ВТСП кабельная линия постоянного тока, охлаждаемая газообразным гелием высокого давления
2012, Tом 9, выпуск 4
Тематика: ВТСП провода и кабели
В Центре перспективных энергосистем государственного университета шт. Флорида США (FSU-CAPS) идут работы по исследованию возможности использования газообразного гелия в качестве хладагента в различных сверхпроводниковых устройствах (в частности – в кабелях). Для этих целей к настоящему времени спроектирован и введен в эксплуатацию 30 м циркуляционный стенд, проведены многочисленные опыты по измерению диэлектрических свойств газообразного гелия, а также всесторонние измерения свойств коротких образцов модельных ВТСП кабелей.
Работы финансируются фондом военно-морских исследований США. Текущая фаза проекта должна закончится испытаниями 30 м однополярной кабельной ВТСП линии, рассчитанной на напряжение 1 кВ и постоянный ток в 3 кА при 77 К (и до 10 кА при 40 К), охлаждаемой газообразным гелием при максимальном давлении в криостате в 21,7 атм. В планах на будущее – испытание коаксиального биполярного ВТСП кабеля, рассчитанного на те же токи, но уже на напряжение в ± 5 кВ.
По мнению авторов статей, на основании которых составлен настоящий обзор, наиболее вероятной областью применения ВСТП устройств, охлаждаемых газообразным гелием, являются военно-морской флот, авиация и космос. Средняя токонесущая способность медных кабелей составляет 0,5-10 А/мм2. У ВТСП токонесущая способность на порядок выше, что позволит радикально снизить массогабаритные характеристики изделий. Приведена интересная оценка: для 270В/20 кА кабеля замена меди на ВСТП приведет к уменьшению его массы до 80 кг на каждый метр длины.
Плюсы использования газообразного гелия:
- для коммерческих ВТСП снижение температуры на один градус повышает токонесущую способность примерно на 10 %;
- переход на газообразный гелий значительно расширяет по сравнению с жидким азотом диапазон рабочих температур: снизу нет ограничения точкой кристаллизации (63 К), сверху - отсутствует угроза смены фазы – т.е. допустимы высокие температурные градиенты по длине кабеля;
- в отличие от азота, нет угроз удушения при авариях в закрытых помещениях, например, на подводных лодках.
Минусы использования газообразного гелия:
- плохие (по сравнению с азотом) диэлектрические свойства;
- низкая теплоемкость газообразного гелия требует высоких давлений и массовых расходов для достижения необходимого уровня теплосъема с поверхности кабеля;
- использование коммерческих криокуллеров для поддержания криогенных температур малоэффективно;
- сложности с получением нужной скорости прокачки из-за низкой плотности Не и, как следствие, - неэффективность коммерческих вентиляторов, прокачивающих газ по каналам.
Уже на первый взгляд видно, что перед разработчиками встает целый ряд требующих решения технических проблем. Однако наши американские коллеги из Флориды пошли именно по этому тернистому пути. Ниже приведены основные результаты их проекта, полученные к 2012 г.:
1. Кабель.
Первой частью исследований стало сравнение свойств коротких образцов кабелей длиной ~ 1м на основе RABITS и IBAD лент ВТСП 2-го поколения, охлаждаемых жидким и переохлажденным азотом и газообразным гелием при 65 - 77 К. Зависимость критического тока кабеля от температуры, измеренная в специально изготовленном криостате, с использованием обоих хладагентов показана на Рис. 1. Отчетливо видно, что Ic(T) идентичны в гелии и азоте.
Рис. 1. Зависимость критического тока кабеля от температуры, измеренная в жидком азоте LN2 и газообразном гелии GHe.
На Рис. 2. показаны результаты тестов по стабильности кабеля с участием обоих хладагентов. В жидком азоте при увеличении тока до I = 1,25 Ic в течение одной минуты роста температуры обнаружено не было. За это же время в газообразном гелии кабель уже при I = Ic оказался не стабилен и уже через 1,5 минуты из-за роста температуры некоторые ленты переходили в нормальное состояние.
Рис.2 – Опыты по измерению стабильности кабеля в LN2 и GHe.
Рис.3. Критические свойства кабеля и потери на переменном токе.
Не было обнаружено деградации при измерении критических свойств кабеля после многократных изгибов на радиусы ~ 0,5 м. Результаты тестов на переменном токе показаны на Рис.3.
2. Криогенный циркуляционный стенд.
Специально разработанный криогенный стенд циркуляции газообразного гелия состоит из магистрали длиной 30 м в гибком криостате, рассчитанной на максимальное давление в 21 атм., и криостата высокого давления (Рис.4). Холодопроизводительность циркуляционной системы – 1.2 кВ при 77 К (500 В при 40 К) обеспечивается четырьмя криокулерами Cryomech AL330, каждый из которых соединен с системой через теплообменник. Циркуляция газа обеспечивается с помощью вентиляторов со скоростями вращения от 8 до 21 тыс. оборотов в минуту. Стенд обладает возможностью регулировки массового расхода и температуры вдоль линии – путем подключения нужного числа криокуллеров, изменением скорости вращения вентиляторов, проталкивающих газ по каналу, а также тепловой нагрузки на нагревателях. Без дополнительной тепловой нагрузки линия захолаживается от комнатной температуры до 35 К за 5 часов. Гибкий 30 м криостат с внутренним и внешним диаметрами 39 и 66 мм соответственно изготовлен фирмой Nexans Cryoflex. В настоящий момент в криостат вставлен гибкий формер из нержавеющей стали, по массе и размеру соответствующий будущему кабелю. По длине криостата для симуляции спаев и повреждений ВТСП лент установлены точечные и протяженные нагреватели (см. Рис. 4: 5-ти метровые - между точками 3-4 и 5-6, 15-ти метровый - между точками 3-6).
