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

ASC-2012: Сильноточные ВТСП токонесущие элементы

2012, Tом 9, выпуск 5
Тематика: Вести с конференций

ASC-2012 - Applied Superconductivity Conference

12 октября завершилась очередная конференция по прикладной сверхпроводимости ASC-2012, прошедшая в г. Портленд, штат Орегон США. Наш бюллетень посвятит два своих ближайших  выпуска обзорам, составленными участниками конференции.

ASC-2012: Сильноточные ВТСП токонесущие элементы

Как известно, современные ВТСП ленты 2-го поколения имеют максимальный ток 200-500 А на см ширины в жидком азоте в собственном поле и сравнимые по порядку величины токи во внешних полях при пониженных температурах. Поскольку многие сверхпроводниковые устройства (импульсные магниты, крупные магниты, силовые кабели, трансформаторы, электромашины) должны иметь рабочие токи от нескольких сотен до тысяч и даже десятков тысяч ампер, необходимо оптимизировать конструкцию токонесущего элемента для конкретного применения. Для проектируемых сильноточных устройств из ВТСП в настоящее время разработано несколько конструкций кабелей (о чем уже сообщалось в нашем бюллетене «Сверхпроводники для электроэнергетики» т. 9, № 3). На прошедшей в октябре 2012 г. в США конференции ASC-2012 и сопутствовавшей ей выставке было представлено большое число работ по данной тематике.

Кабели типа Ребель

На выставке были продемонстрированы длинномерные куски кабеля типа Ребель (RACCC – Roebel Assembled Coated Conductor Cable) производства General Cable Superconductors, разработки по данной тематике ведутся в Новой Зеландии компанией Industrial Research Limited уже несколько лет. Новозеландский Ребель – первый токонесущий ВТСП элемент, который производится промышленным способом кусками до 500 метров! (см. рис. 1).

Рис. 1. Кабель типа Ребель, производимый в Новой Зеландии (шаг транспонирования 300 мм) [1], [3].

Важнейшим достоинством кабелей типа Ребель являются низкие транспортные потери на переменном токе. Представлены результаты измерения потерь в различных полях при различных температурах, позволяющие оценить потери в кабеле типа Ребель при любом внешнем поле, амплитуде переменного тока, в широком диапазоне температур [1] (Рис. 2). Зависимость (от тока, нормированного на “критический” ток) потерь, нормированных на квадрат амплитуды тока, практически является константой от температуры и внешнего поля. Таким образом, достаточно измерить потери на переменном токе при одной температуре, и зная полевую и температурную зависимости критического тока, можно с достаточной точностью посчитать потери в любых условиях.

Рис. 2. Результаты измерения транспортных потерь на переменном токе в кабеле типа Ребель при различных значениях температуры и постоянного магнитного поля [1].

Кроме новозеландского, на конференции был представлен кабель типа Ребель, разрабатываемый в немецком Karlsruhe Institute of Technology (KIT). Масштабного производство пока не налажено (есть ~ 5 м куски), ведется только разработка и исследования.

Были представлены результаты исследований свойств этого кабеля с точки зрения применимости и поведения в обмотке [2].

Проведено сравнение токонесущей способности при температуре жидкого гелия и приложенного внешнего поля для новозеландского кабеля из 15-стрэндов [3] и 10-стрэндового кабеля, разработанного KIT, с использованием специального крепления образцов, не позволяющего им ломаться (рис. 3). Характерная особенность Ребеля – сильная анизотропия полевой зависимости токонесущей способности. Так, при критическом токе 11,6 кА в параллельном проводнику поле 7,5 Тл, критический ток в перпендикулярном поле 9,6 Тл составляет 3,6 кА.

Рис. 3. Сравнение новозеландского кабеля типа Ребель (А) с немецким (В, С) и способ крепления [3].

Стопки ВТСП лент

Нетвистированный стэк, или стопка лент, – казалось бы, самый простой сильноточный токонесущий элемент, но есть множество нюансов при его изготовлении и применении, связанных, например, с вводом тока. Стопка лент идеальна для магнитных систем с постоянным полем, в том числе сверхвысоким. Из всех ВТСП токонесущих элементов она имеет самую высокую плотность тока. Но для магнитов с быстро изменяющимся полем нужен транспонированный элемент и, если это стопка, то ее необходимо скручивать, например, в твистированный стэк или скрученную стопку (TSTC – Twisted Stacked-Tape Cable), как на рис. 4.

