Выпуски бюллетеня

ТомНомер
13 1
12 1 2 3 4 5 6
11 1 2 3 4 5 6
10 1 2 3 4 5
9 1 2 3 4 5
8 1 2 3 4 5
7 1
6 1 2 3 4
5 1 2 3 4 5 6
4 1 2 3 4 5 6
3 1 2 3 4 5 6
2 1 2 3 4 5
1 1 2
0 0

Тематический указатель

Разработка мощных ВТСП кабелей в рамках проекта М-PACC, Япония

2013, Tом 10, выпуск 5
Тематика: ВТСП устройства

В рамках Японского национального проекта М-PACC (Materials & Power Applications of Coated Conductors) были разработаны и изготовлены опытные образцы ВТСП кабелей на 66 кВ/5 кА и 275 кВ/3кА. Основные технические характеристики приведены в таблице. Работы по проекту производилась с 2008 г. по февраль 2013 г. целым рядом организаций и компаний: International Superconductivity Technology Center (ISTEC), Sumitomo Electric Industries Ltd., Furukawa Electric Co. Ltd., Fujikura Ltd., Showa Cable Systems Co. Ltd., Mayekawa MGF Co. Ltd. и Japan Fine Ceramics Center (JFCC). Финансовая поддержка проекта осуществлялась Министерством экономики, торговли и промышленности Японии.

Первые три года проекта были посвящены фундаментальным исследованиям в области технологии создания ВТСП кабелей, минимизации потерь на переменном токе, разработке ВТСП проводников с высокой токонесущей способностью и надежной высоковольтной изоляцией. Кроме того, большие усилия были приложены для увеличения объема производства ВТСП лент 2-го поколения. Последние два года проекта заняло непосредственно изготовление и испытания опытных образцов ВТСП кабелей.

Трехфазный ВТСП кабель на 66 кВ/5 кА

Для создания трехфазного кабеля на 66 кВ/5кА использовалась ВТСП лента 2-го поколения производства Sumitomo Electric, состоящая из текстурированной металлической подложки толщиной 120 мкм, буферных слоев CeO2/YSZ/CeO2 (0,5 мкм) и сверхпроводящего слоя GdBa2Cu3Ox (2-3 мкм), полученного методом импульсного лазерного осаждения (PLD). Все ленты покрывались слоем серебра толщиной 8 мкм (магнетронное распыление на постоянном токе) и 20-микронным слоем меди (гальваническое осаждение). Вместо традиционной текстурированной подложки из никелевого сплава была разработана плакированная подложка (clad-type substrate), состоящая из немагнитного металла с тонкой текстурированной металлической плёнкой на поверхности. Потери на перемагничивание в такой подложке в 25 раз меньше, чем в подложке из никелевого сплава. Для создания 15-метрового опытного образца ВТСП кабеля и тестовых коротких образцов, исходные проводники разрезались на куски по 20 м.

Технология каблирования была разработана компанией Sumitomo Electric. Основные параметры ВТСП кабеля приведены в таблице. Три фазы ВТСП кабеля размещены в общем гибком криостате (см. рис. 1). Общая длина ВТСП кабеля составляет 15 м. Каждая фаза состоит из медного формера, основного сверхпроводящего слоя, электрической изоляции и сверхпроводящего экрана с медным стабилизатором поверх него. Сверхпроводящий слой и экран намотаны из ВТСП лент 2-го поколения в 4 и 2 повива, соответственно.

Рис. 1. Трехфазный ВТСП кабель на 66 кВ/ 5кА.

 

Потери на переменном токе в сверхпроводящем слое могут быть уменьшены путём сокращения зазоров между проводниками или устранением областей падения критической плотности тока на краях ВТСП лент. В многослойных кабелях потери можно значительно снизить, наматывая ленты как можно ближе к идеальной окружности (в плоскости сечения кабеля). Этот эффект особенно заметен для внешнего повива сверхпроводящего слоя, так как его вклад в общую величину потерь на переменном токе доминирующий. Исходные ВТСП ленты шириной 30 мм разрезались на 2-х и 4-миллиметровые проводники с помощью лазера или механически. Это позволило устранить падение критической плотности тока на краях проводников. Для внешнего повива сверхпроводящего слоя использовались ВТСП ленты шириной 2 мм, во всех остальных случаях - шириной 4 мм.

