Секционированный сверхпроводящийКАбЕль пЕРЕМЕННОгО TOKA Советский патент 1981 года по МПК H01B12/00 

(54) СЕКЦИОНИРОВАННЫЙ СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ КАБЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА К выбору в качестве материала токонесущей жилы сверхпроводника, обладающего высоким значением критического тока. Из теории жестких сверхпроводников известно, что увеличение критической плотности тока сопровождается расширением диапазона между первым и вторым критическими полями сверхпроводника. Так, например, для соединения отношение 50 где HC.V Нся- первое и второе критические поля соответственно. В разрабатываемых конструкциях сверхпроводник жилы в период токово перегрузки (в энергетических системах крАтность тока перегрузки не пр вьошает 25) остается BI сверхпроводящем состоянии как по температуре (что является одним из условий, пре являемых к поведению сверхпроводящего кабеля в режиме токовой перегрузки) , так и по полю, несмотря на то, что рабочая напряженность по ля (Ир) выбирается несколько выше, чем Н(ц. Следовательно, происходит перераспределение тока между сверх проводником и жилой из нормального металла так, что они оказываются под одним потенциалом. Наиболее просто может быть получено аналитическое выражение усл вия перераспределения тока для коа . сиальной конструкции однофазного сверхпроводящего кабеля. Оно может быть записано так: Звх .(кжлтгс п)(оОйи1 зУ(и;йУ.1;сл.)5 м ,)Ч.илЬ)1 где Зс.п. ок в сверхпроводящей ток несущей системе; 3 вх, полный ток на входе кабел сопротивление (активное) лы из нормсшьного металла сп. сопротивление (активное) сверхпроводящей токонесущ системы; u)aL - разность индуктивных сопр тивлений сверхпроводящей конесущей системы и жилы нормального металла. Для сверхпроводящего кабеля, в тором используются чистые металлы, характерным является выполнение ус ловия: ( R ж . Когда входной ток кабеля Эвх.ые пре вышает критического, уровень гисте резисных потерь в сверхпроводнике определяет некоторое эффективное значение его сопротивления Ren, кот рое на несколько порядков меньше R. В этом случае, как легко убедиться из условия (1), весь ток пр одит по сверхпроводящей токонесуей системе .. д Однако при увеличении входного ока lex.cBHiue критического начинатся резкое увеличение сопротивления сверхпроводника за счет движения нитей магнитного потока. Поскольку сверхпроводящая токонесущая систе a находится в охлаждающей среде с конечным значением коэффициента теплопередачи, то начинается разогрев сверхпроводника, который приводит к лавинообразному процессу разрушения сверхпроводимости, т.е. к увеличению сопротивления Rc.n.вплоть до значения, соответствующего сверхпроводнику в нормальном состоянии. По мере увеличения Ке.п.происходит перераспределение тока между сверхпроводящей токонесущей системой и жилой из нормального металла. Так, например, при из условия (1) получаем: -0.5. 1 3 гВ конечном счете, при значениях Rc,r, получаем: g,- (5 ) ОвК.1 Rc.n. Это приводит к тепловьщелениям в сверхпроводящей жиле, определяемым по формуле: Н:..п. где и - разность потенцигшов по концам токопроводящей системы ; Зсп, - ток в сверхпроводящей жиле, практически определяемый по ее периметру,температуре и магнитному полю, в котором она находится. Цель изобретения - уменьшение тепловыделений в сверхпроводящей жиле в режиме токовой перегрузки кабеля, и, как следствие, повышение надежности его работы. Указанная цель достигается тем, что сверхпроводящая жила снабжена размещенными в каждом стыке соседних секций кабеля вставками, выполненными из сверхпроводяидего материала второго рода, удовлетворяющего условию: Исг, ЗпЕр С1 Зном. где HC.,, Нсг первое и второе критические поля сверхпроводника вставки соответственно;

HOM. номинальный и перегрузочный токи кабеля соответственно .

Размещение вставок в технологически обусловленных стыках секций из сверхпроводящего материала, удовлетворяющего указанному выше условию, позволяет перевести сверхпроводник уставки из сверхпроводящего состояния в нормальное в режиме токовой перегрузки от поля, созданного жилой из нормального металла на поверхности сверхпроводника вставки. Это, в свою очередь, приводит к тому, что разность потенциалов оказывается приложенной не ксверхпроводнику жилы, находящемуся в сверхпроводящем состоянии, а к сверхпроводнику вставки. Этим достигается снижение общего тепла, выделяющего в сверхпроводящей жиле, и возможность управления количеством этого тепла за счет изменения длины вставки.

