жилы

Nb Sn и материал сверхпроводника вставки Nb. Максимальная температура хладагента в номинальном режиме становит 6 К, после режима пео регруэки — 8 К.

Расчет покаэывает, что диаметр сверхпроводника жилы 45 мм, сверхпроводника вставки 62 мм, а длина вставки порядка 300 мм на каждые

15 м длины секции уменьшают как общее тепловыделение за время перегрузки, так и тепловыделение с единицы длины вставки.

Указанная длина вставки получена из условия: где 1ж — расстояние между вставками;

Свст, — длина сверхпроводящей вставки;

З„р — критический ток сверхпроводника основной жилы;

3< р- ток перегрузки;

Pаст., р — удельное электрическое сопротивление вставки и жилы соответственно (для материала вставки берется р сверхпроводника в несверхпроводящем состояния);

5, S — площадь сечения сверхпроводника вставки и жилы из нормального металла соответственно, которое обеспечивает удельную величину тепловыделений в вставке меныаув, чем в сверхпроводнике основной милы . кабеля без вставки.

Таким образом, используя вставки, можно добиться значительного уменьшения тока в сверхпроводящей токонесущей системе, что при выбран" ном режиме охлаждения позволяет устранить разогрев секций основного сверхпроводника до критической тем" пературы. Поэтому сразу же после прекращения режима перегрузки вся сверхпроводящая токонесущая система оказывается способной нести ток, который может быть меньше номинального, Система оказывается в сверхпроводящем состоянии в результате того, что секции основного сверхпроводника недогреты до критической температуры, а вставки не запираются

809405

Формула изобретения

Составитель lO.Áóÿíîâ

Редактор N.Ìèòðoâêà ТехредЖ.Кастелевич КорректорГ.Решетнйк

Заказ 443 70 Тираж 795 Подписное

BHHHIIH Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Иоскна, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал IIIIII "Патент", r. ужгород, ул. Проектная, 4 номинальным током и имеют температуру ниже критической.

Секционированный сверхпроводящий кабель переменного тока по авт. св. 9 714510, о т л и ч аю шийся тем, что, с целью повышения надежности работы, сверхпроводящая жила снабжена размещенными в каждом стыке соседних секций вставками, выполненными из сверхпроводящего материала второго рода, удовлетворяющего условию: ис2 3пеР.

Нс 3 ном. где Н „, Н - первое и второе критические поля сверхпроводящего материала вставки соответственно;

З„,„,Эпафа- номинальный и перегрузочный токи кабеля соответственно.