Сверхпроводящий силовой кабель

Полезная модель относится к кабельной технике, а именно к конструкциям сверхпроводящих силовых кабелей, предназначенных для передачи и распределения электрической энергии при напряжении 1-750 кВ. Сверхпроводящий силовой кабель содержит формер, включающий спираль 1 из немагнитного материала, скрутки 2 из стренг медной проволоки, обмотку 3 из медной фольги, сверхпроводящие токонесущие слои 4, включающие повив из СП и несверхпроводящих лент, изоляцию 5, шунтирующий повив 6 и криогенную оболочку 7. Технический результат заключается в повышении допустимого изгиба кабеля без использования излишнего количества СП лент.

В Б.И. рис.1; 2 з.п. ф-лы.

Полезная модель относится к кабельной технике, а именно к конструкциям сверхпроводящих силовых кабелей, предназначенных для передачи и распределения электрической энергии при напряжении 1-750 кВ.

Известен сверхпроводящий силовой кабель, содержащий центральный несущий элемент (формер), выполненный в виде образующей центральный канал для охлаждения спирали из немагнитного материала, поверх которой расположены скрутки из стренг медной проволоки и обмотка из медной фольги, сверхпроводящие токонесущие элементы, выполненные в виде повивов сверхпроводящих (СП) лент, шунтирующие повивы, изоляция и криогенная оболочка, (патент РФ на полезную модель 68763, 2007 г.)

Данное техническое решение является наиболее близким к предлагаемому по числу известных по совокупности признаков.

Существует класс сверхпроводящих кабелей, у которых при изготовлении по известной технологии присутствует следующий недостаток - недостаточно малый допустимый диаметр изгиба кабеля, требуемый при изготовлении и прокладке кабельной линии, и повышенная стоимость СП лент для сверхпроводящих повивов. На данный момент СП материалы для использования в СП силовых кабелях выпускаются в виде тонких лент. Сверхпроводящий токонесущий элемент формируется вокруг формера и представляет собой один или несколько повивов из СП лент уложенных с небольшим зазором вокруг формера. Требуемое количество СП лент определяется заданным рабочим током кабеля и критическим током СП лент и представляет собой отношение первого ко второму, взятое с необходимым запасом.

При использовании в кабеле современных СП материалов резко, в несколько раз, сокращается потребность в количестве СП лент для обеспечения тех же характеристик кабеля по передаваемой мощности. Уменьшение количества лент влечет за собой уменьшение диаметра повива. Тем не менее, механические характеристики СП лент ограничивают минимально допустимый диаметр изгиба ленты, что накладывает ограничение на шаг повива и минимальный угол скрутки повива (формула 1).

При уменьшении диаметра кабеля максимально допустимые углы укладки СП лент уменьшаются.

- угол укладки СП лент; d - диаметр повива СП лент; D - диаметр изгиба СП лент; Р - шаг повива.

Для соблюдения необходимых требований приходится жертвовать либо допустимым радиусом изгиба кабеля, либо увеличивать количество СП лент для увеличения диаметра, что в любом случае нежелательно.

Допустимый радиус изгиба кабеля в значительной мере зависит от угла, с которым лента укладывается на кабель (подобие витка пружины). Шаг повива (витка пружины) не может быть меньше определенной величины, из-за ограниченного диаметра изгиба СП лент. При постоянном шаге и уменьшении диаметра кабеля угол уменьшается, и ленты ложатся практически параллельно оси кабеля. В данных условиях кабель практически теряет гибкость. Незначительные изгибы такого кабеля приводят к возникновению больших механических напряжений в СП лентах и потери их сверхпроводящих свойств. При увеличении угла укладки ленты приобретают возможность избегать недопустимых напряжений незначительным смещением витков относительно кабеля и допустимый диаметр изгиба определяется соотношением зазора между лентами повива и шириной ленты.

Использование излишнего количества СП лент, помимо удорожания, приводит к потере кабелем функции токоограничения, которая не только полезна, но и в некоторых случаях является определяющей.

Технический результат заключается в повышении допустимого изгиба кабеля без использования излишнего количества СП лент.

Технический результат достигается тем, что сверхпроводящий силовой кабель, содержащий центральный несущий элемент, образующий центральный канал для охлаждающей среды, по крайней мере, один повив сверхпроводящих токонесущих лент, изоляция и криогенная оболочка, снабжен лентами из несверхпроводящего материала или часть сверхпроводящих токонесущих лент заменена лентами из несверхпроводящего материала, при этом сверхпроводящие токонесущие ленты в повиве расположены с чередованием с лентами из несверхпроводящего материала. При необходимости может быть использован шунтирующий повив.

Ленты из несверхпроводящего материала могут быть выполнены из уплотненной плоскопрямоугольной сборки медных проводов, а центральный несущий элемент в виде спирали из немагнитного материала, поверх которого расположены скрутки из стренг медной проволоки и обмотка из медной фольги.