На чертеже представлена конструкция предлагаемого кабеля.

Секционированный сверхпроводящий кабель содержит секции 1, в каждой из которых внутри криорубашки

2размещены сверхпроводящая жила

3и жила 4 из нормального металла, разделеннные теплоизоляцией 5, и вставки 6, размещенные в каждом стыке соседних секций 1, снабженные стабилизированным сверхпроводником, соединенным со сверхпроводником жилы 3 с помощью пере1«ычек 7 из сверхпроводящего материала. В зависимости от типа кабеля (жесткий или гибкий) жила 4 из нормального металла может быть длиннее одной-секции кабеля, как показано на чертеже

При токовой перегрузке кабеля сверхпроводник вставки 6 выходит из сверхпроводящего состояния, поскольку он выполнен из материала, удовлетворякяцего условию: -гЛг4 3

ПСт J ИОМТ.е. запирается полем, созданным на его поверхности током, протекающим в жиле 4 из нормального металла Это приводит к тому, что разность потенцисшов прилагается именно к сверхпроводнику вставки, стабилизированному подложкой, имеющей такую же конструкцию, как и подложка сверхпроводящей жилы 3, а не к сверхпроводнику указанной жилы. Следовательно, величина тепловыделений определяется соотношением сопротивлений участка жилы 4 из нормального металла длиной, соответствующей длине секции и сверхпроводника вставки 6. Изменением длины вставки 6 можно управлять величиной этих тепловыделений .

Поскольку выполнение указанного соотношения для материала сверхпроводника вставки означает, что критическая плотность тока у него меньше, то диаметр сверхпроводника вставки больше диаметра основной жилы при условии сохранения тех же потерь в сверхпроводнике на номинальном режиме работы, причем Нр Нсц.

В качестве примера рассмотрим вариант кабеля с номинальным тОком 4 кА и напряжением 320 кВ, у которого перегрузочный ток равен 60 кА, а время перегрузки равно 1 с. Берем материал сверхпроводника жилы

0 NbjSn и материал сверхпроводника вставки Nb. Максимальная температура хладагента в номинальном режиме становит 6 К, после режима перегрузки - 8 К.

S

Расчет показывает, что диаметр сверхпроводника жилы 45 мм, сверхпроводника вставки 62 мм, а длина вставки порядка 300 мм на каждые 15 м длины секции уменьшают как общее тепловыделение за время перегрузки, так и тепловыделение с единицы длины вставки.

Указанная длина вставки получена из условия:

л . 1 - Р у PjCjj

teCT. ЭпЕр )ПЕР РЖ.ЬВСТ

где ж расстояние мезеду вставками; fecrr длина сверхпроводящей встав30ки ;

JKP. - критический ток сверхпроводника основной жилы; ЗпЕр- ток перегрузки; Рвет РЖ удельное электрическое со5противление вставки и жилы соответственно (для материс1ла вставки берется р сверхпроводника в несверхпрюводящем состоянии);

0

%хл1 ж. площадь сечения сверхпроводника вставки и жилы из нормального металла соответственно,

которое обеспечивает удельную величину тепловьщелений в вставке гленьшую,

5 чем в сверхпроводнике основной жилы . кабеля без вставки.

Таким образом, используя вставки, можно добиться значительного уменьшения тока в сверхпроводники

O токонесущей системе, что при выбранном режиме охлаждения позволяет устранить разогрев секций основного сверхпроводника до критической температуры. Поэтому сразу же после

5 прекращения режима перегрузки вся сверхпроводящая токонесущая система оказывается способной нести ток, который может быть меньше номинального.

0

Система оказывается в сверхпроводящем состоянии в результате того, что секции основного сверхпроводника недогреты до критической темпе5ратуры, а вставки не запираются

номинальным током и имеют температуру ниже критической.

Формула изобретения

Секционированный сверхпроводящий кабель переменного тока по авт. св. № 714510, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности работы, сверхпроводящая жила снабжена размещенными в каждом стыке соседних секций вставками, выполненными из сверхпроводящего материала второго рода, удовлетворяющего условию:

Исг Jnep. Нс-( Эном.

Р, HCI- первое и второе критиНческие поля сверхпроводящего материала вставки соответственно; Hw Зпер.- номинальный и перегрузочный токи кабеля соответственно.