Рис.4. Криогенный циркуляционный стенд.
О теплопоглощающей способности гелия можно судить по приращению температуры на выходе из линии. В экспериментах теплопоглощающая способность измерялась в 5 режимах: термодатчики были расставлены через каждые 5 метров, термопары – каждые 2 метра. Изменение массового расхода достигалось изменением давления и скорости потока – режимы представлены в таблице 1.
Для расчета профиля температуры по длине кабеля была создана расчетная одномерная модель, основанная на уравнении теплового баланса, - причем в 2х вариантах – оперирующая как температурой металлического формера, так и температурой потока газообразного гелия. Результаты экспериментов и расчетов показаны для 3х случаев: на Рис. 5 – в линии нет дополнительной тепловой нагрузки, на Рис. 6 - работают точечные нагреватели, на Рис.7 - работают протяженные нагреватели.
Рис. 5. Распределение температуры и теплопритока по длине линии в случае отсутствия внутренней генерации тепла
(теплоприток в центральной части - 1-1.5 Вм/м -типичен для криостатов фирмы Nexans и не зависит от скорости потока).
Рис. 6. Зависимость прироста температуры от внесенной мощности от точечных нагревателей; от массового расхода и длины линии.
Рис. 7. Зависимость прироста температуры от внесенной мощности 5-ти и 15-ти метровых нагревателей от длины линии.
На основании проведенных экспериментов авторы делают вывод, что предложенная криогенная циркуляционная система в состоянии снимать тепловые нагрузки до 20 Вт/м без существенных температурных градиентов. Тем не менее, современные коммерческие системы прокачки криогенных газов ограничены скоростями до 10 г/c, поэтому создание протяженных линий потребует разработки новых мощных циркуляционные насосов.
3. Высоковольтные тесты.
Известно, что гелий имеет плохие электроизоляционные качества по сравнению с азотом. Возникает опасность частичных электрических пробоев, повреждающих твердую изоляцию. Поэтому измерение напряжений, соответствующих началу пробоя в зависимости от давления в криостате является важной задачей при проектировании любой кабельной линии.
Несмотря на то, что проектируемый кабель рассчитан на постоянное напряжение, высоковольтные измерения проводились в переменных режимах. При этом использовалась схема, показанная на Рис. 8, состоящая из 100 кВ/5 кВ-А (действительные значения) трансформатора и системы конденсаторов.
Измерения проводились в упомянутом выше криостате высокого давления (Рис. 4). Тестировался медный муляж кабеля длиной порядка 1 метра, представляющий собой формер из нержавеющей стали, обмотанный медными лентами с размерами, типичными для ВТСП лент, поверх которых намотана изолирующая лента и алюминиевый заземленный экран. На концах модельный кабель имел расширяющиеся конусы для уменьшения электрического поля на терминалах. Причем было два модельных кабеля - один для высоковольтных испытаний, другой – обвешанный термопарами и 100 Ом платиновыми термометрами (которые можно использовать до 3 и 14 К соответственно). Термометры размещались на формере, на медных лентах, на изоляции и алюминиевом экране, а также на верхнем и нижнем терминалах кабеля. Торцы кабеля в криостате открыты, поэтому газообразный гелий его свободно заполняет, а не циркулирует в нем. Схема и результаты измерений пробойных напряжений и распределения температур показаны на Рис. 8-9.
Рис. 8. Схема измерительного стенда для высоковольтных испытаний.
Перед испытаниями внутренний объем криостата с кабелем откачивался, несколько раз продувался азотом и газообразным гелием, затем снова откачивался 2 дня до 10-6 Па. Затем, после предварительного захолаживания азотной рубашки и первой заливки ~50 л жидкого гелия, в полость с кабелем подавался газообразный гелий до достижения абсолютного давления в 21,7 атм. При этом была достигнута чистота газообразного гелия в 4 «9-ки».
При нагнетании давления температура увеличивалась, проводили финальный подлив 30 л жидкого гелия, после чего температура в разных точках кабеля переходила в режим медленного монотонного нарастания, меняясь от 60 до 75 К в течении ~ 4 часов, которых разработчикам было достаточно для проведения высоковольтных испытаний.
При измерении пробойных напряжений разрядная цепь соединялась с кабелем через высоковольтный токовый ввод. При различных давлениях газообразного гелия напряжение увеличивалось ступеньками по 500 В. О минимальном пробойном напряжении судили по появлению коронного разряда. Максимальное достигнутое значение напряжения при давлении в 21,7 атм. составило 16 кВ (амплитудное значение на кабеле и токовводе), из них на кабеле – 7.4 кВ в пике.
Рис. 9. Результаты высоковольтных испытаний в газообразном гелии высокого давления.
На основании проведенных тестов авторы заключают, что при высоких давлениях требования по диэлектрической прочности удовлетворены с запасом.
Хотя, конечно делать окончательные выводы о плюсах и минусах перехода на газообразный гелий в качестве хладагента для сверхпроводящих устройств пока рано - подождем, как минимум, испытаний 30 м кабеля.
1. Sastry Pamidi et all, Helium Gas Cooled Superconducting DC Cable Project, CAPS-FSU presentation.
2. H. Rodrigo, F. Salmhofer, D.S. Kwag, S. Pamidi, L. Graber, D.G. Crook, S.L. Ranner, S.J. Dale,
D. Knoll, Electrical and thermal characterization of a novel high pressure gas cooled DC power cable, Cryogenics 52 (2012) 310–314.
3. Sastry Pamidi, Chul Han Kim, Jae-Ho Kim, Danny Crook, Steinar Dale, Cryogenic helium gas circulation system for advanced characterization of superconducting cables and other devices, Cryogenics 52 (2012) 315–320