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

200 метровая кабельная линия постоянного тока 2кА/ 10кВ университета Чубу (Япония)

2012, Tом 9, выпуск 2
Тематика: ВТСП провода и кабели

В России начинается проектирование самой длинной в мире сверхпроводниковой линии передач длиной 2,5 км на постоянном токе. В связи с этим представляет интерес предлагаемый обзор работ японских исследователей, посвященных ВТСП кабелю постоянного тока.

Работы по кабельной тематике в японском университете Чубу (г. Касугай, Япония) ведутся с 2000 г. Первый 20 метровый Bi-2223 кабель постоянного тока 2,2 кА/10кВ, получивший имя СASER1 был испытан в ноябре 2006 г (подробнее см. наш бюллетень том 5, выпуск 4 за 2008 год).

В этом сообщении речь пойдет о второй стадии проекта - 200 метровой линии CASER2, первое захолаживание и ввод тока в которую состоялся в марте 2010 г, а серии повторных испытаний продолжались с августа по октябрь 2010.

Бюджет CASER2 за 2,5 года составил 5 млн.$, из них – 6 % стоимость ВТСП, 20 % - каблирование, 20 % - оплата пяти главным разработчиками, и, заметьте, только  5 % университету.

Рис. 1. Конструкция 200 м биполярного кабеля Чубу на 2кА/10кВ, DC.

 

ВТСП кабель постоянного тока имеет внешний диаметр 35 мм, его жилы «+» и «-» расположены коаксиально на общем медном формере Ø 14 мм, и изолированы от него и друг от друга двумя слоями изоляции, рассчитанной на напряжение 10 кВ (Рис. 1). Также в кабеле имеется внешний заземленный медный экран. Использована ВТСП лента на основе Bi-2223 производства Sumitomo сечением 4,0х0,3 мм, и критическим током 160А при 77 К. Внутренняя жила «+» состоит из 23 лент, намотанных в 2 слоя (11 в одном и 12 в другом), а внешняя жила «-» - из  16 лент, намотанных в 1 слой. Каблирование также было выполнено компанией Sumitomo. Число лент в жилах «+» и «-» подобрано таким образом, чтобы магнитное поле вне кабеля отсутствовало. Хотя этот прием и ведет к перерасходу сверхпроводника (т.к. в конечном счете, токонесущая способность определяется ВТСП слоем с меньшим числом лент), зато исчезают трудности с необходимостью магнитного экранирования кабеля железом, к тому же в отсутствии поля критические свойства ВТСП лент не ухудшаются.

Терминалы ВТСП кабельной линии CASER2 расположены в помещении. Основная часть кабеля проложена по улице петлей (см. Рис. 2). Стенд оборудован одним насосом на 10Вт/700 Вт (отношение гидравлической и потребляемой мощностей), обеспечивающим скорость прокачки в 93-160 г/с. Азот охлаждается 1 кВт криокулером Стирлинга. Как и в CASER1, использованы токовводы особой конструкции, в которых каждая ВТСП лента имеет отдельное соединение с токовводом. Токовводы оснащены модулями Пельтье, снижающими теплоприток в холодную зону и не позволяющими верхней части токоввода обмерзать (Рис. 3).

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2. Экспериментальная

биполярная 200 м кабельная линия постоянного тока

CASER-2

 

 

 

 

 

Таблицы 1-2. Некоторые мировые ВТСП кабельные линии в гофрированных криостатах.

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3. Токовводы CASER2.

Главное отличие ВТСП кабелей постоянного тока Чубу – не гофрированный (как в большинстве изготовленных мире кабелей - см. таблицы1-2), а жесткий криостат с гладкой внутренней поверхностью (внешняя стенка выполнена из оцинкованной углеродистой стали Ø260 мм, внутренняя – из нержавеющей стали SS304 Ø57 мм). Механическая гибкость криостата обеспечивается отдельными сильфонными вставками, занимающими ~ 3 % от общей длины (Рис. 4). Черная сталь для внешнего криостата используется из-за ее меньшей цены в сочетании с высокой прочностью (коррозийная стойкость обеспечена цинковым покрытием) и хорошими вакуумными свойствами при комнатной температуре. Внутренняя труба криостата обернута экранновакуумной изоляцией. Вакуумный объем криостата откачивался 9 дней до разряжения 0,1 Па, и 37 дней до 0,05 Па. Использование экранновакуумной изоляции позволяет сократить теплоприток до приемлемого уровня 1-3 Вт/м (кстати, теплоприток от потерь на переменном токе составляет примерно ту же величину - см. таблицы 1-2). Теплоприток на единицу длины криостата является определяющим на больших длинах, для экспериментальных коротких линий начинает играть роль теплоприток от токовводов.

