СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ МНОГОЖИЛЬНЫЙ ЛЕНТОЧНЫЙ ПРОВОД ДЛЯ ПЕРЕМЕННЫХ И ПОСТОЯННЫХ ТОКОВ
SUPERCONDUCTING MULTI-CORED STRIP CONDUCTOR FOR ALTERNATING AND DIRECT CURRENT

Изобретение относится к области электротехники, в частности к конструкции многожильных сверхпроводящих ленточных проводов прямоугольного сечения для переменных и постоянных токов.
Известна конструкция сверхпроводящего плоского многожильного замоноличенного провода прямоугольного сечения, полученного методом одноповивной скрутки с формовкой. Матрица такого провода выполнена из стабилизирующего материала с высокой электрической проводимостью, имеет канал для прокачки хладагента, что способствует улучшению условий теплообмена. В сечении матрицы размещены сверхпроводящие токонесущие элементы прямоугольного сечения. Снаружи провод покрыт изолирующей оболочкой из непроводящего материала (Adam В., Dickson J., Gregary Е. «Advanced conductor configuration for large magnets», IEEE Transaction on Magnetics, 1977, v. MAG-13, №1, p.458-462).
Известен сверхпроводящий плоский ленточный обмоточный провод прямоугольного сечения, предназначенный для обмоток магнитных систем. Такой провод характеризуется большой степенью стабилизации вследствие более благоприятного отношения поверхности к объему, что улучшает условия его охлаждения. Сверхпроводящий ленточный провод выпускается комбинированным, однослойным или многослойным. Многослойный сверхпроводящий ленточный провод предназначен для увеличения пропускной способности СП электрооборудования при прохождении переменных и постоянных токов. В матрице комбинированного однослойного или многослойного ленточного провода, выполненной из стабилизирующего материала, размещены сверхпроводящие токонесущие элементы квадратного или прямоугольного сечения. Снаружи провод имеет изолирующую оболочку из непроводящего материала (Г.Г. Свалов, Д.И. Белый «Сверхпроводящие и криорезистивные обмоточные провода» М., Энергия, М. 1976, стр.96, 105).
Недостатком указанных сверхпроводящих многожильных ленточных проводов прямоугольного сечения является влияние магнитного поля рассеяния, создаваемого транспортными токами токонесущих сверхпроводящих элементов провода друг на друга. Вследствие этого, каждый сверхпроводящий токонесущий элемент в проводе находится как в собственном магнитном поле, создаваемом протекающим через него транспортным током, так и во внешнем магнитном поле, создаваемом токами соседних токонесущих элементов провода. Происходит снижение токонесущей способности всех сверхпроводящих элементов провода и всего провода в целом. Коэффициент заполнения сечения матрицы таких проводов сверхпроводящими токонесущими элементами достаточно высок, что помимо усиления электромагнитного влияния токонесущих элементов друг на друга, увеличивает расход сверхпроводникового материала и затраты, связанные с технологией изготовления таких проводов.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое техническое решение, заключается в устранении указанных недостатков, то есть в увеличении токонесущей способности и мощности сверхпроводящего провода, уменьшении потери энергии в нем при прохождении переменного тока, расхода электроэнергии и хладагента, упрощении технологии изготовления провода. Конструктивное выполнение сверхпроводящего многожильного ленточного провода прямоугольного сечения предполагает нахождение каждого сверхпроводящего токонесущего элемента провода и всего сверхпроводящего провода в слабом, собственном магнитном поле одного сверхпроводящего токонесущего элемента провода. Влияние магнитных полей всех токонесущих элементов провода друг на друга будет сведено практически к нулю. Коэффициент заполнения сечения матрицы провода сверхпроводящими токонесущими элементами, при этом будет сведен к минимуму.
т.э.
т.э.
т.э.
т.э.
