Разработка и создание ВТСП устройств в КНР
2015, Tом 12, выпуск 3
Тематика: Зарубежные фирмы и их разработки
В последнее время в КНР активно ведутся работы по созданию ВТСП устройств самого различного назначения. В настоящем обзоре кратко изложен статус данных разработок в Китае [1]. ВТСП кабели и токоограничители в обзоре не представлены, так как были подробно рассмотрены ранее [2, 3, 4].
ВТСП СПИН
В Institute Electrical Engineering Chinese Academy Sciences (IEE CAS) было создано несколько макетных образцов сверхпроводниковых накопителей энергии (СПИН), на основе ВТСП и НТСП проводников с запасенной энергией от 17 кДж до 2 Мдж и выходной мощностью до 0,5 МВА. Основные характеристики созданных в IEE CAS СПИН приведены в Таблице 1.
Таблица 1.Основные характеристики, созданных в IEE CAS СПИН
В университете наук и технологий Huazhong в 2005 г, был разработан и изготовлен макетный образец СПИН с запасенной энергией 35 кДж, выходной мощностью 7 кВт и рабочим током 100 А. Обмотка СПИН была намотана из Bi-2223 проводника и охлаждалась криокулером до температуры 20 К.
В 2004 г. сотрудники института Tsinghua и Tianwei Electric Group разработали прототип СПИН для компенсации скачков напряжения в сети с запасенной энергией 300 кДж, выходной мощностью 150 кВА и током в обмотках 600 А. Магнитная система СПИН представляла собой два коаксиальных соленоида, намотанных из ниобий-титанового проводника.
В China Electric Power Research Institute (CEPRI) был разработан макетный образец СПИН на основе ВТСП проводников 2-го поколения. Запасенная СПИН энергия достигала 0,8 кДж при 77 К и
3,42 кДж - при 64 К.
ВТСП трансформаторы
Основываясь на предыдущем опыте разработок и создания трехфазного (26 кВA, 400 В/16 В) ВТСП и однофазного (45 кВA, 2,4 кВ/160 кВ) ВТСП трансформаторов, компания Tebian Electric Apparatus (TBEA) в 2005 г. разработала и изготовила трехфазный ВТСП трансформатор мощностью 630 кВА. Рабочие напряжения и токи первичной и вторичной обмоток трансформатора составили 10,5 кВ/0,4 кВ и 34,6 A/909,3 A. ВТСП трансформатор был установлен и прошел эксплуатационные испытания в сети г. Чангджи, Синьцзян (см. Рис. 1).
Рис. 1. Трехфазный ВТСП трансформатор мощностью 630 кВА.
Для намотки трансформатора был использован Bi 2223 усиленный нержавеющей сталью проводник производства AMSC. Первичная обмотка трансформатора - слоевая, намотана в восемь слоев, вторичная обмотка выполнена в виде 23 параллельно соединенных двойных галет. Обмотки фаз трансформатора размещаются в заполненных жидким азотом стеклопластиковых криостатах. В номинальном режиме работы потери на переменном токе в ВТСП обмотках составили 110,7 Вт, что достаточно хорошо совпадает с расчетом (121 Вт). Гистерезисные потери вносят доминирующий вклад: на потери от вихревых токов и перетекания приходится менее 9%. Полный КПД трансформатора составил 98,1 %.
Компания Zhuzhou в 2005 году разработала и изготовила однофазный ВТСП трансформатор (300 кВA, 25кВ/800В) для электровоза. В трансформаторе был использован Bi-2223 проводник. КПД трансформатора без учета потерь на криогенику составил 99,87%. Основные характеристики созданных в КНР ВТСП трансформаторов представлены в Таблице 2.
Таблица 2. Основные характеристики созданных в КНР ВТСП трансформаторов.
Университет Electronic Science and Technology (UESTC) совместно с компанией Shuangxing Transformer Co., Ltd. Активно ведет разработку ВТСП трансформатора мощностью 1 МВА.
