Однополярный ВТСП кабель постоянного тока для тяговых сетей
2012, Tом 9, выпуск 4
Тематика: ВТСП провода и кабели
Использование ВТСП технологий на транспорте позволит повысить эффективность передачи электроэнергии и поднять надежность сетей. Специалисты из Железнодорожного Технического Исследовательского Института (Япония), при под-держке правительства разрабатывают сверхпро-водниковый кабель постоянного тока для тяговых сетей. На данном этапе был разработан, изготовлен и испытан прототип ВТСП кабеля длиной 5 м.
Макетный образец однополярного кабеля постоянного тока был изготовлен из сверхпро-водящих лент на основе соединения Bi2Sr2Ca2Cu3Oy (Bi-2223). ВТСП кабели на основе Bi-2223 отличаются высокой токонесущей способностью при малых потерях, компактностью и относительно низкой стоимостью. Магнитное поле в ВТСП кабелях обычно направлено вдоль проводника, что значительно улучшает полевую зависимость критического тока. В настоящее время технология создания длинномерных Bi-2223 проводников постоянно развивается компанией Sumitomo Electric Industry (SEI) и это дает им большое ценовое преимущество над ВТСП проводниками второго поколения.
Для изготовления прототипа кабеля постоянного тока использовались коммерчески доступные сверхпроводящие ленты из Bi-2223 в серебряной оболочке типа HT (CA50) производства компании (SEI). Они изготавливались методом «порошок-в-трубе» с контролируемым процессом спекания под избыточным давлением. Ширина ленты составляла 4,5 мм, а толщина - 0,35 мм. Для того чтобы повысить предельные растягивающие напряжения в проводнике и сократить минимально допустимый радиус изгиба, ВТСП ленты ламинировались медной фольгой толщиной 50 мкм. Номинальное значение критического тока в собственном поле для сверхпроводящих лент составило 180 А (критерий 1 мкВ/см при 77 К).
Рис. 1. Конструкция однополярного сверхпроводнико-вого кабеля постоянного тока для тяговых сетей.
Конструкция однополярного ВТСП кабеля постоянного тока с холодным диэлектриком пред-ставлена на рис. 1. Формер – центральный элемент, представляющий собой алюминиевую трубку, – помимо основы для размещения последующих слоев кабеля служит также для протока хладагента – жидкого азота. Внутренний проводящий слой, уложенный непосредственно вокруг формера, состоит из трех повивов медной ленты (шунтирующий слой) и двух повивов сверхпроводящей ленты. Затем сверхпроводящий слой покрывается полипропиленовой бумажной изоляцией. Поверх изоляции наматывается экранирующий слой. Сначала навивается сверхпроводящая лента, а поверх нее укладываются два повива медной ленты. Затем экранирующий слой покрывается защитным слоем, который состоит из тканевой ленты и кар-тона. Готовый кабель размещается в нержавеющем криостате с экранно-вакуумной изоляцией.
Для исследования возможностей защиты от перегрузок по току, например, во время коротких замыканий были проведены опыты по определению оптимальной толщины медного стабилизирующего слоя в ВТСП ленте. Во время короткого замыкания ток начинает распространяться по серебряной оболочке сверхпроводящей ленты и по медному шунтирующему слою. В результате, за время короткого замыкания сверхпроводящая лента не успевает перегореть. Для повышения стойкости кабеля к коротким замыканиям проводилась оптимизация по толщине шунтирующего и стабилизирующего медных слоев ВТСП кабеля. В результате проведенной оптимизации было решено использовать три медных повива для внутреннего шунтирующего слоя и два – для внешнего стабилизирующего слоя.
Рис. 2. Вольтамперные характеристики проводящего и экранирующего ВТСП слоев кабеля постоянного тока.
Для определения критических токов проводящего и экранирующего ВТСП слоев снимались соответствующие вольтамперные характеристики. Так как на момент проведения экспериментов система криогенного обеспечения еще не была готова, то ВТСП кабель и его медные токопроводы были полностью погружены в жидкий азот. При определении критических токов использовался критерий в 1 мкВ/см, результаты экспериментов представлены на рис. 2. Для внутреннего ВТСП слоя кабеля критический ток составил 10130 А, а для внешнего экранирующего слоя – 10910 А при 77 К. Экспериментальные результаты соответствуют номинальным значения токонесущей способности кабеля, которые составляют 9540 А (2 слоя / 53 ленты) для внутреннего слоя кабеля и 10980 А (2 слоя /61 лента) – для внешнего.
Результаты исследований японских специалистов показывают, что токонесущей способности сверх-проводникового кабеля постоянного тока доста-точно для использования его при подключении к фидеру контактной сети высокоскоростных желез-нодорожных магистралей. Кабель для желез-нодорожных применений должен быть компактным, а длина единичного куска должна составлять не менее 300 метров. Для того чтобы конструкция ка-беля удовлетворяла этим требованиям, необходимо соответствующим образом выбрать систему криогенного обеспечения. Японские специалисты выбрали прокачную систему охлаждения ВТСП кабеля с возвратом жидкого азота через зазор между кабелем и криостатом (рис. 1), так как данное решение компактнее и дешевле, чем организация отдельной линии для возврата жидкого азота.
Стоит отметить, что достигнутая разработчиками токонесущая способность кабеля постоянного тока в 10130 А является рекордной (согласно офи-циальным публикациям) для кабелей из Bi-2223. Следующей стадией разработок будет создание кабеля постоянного тока для железнодорожных систем длиной 300 м.
1. M. Tomita et al., Development of 10 kA high temperature superconducting power cable for railway systems, Appl. Phys. 111, 063910 (2012).