Подобная конструкция кабеля, по сравнению с конструкцией без использования дополнительных несверхпроводящих лент, имеет увеличенный диаметр повива и позволяет укладывать ленты со значительно большими углами укладки при том же шаге повива. Это дает возможность лентам смещаться при изгибе кабеля без создания в них недопустимых напряжений и обеспечивает работоспособность кабеля при изгибе. Так, при использовании прежней конструкции, кабель на номинальный ток в 2кА (6 СП лент на основе MgB ₂) имеет диаметр повива в 8 мм., угол повива 3° и допустимый радиус изгиба на барабане 12 метров. Подобный радиус изгиба делает подобный кабель технологически чрезвычайно сложным в изготовлении и при прокладке. Использование заявленной конструкции дает возможность сделать кабель из того же количества СП лент на диаметре в 24 мм. при угле повива в 9,5° и с радиусом изгиба на барабане в 1,4 метра, что вполне технологично. К тому же не используется излишнее количество СП лент, что дает кабелю необходимые токоограничивающие свойства и значительно его удешевляет.

Предпочтительно выполнение несверхпроводящих лент из уплотненной плоскопрямоугольной сборки медных проводов. Данные ленты изготовляются толщиной такой же, как и у СП лент и шириной удобной для технологичного изготовления кабеля.

Полезная модель иллюстрируется чертежом (рис.1), на котором изображен кабель в аксонометрии с послойной разделкой.

Сверхпроводящий силовой кабель содержит формер, включающий спираль 1 из немагнитного материала, скрутки 2 из стренг медной проволоки, обмотку 3 из медной фольги, сверхпроводящие токонесущие слои 4, включающие повив из СП и несверхпроводящих лент, изоляцию 5, шунтирующий повив 6 и криогенную оболочку 7.

При изготовлении кабеля применяются промышленно выпускаемые материалы.

Сверхпроводящие материалы широко используются в производстве данного типа кабелей. Они представляют собой, в частности, волокна из соединения на основе MgB₂ в матрице из никеля в медной оболочке или длинномерный пленочный материал с покрытием из высокотемпературного сверхпроводника.

Криогенная оболочка, предназначенная для криостатирования кабеля при рабочей температуре, является типовой для кабелей такого типа, и, в частности, выполняется в виде двух гофрированных труб из нержавеющей стали с экранно-вакуумной изоляцией между ними.

Технология изготовления кабеля сводится к следующему.

Несущая спираль 1 изготавливается намоткой на навивочной машине. Кассета с исходным материалом - лентой крутится вокруг оправки, задающей нужный диаметр спирали. Спирали задается поступательное движение - для схода с формирующей оправки. Скорость схода спирали и скорость вращения отдатчика ленты согласованны, чтобы обеспечить заданный шаг спирали.

Скрутки 2 из медных и нержавеющих проволок состоят из нескольких стренгов, изготовленных путем многократной скрутки исходных проволок (например, 7х7 проволок). Затем готовые стренги (например, 24 штуки) укладываются на центральную спираль на кабельной машине (например, CORTINOVIS 6×600) в несколько слоев. В результате на спирали формируется пучок проводов нужного сечения, который еще может быть обжат протаскиванием через волоки.

Обмотка пучка стренг тонкой медной фольгой 3 производится для формирования гладкой поверхности формера. Делается это с помощью специального обмотчика на крутильной машине. Обмотчик крутится вокруг движущегося формера, движения формера и скорость вращения обмотчика согласованы для задания нужного шага обмотки.

Сверхпроводящие повивы 4 укладываются на формер с шагами и направлениями скрутки, рассчитанными так, чтобы обеспечить минимальные радиусы изгиба СП лент при изготовлении и прокладке. Заданное число кассет с нужным количеством сверхпроводящей ленты и лент из несверхпроводящего материала на них размещаются на «фонаре» крутильной машины с заданным чередованием. Готовый формер протягивается через центральную часть крутильной машины, фонарь крутится вокруг формера, ленты подаются через направляющие на формер. Скорость движения формера и скорость вращения фонаря согласованны так, чтобы обеспечить заданный угол и направление скрутки. Каждый повив обматывается тонкой металлической или изоляционной лентой обмотчиком на крутильной машине для дополнительной фиксации от смещения.

Межповивная изоляция 5 накладывается на стандартных машинах для укладки изоляции и представляет собой намотку изолирующего ленточного материала и материала для выравнивания электрического поля.

Шунтирующий повив 6 накладывается подобно укладке сверхпроводящих повивов с использованием лент из заданного материала вместо сверхпроводящих лент.

Наложение криогенной оболочки 7 осуществляется методом затягивания кабеля внутрь готовой оболочки с помощью специальных приспособлений.

Работает кабель следующим образом.

С помощью системы криогенного обеспечения через криогенные кабельные муфты через кабель прокачивается криоагент, например жидкий водород, (осуществляется его циркуляция). Далее кабель подключается через криогенные токовые муфты к электрической сети, как и обычный электрический кабель.

1. Сверхпроводящий силовой кабель, содержащий центральный несущий элемент, образующий центральный канал для охлаждающей среды, по крайней мере один повив сверхпроводящих токонесущих лент, изоляцию и криогенную оболочку, отличающийся тем, что снабжен лентами из несверхпроводящего материала или часть сверхпроводящих токонесущих лент заменена лентами из несверхпроводящего материала, при этом сверхпроводящие токонесущие ленты в повиве расположены с чередованием с лентами из несверхпроводящего материала.

2. Кабель по п.1, отличающийся тем, что ленты из несверхпроводящего материала выполнены из уплотненной плоскопрямоугольной сборки медных проводов.

3. Кабель по п.1 или 2, отличающийся тем, что центральный несущий элемент выполнен в виде спирали из немагнитного материала, поверх которого расположены скрутки из стренг медной проволоки и обмотка из медной фольги.