Сильноточный ВТСП кабель для тяговых сетей
2014, Tом 11, выпуск 5
Тематика: ВТСП устройства
Специалисты исследовательского центра Railway Technical Research Institute (Япония) разрабатывают сильноточный ВТСП кабель постоянного тока для использования в тяговых сетях железнодорожного транспорта. На сегодня разработан, изготовлен и испытан короткий образец ВТСП кабеля с рабочим током 10 кА и длиной 30 м. ВТСП кабель выполнен в биполярном исполнении с холодным диэлектриком. На данный момент это самый сильноточный ВТСП кабель постоянного тока в мире. Для изготовления ВТСП кабеля был использован ВТСП проводник первого поколения на основе Bi-2223. Опытный образец ВТСП кабеля проходит испытание в железнодорожной тяговой сети (Рис. 1). Конструкция кабеля изображена на Рис. 2. Вокруг алюминиевого формера в виде трубы диаметром 35 мм с толщиной стенки 2 мм в три слоя намотана медная лента толщиной 0,25 мм (по 25 лент в каждом слое), которая служит в качестве стабилизатора сверхпроводящего слоя.
Рис. 1. ВТСП 30 м кабель в железнодорожной тяговой сети
Через формер прокачивается переохлажденный жидкий азот, охлаждающий внутреннюю ВТСП жилу кабеля. Поверх медного стабилизатора намотано два слоя ВТСП проводника на основе Bi-2223 (тип СА50 производства компании Sumitomo Electric Industries) по 26 лент в каждом слое с шагом намотки 450 мм.
Рис. 2. Конструкция ВТСП кабеля постоянного тока.
ВТСП лент первого поколения была выбрана, потому что:
1) при использовании в кабелях магнитное поле направлено параллельно плоскости проводника, следовательно, высокая анизотропия критических свойств в магнитном поле, характерная для Bi-2223 лент, не оказывает значимого влияния на токонесущие свойства кабеля;
2) по мнению авторов, на данный момент производство длинномерных ВТСП лент 1-го поколения развито лучше по сравнению с ВТСП проводниками 2-го поколения.
Внутренняя ВТСП жила кабеля изолирована слоем полипропиленовой бумаги (PPLP) толщиной 2 мм, которая отделяет ее от ВТСП экрана, выполненного в виде двух слоев по 30 ВТСП лент в каждом из них, шаг намотки составлял 500 мм. Для тепловой и электрической стабилизации ВТСП экрана вокруг него в два слоя с шагом 600 мм намотаны медные ленты толщиной 0,25 мм (по 32 ленты в слое). Поверх медных лент был намотан защитный слой из бумаги.
Рис. 3. Внешний вид биполярного ВТСП 5 м кабеля постоянного тока в криостате.
В пространстве между нержавеющим криостатом и кабелем прокачивается обратный поток жидкого азота, который охлаждает ВТСП экран. Реализация в одном криостате прямого и обратного потоков жидкого азота, является, по мнению авторов, весомым преимуществом данной конструкции ВТСП кабеля, по сравнению с конструкциями, где возврат жидкого азота осуществляется по отдельному криогенному трубопроводу.
Созданию ВТСП кабеля длиной 30 м предшествовала отработка его конструктивных решений на коротком 5 м образце (см. Рис. 3), токовводные муфты с которого были использованы впоследствии для 30 м кабеля.
Стойкость ВТСП кабеля к токам короткого замыкания является одной из его важнейших характеристик. Для оценки работы ВТСП проводников в условиях сильной перегрузки по току несколько различных типов ВТСП лент производства Sumitomo были подвергнуты испытаниям импульсами тока длительностью 100 мс и амплитудой до 3 кА
(Рис. 4). При амплитуде импульса тока, большей, чем допустимый для данной ВТСП ленты ток перегрузки, происходила необратимая деградация токонесущей способности ВТСП проводника. Исследовались ВТСП ленты, покрытые фольгой из нержавеющей стали, меди, а также проводники с дополнительно припаянной медной стабилизирующей лентой сечением до 2 мм2. Наилучший результат был достигнут на образце, покрытом медной фольгой толщиной 50 мкм и дополнительно усиленным медной стабилизирующей лентой толщиной 0,5 мм. Хотя критические токи для исследованных образцов были достаточно близки (от 181 А до 196 А), их токи перегрузки различались более чем в 5 раз, что указывает на важность дополнительной стабилизации ВТСП проводника для работы в кабелях.
Рис. 4. Деградация токонесущей способности различных ВТСП проводников Sumitomo в зависимости от величины импульса тока.
В ходе токовых испытаний короткого образца ВТСП кабеля длиной 5 м были измерены вольт-амперные характеристики его жил в собственном магнитном поле при 77 К (см. Рис. 5), критические токи внутренней ВТСП жилы и сверхпроводящего экрана составили 10130 А и 10910 А соответственно. Несколько большее значение критического тока сверхпроводящего экрана связано с большим количеством ВТСП лент в нем. Практически полное равенство критических токов ВТСП жилы и экрана сумме критических токов составляющих их лент говорит о равномерном распределении тока между отдельными проводниками и слабом влиянии собственного магнитного поля кабеля на его токонесущую способность.
Рис. 5. Вольтамперные характеристики ВТСП жилы и экрана кабеля 5 м кабеля.
На Рис. 6 изображены вольтамперные характеристики 5 м ВТСП кабеля, измеренные при различных температурах. Горизонтальной линией на графике обозначено падение напряжения, соответствующее критерию 1 мкВ/см. При понижении температуры 5 м ВТСП кабеля с 77,3 К до 73.7 К его токонесущая способность возрастает с 10 кА до 11,79 кА.
Рис. 6. Вольтамперные характеристики 5 м ВТСП кабеля, измеренные при различных температурах.
Криостат ВТСП кабеля позволяет поддерживать температуру жидкого азота в диапазоне от 65 К до 77 К, что позволяет еще больше поднять его токонесущую способность.
1. M. Tomita, M. Muralidhar, K. Suzuki, Y. Fukumoto, and A. Ishihara, J. Appl. Phys.111, 63910 (2012).
2. M. Tomita, M. Muralidhar, K. Suzuki, Y. Fuku-moto, A. Ishihara, T. Akasaka and Y. Kobayashi, Supercond. Sci. Technol. 26, 105005 (2013).