ВТСП электрические машины
Компания Dongfang Electric Corporation (DEC) разрабатывает сверхпроводниковый ветрогенератор мощностью 10 МВТ. Для обмоток ветрогенератора будут использованы как ВТСП проводники 2-го поколения, так и MgB2 проводники. Рабочая температура в 30 К достигается при помощи охлаждения криокулерами через тепловые мосты. ВТСП проводники используются лишь в обмотках, работающих при сравнительно высоких магнитных полях, остальные обмотки выполнены из MgB2, данное решение позволило значительно снизить стоимость сверхпроводника. Основные параметры ветрогенератора приведены в Таблице 3.
Таблица 3. Основные характеристики разрабатываемых в КНР сверхпроводниковых ветрогенераторов
Для отработки технических решений был изготовлен и испытан макетный образец на основе ВТСП-2 (см. Рис. 2.)
Рис. 2. Макетный образец ветрогенератора DEC (слева), проект ветрогенератора HUST (справа) [5].
В Таблице 3 представлены также параметры разрабатываемого Huazhong University of Science and Technology (HUST) сверхпроводникового ветрогенератора на основе ниобий-титановых проводников. Основной особенностью генератора является отсутствие вращающегося криостата, что значительно упрощает систему криогенного обеспечения. Мощность ветрогенератора будет достигать 12 МВт.
В 2012 г. Китайская Судостроительная Корпорация разработала и испытала ВТСП электродвигатель мощностью 1 МВт, который можно использовать для привода гребного винта через редуктор (см. Рис. 3). Электродвигатель выполнен со сверхпроводниковым ротором: шесть полюсов с ВТСП обмотками из Bi-2223 проводника. Рабочая температура ротора 35-40 К, охлаждение осуществляется газообразным гелием. Скорость вращения ротора достигает 1000 оборотов в минуту, КПД при полной мощности составляет 95 %. Статор электродвигателя - медный с водяным охлаждением.
Рис. 3. Прототип судового ВТСП электродвигателя мощностью 1 МВт.
ВТСП маглев
Исследования по использованию ВТСП в системах магнитной левитации начались в Southwest Jiaotong University (SWJTU) в 1994 году. Способное поднять вес человека магнито-левитационное (маглев) устройство были изготовлено и успешно испытано в конце 2000 г. Маглев состоял из восьми сверхпроводящих модулей, каждый из которых включал 43 диска из YBCO массива, охлажденных в жидком азоте. YBCO диски имели диаметр 30 мм и толщину 17-18 мм. В 2004 г. маглев устройство было доработано и подготовлено к динамическим испытаниям на скоростях от 0 до 300 км/ч.
ВТСП магнитные системы в IEE CAS
В Institute Electrical Engineering Chinese Academy Sciences (IEE CAS) активно ведутся работы по разработке и созданию ВТСП магнитных систем различного назначения.
Недавно был разработан и успешно испытан макетный образец высокоградиентного магнитного сепаратора на основе ВТСП для очистки загрязненных вод. Рабочий объем магнитного сепаратора составляет 0,4 литра при диаметре 46 мм и длине 240 мм. В рабочем объеме размещается высокоградиентный фильтр в виде набора сеток из стальной проволоки диаметром 60 мкм, которые намагничиваются от ВТСП соленоида, создавая необходимый градиент магнитного поля. ВТСП соленоид, намотанный из ВТСП проводника 1-го поколения (Bi-2223) создает магнитное поле 3,2 Тл, рабочий ток соленоида составляет 120 А, а рабочая температура в 20 К достигается при помощи двухступенчатого криокулера Гиффорда-Макмагона. Для уменьшения теплопритоков в криогенный объем используются ВТСП токовводы.
В стадии разработки в IEE CAS находятся ВТСП магнитные системы со сверхвысокими полями 25-30 Тл. Чтобы доказать возможность достижения магнитных полей в 25 Тл были изготовлены и испытаны при 4,2 К вставки из ВТСП проводников 1-го и 2-го поколений. ВТСП вставка из Bi-2223 проводника имела внутренний диаметр 120 мм, внешний диаметр 214 мм, высоту 250 мм и создавала поле 5,8 Тл. Вставка из YBCO проводника при внутреннем диаметре 22 мм, внешнем диаметре 65 мм и высоте 204 мм, создавала поле 5,3 Тл, ее рабочий ток достигал 150 А.
