Особенности применения сверхпроводящих кабелей

Page 1
background image

Page 2
background image

«КАБЕЛЬ-news», № 1, 2011, www.kabel-news.ru

36

Тема номера

ÑÂÅÐÕÏÐÎÂÎÄÈÌÎÑÒÜ

С

верхпроводящие магни-
ты/системы имеют ряд 
преимуществ — малые 
площади для установки 

и более высокие плотности мощ-
ности, что дает разработчикам 
большую свободу при принятии 
необходимых решений. 

Доступность высококачест-

венных сверхпроводящих мате-
риалов способствовала разра-
ботке сверхпроводящих магни-
тов с высокой напряженностью 
поля. Такие магниты, как пра-
вило, изготавливались на осно-
ве низкотемпературных сверх-
проводников (LTS), в основном 
NbTi и Nb3Sn. Системы на базе 
LTS работают при крайне низких 
температурах (-269

o

С), которые 

обеспечиваются жидким гели-
ем или менее эффективным пря-
мым охлаждением. Альтернати-
вой LTS является использование 
материалов, обладающих сверх-
проводимостью при высоких тем-
пературах (HTS). При этом суще-
ственно снижаются требования 
к системе охлаждения, обеспе-
чивающей необходимые плотно-
сти тока. Кроме того, проводни-
ки HTS имеют меньшие потери 
на переменном токе и облада-
ют большей тепловой стабильно-

стью по сравнению с проводника-
ми LTS. 

Доступность высокотемпера-

турных сверхпроводников второ-
го поколения (2G HTS) на базе 
редкоземельного соединения ба-
рия с окислом меди [(RE)BCO] 
позволяет рассматривать при-
менение магнитов и кабелей для 
различных областей. Высокое 
значение критических плотности 
тока и напряженности поля про-
водников обеспечивает возмож-
ность существенного улучше-
ния общих характеристик совре-
менных сверхпроводящих магни-
тов, в которых используются про-
водники LTS и первое поколение 
проводников HTS.

В настоящее время изготовле-

ние высококачественных провод-
ников 2G HTS находится в стадии 
разработки. В течение послед-
них нескольких лет технологии из-
готовления материалов 2G HTS 
весьма быстро прогрессировали, 
что привело к существенным до-
стижениям в повышении величин 
критического тока, длины провод-
ника (больше километра) и тре-
буемых характеристик магнитно-
го поля. При этом увеличивалась 
производительность и снижалась 
стоимость производства. 

 ПРОВОД 2G HTS ДЛЯ 

ПРИМЕНЕНИЯ В МАГНИТАХ

Целесообразность использо-

вания сверхпроводящего про-
водника в магнитах определена 
возможностью передачи по нему 
больших электрических токов 
(работа при высоких плотностях 
тока) и его специфическими ме-
ханическими свойствами, позво-
ляющими избежать проблем с ме-
ханическими перенапряжениями, 
возникающими при изготовлении, 
охлаждении и эксплуатации. 

Структура провода 2G HTS 

типа SuperPower®

Типовая структура провода 

второго поколения, обладающе-
го сверхпроводимостью при вы-
сокой температуре, изготавли-
ваемого компанией SuperPower 
Inc., показана на рис. 1. Подложка 
здесь выполняет две функции — 
она является механической осно-
вой всей структуры, и на нее на-
носятся верхние слои. Типовая 
конструкция провода: подлож-
ка из Hastelloy® C276 толщиной 
50 мкм, буферный слой 

0,2 мкм, 

слой HTS — около 1 мкм, слой се-
ребра толщиной 1 мкм и внешние 
слои (стабилизатор) из меди тол-
щиной 40 мкм.

Особенности применения 
сверхпроводящих 
кабелей

Применение сверхпроводящих магнитов и кабелей позволило создать инно-
вационные технологии, открыло новые возможности для достижений в об-
ласти физики твердого тела, биологии, химии, материаловедения, транспор-
та, магнитного резонанса, ускорения частиц, коллайдеров, оборудования для 
сварки, получения и использования энергии. 

Дрю У. Хэзелтон, главный инженер,

 Ю-Хуань Хи, SuperPower Inc.