 

Таблица. Основные технические характеристики ВТСП кабелей, созданных в рамках проекта M-PACC 

 

Трехфазный ВТСП кабель

на 66 кВ, 5 кА

Однофазный ВТСП кабель

на 275 кВ, 3 кА

Передаваемая мощность

570 МВт

1420 МВт

Конструкция

Три фазы в общем гибком криостате с токовводными муфтами

Одна фаза в гибком криостате, соединительная муфта, токовводные муфты

Формер

Медная скрутка сечением 140 мм2

Полая медная скрутка сечением 400 мм2

Сверхпроводящий слой

4 повива по 45 ВТСП лент 2-го поколения шириной 4 мм (кроме внешнего повива из 27 лент шириной 2 мм).

2 повива по 60 ВТСП лент 2-го поколения шириной 3 мм

Сверхпроводящий экран

2 повива по 50 ВТСП лент 2-го поколения шириной 4 мм

1 повив по 43 ВТСП лент 2-го поколения шириной 5 мм

Медный стабилизатор

экрана

Медная скрутка сечением 100 мм2

Медная скрутка сечением 210 мм2

Электрическая изоляция

Полипропиленовая бумага, 6 мм

Полипропиленовая бумага, 6 мм

Потери на переменном токе

2,1 Вт/м (5 кА)

0,8 Вт/м (3 кА)

Допустимая перегрузка по току при КЗ

31,5 кА, 2 сек.

63 кА, 0,6 сек.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2. Зависимость потерь на переменном токе от транспортного тока для одной из фаз ВТСП кабеля на 66 кВ/ 5кА.

На рис. 2 показана зависимость потерь на переменном токе в одной из фаз кабеля в зависимости от тока через нее. При токе 5 кА потери в одной фазе кабеля составляют 1,5 Вт/м, из них 0,1 Вт/м составляют потери в диэлектрике.

Критические токи для сверхпроводящего слоя и экрана, составили 8100 А и 6200 А, соответственно (измерения проводились на коротком образце одной из фаз кабеля). Далее были проведены нагрузочные испытания произведённого сердечника номинальным током 5 кА. Отсутствие скачков на графике временной зависимости температуры сверхпроводящего слоя в ходе токовых испытаний при 5 кА подтвердило работоспособность кабеля.

Для проверки механической прочности на изгиб и растяжение был изготовлен полноценный трехфазный ВТСП кабель. Деградации критических токов фаз в ходе последующих испытаний выявлено не было.

Медный формер и медный стабилизатор экрана кабеля проектировались с учётом требований по токовой перегрузке. Специально изготовленные короткие образцы испытывали действием тока короткого замыкания (31,5 кА в течение 2 с) при температуре жидкого азота. Под действием избыточного тока температуры проводящего слоя и экрана поднимались до 100 К и 120 К соответственно. В ходе экспериментов критические свойства ВТСП кабеля не показали ухудшения.

Однофазный ВТСП кабель на 275 кВ/3 кА

Для создания кабеля использовалась ВТСП лента следующей структуры: Cu (25 мкм)/ Ag (30 мкм)/ YBCO (1,5 мкм)/ CeO2 (1,0 мкм)/GZO или MgO

(1,0 мкм)/ Хастеллой (100 мкм). Осаждение буферных слоёв с ассистирующим ионным пучком (технология IBAD) было выполнено компаниями Fujikura и ISTEC-SRL, далее компаниями SWCC Showa Cable Systems и ISTEC-SRL (Superconductivity Research Lab) методом химического осаждения из раствора трифлюорацетатов был осаждён сверхпроводящий слой оксида иттрия, бария и меди (YBCO). Гальваническое покрытие медью производилось компанией Furukawa. Для создания 30-метрового опытного образца ВТСП кабеля и коротких тестовых образцов исходные проводники разрезались на куски длиной 50 м.

