Кабельно-проводниковая продукция и аксессуары

Особенности применения сверхпроводящих кабелей

Сверхпроводящие магниты/системы имеют ряд преимуществ — малые площади для установки и более высокие плотности мощности, что дает разработчикам большую свободу при принятии необходимых решений.
Доступность высококачественных сверхпроводящих материалов способствовала разработке сверхпроводящих магнитов с высокой напряженностью поля. Такие магниты, как правило, изготавливались на основе низкотемпературных сверхпроводников (LTS), в основном NbTi и Nb3Sn. Системы на базе LTS работают при крайне низких температурах (-269°С), которые обеспечиваются жидким гелием или менее эффективным прямым охлаждением. Альтернативой LTS является использование материалов, обладающих сверхпроводимостью при высоких температурах (HTS). При этом существенно снижаются требования к системе охлаждения, обеспечивающей необходимые плотности тока. Кроме того, проводники HTS имеют меньшие потери на переменном токе и обладают большей тепловой стабильностью по сравнению с проводниками LTS.
Доступность высокотемпературных сверхпроводников второго поколения (2G HTS) на базе редкоземельного соединения бария с окислом меди [(RE)BCO] позволяет рассматривать применение магнитов и кабелей для различных областей. Высокое значение критических плотности тока и напряженности поля проводников обеспечивает возможность существенного улучшения общих характеристик современных сверхпроводящих магнитов, в которых используются проводники LTS и первое поколение проводников HTS.
В настоящее время изготовление высококачественных проводников 2G HTS находится в стадии разработки. В течение последних нескольких лет технологии изготовления материалов 2G HTS весьма быстро прогрессировали, что привело к существенным достижениям в повышении величин критического тока, длины проводника (больше километра) и требуемых характеристик магнитного поля. При этом увеличивалась производительность и снижалась стоимость производства.

ПРОВОД 2G HTS ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В МАГНИТАХ

Целесообразность использования сверхпроводящего проводника в магнитах определена возможностью передачи по нему больших электрических токов (работа при высоких плотностях тока) и его специфическими механическими свойствами, позволяющими избежать проблем с механическими перенапряжениями, возникающими при изготовлении, охлаждении и эксплуатации.

Структура провода 2G HTS типа SuperPower®
Типовая структура провода второго поколения, обладающего сверхпроводимостью при высокой температуре, изготавливаемого компанией SuperPower Inc., показана на рис. 1. Подложка здесь выполняет две функции — она является механической основой всей структуры, и на нее наносятся верхние слои. Типовая конструкция провода: подложка из Hastelloy® C276 толщиной 50 мкм, буферный слой ≈0,2 мкм, слой HTS — около 1 мкм, слой серебра толщиной 1 мкм и внешние слои (стабилизатор) из меди толщиной 40 мкм.

Подложка из сплава на основе никеля (обычно это Hastelloy® C276) имеет толщину 50 или 100 мкм, достаточную для того, чтобы обеспечить передачу в законченной конструкции рабочих токов с высокой плотностью (Je), что является принципиально важным требованием при использовании сверхпроводников в магнитах. Подложка подвергается электромеханической полировке (ЕР) для обеспечения шероховатости поверхности не более 2 нм. При этом поверхность подложки оказывается достаточно гладкой для нанесения методом ионного осаждения следующего, буферного слоя, структуры из окиси магния, который работает как диффузионный барьер, обеспечивая согласование слоев структуры и являясь основой для выращивания тонкого слоя токопроводящего высокотемпературного сверхпроводника. Для выращивания сверхпроводящего слоя из YBCO используется метод химического осаждения (рис. 2) из газовой фазы металлоорганических соединений (MOCVD).

К достоинствам метода MOCVD относят высокую скорость осаждения — 0,7 мкм/мин и возможность осаждения на поверхность большой площади, что обеспечивает высокую производительность технологического процесса. Слой из сверхпроводящего материала YBCO покрывается тонким слоем серебра для хорошего электрического контакта. Стабилизация проводника обеспечивается электролитическим покрытием всей конструкции слоями меди.
Использование этого процесса позволяет изготавливать мультипроводниковые структуры. Стандартный  провод SuperPower на основе высокотемпературного сверхпроводника второго поколения типа SCS 4050 имеет ширину 4 мм. В его конструкцию входит подложка 50 мкм, буферный слой толщиной около 2 мкм, слой YBCO толщиной приблизительно 1 мкм, слой серебра толщиной 2 мкм и внешний медный стабилизатор (SCS) общей толщиной 40 мкм.