Рис. 4. Скрученная стопка ВТСП лент из MIT.

Рис. 5. Результаты исследований скрученных стопок в MIT.

На конференции представлена скрученная стопка, изготовленная в Massachusetts Institute of Technology (MIT) [4]. После скрутки стопка запаивается в кондуит в виде трубки, или вкладывается в пазы в каркасе (Рис. 4), Существуют также сложности с равномерным распределением тока между отдельными ВТСП проводниками.

Первый изготовленный в MIT кабель из 50 лент SuperPower в поле 20 Тл сломался при нагрузке 50 кН/м (2,5 кА при 20 Tл). Вторая скрученная стопка, из 32 лент AMSC показала деградацию тока в 43% по сравнению с суммой токов лент, из них 20% - влияние собственного поля, 5% - расчетное вследствие деформации лент, остальное не нашло объяснения (см. рис. 5). Малое значение параметра n~10 может быть объяснено не столько перетеканием токов, сколько местными повреждениями ВТСП слоя.

CORC-кабели

CORC-кабели (см. рис. 6, 7) (CORCC – Conductor on Round Core Cable), представленные на конференции, были изготовлены в двух лабораториях.

Рис. 6. Образец CORCC Advanced Conductor Technologies LLC [5].

Рис. 7. Первый слой обмотки из CORCC.

Во-первых, это Advanced Conductor Technologies LLC (США). Основатель этой компании Danko van der Laan занимается работами в этом направлении с 2009 года. О первых опытах изготовления CORCC уже писалось в нашем бюллетене («Сверх-проводники для электроэнергетики» т.9 №3). Рекордный образец кабеля диаметром 7,5 мм, из 40 ВТСП лент 2-го поколения SuperPower, испытан в жидком гелии во внешнем поле 20 Тл - достигнут критический ток 4,1 кА (на уровне 1 мкВ/см).

Импрегнированная обмотка (2 слоя по 6 витков на 90 мм каркасе) из 20-ленточного 7 мм CORCC кабеля (рис. 10а) также была испытана в жидком гелии в поле 20 Тл. Значение критического тока достигло 1950 А. Деградации в обоих случаях не наблюдалось. Доклад, где рассказывается об этих исследованиях, к сожалению, в материалах конференции опубликован не будет [5]. Но об этих и других испытаниях можно также прочитать на сайте Advanced Conductor Technologies LLC [6]. Испытания в высоких магнитных полях проводились в National High Magnetic Field Laboratory, Tallahassee, FL, USA, в Биттеровском магните на 20 Тл с вертикальным полем.

CORCC проводники также могут быть использованы в качестве силовых кабелей, о чем можно подробнее узнать из [7]. Из 79 ВТСП лент диаметром ~10 мм изготовлен CORCC диаметром ~10 мм, способный использоваться в качестве 20 кА силового кабеля с охлаждением газообразным гелием до ~55 K.

Компания Advanced Conductor Technologies получает финансирование сразу по нескольким направлениям: магнитные системы для термо-ядерных реакторов, силовые кабели (для авиации и флота) и СПИН для применений в авиации. В последнее время кабели и тестовая обмотка Advanced Conductor Technologies исследуются в различных лабораториях мира. Так, распределение тока между отдельными ВТСП лентами, изучалось специалистами из CERN [8] и NHFML. Первая 12 витковая двухслойная катушка из 12 витков CORCC была исследована на переменном токе, результаты сравнивались с результатами измерения потерь в кабеле во внешнем поле. Эта работа была проведена в Университете Огайо, США [9]. Также CORCC кабели были исследованы, наряду с Ребель кабелями и стопками ВТСП лент в KIT. Исследования производились в магнитных полях до 12 Тл при различных температурах и механических воздействиях, о чем более подробно будет рассказано ниже.