Page 3
background image

«КАБЕЛЬ-news», № 1, 2011, www.kabel-news.ru

37

Тема номера

ÑÂÅÐÕÏÐÎÂÎÄÈÌÎÑÒÜ

Подложка из сплава на осно-

ве никеля (обычно это Hastelloy® 
C276) имеет толщину 50 или 100 
мкм, достаточную для того, что-
бы обеспечить передачу в за-
конченной конструкции рабо-
чих токов с высокой плотностью 
(Je), что является принципиаль-
но важным требованием при ис-
пользовании сверхпроводников 
в магнитах. Подложка подверга-
ется электромеханической поли-
ровке (ЕР) для обеспечения ше-
роховатости поверхности не бо-
лее 2 нм. При этом поверхность 
подложки оказывается достаточ-
но гладкой для нанесения мето-
дом ионного осаждения следую-
щего, буферного слоя, структуры 
из окиси магния, который рабо-
тает как диффузионный барьер, 
обеспечивая согласование слоев 
структуры и являясь основой для 
выращивания тонкого слоя токо-
проводящего высокотемператур-
ного сверхпроводника. Для выра-
щивания сверхпроводящего слоя 
из YBCO используется метод хи-
мического осаждения (рис. 2) из 
газовой фазы металлоорганиче-
ских соединений (MOCVD).

К достоинствам метода 

MOCVD относят высокую ско-
рость осаждения — 0,7 мкм/мин 
и возможность осаждения на по-
верхность большой площади, что 
обеспечивает высокую произво-
дительность технологического 
процесса. Слой из сверхпроводя-
щего материала YBCO покрыва-
ется тонким слоем серебра для 
хорошего электрического кон-
такта. Стабилизация проводни-
ка обеспечивается электролити-

ческим покрытием всей конструк-
ции слоями меди.

Использование этого процесса 

позволяет изготавливать мульти-
проводниковые структуры. Стан-
дартный  провод SuperPower на 
основе высокотемпературного 
сверхпроводника второго поко-
ления типа SCS 4050 имеет ши-
рину 4 мм. В его конструкцию 
входит подложка 50 мкм, буфер-
ный слой толщиной около 2 мкм, 
слой YBCO толщиной приблизи-
тельно 1 мкм, слой серебра тол-
щиной 2 мкм и внешний медный 
стабилизатор (SCS) общей тол-
щиной 40 мкм. 

Токопроводящая 

способность 

сверхпроводника 2G HTS

Возможность передавать боль-

шие токи при рабочих температу-
рах является основной причиной 
использования сверхпроводящих 
проводов в магнитах. Токопрово-
дящая способность провода ха-
рактеризуется зависимостью кри-
тического тока (Ic) от рабочей 
температуры (Т) и уровня магнит-
ного поля (В), в котором работает 
обмотка, то есть Ic (B,T).

 Начальное значение критиче-

ского тока для этого провода при 
температуре 77К в собственном 
поле равно 100 А. Высокая токо-
проводящая способность сверх-
проводника второго поколения 
SCS компании SuperPower в со-

 Рис. 1. Структура  

провода 2G HTS компании 

SuperPower®

медь

серебро

HTS

буфер

подложка

медь

 Рис. 2. Камера MOCVD, 

используемая для нанесения 

слоя материала 2G HTS 

на буферную подложку

четании с небольшой площадью 
поперечного сечения позволяет 
использовать его при больших 
плотностях тока Ic, соизмеримых 
со значениями этого показателя 
для проводов других производи-
телей. 

Механические свойства 

провода 2G HTS

Для обеспечения нормальной 

работоспособности в течение все-
го времени эксплуатации провод 
2G HTS должен сохранять свою 
токопроводящую 

способность 

при изготовлении из него обмот-
ки магнита, при тепловых и меха-
нических нагрузках во время про-
изводства и нормальной рабо-
ты. К достоинствам провода 2G 
HTS компании SuperPower отно-
сится наличие в нем структурно-
го элемента — подложки из спла-
ва Hastelloy

® 

C276, что исключает 

необходимость в дополнительном 
внешнем механическом упрочне-
нии и дает возможность исполь-
зовать провод при высоких плот-
ностях тока. 

Проведенные недавно изме-

рения усилий растяжения-сжатия 
показали, что напряжения при 
растяжении провода вплоть до 
уровня 700 МПа являются допу-
стимыми и только при более вы-
соких напряжениях может на-
ступить необратимая деграда-
ция — по величине критическо-
го тока. Кроме того, испытания 
на осевую нагрузку (минималь-
ная нагрузка/максимальная на-
грузка = 0,1) при ее различных 
уровнях проводились циклами до 
100 тысяч раз. Результаты испы-
таний показали, что практически 
для всех важных случаев провод 
2G HTS имел усталостную проч-
ность, сравнимую с предельной 
нагрузкой на ленту, при которой 
наступало необратимое ухудше-
ние характеристик. Такая высо-
кая прочность имеет существен-
ное значение, когда рассматри-
ваются реальные нагрузки (те-
пловые, механические, магнит-
ные), имеющие место при эксплу-


Page 4
background image

«КАБЕЛЬ-news», № 1, 2011, www.kabel-news.ru

38

атации. Преимущества использо-
вания такого провода при боль-
ших напряжениях наглядно про-
демонстрированы на рис. 3, где 
сравниваются условия приме-
нения различных проводов, об-
ладающих сверхпроводимостью 
при низких (LTS) и высоких (HTS) 
температурах.