Токопроводящая способность сверхпроводника 2G HTS
Возможность передавать большие токи при рабочих температурах является основной причиной использования сверхпроводящих проводов в магнитах. Токопроводящая способность провода характеризуется зависимостью критического тока (Ic) от рабочей температуры (Т) и уровня магнитного поля (В), в котором работает обмотка, то есть Ic (B,T).
Начальное значение критического тока для этого провода при температуре 77К в собственном поле равно 100 А. Высокая токопроводящая способность сверхпроводника второго поколения SCS компании SuperPower в сочетании с небольшой площадью поперечного сечения позволяет использовать его при больших плотностях тока Ic, соизмеримых со значениями этого показателя для проводов других производителей.

Механические свойства провода 2G HTS
Для обеспечения нормальной работоспособности в течение всего времени эксплуатации провод 2G HTS должен сохранять свою токопроводящую способность при изготовлении из него обмотки магнита, при тепловых и механических нагрузках во время производства и нормальной работы. К достоинствам провода 2G HTS компании SuperPower относится наличие в нем структурного элемента — подложки из сплава Hastelloy® C276, что исключает необходимость в дополнительном внешнем механическом упрочнении и дает возможность использовать провод при высоких плотностях тока.
Проведенные недавно измерения усилий растяжения-сжатия показали, что напряжения при растяжении провода вплоть до уровня 700 МПа являются допустимыми и только при более высоких напряжениях может наступить необратимая деградация — по величине критического тока. Кроме того, испытания на осевую нагрузку (минимальная нагрузка/максимальная нагрузка = 0,1) при ее различных уровнях проводились циклами до 100 тысяч раз. Результаты испытаний показали, что практически для всех важных случаев провод 2G HTS имел усталостную прочность, сравнимую с предельной нагрузкой на ленту, при которой наступало необратимое ухудшение характеристик. Такая высокая прочность имеет существенное значение, когда рассматриваются реальные нагрузки (тепловые, механические, магнитные), имеющие место при эксплуатации. Преимущества использования такого провода при больших напряжениях наглядно продемонстрированы на рис. 3, где сравниваются условия применения различных проводов, обладающих сверхпроводимостью при низких (LTS) и высоких (HTS) температурах.

Тепловые напряжения возникают в структуре обмотки при ее охлаждении, а также при температурных перепадах, которые могут возникать в аварийных ситуациях и других нештатных случаях.

Дополнительные факторы, которые важны при использовании провода 2G HTS в обмотках магнитов
В большинстве случаев требуются длинные провода для уменьшения количества соединений их отрезков, из которых изготавливаются обмотки. Провода из материала 2G HTS производятся непрерывной длины до 1300 м. Отрезки проводов длиной несколько сотен метров, как правило, обладают в высокой степени идентичными характеристиками Ic.
Для уменьшения потерь при соединении отрезков проводов в обмотках, изготовленных из материала 2G HTS, может быть использована конструкция кабеля, предложенная Рёбелем (Roebel). Эта конструкция позволяет работать при повышенных рабочих токах, уменьшать индуктивность обмотки и обеспечить необходимые снижения потерь в проводе на переменном токе. Пример кабеля конструкции Рёбеля, изготовленного из провода SuperPower 2G HTS в Институте технологии (KIT) г. Карлсруэ, представлен на рис. 4.


Секция кабеля Рёбеля обладает передаточными свойствами, необходимыми для снижения составляющей потерь при соединении отрезков проводов в величине общих потерь на переменном токе. Полная ширина кабеля — 12 мм.
Изоляция обмоток является крайне важным компонентом в конструкции магнита. Одним из способов обеспечения необходимой изоляции стала одновременная мокрая намотка изоляции и провода в процессе изготовления магнита с использованием жидкой эпоксидной смолы в вакууме.
Для больших катушек, в особенности если они могут подвергаться воздействию полей переменного тока, рекомендуется вакуумная пропитка обмоток эпоксидной смолой. Для облегчения процесса изготовления обмотки предпочтительно использовать провод с готовой изоляцией. Одним из возможных вариантов является провод 2G HTS с нанесенной на него высококачественной изоляцией, например, из полиимида.
В качестве примера на рис. 5 показана лента шириной 4 мм с нанесенной на нее полиимидной изоляцией. Этот провод может быть использован для изготовления обмотки сухим способом с последующей вакуумной пропиткой эпоксидной смолой.

