Криогенные и сверхпроводящие кабели

Криогенные (криорезистивные) кабели работают при температуре токопроводящей жилы в пределах 20 ( температура жидкого водорода ) - 77К ( температура жидкого азота ). При таких температурах ( в особенности при 20К ) электрическое сопротивление меди и алюминия резко снижается. Особенно сильное снижение электрического сопротивления наблюдается у металлов повышенной чистоты. В качестве примера укажем, что при 20К у алюминия высокой чистоты (Аl >= 99,99%) электрическое сопротивление снижается почти в 500 раз по сравнению с сопротивлением при 20°С.

Примерная конструкция гибкого токопровода криорезистивного кабеля приведена на рис. 1, а на рис.2 - конструкция кабеля трубчатого типа. Гибкие кабели можно изготовлять значительной длины, т.к. отдельные фазы можно затягивать в трубу большими отрезками. Трубчатые жилы во второй конструкции должны стыковаться секциями длиной 12-18 м и здесь неизбежна установка большого количества сильфонов. Суперизоляция, которая состоит из тонких металлизированных пластмассовых лент, должна работать устойчиво в условиях очень высокого вакуума ( остаточное давление 1-10 мПа ).

Рисунок 1 Гибкий криорезистивный кабель

 

1 –жила

2 - внутренняя оболочка и экран

3 - суперизоляция

4 - внешняя оболочка

5 - перфорированная неметаллическая труба

6 - криогенная жидкость

7 - защитная оболочка

Рисунок 2. Криорезистивный кабель трубчатого типа

 

1 - суперизоляция

2 - внутренняя оболочка

3 - внешняя оболочка 4-распорки

5 - трубчатый проводник

6 - электрический экран

7 - криогенная жидкость

 

Чтобы успешно отводить тепло из кабеля, криогенная жидкость должна циркулировать вдоль кабеля, при этом нужно избегать кипения жидкости ( например, для жидкого азота при 100К ), т.к. в этом случае возможно снижение качества изоляции, а сам поток жидкости может стать неравномерным. Для непрерывного охлаждения криогенная жидкость должна непрерывно проходить через рефрижераторные установки и охлажденная вновь поступать в кабель.

В криорезистивных кабелях постоянного тока тепло будет возникать вследствие нагрева токопроводящих жил, трения криогенной жидкости во время движения о стенки кабеля и проникновения тепла в кабель извне. В кабелях переменного тока добавляются потери, возникающие в изоляции от вихревых токов и эффекта близости, что значительно затрудняет применение этих кабелей для передачи электроэнергии на более или менее значительные расстояния. Дело в том, что в Этом случае очень сильно возрастут расходы на установку и эксплуатацию рефрижераторных устройств. На постоянном токе эти кабели могут экономично передавать мощность примерно 1000 МВт и более на значительное расстояние

Сверхпроводящие кабели.

Основную часть одной из конструкций сверхпроводящего кабеля ( рис.З.) составляют четыре концентрически расположенные трубы. В центральной трубе помещаются токоведущие жилы, которые охлаждаются жидким гелием. На определенном расстоянии от центральной трубы с помощью изоляционных прокладок устанавливаются еще три трубы, причем между центральной и второй создается высокий вакуум, а между второй и третьей трубами прокачивается жидкий азот. Между третьей и четвертой трубой опять создается высокий вакуум (остаточное давление около 1Мпа ). Здесь же размещается суперизоляция. Примерные диаметры внутренней трубы 150 и наружной 250 мм.

Рисунок 3. Сверхпроводящий кабель.

1 - вакуум

2 - жидкий азот

3 - вакуум

4 - суперизоляция

5-гелий

6- жила из сверхпроводящего материала

На рис.4 приведена конструкция сверхпроводящего кабеля с жилой из ниобиевой фольги с трехступенчатым охлаждением. Ниобиевая фольга располагается параллельно магнитному полю и имеет очень маленькое сечение, благодаря чему вихревые токи в жиле будут весьма незначительными. Охлаждение кабеля производится с помощью жидкого азота, водорода и гелия, причем каждый охладитель протекает по кольцевому каналу. Возврат охладителя может осуществляться либо по второму каналу, либо по другому кабелю. Каналы расположены на различных расстояниях от оси кабеля в зависимости от температуры охлаждающей жидкости.

Рисунок 4 Кабель со сверхпроводящей жилой из ниобиевой фольги.

1 - жила из ниобиевой фольги

2 - кольцевые охлаждающие рубашки 3-жидкий гелий (4 К) 4 - жидкий водород (20 К) 5-радиационные экраны из алюминия с высокой отражающей способностью

6 - жидкий азот (77 К)

7 - изоляция

8 - вакуум

 

Помимо ниобиевой фольги в сверхпроводящих кабелях могут быть использованы и такие материалы, как сплавы Nb-Zr, Nb-Ti, Nb3Sn. Для практического внедрения сверхпроводящих кабелей необходимо решение ряда сложных вопросов. В частности, нужно создать устройства на концах сверхпроводящих линий ( концевые муфты, выводы ) для перехода из сверхпроводящего в нормальное резистивной состояние.