Испытания опытного образца биполярного ВТСП кабеля постоянного тока на 20 кВ, 2,5 кА
2014, Tом 11, выпуск 1
Тематика: ВТСП кабели в сетях
2013 год выдался весьма насыщенным по части новых разработок в области прикладной сверхпроводимости в России и в мире. В НИЦ «Курчатовский институт» совместно с «НТЦ ФСК ЕЭС» были успешно проведены токовые и высоковольтные испытания биполярного ВТСП кабеля постоянного тока на 20 кВ, 2,5 кА длиной 60 м (2 отрезка ВТСП кабеля по 30 м, соединительная муфта и две концевых муфты с токовводами). ВТСП кабель был разработан в «НТЦ ФСК ЕЭС» и изготовлен на заводе «Иркутсккабель» из
Bi-2223 проводника производства Sumitomo. Данный кабель является прототипом уникального 2,5 км ВТСП кабеля, создаваемого для электрической сети г. Санкт-Петербурга.
Необходимо отметить успехи НИЦ «Курчатовский институт» в разработке, создании и последующих испытаниях арматуры для ВТСП кабельной линии постоянного тока. Несмотря на то, что способы и средства соединения отрезков традиционных кабельных линий давно отработаны, задача соединения ВТСП кабелей до сих пор не имеет устоявшихся технических решений. Соединитель отрезков ВТСП кабеля должен соединять как сами кабели, так и их гибкие криостаты, соответствовать жестким требованиям по теплопритокам и тепловыделениям в криогенном объеме, выдерживать избыточное давление в 15 бар. Жесткие требования по теплопритокам в криогенный объем и отсутствию обмерзания на внешней поверхности криостатов накладываются также и на концевые муфты, каждая из которых содержит по два латунных токоввода.
Отдельного внимания заслуживают контактные соединения отрезков ВТСП кабеля друг с другом и с токовводами, выполненные в конструктивном исполнении, позволяющим производить их монтаж в полевых условиях с минимальным набором инструментов. Суммарный уровень тепловыделений на номинальном токе в концевом контактном соединении ВТСП кабеля составил 6,5 Вт на один полюс, в соединительном контактном соединении - 5,7 Вт на оба полюса. Следует отметить, что соединение двух отрезков ВТСП кабелей в России выполнено впервые.
После успешных предварительных испытаний муфт и арматуры контактных соединений был выполнен монтажа двух отрезков ВТСП кабеля с муфтами на испытательной площадке в НИЦ «Курчатовский институт». Внешний вид концевой ВТСП кабельной линии в ходе испытаний изображен на Рис. 1. Для охлаждения ВТСП кабеля использовался жидкий азот, который перекачивался через гибкий криостат кабеля из одного танка в другой.
Рис. 1. ВТСП кабельной линии в ходе испытаний в НИЦ «Курчатовский институт»
15 августа 2013 г. началось первоначальное охлаждение ВТСП кабеля. Сброс газообразного азота выполнялся в атмосферу. Несмотря на то, что охлаждение ВТСП кабеля до температуры, близкой к азотной, занимало менее 30 минут, для удаления газовых пробок из концевых муфт требовалось в течение часа прокачивать жидкий азот через кабель в обоих направлениях с периодической сменой давления от 0 до 2 бар. Температура в кабеле контролировалась при помощи платиновых термосопротивлений, расположенных в муфтах, и оптоволоконной измерительной системы. После окончания предварительного охлаждения и достижения стабильных значений по температуре на уровне 80-81 К начались токовые испытания (температура была повышена, так как жидкий азот находился при повышенном давлении и активно кипел с выделением пузырей газа).
Рис. 2. Процесс предварительного охлаждения ВТСП кабеля.
Токовые испытания ВТСП кабельной линии производились многократно с отогревом кабеля до комнатной температуры в промежутках между ними. Достигаемые каждый раз результаты были практически одинаковы. Во время испытаний температура жидкого азота на входе в кабельную линию составляла от 79,5 К до 80 К, температура на выходе лежала в диапазоне от 80,5 К до 81 К, а температура в соединительной муфте была от 79,5 К до 80 К.
Временные зависимости тока и температуры во время испытаний ВТСП кабельной линии представлены на Рис. 3.
Рис. 3. Временные зависимости тока и температуры ВТСП кабеля (испытания 15.08.13).
В ходе прошедших 15 августа 2013 г. испытаний был достигнут ток в кабеле в 3600А. Хотя ВТСП кабель работал на токе выше номинального (на длине кабеля критерию 1 мкВ/см соответствует падение напряжения 3 мВ на длине 30 метров), напряжение на его ВТСП жилах было постоянно и с течением времени не изменялось.
По результатам испытаний были определены критические токи ВТСП жил кабеля (Рис. 4). Для внешней жилы ближнего к подающему азотному танку концу ВТСП кабеля (на графиках обозначена «-» вход) критический ток составил 3440 А. Для обеих жил дальнего от подающего азотного танка конца ВТСП кабеля (на графиках обозначены как «+» выход и «-» выход) критический ток составил 3550 А.
Рис. 4. Вольтамперные характеристики жил ВТСП кабеля.
Вольтамперные характеристики всех токовводов оказались весьма близки. При номинальном токе в 2500 А падение напряжения на одном токовводе составляет от 55 до 57 мВ, чему соответствует тепловыделение на уровне 140 Вт (с учетом тепловыделений в прижимных контактах и гибких медных шинах). Следует отметить что во всём диапазоне токов сопротивление токовводов и соединительной муфты оставались постоянными и, соответственно, ВАХ – линейной. Вклад четырех токовводов в тепловой баланс кабеля составляет 560 Вт.
Вольтамперные характеристики для соединителей ВТСП кабеля хорошо соответствуют данным, полученным в результате предварительных испытаний соединительных перемычек. При номинальном токе 2500 А общее тепловыделение в соединительной муфте составляет 5,7 Вт.
Токовые испытания показали полную работоспособность ВТСП кабельной линии постоянного тока. Измеренные критические токи ВТСП жил составляют 3440 А и 3550 А, что значительно превышает рабочий ток кабеля в 2500 А.
После проведения токовых испытаний, на площадке НИЦ «Курчатовский институт» ВТСП кабель успешно прошел высоковольтные испытания: 50 кВ постоянного напряжения в течение 30 минут.
Далее испытания опытного образца ВТСП кабеля будет продолжено на полигоне «НТЦ ФСК ЕЭС» в условиях охлаждения переохлажденным жидким азотом от рефрижератора в замкнутом режиме.