Кабели криогенные и сверхпроводящие

Кабельная  криогенная линия на полигонеЗа время использования электрической энергии было сделано много полезных открытий, позволивших более эффективное использование этого вида энергии, без которого невозможно представить современное общество. Передача электроэнергии кабелями неизбежно связана с потерями, что побуждало учёных к поиску новых материалов и технологий.

Одно из таких удивительных открытий – явление сверхпроводимости, наблюдаемое при особом охлаждении токопроводящих жил из электротехнического алюминия (степень очистки такого алюминия повышенной чистоты достигает значения более, чем 99,99%). Криогенные кабели, также названные криорезистивными, имеют уникальный диапазон рабочих температур: от 20 до 77 градусов по Кельвину, что адекватно температурам жидкого водорода и азота соответственно.

Замечено, что при таких низких температурах (а особенно при 20ОК) происходит резкое снижение электрического сопротивления основных электропроводящих материалов: меди и алюминия. Так, например, при 20ОК у электротехнического алюминия проводимость увеличивается (соответственно сопротивление падает) почти в 500 раз, чем при комнатных 20ОС!

Особенности видов сверхпроводящих кабелей

Сверхпроводящие кабели подразделяются на два типа: гибкие и трубчатые. Гибкий сверхпроводящий кабель может быть изготовлен достаточно длинным, так как все отдельные фазы, имеющие большие длины, затягиваются в общую трубу. А в трубчатом кабеле стыкуются отдельные секции от 12 до 18 м, что приводит к необходимости установки сильфонов. Требования к суперизоляции тоже велики, ведь её тонкие пластмассовые металлизированные ленты должны обеспечить устойчивую работу при остаточном давлении от 1 до 10 мПа, что соответствует высокому вакууму.

Рассмотрим их конструктивные и другие особенности, влияющие на работу и сферы применения этих кабелей.

1. Гибкий сверхпроводящий (криорезистивный) кабель.

Представленный на рисунке 1 гибкий кабель состоит из:

Гибкий сверхпроводящий кабель

1 – жилы;

2 – внутренней оболочки и экрана;

3 – суперизоляции;

4 – внешней оболочки;

5 – перфорированной неметаллической трубы;

6 – криогенной жидкости;

7 – защитной оболочки.



2. Криорезистивный трубчатый кабель.

Представленный на рисунке 2 гибкий кабель состоит из:

Криорезистивный трубчатый кабель

1 – суперизоляции;

2 – внутренней оболочки;

3 – внешней оболочки

4 – распорки;

5 – трубчатого проводника;

6 – электрического экрана;

7 – криогенной жидкости.

Для стабильной работы сверхпроводящего кабеля необходимо обеспечить постоянный отвод тепла, что достигается циркуляцией криогенной жидкости вдоль кабеля. Особого внимания заслуживает то, что жидкий азот начнёт кипеть уже при 100ОК, причём поток жидкости потеряет равномерность, а изоляция – своё качество. Во избежание таких проблем криогенная жидкость, проходящая по рефрижератору, проходит непрерывное охлаждение и возвращается в кабель.

Постоянный или переменный ток?

В случае прохождения через криорезистивный кабель постоянного тока, общий нагрев возникает вследствие:

· Нагрева самих токоведущих жил.

· Трения о стенки кабеля при протекании криогенной жидкости.

· Внешний нагрев.

В случае прохождения через криорезистивный кабель переменного тока, общий нагрев возникает вследствие указанных выше, а также и следующих причин:

· Потери в изоляции от вихревых токов.

· Нагрев от эффекта близости.

По этим причинам передача электрической энергии на значительные расстояния производится постоянным, а не переменным током, так как в противном случае возрастают расходы, связанные с монтажом и обслуживанием мощных рефрижераторных устройств. А постоянный ток по сверхпроводящим кабелям экономично и эффективно передаёт мощности от 1000 МВт на большие расстояния с меньшими расходами.

Конструкция сверхпроводящих кабелей

В сверхпроводящем кабеле основной частью его конструкции являются четыре трубы, расположенные концентрически по оси. Центральная труба содержит в себе токоведущие жилы, охлаждаемые жидким гелием. На некотором расстоянии от этой трубы на изоляционных прокладках размещены следующие три трубы с такими требованиями:

· Между второй и центральной – высокий вакуум.

· Между второй и третьей производится прокачка жидкого азота.

· Между третьей и четвёртой – высокий вакуум с остаточным давлением примерно 1Мпа. В этом месте находится и суперизоляция.

Диаметр наружной трубы составляет примерно 250, а внутренней – 150 мм.

Рисунок 3. Конструкция сверхпроводящего кабеля.

Конструкция сверхпроводящего кабеля

1, 3 – вакуум;

2 – жидкий азот;

4 – слой суперизоляции;

5 – жидкий гелий;

6 – жила из сверхпроводящего материала.

В качестве жилы сверхпроводящего кабеля также используется ниобиевая фольга, требующая трёхступенчатого охлаждения. Ниобиевая фольга с очень маленьким сечением расположена параллельно магнитному полю, что сводит к минимуму появление вихревых токов. Охлаждают такой кабель три кольцевых канала, отдельно для жидкого водорода, азота и гелия. Возврат жидкого хладагента реализуется либо по дополнительному второму каналу, либо по параллельному кабелю. Расположение каналов зависит от значений температур охлаждающих жидкостей, как указано на рисунке 4:

Конструкция  кабеля

1 – жила (ниобиевая фольга);

2 – охлаждающие кольцевые рубашки;

3 – жидкий гелий (при 4ОК);

4 – жидкий водород (при 20ОК);

5 – алюминиевые радиационные экраны с высокой отражающей способностью;

6 – жидкий азот (при 77ОК);

7 – суперизоляция;

8 – вакуум ;

Ниобиевая фольга – не единственный материал для токопроводящих жил в сверхпроводящих кабелях, также применяются сплавы Nb-Ti, Nb-Zr и Nb3Sn. Следует отметить, что при всей эффективности технологии сверхпроводимости остаются и сложные, требующие новых решений вопросы. Например, создание выводов и концевых муфт для перехода из состояния сверхпроводимости в резистивный (нормальный) режим работы.