 

Рис.4. Жесткий криостат с сильфонными вставками.

 

Несколько слов о гидравлике ВТСП кабеля: внутренний диаметр криостата – величина, подлежащая оптимизации: с точки зрения минимизации теплопритока и расхода хладагента он должен быть минимальным (но достаточным для ограничения перепада температур на длине кабеля в безопасных пределах), а с точки зрения гидравлического сопротивления канала – максимален.

Инженеры из Чубу (кстати, среди них есть наш соотечественник) уделили особое внимание расчетам гидравлических характеристик проточного канала ВТСП кабеля, используя как известные эмпирические формулы, так и моделирование течения жидкости в каналах методом конечных элементов в пакете FLUENT (кстати, именно он использовался для расчетов параметров корейского ВТСП кабеля KEPCO, и в ИТЭРе при расчете характеристик проточной части проводника полоидального поля), ну и, конечно же, результаты непосредственных измерений. По данным различных авторов точность, которую дают FEM модели при расчете перепада давлений на концах ВТСП кабельной линии может достигать 90 %.

Хорошо известно, что гидравлическое сопротивление сильфонных труб в несколько раз выше, чем для жестких труб (коэффициент трения на сильфоном участке 7 раз выше, чем на жестком – см. таблицу 3).

Если оперировать теплопритоком на погонный метр q, видно, что перепад давлений ΔР пропорционален кубу длины ВТСП линии L, (f – коэффициент трения, Dh и Ah – гидравлический диаметр и площадь сечения канала, Ср и ρ – теплоемкость и плотность азота):

и на длинах порядка нескольких километров эта проблема становится определяющей.

Расчетные модели, изложенные в статьях команды Чубу, учитывают многие нюансы. Например, показано, что коэффициент трения при коаксиальном расположении кабеля в криостате больше, чем для кабеля, лежащего на дне криостата: на 15% для сильфонных участков, и на 30 % для гладких участков. Поэтому команда Чубу, в отличие от разработчиков других кабельных линий, считают, что нет необходимости центровать кабель в трубе. (Примечание автора обзора: по всей видимости, учесть реальный эксцентриситет в расчетах достаточно трудно, т.к. ось кабеля меняет свое положение в криостате, появляются изгибы - особенно после нескольких термоциклов. Кстати, специалисты Чубу сами это видели при помощи рентгеновских снимков).

Результаты гидравлических расчетов показаны на Рис. 5. В частности, по оценкам разработчиков для ВТСП кабеля длиной 10 км в жестком криостате с сильфонными вставками с теплопритоком по длине в 1 Вт/м для поддержания температуры в пределах 75-85 К потребуется расход хладагента примерно в 19 л/мин и работа двух криогенных циркуляционных насосов. При этом перепад давлений на ВТСП кабельной линии составит 0,23 атм. – что чрезвычайно мало по сравнению с гофрированными каналами криостатов гибких ВТСП кабелей.

Таким образом, похоже, что жесткий криостат с гладкой внутренней поверхностью и с сильфонными вставками не только не уступает общепринятым гибким гофрированным криостатам, но и позволяет снять целый ряд ограничений на больших длинах кабельных линий.

