RU123213U1 - Многожильный сверхпроводящий кабель - Google Patents

Abstract

1. Сверхпроводящий кабель, содержащий выполненные из однотипного сверхпроводящего материала и коаксиально расположенные наружную, центральную, первую, вторую и третью внутренние жилы с кольцевыми сечениями, внешние радиусы R, R, R, Rи Rкоторых удовлетворяют соотношениям:R/R=2,8-0,8γ;R/R=2,65-0,75γ;R/R=2,2-0,55γ;R/R=1,7 -0,3γ,при этом соседние жилы кабеля предназначены для протекания встречных токов, а γ задается в пределах от 0 до 1 электромагнитными свойствами материала жил.2. Кабель по п.1, отличающийся тем, что значение γ уточнено путем аппроксимации характеристики j(B) материала жил зависимостью,где j- средняя плотность критического тока в материале жил; В - индукция магнитного поля; α - критерий лоренцевой силы высокотемпературного сверхпроводника, на основе которого выполнен материал жил.

Description

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, сверхпроводящий кабель, состоящий из 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, определяющая токонесущую способность кабеля, оказывается заниженной.

Кроме того, конструкция прототипа такова, что максимальное (по сечению кабеля) значение индукции B_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 сверхпроводящий кабель, содержащий выполненные из однотипного сверхпроводящего материала и коаксиально расположенные наружную, центральную, первую, вторую и третью внутренние жилы с кольцевыми сечениями, внешние радиусы R_н,. R_ц, R_в1, R_в2 и R_в3 которых удовлетворяют соотношениям:

R_н/R_ц=2,8-0,8γ;

R_в3/R_ц=2,65-0,75γ;

R_в2/R_ц=2,2-0,55γ;

R_в1/R_ц=1,7 -0,3γ,

при этом соседние жилы кабеля предназначены для протекания встречных токов, а γ задается в пределах от 0 до 1 электромагнитными свойствами материала жил.

Это позволяет получить указанный выше технический результат.

Развитие полезной модели предусматривает, что значение γ 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, α - 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, первая внутренняя 3, вторая внутренняя 4 и третья внутренняя 5 жилы кабеля, имеющие кольцевые сечения. Жилы 1, 2, 3, 4 и 5 выполнены из однотипного материала на основе высокотемпературного сверхпроводника (ВТСП) и коаксиально расположены относительно друг друга.

Материала 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, 2 и 4 протекают токи I₁, I₂ и I₄ прямого направления, а по жилам 3 и 5 ток I₃ и I₅ обратного направления.

Внешние радиусы R_н, R_ц, R_в1, R_в2 и R_в3 удовлетворяют соотношениям:

где γ задается в пределах от 0 до 1 электромагнитными свойствами материала 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:I₃:I₄:I₅=1:1:2:2:2.

Это, в свою очередь, позволяет за счет взаимной компенсации магнитных полей отдельных жил уменьшить максимальную величину индукции магнитного поля В_max (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 γ может быть произведено путем аппроксимации характеристики j_c(B) материала жил зависимостью

где j_с - средняя плотность критического тока в материале жил, В - индукция магнитного поля, α - 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 (5) представляет собой модель критического состояния для сверхпроводника [2].

Величина γ в выражении (5) подбирается такой, чтобы соответствующая кривая максимально приближалась (например, в среднеквадратичном смысле) к реальной зависимости j_с(B), приведенной в паспортных данных материала жил или снятой экспериментально.

При конструировании и изготовлении кабеля площадь (и, следовательно, радиус R_ц) сечения центральной жилы определяется требуемой величиной тока I₂. Размеры остальных жил определяются соотношениями (1), (2), (3) и (4).

Распределение магнитного поля по сечению кабеля предлагаемой конструкции, приведенное на фиг.2, показывает, что значение индукции на внешней границе сечения кабеля близко к нулю, а максимальная величина индукции магнитного поля В_mах определяется не всем током одного направления (как в прототипе), а только током центральной жилы.

Источники информации

[I] 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, В.Н.Шахтарин. «Электрофизические проблемы использования сверхпроводимости». Наука, 1980 г.

Claims (2)

1. Сверхпроводящий кабель, содержащий выполненные из однотипного сверхпроводящего материала и коаксиально расположенные наружную, центральную, первую, вторую и третью внутренние жилы с кольцевыми сечениями, внешние радиусы R_н, R_ц, R_в1, R_в2 и R_в3 которых удовлетворяют соотношениям:

R_н/R_ц=2,8-0,8γ;

R_в3/R_ц=2,65-0,75γ;

R_в2/R_ц=2,2-0,55γ;

R_в1/R_ц=1,7 -0,3γ,

при этом соседние жилы кабеля предназначены для протекания встречных токов, а γ задается в пределах от 0 до 1 электромагнитными свойствами материала жил.

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

,

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