Тепловые напряжения возни-

кают в структуре обмотки при ее 
охлаждении, а также при темпе-
ратурных перепадах, которые мо-
гут возникать в аварийных ситуа-
циях и других нештатных случаях.

Дополнительные факторы, 

которые важны при 

использовании провода 2G HTS 

в обмотках магнитов

В большинстве случаев требу-

ются длинные провода для умень-
шения количества соединений их 
отрезков, из которых изготавли-
ваются обмотки. Провода из ма-
териала 2G HTS производятся не-
прерывной длины до 1300 м. От-
резки проводов длиной несколько 
сотен метров, как правило, обла-
дают в высокой степени идентич-
ными характеристиками Ic.

Применение провода 2G HTS 

Из провода 2G HTS были из-

готовлены разнообразные катуш-
ки для демонстрационных целей. 
Одна из них, витки которой испы-
тывали в процессе работы силь-
ные механические напряжения, 
предназначалась для создания 
мощных магнитных полей. Эта ка-
тушка в виде плоского соленои-
да была изготовлена из стандарт-
ного провода SCS 4050 шириной 
4 мм и длиной приблизительно 
460 м. Фотография магнита, где 
использована эта катушка, пред-
ставлена на рис. 6. 

Рис. 3. Сравнение областей 

допустимых значений 

рабочих параметров «нагруз-

ка — деформация» для сверх-

проводников LTS и HTS 

при температуре 4,2 К

удлинение, %

нагрузка, МПа

SP 2G HTS – большой ток Je

Высокопрочный 1G HTS – 

средние значения Je

Je Nb

3

Sn –

 сред. знач. Je

Низкая прочность – 

1G HTS – сред. знач.

 Рис. 4. Секция кабеля Рёбеля, 

изготовленная в KIT c исполь-

зованием провода SP 2G HTS

Для уменьшения потерь при 

соединении отрезков проводов в 
обмотках, изготовленных из ма-
териала 2G HTS, может быть ис-
пользована конструкция кабеля, 
предложенная Рёбелем (Roebel). 
Эта конструкция позволяет ра-
ботать при повышенных рабочих 
токах, уменьшать индуктивность 
обмотки и обеспечить необхо-
димые снижения потерь в про-
воде на переменном токе. При-
мер кабеля конструкции Рёбе-
ля, изготовленного из провода 
SuperPower 2G HTS в Институ-
те технологии (KIT) г. Карлсруэ, 
представлен на рис. 4.

Секция кабеля Рёбеля обла-

дает передаточными свойства-
ми, необходимыми для снижения 
составляющей потерь при соеди-
нении отрезков проводов в вели-
чине общих потерь на перемен-
ном токе. Полная ширина кабе-
ля — 12 мм. 

Изоляция обмоток является 

крайне важным компонентом в 
конструкции магнита. Одним из 
способов обеспечения необходи-
мой изоляции стала одновремен-
ная мокрая намотка изоляции и 
провода в процессе изготовления 
магнита с использованием жид-
кой эпоксидной смолы в вакууме.

Для больших катушек, в осо-

бенности если они могут подвер-
гаться воздействию полей пере-
менного тока, рекомендуется ва-
куумная пропитка обмоток эпок-
сидной смолой. Для облегчения 
процесса изготовления обмотки 
предпочтительно использовать 
провод с готовой изоляцией. Од-
ним из возможных вариантов яв-
ляется провод 2G HTS с нанесен-
ной на него высококачественной 
изоляцией, например, из полии-
мида. 

В качестве примера на рис. 5 

показана лента шириной 4 мм с 
нанесенной на нее полиимидной 
изоляцией. Этот провод может 
быть использован для изготовле-
ния обмотки сухим способом с по-
следующей вакуумной пропиткой 
эпоксидной смолой.

Рис. 5. Бобина провода 2G HTS 

шириной 4 мм с наложенной  

полиимидной изоляцией 

толщиной 25 мкм

Рис. 6. Катушка для создания 

мощных магнитных 

полей, изготовленная в компа-

нии SuperPower из стандартно-

го провода 2G HTS 

типа SCS 4050

 При температуре 4,2 К ка-

тушка генерировала собствен-
ное поле 9,8 Т, а при воздействии 
фонового поля 19 Т центральное 
поле имело напряженность 26,6 Т.

Тема номера

ÑÂÅÐÕÏÐÎÂÎÄÈÌÎÑÒÜ


Page 5
background image

«КАБЕЛЬ-news», № 1, 2011, www.kabel-news.ru

39

Для обеспечения дополнитель-

ной прочности катушки использо-
валась внешняя обмотка из про-
волоки, изготовленной из нержа-
веющей стали. Магнит прошел 
тестирование в Национальной 
лаборатории сильных магнитных 
полей в университете штата Фло-
рида в испытательном магните 
Биттера (20 МВт, 20 Т). 