Вторая лаборатория, представившая на конференции свои работы по CORCC кабелям, находится в Курчатовском институте [10]. Работы начаты в конце 2011 года. Образцы CORCC кабелей из ВТСП лент SuperPower представлены на Рис. 8. Там же был изготовлен образец из ВТСП проводника 2–го поколения компании SuNAM.

Рис. 8. Образцы CORCC кабелей Курчатовского института (16 лент SuperPower SCS4050 AP в 4 слоя, диаметр < 8 мм, ток в азоте в собственном поле до 1600 А).

Образцы CORCC кабелей Курчатовского института несколько отличаются по своей конструкции от американских – другой формер (механически более устойчивый из 3000 туго скрученных проволок из нержавеющей стали диаметром 0,1 мм), также были опробованы различные конструкции токовых терминалов. В Курчатовском институте образцы CORCC кабелей были изготовлены на авто-матизированном намоточном устройстве, в настоящее время разрабатывается аналогичное устройство для изготовления длинных кусков кабеля. Были проведены исследования образцов на постоянном и переменном токе, во внешних и в собственных полях, в жидком и переохлажденном азоте, а также в жидком гелии во внешнем магнитном поле. Образец кабеля из 16 ВТСП лент 2-го поколения с улучшенным пиннингом производства SuperPower в жидком гелии в перпендикулярном поле 8 Тл показал критический ток 4000 А при 1 мкВ/см. При испытаниях образец был закреплен только на концах, под действием пондеромоторных сил он изогнулся, оперся через изолятор на сверхпроводящий магнит, но дал расчетный ток. После теста образец не дегра-дировал, что доказывает хорошую механическую устойчивость CORCC с формером из нержавеющей стали.

Сопоставление свойств различных ВТСП токонесущих элементов

Сравнению токонесущей способности различных ВТСП токонесущих элементов во внешнем перпендикулярном магнитном поле (и их устойчивости к силе Лоренца), при температурах от 4.2 до 80 К посвящен доклад специалистов из KIT [11]. Были исследованы три типа токонесущих элементов (см. Рис. 9):

Рис. 9. Сверху вниз: принцип конструкции и поперечное сечение кабеля типа CORCC, внешний вид скрученной стопки ВТСП лент и кабеля типа Ребель (с плоской стороны лент).

Все представленные образцы ВТСП токонесущих элементов имели длину 1160 мм и были иссле-дованы на постоянном токе в перпендикулярном магнитном поле до 12 Тл. Была исследована не только полевая зависимость токонесущей способности образцов, но и их механическая устойчивость.

Кабель типа Ребель, с током 4 кА в магнитном поле 12 Тл при 20 К после ввода тока деградировал, возникло активное сопротивление на малых токах. Сила Лоренца, направленная в ребро кабеля, повредила его стрэнды (рис. 10). Предстоит еще выяснить, как будет себя вести в сильном магнитном поле импрегнированный проводник.

Рис. 10. ВТСП токонесущий элемент типа Ребель в сильном магнитном поле – образец деградировал под действием пондеромоторных сил [11].

Рис. 11. Небольшая деградация скрученной пачки ВТСП лент MIT в сильном магнитном поле, а также полевые и температурные зависимости для этого токонесущего элемента [11].

Скрученная стопка ВТСП лент в медном кондуите производства MIT после первого ввода тока в поле 12 Тл слегка деградировала (рис. 11). Параметр n составил 8-14, что может свидетельствовать не только о проблемах с перераспределением тока, но и о трещинах в ВТСП слое (не по всему сечению). Критический ток из-за сильно размытой ВАХ определялся по 5 мкВ/см критерию. Тем не менее, на данном образце получены высокие критические токи в жидком гелии: 5,1 кА в 12 Тл и 9,7 кА в 4 Тл. Пондеромоторные силы, действовавшие на образец, были самыми высокими по сравнению с другими образцами.

Образец CORCC кабеля не показал никакой дег-радации критических свойств, достигнут расчетный ток: 2,6 кА в 12 Тл в жидком гелии, параметр n ~ 30, что говорит об отсутствии механических повреждений ВТСП слоя (см. рис. 12). На образец в этом эксперименте действовала небольшая, по сравнению со стопкой ВТСП лент, сила, однако, механическая устойчивость CORCC кабелей была также подтверждена экспериментами NHMFL в магнитном поле 20 Тл с током 4 кА на 40 лент, и экспериментом в Курчатовском институте в магнитном поле 8 Тл с током 4 кА на 16 лент, образец был закреплен за концы. Пожалуй, на сегодня кабели типа CORCC – самый устойчивый к пондеромоторным силам ВТСП токонесущий элемент.