Как известно, величина потерь на переменном токе в кабеле заметно зависит от краевых эффектов. В связи с этим исходные ВТСП ленты шириной 5 мм с помощью лазера обрезались с обеих сторон до ширины 3 мм, что обеспечивало уменьшение потерь на переменном токе в кабеле в 5-10 раз до величины 0,235 Вт/м при 3 кА. Дальнейшей оптимизацией радиуса скрутки и увеличением числа сверхпроводящих лент удалось снизить потери до величины 0,124 Вт/м, что на сегодня является лучшим результатом в мире.

Сверхпроводящий экран наматывается в один слой, однако, благодаря большему диаметру намотки, количество используемого сверхпроводника больше, чем в основном сверхпроводящем слое. В экранирующем слое наводится ток, компенсирующий магнитное поле проводящего слоя. Ожидаемая величина потерь на переменном токе в экране должна была составлять от 1/4 до 1/3 потерь в сверхпроводящем слое, однако, так как при каблировании использовалась лента шириной 5 мм с пониженным критическим током на краях, то это соотношение составило около 60%. Внешний вид ВТСП кабеля показан на рис. 3.

Рис. 3. Однофазный ВТСП кабель на 275 кВ/ 3кА.

Испытания ВТСП кабеля на короткое замыкание проходили при токе 63 кА (ток срабатывания автоматического выключателя JEC 2350), длительность импульса тока составляла 0,6 с (худший сценарий по данным технического отчёта Института инженеров по электротехнике Японии). В рабочих условиях ток протекает через сверхпроводящие слои кабеля, а в случае перехода в нормальное состояние - через медные формер и стабилизатор. Выбор поперечного сечения медного формера и стабилизатора определялся из баланса между допустимым разогревом и компактностью кабеля.

Электрическая изоляция ВТСП сверхпроводящего кабеля выполнена из полипропиленовой бумаги (полипропиленовая пленка, ламинированная с обеих сторон крафт-бумагой). Доля полипропилена в изоляции увеличена на 40 - 60% по сравнению с ВТСП кабелем на 66 кВ/5кА, что позволило снизить диэлектрические потери на номинальном токе 3 кА с 0,8 Вт/м до 0,6 Вт/м.

Условия высоковольтных испытаний ВТСП кабеля были выбраны на основе международного стандарта IEC62067 и японского стандарта JEC3408. Напряжение при испытаниях на частичный разряд составляло 310 кВ. Испытательное напряжение грозового импульса было определено в 1155 кВ.

Высоковольтные испытания проводились на коротких тестовых образцах с толщиной электрической изоляции 1 мм, 10 мм и 20 мм. Испытания на частичный разряд позволили определить напряжённость электрического поля, при которой вероятность возникновения разряда достигает 0,1%, она составила 22 кВ/мм. Расчётная напряженность электрического поля для пробоя изоляции составила 83 кВ/мм. С учётом полученных данных, была выбрана толщина изоляции ВТСП кабеля в 22 мм.

 

Рис. 4. Испытания однофазного ВТСП кабеля на 275 кВ/3 кА.

Для испытаний в  условиях, имитирующих работу в электросети, 30-метровый опытный образец однофазного ВТСП кабеля был оснащен токовводными муфтами и отправлен в отделение Furukawa в Шэньяне, Китай. После подготовки тестовой площадки, включавшей установку высоковольтного трансформатора и трёх XLPE кабелей на 275 кВ/3кА, ВТСП кабель был подключен к системе. Были измерены критические токи сверхпроводящего слоя и экрана, составившие 6800 А и 7000 А, соответственно, что показало отсутствие деградации критических свойств при транспортировке и монтаже. Испытания под рабочим током и напряжением проводились с ноября по декабрь 2012 г. Результаты высоковольтных испытаний на частичный разряд, проведённых после  нагрузочных испытаний ВТСП кабеля, были нулевыми (при проектном напряжении 310 кВ), что соответствует расчетному сроку службы электрической изоляции кабеля в 30 лет.

В.В.Стоякин

Главная | Новости | Бюллетень | Конференции | Поиск публикаций в базе данных | Новое в базе данных
Российские организации | Энциклопедия | Цели сайта | Контакты | Полезные ссылки | Карта сайта | Помощь

© Copyright 2006-2012. Использование материалов сайта возможно только с обязательной ссылкой на сайт.
Свои замечания и пожелания вы можете направлять по адресу perst@isssph.kiae.ru
Техническая поддержка Alexey, дизайн Teodor.