Указанный технический результат достигается тем, что в сверхпроводящем многожильном ленточном проводе прямоугольного сечения для переменных и постоянных токов, содержащем матрицу из стабилизирующего материала, сверхпроводящие токонесущие элементы, расположенные в матрице, и наружную изоляционную оболочку, в матрице сверхпроводящего провода размещены продольно в одной плоскости сверхпроводящие токонесущие элементы круглого сечения, при этом ширина ленточного провода определяется из соотношения в=Nπd, а расстояние между продольными осями соседних токонесущих элементов равно , где d - диаметр сверхпроводящего токонесущего элемента, N - число сверхпроводящих токонесущих элементов провода.
На чертеже схематически изображено сечение предложенного сверхпроводящего многожильного ленточного провода прямоугольного сечения со сверхпроводящими токонесущими элементами.
Сверхпроводящий многожильный ленточный провод 1 прямоугольного сечения с наружной изоляционной оболочкой 2 содержит в матрице 3 из стабилизирующего материала сверхпроводящие токонесущие элементы 4 круглого сечения, размещенные в одной плоскости.
Сверхпроводящие токонесущие элементы 4 расположены по ширине сверхпроводящего ленточного провода 1 на расстоянии между продольными осями соседних токонесущих элементов 4 таким образом, что каждый токонесущий элемент 4 находится в собственном локализированном в его окрестности магнитном поле, создаваемом протекающем через него транспортным током.
Такое расположение сверхпроводящих токонесущих элементов 4 провода 1 сводит к минимуму влияние магнитного поля токонесущих элементов 4 друг на друга и позволяет каждому токонесущему элементу 4 и всему проводу 1 находиться в собственном магнитном поле, равном магнитному полю одного токонесущего элемента.
Общее количество сверхпроводящих токонесущих элементов 4 в проводе 1 равно:
,
где в - ширина сверхпроводящего многожильного ленточного провода 1;
а - расстояние между продольными осями соседних токонесущих элементов 4.
Ток, протекающий через сверхпроводящий многожильный ленточный провод 1, определяется из соотношения:
,
0
где: µ - магнитная постоянная;
пр
В - магнитная индукция провода 1.
Магнитная индукция сверхпроводящего многожильного ленточного провода 1 равна:
.
Ток, протекающий через сверхпроводящие токонесущие элементы 4 круглого сечения равен:
Магнитная индукция одного токонесущего сверхпроводящего элемента 4 провода 1 равна:
Приравнивая магнитные индукции провода 1 и токонесущего элемента 4, получим:
,
пр
т.э.
т.э.
Учитывая, что I=IN,
то получим:
т.э.
т.э.
в=Nπd.
Т.е. при равенстве магнитных индукций токонесущего сверхпроводящего элемента 4 и провода 1, получим ширину сверхпроводящего многожильного ленточного провода 1, в котором все токонесущие сверхпроводящие элементы 4 и весь провод 1 находятся в тех же магнитных условиях, что и при одном сверхпроводящем токонесущем элементе 4. При этом токонесущая способность провода 1 максимальна, а потери на переменном токе в нем минимальны.
При заданных величинах ширины провода 1, диаметре сверхпроводящих элементов 4 и их количестве в многожильном ленточном проводе можно получить необходимые значения амплитуды транспортного тока, протекающего через предложенный сверхпроводящий провод. Для увеличения пропускной способности сверхпроводящего многожильного ленточного провода и увеличения мощности сверхпроводящего электрооборудования, в котором этот провод может быть использован, необходимо увеличить диаметр сверхпроводящих токонесущих элементов, их количество и тем самым ширину сверхпроводящего провода.
Предложенный сверхпроводящий многожильный ленточный провод для переменного и постоянного тока с локализированным магнитным полем предназначен для использования в электрических и электромагнитных сверхпроводящих системах переменного и постоянного тока энергетического назначения (кабели, трансформаторы, силовые обмотки электрических машин и т.д.). Он обеспечит большую токонесущую способность, уменьшение потерь, уменьшение хладагента, упрощение технологии изготовления сверхпроводящего провода, повысит технико-экономические показатели и надежность сверхпроводникового энергетического оборудования.