УСТРОЙСТВО, ПО МЕНЬШЕЙ МЕРЕ, С ОДНИМ СВЕРХПРОВОДЯЩИМ КАБЕЛЕМ
DEVICE WITH SUPERCONDUCTIVE CABLE

Изобретение относится к устройству, по меньшей мере, с одним сверхпроводящим кабелем и окружающим его первым криостатом для пропускания первого хладагента, который состоит из расположенных коаксиально и на расстоянии друг от друга двух металлических трубок, между которыми заключена теплоизоляция, и который по всей своей длине содержит полость, в которой расположен кабель и по которой при эксплуатации устройства проходит первый хладагент, при этом в качестве первого хладагента используется жидкий или газообразный хладагент, охлажденный до температуры 39 К или меньше, и при этом вокруг первого криостата отформован коаксиально и на расстоянии от него второй криостат для проведения второго хладагента, который также состоит из расположенных коаксиально и на расстоянии друг от друга двух металлических трубок, между которыми заключена тепловая изоляция, и по которому во время эксплуатации устройства пропускается сжиженный газ с температурой 112 К или меньше.
Такое устройство известно, например, из DE 1948520 A1.
Сверхпроводящий кабель имеет электрические проводники из материала, который при достаточно низких температурах переходит в сверхпроводящее состояние. Электрическое сопротивление постоянному току соответствующим образом выполненного проводника при достаточном охлаждении равно нулю, пока не превышена определенная сила тока, то есть критическая сила тока. Подходящими материалами являются, например, оксидные материалы на основе редкоземельных элементов (ReBCO), в частности YBCO (оксид иттрия-бария-меди) или BSCCO (оксид висмута-стронция-кальция-меди). Достаточно низкие температуры, которые позволяют привести такой материал в сверхпроводящее состояние, находятся, например, в диапазоне от 67 К до 110 К. Подходящими хладагентами являются, например, азот, гелий, неон и водород или смеси этих веществ. Поскольку приведенные температуры явно превышают точку абсолютного нуля (-273,16°C = 0 К), то проводники из соответствующих материалов обозначаются как высокотемпературные сверхпроводники (HTS-Leiter). Это относится также к другим сверхпроводящим материалам таким, например, как диборид магния, которые при температурах, равных примерно 39 К или ниже, также явно превышающих 0 К, переходят в сверхпроводящее состояние.
Из ЕР 2234122 В1 известно устройство, в котором сверхпроводящий кабель расположен в криостате. Криостат состоит из расположенных концентрически и на расстоянии друг от друга двух металлических трубок, между которыми заключена теплоизоляция, выполненная как вакуумная изоляция. В качестве сверхпроводящих материалов используются уже упомянутые оксидные материалы на основе редкоземельных элементов. Для охлаждения кабеля применяют, например, жидкий азот, который с обычным вакуум-изолированным криостатом может работать в течение длительного промежутка времени при довольно низкой температуре охлаждения. Для более низких температур, которые лежат ниже 63 К, жидкий азот не может использоваться, так как при этих температурах он переходит в твердое состояние. Кроме того, находящийся при соответственно низкой температуре хладагент требует больших затрат, чтобы поддерживать его достаточно холодным также в течение большего периода времени.
В JP 2002352645 А описана система со сверхпроводящим кабелем, в которой в качестве сверхпроводящего материала используют диборид магния. Кабель окружен криостатом, состоящим из концентрически расположенных одна относительно другой двух трубок, между которыми помещена изоляция. Кроме того, пространство между обеими трубками вакуумировано. Наружная трубка окружена электрической изоляцией, на которую в качестве механической защиты намотаны два слоя стальных лент.
В упомянутой вначале публикации DE 1948520 А1 описано устройство с трубопроводом для низкотемпературного кабеля с концентрически расположенными один относительно другого двумя криостатами, состоящими оба из двух концентрических двух трубок, между которыми находится вакуум. По обоим криостатам пропускают хладагенты с различными температурами, например, такие как жидкий гелий по внутреннему криостату и, например, жидкий азот по наружному криостату. Подходящими материалами для кабеля, выполненного, например, в качестве сверхпроводящего кабеля, упомянуты, например, сплавы из ниобия и титана или соответственно ниобия и циркония, а также соединение ниобий-олово.
Задача изобретения состоит в том, чтобы выполнить вышеописанное устройство таким образом, что обеспечивается его простое использование также для кабелей со сверхпроводящими материалами, которые для достижения сверхпроводящего состояния должны быть охлаждены до температуры 39 К или меньше, причем с одновременной оптимизацией электрических свойств кабеля.
Эта задача согласно изобретению решается тем, что
- в качестве сверхпроводящего материала используется диборид магния и
- в промежуточном пространстве между первым криостатом и вторым криостатом расположена устойчивая к высокому напряжению изоляция, которая со всех сторон окружает наружную трубку первого криостата и опирается на него и которая во время эксплуатации устройства омывается сжиженным газом, протекающим в промежуточном пространстве, и пропитывается им.