Применение провода 2G HTS
Из провода 2G HTS были изготовлены разнообразные катушки для демонстрационных целей. Одна из них, витки которой испытывали в процессе работы сильные механические напряжения, предназначалась для создания мощных магнитных полей. Эта катушка в виде плоского соленоида была изготовлена из стандартного провода SCS 4050 шириной 4 мм и длиной приблизительно 460 м. Фотография магнита, где использована эта катушка, представлена на рис. 6.

При температуре 4,2 К катушка генерировала собственное поле 9,8 Т, а при воздействии фонового поля 19 Т центральное поле имело напряженность 26,6 Т.
Для обеспечения дополнительной прочности катушки использовалась внешняя обмотка из проволоки, изготовленной из нержавеющей стали. Магнит прошел тестирование в Национальной лаборатории сильных магнитных полей в университете штата Флорида в испытательном магните Биттера (20 МВт, 20 Т).
При температуре 4,2 К в катушке создавалось собственное поле напряженностью 9,81 Т при критическом значении тока 221 А. При аксиальном фоновом поле 19 Т в катушке создавалось дополнительное поле напряженностью 7,8 Т, при этом напряженность центрального поля составляла 26,8 Т. Пиковое значение механического напряжения в катушке составило примерно 215 МПа, что не выходило за допустимый для провода 2G HTS предел — примерно 700 МПа.

Демонстрация подземных кабельных линий
Одним из наиболее перспективных направлений применения проводов 2G HTS в будущем считается создание мощных подземных линий электропередачи для электроэнергетики. Министерство энергетики США совместно с агентством по исследованиям и разработкам в области энергетики штата Нью-Йорк (NYSERDA) опубликовало программу демонстрации сверхпроводящего HTS-кабеля в качестве линии электропередачи между двумя подстанциями в сети компании National Grid в г. Олбани, штат Нью-Йорк, США. Почти 10 км провода HTS второго поколения для этой работы поставил японский партнер — Sumitomo Electric Industries. Этот провод был использован для изготовления 30-метровой секции кабеля (рис. 7), рассчитанного на работу при напряжении 36,5 кВ и токе 800 А.

Кабельная секция, в которой используется провод HTS второго поколения, была вмонтирована в демонстрационную кабельную линию со сверхпроводящим проводом первого поколения. В течение всего демонстрационного периода в линии не было выявлено никаких дефектов. Основной отличительной особенностью силового HTS-кабеля является его способность передавать мощность, в три — пять раз превышающую этот показатель по сравнению с обычным подземным медным силовым кабелем того же поперечного сечения. Это обстоятельство имеет большое значение при прокладке кабелей в городских условиях, где пространство имеет высокую стоимость.

Другие области применения
Сверхпроводники второго поколения могут применяться в тех случаях, когда имеется высокая плотность мощности и ограниченная площадь под оборудованием. К некоторым из таких областей применения относятся высоковольтные силовые трансформаторы, моторы, генераторы, устройства хранения электроэнергии и ограничители аварийных токов. Способность сверхпроводников второго поколения работать в магнитных полях с высокой напряженностью открывает возможность создания сверхпроводящих магнитов для применения в фундаментальной науке и медицине, например, магниторезонансная томография или протонная терапия.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В компании SuperPower разработаны и будут производиться проводники второго поколения, обладающие сверхпроводимостью при высоких температурах и имеющие длины, необходимые для практического применения. Характеристики провода 2G HTS были существенно улучшены, особенно при высоких рабочих температурах, за счет подбора композиции (RE) BCO и оптимизации условий ее получения. По своим механическим свойствам провод SuperWire хорошо подходит для изготовления катушек, испытывающих большие напряжения. Возможности разнообразных областей применения провода 2G HTS расширяются благодаря тому, что этот проводник обеспечивает требуемые рабочие характеристики (плотность тока, масса, габариты) при повышенных температурах.

Перевод Святослава ЮРЬЕВА
Оригинал статьи опубликован в журнале Wire & Cable International, January 2010, p. 32-34.

Обсудить на форуме

Нужен кабель? Оформи заявку бесплатно