Также были проведены эксперименты по быстрому (~10 кА/с) вводу тока в CORCC кабель в поле собственного тока. Вклад скорости изменения тока в напряженность электрического поля составил всего 0,4 мкВ/см. Таким образом, показано, что быстрый ввод тока не создает особенных проблем (рис. 12).

Рис. 12. Полевые зависимости токонесущей способности образца CORCC кабеля и эксперимент по быстрому вводу тока без внешнего поля [11].

Исследования ВТСП кабелей типа Ребель при деформации растяжения [12] показали, что кабель значительно хуже ее выдерживает, чем одиночная ВТСП лента (см. Рис. 13). Пожалуй, по всем этим исследованиям можно сделать вывод, что область применения кабелей типа Ребель ограничена переменным током и магнитными полями не выше 2 Тл (электрические машины и трансформаторы), если отбросить вопрос цены. Но остается еще вопрос импрегнирования...

Рис. 13. Результаты исследования токонесущей способности при растяжении а) 12 мм ВТСП ленты SuperPower б) изготовленного из нее кабеля типа Ребель [11]

Рис. 14. Трехфазный ВТСП трансформатора на 1 МВА: обмотка низкого напряжения из кабеля типа Ребель в процессе намотки, криостат одной из фаз, результаты исследования потерь на переменном токе в обмотке.

Сейчас пока только начинают появляться первые прототипы устройств с обмотками из сильноточных токонесущих ВТСП элементов. Новозеландские компании IRL и General Cable Superconductors недаром освоили промышленное производство кабеля типа Ребель. В настоящее время компания IRL уже изготавливает первый 3-фазный трансформатор на 1 МВА [13] с обмоткой низкого напряжения из кабеля типа Ребель и обмоткой высокого напряжения из одиночной ВТСП ленты. Действующие значения токов в обмотках составляют соответственно 1390 А и 30 А (11 кВ), трансформатор будет работать при температуре 70 К.

Дело теперь за магнитными системами из стопок ВТСП лент и CORCC кабелей. Как первые ласточки воспринимаются двухслойная 12-витковая импрегнированная обмотка Ван дер Лана [5] и интерес, проявляемый сотрудниками NHMFL к стопкам ВТСП лент для магнитных систем с постоянным полем и к CORCC кабелям – для магнитов с быстрым вводом и выводом поля.

 

1. The Dependence of Transport AC loss on Temperature and DC Parallel Magnetic Field in an Eight-strand YBCO Roebel Cable Zh. Jiang, et al.

2. Investigation on 2G HTS Roebel-cables for application in windings W. Goldacker, et al.

3. Electrical characterization at 4.3 K of RE-123 Roebel cables J Fleiter, et al.

4. Conductor fabrication and characterization of YBCO twisted stacked-tape cables M. Takayasu, et al.

5. First tests of high-temperature superconducting Conductor on Round Core (CORC) magnet cables at 19.8 T background field D. van der Laan,

6. Материалы сайта компании Advanced Conductor Technologies LLC http://advancedconductor.com/ 

7. Characterization of HTS Superconducting CORC Cables for Helium Gas Cooled Power Applications

C.H. Kim, et al.

8. Current distribution in HTS Conductor on Round Core Cables G.P. Willering, et al.

9. Charge and Discharge in a Small Coil made from REBCO based Conductor on Round Core cable

M.D. Sumption, et al.

10. Preparation and Experimental Investigation of Heavy-Current Transposed  HTS Conductors

M.S. Novikov, et al.

11. Measurements of HTS cables in a temperature range of 4.5 K to 80 K and background fields up to 12 T C. Barth, et al.

12. HTS Roebel cable: Practical current injection and tensile Rod Badcock, et al.

13. Verification testing for a 1 MVA 3-phase demonstration transformer using 2G-HTS Roebel Cable

Neil. D. Glasson, et al.

М.Новиков

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.