Термосифонный эффект: Криогенные насосы стоят дорого, и потребляют электрическую мощность. Плюс к этому, они сами по себе дают дополнительную тепловую нагрузку на линию. В некоторых публикациях создатели кабеля Чубу обсуждают идею использования термосифонного эффекта – возникновения естественной циркуляции в ВТСП кабельной линии за счет перепада высот и разности температур между терминалами. Принципиальная схема показана на Рис. 6: азотный бак с криокулером поднят над кабельной линией, на входе в линию тяжелый «холодный» азот опускается вниз, а более легкий «теплый» азот на выходе поднимается вверх. Подъемная сила может быть дополнительно увеличена нагревателем, расположенным на середине верхней возвратной части трубопровода (хотя надо помнить, что при появлении двухкомпонентной смеси пар/жидкость возрастают требования к электрической прочности изоляции кабеля).

При определенных условиях наличие дополнительной движущей силы может позволить сэкономить мощность криогенного насоса - см. график зависимости дополнительного перепада давлений в зависимости от скорости прокачки для разных мощностей нагревателя на выходе из линии.

Видно, что надеяться на заметный результат можно при малых скоростях и максимально большой разнице температур между терминалами. Расчеты разработчиков показали что естественная циркуляция (без криогенного насоса и нагревателя) может возникнуть при ΔТ не менее 3 К и скорости прокачки ~ 4-5 л/мин. Ниже отдельной кривой показан выигрыш в перепаде давления, который наблюдался на ВТСП кабельной линии CASER 2 с максимальным перепадом высот ~ 5 м. Эффект не так велик по причине малой разницы температур между терминалами.

Таблица 3.

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 5. Расчетные зависимости

падения давлений от длины линии для гофрированных и жестких труб (слева) и необходимые гидравлические мощности

(справа).

 

 

 

 

 

 

Рис. 6. Принципиальная схема кабельной линии с термосифонным эффектом и расчетное избыточное давление, которое может быть обеспечено с его помощью в зависимости от скорости прокачки азота и мощности нагревателя на выходе.

 

 

 

Во время захолаживания кабель укорачивается, а значительные механические нагрузки опасны для критических свойств ВТСП ленты. Усадка на 20 м кабеле CASER1 составляла 60 мм, на 200 м  CASER2 – уже 600 мм. Чтобы ее компенсировать использованы подвижные токовводные муфты, соединенные с кабелем с помощью сильфонных развязок (каждая из которых может вытягиваться на 300 мм). Сам блок перемещается по направляющим либо вручную, либо с помощью автоматизированного электропривода (Рис. 7).

 

 

Рис. 7. Подвижные токовводные блоки, их относительные перемещения после нескольких термоциклов, температура на терминалах и на середине длины линии во время захолаживания.

 

 

 

 

Во время захолаживания и токовых испытаний температура азота измерялась 14 платиновыми термометрами, расположенными парами (на верхней и нижней частях  внутренней стенки криостата) в 7 точках по длине линии. Три нагревателя мощностью по 350 Вт располагались внутри криостата для калибровки термометров и варьирования тепловой нагрузки. Кабель захолаживали неделю, за температурой следили при помощи нескольких датчиков расположенных на 2х терминалах и середине кабеля, за перемещением токовводных муфт - при помощи видеокамер (на Рис. 6 помечено как inner motions). Терминалы сдвигались скачками. Ступеньки роста температуры значат, что насосы останавливали на ночь. В таблице на Рис. 6 показаны относительные положения терминалов после нескольких термоциклов. Между захолаживаниями делались рентгеновские снимки расположения кабеля в криостате, на которых видны необратимые изгибы кабеля в трубе, объясняющие, почему терминалы не вернулись в свое исходное положение. Таким образом, подвижные токовводные муфты помогают радикально уменьшить возможные механические напряжения в кабеле, но не исключают их совсем.

После предварительного захолаживания ВТСП кабельной линии были проведены измерения разницы температур хладагента на входе и выходе из линии и падения давлений в зависимости от скорости прокачки азота (Рис. 8).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 8. Прирост температуры и падение

давления на 200 м кабеля в зависимости

от массового расхода хладагента.

 

 

 

 

Результаты токовых испытаний показаны на Рис. 9. Потенциалы измерялись на каждой из ВТСП лент. Успешно введен ток в 2 кА.

 

 

 

 

 

 

Рис. 9. Токовые тесты CASER 2.

