Трехжильный сверхпроводящий кабель

Полезная модель относится к области сверхпроводниковой техники и электроэнергетики и может быть применена при создании сверхпроводящих кабелей.

Технический результат полезной модели - повышение токонесущей способности кабеля без снижения экологической безопасности.

Трехжильный сверхпроводящий кабель, предназначенный для протекания встречных токов в соседних жилах, содержит выполненные из однотипного материала на основе высокотемпературного сверхпроводника и коаксиально расположенные наружную, центральную и внутреннюю жилы с кольцевыми сечениями. Внешние радиусы наружной R_нap, центральной R_центр и внутренней R_внутр жил удовлетворяют соотношениям:

R_нар/R_центр =2,0-0,4,

R_внутр/R_центр=1,73-0,29,

где - задается в пределах от 0 до 1 электромагнитными свойствами материала жил.

Уточнение значения может быть произведено путем аппроксимации характеристики j_c(B) материала жил (приведенной заводом - изготовителем в паспорте этого материала или снятой экспериментально) зависимостью

,

где j_с - средняя плотность критического тока в материале жил, В - индукция магнитного поля, а - критерий лоренцевой силы высокотемпературного сверхпроводника, на основе которого выполнен материал жил. 2 ил.

Область техники.

Полезная модель относится к области сверхпроводниковой техники и электроэнергетики и может быть применена при создании сверхпроводящих кабелей.

Уровень техники.

Известен, принятый в качестве прототипа, многожильный сверхпроводящий кабель, состоящий из шести коаксиально расположенных жил, выполненных из однотипного сверхпроводящего материала [1]. Первые три жилы, считая от оси кабеля, предназначены для тока одного направления, а вторые три жилы - для тока встречного направления. В известной конструкции индуктивность жил сверхпроводникового кабеля, уменьшается по мере удаления от оси кабеля, из-за чего установившийся ток каждого направления распределен по жилам кабеля неравномерно: он больше в жилах, удаленных от оси кабеля. В результате средняя по сечению кабеля критическая плотность тока j_c, определяющая токонесущую способность кабеля, оказывается заниженной.

Кроме того, конструкция прототипа такова, что максимальное (по сечению кабеля) значение индукции В_макс магнитного поля в кабеле определяется током, протекающим в одном направлении через три соседние жилы кабеля. Высокое максимальное значение магнитной индукции дополнительно снижает критическую плотность тока и токонесущую способность прототипа.

Сущность полезной модели

Технический результат полезной модели - повышение токонесущей способности кабеля без снижения экологической безопасности.

Предметом полезной модели является трехжильный сверхпроводящий кабель, предназначенный для протекания встречных токов в соседних жилах и содержащий выполненные из однотипного материала на основе высокотемпературного сверхпроводника (ВТСП) и коаксиально расположенные наружную, центральную и внутреннюю жилы с кольцевыми сечениями, внешние радиусы которых удовлетворяют соотношениям:

R _нap/R_центр=2,0-0,4;

R_внутр/R_центр=1,7-0,3,

где задается в пределах от 0 до 1 электромагнитными свойствами материала жил.

Это позволяет получить указанный выше технический результат.

Развитие полезной модели предусматривает, что значение может быть уточнено путем аппроксимации характеристики j_c(B) материала жил зависимостью

,

где j_с - средняя плотность критического тока в материале жил, В - индукция магнитного поля, - критерий лоренцевой силы высокотемпературного сверхпроводника, на основе которого выполнен материал жил.

Осуществление полезной модели с учетом ее развития

На фиг.1 представлено сечение кабеля, на фиг.2 - распределение магнитного поля по сечению кабеля.

На фиг.1 показаны наружная 1, центральная 2 и внутренняя 3 жилы кабеля. Жилы 1, 2 и 3 выполнены из однотипного материала на основе высокотемпературного сверхпроводника и коаксиально расположены относительно друг друга.

Материал жил содержит нити ВТСП, стабилизирующую матрицу из обычного проводника (меди, серебра) и имеет наружную изоляцию.

Кабель подключается между источником тока и потребителем так, чтобы токи в соседних жилах были направлены встречно. Например, по жилам 1 и 2 протекают токи I₁ и I₂ прямого направления, а по жиле 3 ток I₃ обратного направления.

Внешние радиусы R_нap, R_центр R_внутр жил 1, 2 и 3 удовлетворяют соотношениям:

где задается в пределах от 0 до 1, исходя из электромагнитных свойств материалов жил.

Как показали расчеты, проведенные на математической модели сверхпроводящего кабеля, при выполнении указанных соотношений в сверхпроводящем состоянии устанавливаются (с допустимой на практике погрешностью) определенное соотношение индуктивностей жил, следствием которого является соотношение токов в жилах кабеля I₁:I₂:I ₃=1:1:2.

Это, в свою очередь, позволяет за счет взаимной компенсации магнитных полей отдельных жил уменьшить максимальную величину индукции магнитного поля В_mах (ограничивающую величину критической плотности тока), а также получить практически нулевое значение магнитного поля на внешних границах сечения кабеля, обеспечив экологическую безопасность на трассе прокладки кабеля.

Уточнение значения может быть произведено путем аппроксимации характеристики j_c(B) материала жил (приведенной заводом-изготовителем в паспорте этого материала или снятой экспериментально) зависимостью

где j_с - средняя плотность критического тока в материале жил, В - индукция магнитного поля, - критерий лоренцевой силы высокотемпературного сверхпроводника, на основе которого выполнен материал жил, определяемый химической формулой используемого сверхпроводника (как правило, приводится в паспорте на материал жил).

Эмпирическая зависимость (3) представляет собой модель критического состояния для сверхпроводника [2].

Величина в выражении (3) подбирается такой, чтобы соответствующая кривая максимально приближалась (например, в среднеквадратичном смысле) к реальной зависимости j_c(B), приведенной в паспортных данных материала жил или снятой экспериментально.

При конструировании и изготовлении кабеля площадь (и, следовательно, радиус R_центр) сечения центральной жилы определяется требуемой величиной тока I₂. Размеры остальных жил определяются соотношениями (1) и (2).

Распределение магнитного поля по сечению кабеля предлагаемой конструкции, приведенное на фиг.2, показывает, что значение магнитной индукции В_макс определяется величиной I₁ =I₂, которая составляет половину величины тока, протекающего в одном направлении через жилы кабеля, а значения индукции на внешней границе сечения кабеля близко к нулю.

Источники информации

[1] Yinshun Wang and other "Development of a high-temperature superconducting bus conductor with large current capacity", Superconductor Science and Technology, april, 2009, p.22.

[2] И.А.Глебов, Ч.Лаверик, B.H.Шахтарин. «Электрофизические проблемы использования сверхпроводимости». Наука, 1980 г.

1. Трехжильный сверхпроводящий кабель, предназначенный для протекания встречных токов в соседних жилах и содержащий выполненные из однотипного материала на основе высокотемпературного сверхпроводника и коаксиально расположенные наружную, центральную и внутреннюю жилы с кольцевыми сечениями, внешние радиусы которых удовлетворяют соотношениям:

R_нар/R_центр=2,0-0,4;

R_внутр/R_центр=1,7-0,3,

где задается в пределах от 0 до 1 электромагнитными свойствами материала жил.

2. Кабель по п.1, отличающийся тем, что значение уточнено путем аппроксимации характеристики j_c (B) материала жил зависимостью

,

где j_c - средняя плотность критического тока в материале жил; В - индукция магнитного поля; - критерий лоренцевой силы высокотемпературного сверхпроводника, на основе которого выполнен материал жил.