Также для Национальной лаборатории высоких магнитных полей была разработана и изготовлена сверхпроводниковая магнитная система с индукцией 8 Тл в «теплом» рабочем отверстии, расположенном перпендикулярно оси соленоида. Раздвижка между катушками составляет 136 мм. Магнитная система состоит из ниобий-титановых секций (вклад в поле 5,3 Тл) и Bi-2223 секций (вклад в поле 2,7 Тл). Для охлаждения сверхпроводящих секций используется два криокулера Гиффорда-Макмагона.
Охлаждение ВТСП магнитных систем с использованием твердого азота позволяет предотвратить их отогрев в случае отключения криокулера. Для исследования процесса быстрого разряда ВТСП катушек при постоянном выходном напряжении был изготовлен ВТСП соленоид в виде 14 двойных галет из Bi-2223 проводника. Конструкция криостата позволила сохранять температуру магнитной системы постоянной в течении 40 часов после отключения криокулера.
Сверхпроводниковые магнитные системы для МРТ
Компания Alltech Medical Systems в 2009 г. разработала и изготовила 1,5 Тл сверхпроводниковую магнитную систему для магнито-резонансной томографии на основе ниобий-титановых проводников. Магнитная система обладает достаточно высокой однородностью поля: от 300 до 600 ppm в сферическом объеме диаметром 50 см. Шиммирование соленоида может быть выполнено на месте установки за половину рабочего дня, после чего, однородность магнитного поля улучшается до ± 6 ppm. К настоящему времени изготовлены более ста таких сверхпроводниковых томографов. Ведется разработка высокополевых томографов с индукцией 3 Тл и 7 Тл, исследуется возможность использования MgB2 и ВТСП проводов.
Рис. 4. Сверхпроводниковый МРТ с индукцией 1,5 Тл.
ВТСП индукторы
Используя ВТСП индуктор, можно создать резонансный контур с очень высокой добротностью, что необходимо для таких применений как: беспроводная передача энергии, индукционный нагрев и различные высоковольтные испытания. В университете Electronic Science and Technology (UESTC) запатентована высокоэффективная система беспроводной зарядки электромобилей, использующая ВТСП индуктор. Работоспособность концепции подтверждена на модельных обмотках из Bi-2223 проводника, создан опытный образец устройства для беспроводной передачи энергии с рабочим напряжением 1000 В.
ВТСП токовводы
В Институте физики плазмы Китайской академии наук для проекта ИТЭР были разработаны ВТСП токовводы с током 68 кА. Также было разработано и изготовлено 13 пар ВТСП токовводов с рабочим током 16 кА для китайского токамака EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak). Во всех ВТСП токовводах использовался Bi-2223 проводник. Также в Китае массово изготавливаются ВТСП токовводы для сверхпроводниковых устройств различного назначения с током менее 500 А.
1. Jian X. Jin, Ying Xin, Qiu L. Wang, Yu S. He, Chuan B. Cai, Yin S. Wang, and Zan M. Wang, Enabling High-Temperature Superconducting Technologies Toward Practical Applications, IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY 24, 5400712 (2014).
2. Н.С. Вохмянина, Китай: разработка ВТСП токоограничителя на 10 кВ и 200 А, Информационный бюллетень Сверхпроводники для электроэнергетики, 10, вып. 1, 7-10 (2013).
3. М.С. Новиков, Китай создает 3-х фазный ВТСП токоограничитель с насыщенным магнитопроводом для передающих сетей 220 кВ, Информационный бюллетень Сверхпроводники для электроэнергетики, 10, вып. 3, 6-9 (2013).
4. Н.С. Вохмянина, На алюминиевом производстве в Китае введен в строй ВТСП кабель постоянного тока на 10 кА, Информационный бюллетень Сверхпроводники для электроэнергетики, 9, вып. 4, 4-5 (2012).
5. Haiyang Fang, Ronghai Qu, Jin Wang, Zhe Zhu, and Hong Chen, Design of a Novel Torque Tube for a Direct-Drive Superconducting Wind Generator, IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY 25, 5200704 (2015).