 

 

 

 

В многочисленных публикациях основной упор сделан на исследование гидравлических характеристик ВТСП кабеля. Это единственный график с током в ВТСП кабеле, который удалось найти, но не в журнальных публикациях, а в презентации симпозиума по передаче больших мощностей на дальние расстояния, который прошел в Германии (г. Потсдам) в мае 2011 г. Видно, что максимальный ток в кабеле удерживали чуть более 3-х минут, а вот почему так мало – остается гадать. Никаких комментариев на этот счет в литературе найти не удалось.

Еще в одной статье команда Чубу размышляет о возможных изменениях и улучшениях в конструкции кабеля. В ней представлены результаты измерения критических свойств ВТСП ленты типа DI-BSCCO (тип HT-CA 4.5x0.35 с усиливающим ламинированием нержавеющей сталью толщиной 0,05 мм),

На основании данных измерений авторы предложили новую конструкцию кабеля (Рис. 10) с одинаковым числом лент «+» и «-» в коаксиальных ветвях, уменьшив расстояние между лентами на внутреннем слое (т.е. подняв тем самым их критический ток на 7 %) и разредив их на внешнем слое (авторы считают что здесь величина критического тока останется такой же как у одиночной ВТСП ленты).

 

 

Примечание автора обзора: в целом предложение не очень понятно – при такой конструкции: во-первых - появится некомпенсированная составляющая поля вне кабеля (ведь вне зависимости от величины критического тока обе вести будут нести одинаковый транспортный ток), во вторых - токонесущая способность кабеля будет определяться ветвью с минимальным критическим током, ну а в третьих все эти упражнения для ума все равно упрутся в возможности каблирующей машины, и слишком близкое расположение лент может быть технически невозможным из-за опасности перехлёстывания или возникновения серьезных механических напряжений в них.

 

 

Рис. 10. Зависимость криттока DI-BSCCO ленты от расстояния между соседними параллельно включенными ВТСП лентами, а также предложенная геометрия кабеля с одинаковым числом лент в «+» и «-».

 

 

Последний обсуждаемый вопрос – возможное накопление энергии в ВТСП кабеле. Измеренная индуктивность коаксиального конструкции с жилами «+» и «-» на одном формере пренебрежимо мала, но в случае однополярного кабеля она может составить 4 мГн/км, что уже не так мало. Таким образом, в гипотетическом кабеле длиной 100 км этом запасенная энергия при токе в 20 кА составит 80 МДж (!).

Что касается планов на будущее, третьей стадией проекта CASER должна стать 2 км линия для средних и низких напряжений 1-5 кВ/2 кА, встроенная в реальную сеть.

Что ж, пожелаем японским коллегам удачи.

 

 

1.  Yu.V. Ivanov et al. Circulation pump power for 200 m cable experiment. Physica C 471 (2011) 1308-1312.

2.  J. Sun, S Yamaguchi et al. Critical current measurements for design of superconducting DC transmission power cable. Physica C 471 (2011) 1313-1316.

3.  H. Watanabe et al. Cooling tests of the 200 m superconducting DC transmission power cable system at Chubu University. Physica C 471 (2011) 1304-1307.

4A. Sasaki, Yu. Ivanov, S Yamaguchi. LN2 circulation in cryopipes of superconducting power transmission line. Cryogenics 51 (2011) 471-476.

5.  S.Yamaguchi et al. Experiment of 200 m superconducting DC cable system in Chubu University. Physica C 471 (2011) 1300-1303.

6.  S.Yamaguchi et al. Iron-steel Cryogenic pipe for DC superconducting power transmission line . IEEE Trans. On Appl. Supercond. 21 № 3 (2011) 1046-1049.

7.  Yu.V. Ivanov et al. Compact counterflow cooling system with subcooled gravity-fed circulating liquid nitrogen. Physica C 470 (2010) 1895-1898.

8.  S.Yamaguchi et al. Experiment of the 200-meter DC superconducting power cable and Perspectives of DC Superconducting power transmission and distribution.  IASS Workshop @2011/05/13, Potsdam, Germany.

Д.И. Шутова

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.