СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ СИЛОВОЙ КАБЕЛЬ

Полезная модель относится к кабельной технике, а именно к конструкциям сверхпроводящих силовых кабелей, предназначенных для передачи и распределения электрической энергии.
Известен сверхпроводящий силовой кабель, содержащий центральный несущий элемент (формер), выполненный в виде образующей центральный канал для охлаждения спирали из немагнитного материала, поверх которой расположены скрутки из стренг медной проволоки и обмотка из медной фольги, сверхпроводящие токонесущие элементы, выполненные в виде повивов сверхпроводящих (СП) лент, шунтирующие повивы, изоляция и криогенная оболочка, (патент РФ на полезную модель №68763, 2007 г.).
Известный сверхпроводящий кабель имеет следующий недостаток - недостаточно малый допустимый диаметр изгиба кабеля, требуемый при изготовлении, прокладке и работе кабельной линии. Без обеспечения достаточной гибкости СП кабеля практически невозможно соблюсти технологию изготовления СП кабеля и его элементов, произвести необходимые транспортные операции, выполнить монтаж СП кабеля в месте его установки. Для обеспечения приемлемой гибкости при конструировании СП кабелей на данный момент применяют такие решения, как уменьшение шага СП повива и плотности скрутки элементов кабеля, приводящие к повышенному расходу дорогостоящего СП материала и увеличению уровня потерь в СП кабеле. Сверхпроводящие материалы, используемые ныне в СП силовых кабелях, выпускаются в виде тонких лент. Сверхпроводящие токонесущие элементы формируются вокруг формера и представляют собой один или несколько повивов из СП лент, уложенных с небольшим зазором вокруг формера. В ряде СП кабелей присутствует множество слоев, сформированных повивами СП лент, шунтирующих и упрочняющих слоев, различной изоляции.
Сверхпроводящие ленты изготавливаются на основе высокотемпературной керамики, являются хрупкими материалами и при их изгибе или растяжении наблюдается значительная деградация их свойств. Типичные допустимые значения относительной деформации материала СП лент находятся в пределах [ε]=0.002-0.004. Конструкция типичного СП кабеля, имеющая жесткую (неэластичную) основу и плотно закрепленные СП ленты имеет допустимый радиус изгиба более 10 метров. Это означает, что кабель практически не является гибким. Незначительные изгибы такого кабеля приводят к возникновению недопустимо больших механических напряжений в СП лентах и к потере кабелем сверхпроводящих свойств. Подобный радиус изгиба делает подобный кабель технологически чрезвычайно сложным в изготовлении и при прокладке.
Решаемая задача состояла в разработке такой конструкции СП кабеля, которая позволяла бы сохранить СП лентам в кабеле СП свойства при приемлемых радиусах изгиба кабеля.
Технический результат заключается в повышении гибкости кабеля без возникновения деградации его СП свойств, т.е. в повышении надежности кабеля (улучшение его рабочих характеристик).
Технический результат достигается тем, что сверхпроводящий силовой кабель, содержащий центральный несущий элемент и, по крайней мере, один повив сверхпроводящих токонесущих лент, снабжен слоем из эластичного материала с низким модулем упругости.
Слоем из эластичного материала с низким модулем упругости может быть изоляционный слой, который может быть выполнен из полупроводящей и изоляционной крепированной бумаги.
Подобная конструкция СП кабеля, по сравнению с конструкцией без использования эластичных элементов, имеет уменьшенный допустимый радиус изгиба. При изгибе такого кабеля происходит деформация эластичных элементов, что снижает деформацию СП лент и обеспечивает сохранность их СП свойств.
Использование заявленной конструкции делает технологически приемлемым изготовление СП кабеля на основе стандартного кабельного оборудования, его транспортировку и монтаж в существующих кабельных каналах, что вполне технологично и значительно его удешевляет. Данное решение позволяет конструировать кабели с повышенным шагом скрутки, что приводит к экономии дорогостоящего СП материала и пониженным потерям в СП кабеле.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором изображен триаксиальный СП кабель с эластичной изоляцией.
Сверхпроводящий силовой кабель содержит трубчатый формер 1 из немагнитного материала, сверхпроводящие токонесущие слои 2 из повивов СП лент, эластичную изоляцию 3 из слоев полупроводящей и изоляционной крепированной бумаги и экран из медных лент 4.
При изготовлении кабеля применяются промышленно выпускаемые материалы.
Сверхпроводящие материалы широко используются в производстве данного типа кабелей. Они представляют собой, в частности, ленты с волокнами из материала на основе висмута в матрице из серебра или его сплавов, или длинномерный ленточный материал с покрытием из высокотемпературного сверхпроводника.
Технология изготовления кабеля сводится к следующему.
В качестве формера 1 используется гофрированная труба из нержавеющей стали, либо формер изготавливается намоткой на навивочной машине несущей спирали. При необходимости, для соответствия необходимым требованиям, на формер накладываются слои различных проводящих и/или изоляционных материалов.
Сверхпроводящие повивы 2 укладываются на формер с шагами и направлениями скрутки, рассчитанными так, чтобы обеспечить минимальные радиусы изгиба СП лент при изготовлении и прокладке. Заданное число кассет с нужным количеством сверхпроводящей ленты размещаются на «фонаре» крутильной машины. Подготовленный формер протягивается через центральную часть крутильной машины, фонарь крутится вокруг формера, ленты подаются через направляющие на формер. Скорость движения формера и скорость вращения фонаря согласованны так, чтобы обеспечить заданный угол и направление скрутки. Каждый повив может обматываться тонкой металлической или изоляционной лентой обмотчиком на крутильной машине для дополнительной фиксации от смещения. При необходимости СП повивы шунтируются повивами из проводящих материалов.
Эластичная электрическая изоляция из крепированной бумаги 3 накладывается на стандартных машинах для укладки изоляции и представляет собой намотку изолирующего ленточного материала и материала для выравнивания электрического поля.
Экран 4 формируется подобно укладке сверхпроводящих повивов из заданного материала, вместо сверхпроводящих лент.
Работает кабель следующим образом.
Для криостатирования до рабочей температуры кабель помещается в криогенную оболочку. С помощью системы криогенного обеспечения через криогенные кабельные муфты через кабель прокачивается криоагент, например, жидкий азот или водород, (осуществляется его циркуляция). Далее кабель подключается через криогенные токовые муфты к электрической сети и функционирует, как и обычный электрический кабель.