СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ МНОГОЖИЛЬНЫЙ ПРОВОД ДЛЯ ПЕРЕМЕННЫХ И ПОСТОЯННЫХ ТОКОВ
SUPERCONDUCTING MULTIPLE-CORE WIRE FOR DC AND AC

Изобретение относится к области электротехники, в частности к конструкции многожильных сверхпроводящих проводов для переменных и постоянных токов.
Известна конструкция плоского, замоноличенного многожильного сверхпроводящего провода, полученного методом однонавивной скрутки с формовкой. Транспонирование такого провода сводит к минимуму добавочные токи в матрице стабилизирующего материала провода (Adam В., Dickson J., Gregory E., «Advanced conductor configurations for large magnets», IEEE Transactions on Magneties, 1977, v. MAG-13, №1, p.458-462).
Недостатком указанной конструкции является наличие нескомпенсированного магнитного поля, создаваемого транспортными токами, протекающими в токонесущих сверхпроводящих элементах, что приводит к уменьшению величины этих токов, увеличению потерь на переменном токе, увеличению расхода электроэнергии и хладагента. Низкая токонесущая способность такого провода приводит к необходимости увеличивать количество таких проводов, соединять их параллельно для выполнения сверхпроводящих обмоток электромагнитных устройств или токонесущих элементов сверхпроводящих кабелей постоянного и переменного тока, что значительно усложняет и удорожает технологию их изготовления, приводит к деградации транспортных токов в этих устройствах вследствие механического воздействия на сверхпроводник.
Известен сверхпроводящий многожильный ленточный провод прямоугольного сечения для переменных и постоянных токов, содержащий матрицу из стабилизирующего материала, в которой размещены сверхпроводящие модули круглого сечения, установленные в один слой и примыкающие друг к другу, модули выполнены со сверхпроводящими жилами круглого сечения, размещенными внутри матрицы модуля, продольно с центральной осевой жилой и примыкающими к внутренней оболочке модуля, токонесущие сверхпроводящие элементы расположены равномерно по всему поперечному сечению жил в матрице жилы таким образом, что каждый отдельный сверхпроводящий токонесущий элемент находится в собственном магнитном поле, создаваемом током самого элемента, влияние внешних магнитных полей, создаваемых токами соседних токонесущих элементов, при этом практически равно нулю. Таким образом, каждая жила, каждый модуль и весь провод находятся в собственном магнитном поле, равном магнитному полю отдельного токонесущего элемента. Токонесущая способность сверхпроводящего провода максимальна, а потери, расход сверхпроводящего материала, хладагента минимальны (пат. РФ №2334293, БИ №26, 2008).
Тем не менее, в случае необходимости получения больших мощностей в сверхпроводящем электрооборудовании (например, сверхпроводящие кабели постоянного и переменного тока) пропускная способность такого однослойного провода окажется недостаточной, что потребует большого количества таких проводов, соединенных параллельно в пучки, жгуты и т.д., что усложняет технологию изготовления сверхпроводящего электрооборудования, снижает плотность тока в изготовленном таким способом многопроволочном комбинированном проводе, ухудшает его технико-экономические показатели и надежность.
Задачей настоящего изобретения является устранение этого недостатка, то есть увеличение токонесущей способности провода при прохождении постоянных и переменных токов при одновременном улучшении технико-экономических показателей за счет упрощения технологии изготовления провода и улучшения его надежности.
ж
м
Указанный технический результат достигается тем, что в сверхпроводящем многожильном проводе для переменных и постоянных токов, содержащем наружную изоляционную оболочку, матрицу из стабилизирующего материала с размещенными в ней сверхпроводящими модулями круглого сечения, примыкающими друг к другу, в матрице которых размещены сверхпроводящие жилы круглого сечения со сверхпроводящими токонесущими элементами, расположенные продольно с центральной осевой жилой и примыкающие к внутренней оболочке модуля, при этом диаметр модуля равен трем диаметрам сверхпроводящей жилы, отношение площади поперечного сечения жил S к площади поперечного сечения модуля S равно:
ж
п
а отношение площади поперечного сечения жил Э к площади поперечного сечения провода S равно:
и матрица сверхпроводящего провода содержит сверхпроводящие модули, выполненные в виде многослойной структуры и размещенные параллельными рядами. Сечение сверхпроводящего многожильного провода может быть выполнено квадратным. Число модулей в слое и число слоев в сечении сверхпроводящего провода определяется необходимой токонесущей способностью провода и мощностью сверхпроводящего электрооборудования (кабели, трансформаторы, токоограничители и т.д.), в котором предложенный провод должен быть использован.
На чертеже схематически изображен предложенный сверхпроводящий многожильный провод прямоугольного сечения с числом параллельных слоев (рядов) равным, например, трем и числом модулей в слое равным, например, пяти.