При температуре 4,2 К в ка-

тушке создавалось собствен-
ное поле напряженностью 9,81 Т 
при критическом значении тока 
221 А. При аксиальном фоно-
вом поле 19 Т в катушке создава-
лось дополнительное поле напря-
женностью 7,8 Т, при этом напря-
женность центрального поля со-
ставляла 26,8 Т. Пиковое значе-
ние механического напряжения 
в катушке составило примерно 
215 МПа, что не выходило за до-
пустимый для провода 2G HTS 
предел — примерно 700 МПа. 

 Демонстрация подземных 

кабельных линий

Одним из наиболее перспек-

тивных направлений применения 
проводов 2G HTS в будущем счи-
тается создание мощных подзем-
ных линий электропередачи для 
электроэнергетики. Министер-
ство энергетики США совместно 
с агентством по исследованиям 
и разработкам в области энерге-
тики штата Нью-Йорк (NYSERDA) 
опубликовало программу демон-
страции сверхпроводящего HTS-
кабеля в качестве линии электро-
передачи между двумя подстан-
циями в сети компании National 
Grid в г. Олбани, штат Нью-Йорк, 
США. Почти 10 км провода HTS 
второго поколения для этой рабо-
ты поставил японский партнер — 
Sumitomo Electric Industries. Этот 
провод был использован для из-
готовления 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 второ-
го поколения, была вмонтирова-

на в демонстрационную кабель-
ную линию со сверхпроводящим 
проводом первого поколения. 
В течение всего демонстрацион-
ного периода в линии не было 
выявлено никаких дефектов. 
Основной отличительной особен-
ностью силового HTS-кабеля яв-
ляется его способность переда-
вать мощность, в три — пять раз 
превышающую этот показатель 
по сравнению с обычным под-
земным медным силовым кабе-
лем того же поперечного сече-
ния. Это обстоятельство имеет 
большое значение при проклад-
ке кабелей в городских условиях, 
где пространство имеет высокую 
стоимость.

 Другие области 

применения

Сверхпроводники второго по-

коления могут применяться в тех 
случаях, когда имеется высокая 
плотность мощности и ограни-
ченная площадь под оборудова-
нием. К некоторым из таких об-
ластей применения относятся 
высоковольтные силовые транс-
форматоры, моторы, генерато-
ры, устройства хранения электро-
энергии и ограничители аварий-
ных токов. Способность сверх-
проводников второго поколения 
работать в магнитных полях с вы-
сокой напряженностью открыва-
ет возможность создания сверх-

проводящих магнитов для при-
менения в фундаментальной нау-
ке и медицине, например, магни-
торезонансная томография или 
протонная терапия.

 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 

В компании SuperPower раз-

работаны и будут производить-
ся проводники второго поколе-
ния, обладающие сверхпроводи-
мостью при высоких температу-
рах и имеющие длины, необходи-
мые для практического примене-
ния. Характеристики провода 2G 
HTS были существенно улучше-
ны, особенно при высоких рабо-
чих температурах, за счет подбо-
ра композиции (RE) BCO и опти-
мизации условий ее получения.

По своим механическим свой-

ствам провод SuperWire хорошо 
подходит для изготовления ка-
тушек, испытывающих большие 
напряжения. Возможности раз-
нообразных областей примене-
ния провода 2G HTS расширяют-
ся благодаря тому, что этот про-
водник обеспечивает требуемые 
рабочие характеристики (плот-
ность тока, масса, габариты) при 
повышенных температурах.

Перевод Святослава ЮРЬЕВА
Оригинал статьи опубли-

кован в журнале Wire & Cable 
International, January 2010, p. 32—
34.

Рис. 7. Секция трехфазного кабеля, изготовленного компанией 

Sumitomo Electric Industries с использованием провода 

2G HTS компании SuperPower

Тема номера

ÑÂÅÐÕÏÐÎÂÎÄÈÌÎÑÒÜ

Двойной гофрированный 

криостат, изготовленный 

из нержавеющей стали 

Электрическая изоляция 

(PPLP + жидкий азот)

Сердечник, скру-

ченный из медных 

проводов

Медный экран

Сверхпровод-

ник (3 слоя)

Сверхпроводящий 

экран (2 слоя)


Читать онлайн

Применение сверхпроводящих магнитов и кабелей позволило создать инновационные технологии, открыло новые возможности для достижений в области физики твердого тела, биологии, химии, материаловедения, транспорта, магнитного резонанса, ускорения частиц, коллайдеров, оборудования для сварки, получения и использования энергии.

Поделиться:

«ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение»