ORNL улучшает электроизоляционные материалы, предназначенные для высокотемпературных сверхпроводящих устройств
2009, Tом 6, выпуск 1
Тематика: ВТСП провода и кабели
Грядущая революция в промышленной электро-энергетике предполагает широкое применение высокотемпературных сверхпроводящих (ВТСП) материалов для линий электропередачи, генераторов, двигателей, трансформаторов и ограничителей тока, работающих при криогенных температурах. В связи с чем, большое внимание должно быть уделено испытанию существующих и созданию новых низкотемпературных электроизоляционных материалов. Основными критериями, определяющими пригодность тех или иных электроизоляционных материалов, являются их высокая электрическая и механическая прочность, а также относительно высокая теплопроводность.
Оак-Риджской национальной лабораторией (ORNL) совместно с корпорацией Развития композитных технологий (CTD) проведен большой объём работ по изучению и улучшению свойств электроизоляционных материалов, способных длительно работать при температурах около 77 К.
Исследуемые материалы должны были при приемлемой толщине изоляционного покрытия обеспечить работоспособность устройств на переменном токе с напряжением 200 кВ и на постоянном токе с напряжением 300 кВ (до 800 кВ в режиме коротких (порядка единиц мс) импульсных всплесков напряжения). Срок службы электрической изоляции (неизменность ее электрофизических и теплофизических свойств) должна составлять не менее 30 лет.
В ORNL была создана экспериментальная база и отработаны методики исследований при комнатной температуре и температуре в 77 К. Кроме уже существующих монолитных диэлектрических материалов, исследовались пористые изоляционные материалы, пропитанные жидким азотом, также исследовались диэлектрические свойства самого азота в жидком, двухфазном и сверхкритическом состояниях. Ничего сенсационного в этих исследованиях и их результатах нет, подобные исследования проводились и ранее в различных научных центрах.
Рис. 1. Снижение удельного пробойного напряжения при наличии в жидкости пузырьков газа.
Рис. 2. Схематическое изображение технологии синтеза нанокомпозитов по методам «Ex-situ» и «In-situ».
Снижение напряжения пробоя в двухфазном азоте по сравнению с жидким и сверхкритическим азотом давно и хорошо известно (рис. 1). Скорее всего, исследования ORNL носили чисто методологический характер для дальнейшего сравнения свойств уже известных материалов с разрабатываемыми.
При разработке новых электроизоляционных мате-риалов использовались нанотехнологии. Хорошо известен факт, что введение микрочастиц BaTiO3 (характерный размер 10-5-10-6 м) приводит к увеличению теплопроводности, но существенно снижает электрическую прочность материала. Любопытно, что введение наночастиц (108-10-9 м) может улучшать и теплопроводность, и электрическую и механическую прочность. В ходе всесторонних исследований было обнаружено, что добавление в обычные полимеры, наночастиц ряда соединений окислов металлов приводит к существенному улучшению электрической и механической прочности и повышению теплопроводности. При их изготовлении использованы методы «Ex-situ» и «In-situ» (рис. 2).
На рис. 3 показано изменение диэлектрической проницаемости и модуля Юнга для диэлектрика, изготовленного по методу «Ex-situ». Наиболее успешным методом изготовления оказался метод «In-situ», который позволяет создавать дисперсную формацию с наночастицами перед изготовлением материала. В особенности сочетание Поливинил-ацетат-TiO2 с поверхностно-активным веществом (ПАВ) приводило к улучшению как изоляционных, так и теплофизических свойств, по сравнению с чистым поливинил-ацетатом. В качестве ПАВ использовался полиэтилен гликоль. Для создания прекурсора с повышенной однородностью смеси использовался ультразвуковой метод. Теплопро-водность образца нанокомпозита с 12,5% объёмного содержания титаната примерно на 30% выше по сравнению с обычным PVA (рис. 4). Напряжение пробоя увеличивается на 25%.
Рис. 3. Изменение диэлектрической проницаемости и модуля Юнга системы PVA-BaTiO3 в зависимости от объёмного содержания нано частиц BaTiO3.
Продолжается исследование других изоляционных материалов и нанонаполнителей. В дополнение к уже исследованному изолятору Tyvek, полипропиленовой бумаге и каптону, лабораторным исследованиям подвергнутся также изоляторы Nomex и TufQuin, стеклотекстолит и стеклопластик.
Результаты этих научных исследований могут лечь в основу промышленного производства новых изоляционных материалов, применяемых в сверхпроводящих устройствах, работающих при криогенных температурах.
Рис. 4. Увеличение теплопроводности нанокомпозита PVA-TiO2 в зависимости от объёмного содержания наночастиц TiO2.
В 2009 году ORNL планирует работать более плотно с промышленностью и партнёрами из национальных лабораторий, включая корпорацию CTD, которая в настоящий момент выиграла грант SBIR Phase II, предназначенный для развития новых диэлектрических материалов. Кроме того, планируется сотрудничество с Национальным институтом стандартов и технологий (NIS&T), в котором будут проводиться исследование механических свойств диэлектриков. Изучение поведения диэлектриков при низких температурах планируется провести в Центре перспективных энергетических систем (CAPS) при Университете Флориды. В 2009 году на эти работы DOE выделяет ORNL 550 тыс. USD.