Сверхпроводящий многожильный провод для переменных и постоянных токов 1 с наружной изоляционной оболочкой 2 содержит в матрице 3 из стабилизирующего материала сверхпроводящие модули 4 круглого сечения, выполненные в виде многослойной структуры и размещенные параллельными рядами, и каждый из модулей 4 провода 1 включает в себя сверхпроводящие жилы 5, запрессованные в матрицу 6 модуля 4, при этом по всему поперечному сечению жил 5 в матрице 7 жилы 5 равномерно расположены сверхпроводящие токонесущие элементы 8.
При подключении источника электроэнергии к сверхпроводящему электрооборудованию, выполненному на основе предложенного многожильного сверхпроводящего провода 1, ток будет протекать по сверхпроводящим токонесущим элементам 8. При этом каждый сверхпроводящий токонесущий элемент 8, каждая жила 5, каждый модуль 4 и весь сверхпроводящий многожильный провод 1 будут находиться в собственном локализированном магнитном поле, равном магнитному полю отдельного сверхпроводящего токонесущего элемента 8. Токонесущая способность такого сверхпроводящего многожильного провода 1, сверхпроводниковые модули 4 которого выполнены в виде многослойной структуры и размещены параллельными рядами, максимальна, а потери, расход сверхпроводникового материала, хладагента минимальны. Плотность тока в предложенном проводе превышает аналогичную величину в многопроволочных комбинированных сверхпроводящих проводах.
Коэффициент заполнения СП провода СП жилами, равный отношению площади поперечного сечения СП жил к площади поперечного сечения СП провода, определяется следующим образом:
м
м
если число модулей, расположенных в ряд по длине поперечного сечения провода, равно, например, «а», а по ширине, соответственно, «в», тогда длина поперечного сечения провода 1 будет равна - d·a, ширина - d·в.
м
d - диаметр сверхпроводящего модуля.
Площадь поперечного сечения провода равна:
м
ж
ж
Учитывая, что диаметр модуля равен d=3d, где d - диаметр жилы, тогда площадь поперечного сечения провода 1 равна:
Площадь поперечного сечения одной жилы 5 равна:
Площадь поперечного сечения всех жил 5 одного модуля 4 равна:
Площадь поперечного сечения всех жил 5 провода 1 равна:
Тогда отношение площади поперечного сечения всех сверхпроводящих жил к площади поперечного сечения провода:
Данное соотношение является важнейшим параметром мощных сверхпроводящих многожильных проводов энергетического назначения и в совокупности со сверхпроводящими модулями, выполненными в виде многослойной структуры и размещенными параллельными рядами в матрице сверхпроводящего провода, позволяет получить высокоэффективный сверхпроводящий провод. Выполненные на этой основе сверхпроводящие многожильные провода будут обладать высокой токонесущей способностью (величины критических токов и плотность токов в них существенно увеличатся), что повысит мощность тех сверхпроводящих устройств, в которых они будут использованы. При этом технико-экономические показатели таких проводов улучшаются, т.к. уменьшается расход сверхпроводникового материала, электроэнергия, связанная с охлаждением проводов и т.д., увеличивается их надежность.
Предложенная конструкция сверхпроводящего многожильного провода для переменных и постоянных токов позволит существенно увеличить токонесущую, пропускную способность, мощность провода, упростит технологию изготовления многожильных сверхпроводящих проводов и энергетических устройств на их основе, улучшит технико-экономические показатели и надежность мощного сверхпроводящего электрооборудования. Число модулей в одном ряду и число рядов в таком многослойном многожильном проводе может быть увеличено до практически любого размера без опасности перевода такого провода из сверхпроводящего в нормальное состояние (аварийный режим).
При необходимости сечение такого многослойного многожильного сверхпроводящего провода может быть выполнено квадратным. Особое преимущество предложенного многослойного сверхпроводящего провода - упрощение технологии изготовления из него сверхпроводящих кабелей переменного и постоянного тока, так как в настоящее время такие кабели изготавливаются путем навивки на трубу (формер) однослойного ленточного провода с заданной величиной его изгиба, что является сложным технологическим процессом. Плотность тока в изготовленных таким способом кабелях снижается, так как при навивке сверхпроводящей ленты образуется межповивочное пространство, не заполненное током при работе кабеля. Сверхпроводящий, многожильный, многослойный провод прямоугольного или квадратного сечения позволит значительно упростить изготовление сверхпроводящих кабелей, увеличить плотность тока в них, удешевить технологию их изготовления, повысить надежность.
Предложенный сверхпроводящий, многожильный, многослойный провод прямоугольного или квадратного сечения 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 пропускную токонесущую способность, уменьшение потерь сверхпроводникового материала, хладагента, упрощение технологии изготовления, как самого провода, так и сверхпроводникового электрооборудования, в котором он будет использован, и повысит технико-экономические показатели и надежность этих систем.