В этом устройстве в качестве сверхпроводящего материала может применяться диборид магния, более доступный по цене по сравнению с оксидными сверхпроводящими материалами. Этот материал имеет, кроме того, в сравнении с оксидными материалами более высокую токопроводящую способность. Устройство имеет в целом относительно простое конструктивное исполнение, так как второй криостат по своей конструкции соответствует первому криостату и может быть отформован тем же образом вокруг первого криостата. Второй криостат обеспечивает для хладагента, уже циркулирующего в первом криостате, повышенную защиту от теплопритока снаружи. Этот защитное действие второго криостата существенно повышается за счет сжиженного газа, который направляется по нему при эксплуатации устройства. Второй криостат дает поэтому в целом эффект теплозащитного экрана для первого криостата, так что температура охлаждения пропускаемого по нему хладагента может оставаться достаточно низкой на относительно большом участке, вдоль которого установлено устройство. Помещенная во втором криостате устойчивая к высокому напряжению изоляция, которая со всех сторон окружает первый криостат и опирается на него, за счет сжиженного газа, омывающего и пропитывающего изоляцию, обладает существенно улучшенными диэлектрическими параметрами.
Пример осуществления изобретения представлен на чертежах, на которых показано:
Фиг.1 - схематично участок передачи электрической энергии с устройством согласно изобретению;
Фиг.2 - поперечное сечение устройства согласно изобретению в увеличенном масштабе.
В качестве первого хладагента подходят, например, жидкий водород с температурой охлаждения примерно 20,28 К, жидкий неон с температурой охлаждения примерно 27,07 К и газообразный гелий с температурой охлаждения примерно 39 К или ниже. В дальнейшем предусмотрено, что все подходящие хладагенты представляют собой газ гелий в качестве первого хладагента.
Участок передачи, согласно фиг.1, имеет два оконцевания 1 и 2, между которыми помещено устройство 3, по меньшей мере, с одним сверхпроводящим кабелем 4 (фиг.2). Участок передачи может иметь длину, например, 600 м. На его протяжении может быть предусмотрено также, по меньшей мере, одно место подсоединения, предназначенное соответственно для соединения двух устройств 3. В оконцеваниях 1 и 2 сверхпроводящий кабель 4 известным способом соединен с электрическими элементами. Оконцевание 2 соединено в показанном примере осуществления с двумя запасными контейнерами 5 и 6, которые соответственно содержат хладагент. В запасном контейнере 5 находится предпочтительно газ гелий, а запасной контейнер 6 содержит предпочтительно жидкий азот в качестве второго хладагента. Хладагенты по трубопроводам 7 и 8 подают в оконцевание 2 и известным способом посредством насоса под давлением они поступают в два криостата К1 и К2 (фиг.2), которые окружают кабель 4.
Запасные контейнеры для хладагентов могут находиться также на оконцевании 1 и при известных условиях в месте соединения. Для стабилизации или соответственно поддержания низкой температуры для газообразного гелия целесообразно используется подходящая холодильная установка, и газообразный гелий предпочтительно циркулирует по замкнутому контуру по устройству.
В устройстве, согласно фиг.2, схематично представлен сверхпроводящий кабель 4, конструкция которого в принципе может быть любой и известна в разноообразных вариантах исполнения. В качестве сверхпроводящего материала в кабеле используют для его провода и при известных условиях также для защитного экрана диборид магния. Кабель может служить для передачи электроэнергии в диапазоне среднего напряжения (примерно от 1 кВ) и в диапазоне высокого напряжения (примерно от 80 кВ).
Кабель 4 окружен первым криостатом К1, который состоит из расположенных концентрически и на расстоянии друг от друга двух металлических трубок 9 и 10. В криостате К1 могут быть расположены также два или больше сверхпроводящих кабелей. Между двумя трубками 9 и 10 первого криостата рядом с распорным элементом в качестве теплоизоляции установлена вакуумная изоляция 11. Трубки 9 и 10 изготовлены предпочтительно из высококачественной стали. Они могут быть выполнены волнообразными попрек своего продольного направления. Первый криостат К1 включает полость HR, в которой расположен кабель 4 и по которой при эксплуатации устройства из запасного контейнера 5 прокачивается газообразный гелий. При эксплуатации устройства сверхпроводящий материал, диборид магния, охлаждается до температуры 39 К или меньше.
При соблюдении концентрического промежуточного пространства 12 вокруг первого криостата К1 расположен второй криостат К2, который по своей конструкции аналогичен или соответственно идентичен первому криостату К1. Второй криостат К2 состоит из расположенных концентрически и на расстоянии друг от друга двух металлических трубок 13 или 14, между которыми заключена вакуумная изоляция 15. Между трубками 10 и 13, а также между трубками 13 и 14 находится распорный элемент.
По второму криостату К2, то есть по промежуточному пространству 12, во время эксплуатации устройства из запасного контейнера 6 прокачивают, например, жидкий азот в качестве второго хладагента. Таким образом, промежуточное пространство охлаждается, например, до температуры приблизительно от 67 К до 77 К. В качестве второго хладагента могли бы использоваться также сжиженный природный газ, который охлаждается, по меньшей мере, до 112 К, или жидкий кислород, который охлаждается, по меньшей мере, до температуры 90 К. Второй хладагент, предпочтительно жидкий азот, который рассматривается как таковой в дальнейшем описании, образует вместе со вторым криостатом К2 эффективный теплозащитный экран для первого криостата К1, так что направляемый по нему газообразный гелий защищен от быстрого нагревания за счет теплопритока снаружи.
Устойчивую к высокому напряжению изоляцию 16 или соответственно диэлектрик кабеля 4 помещают в промежуточное пространство 12, в частности, как слой из устойчивого к высокому напряжению изоляционного материала, который полностью охватывающий первый криостат К1 и опирается на наружную трубку 10 первого криостата К1. В качестве изоляционного материала для изоляции 16 могут быть использованы, например, бумага или бумага с пластиковым покрытием. Изоляция 16 в промежуточном пространстве 12 омывается жидким азотом и также пропитывается им, что обеспечивает повышенную диэлектрическую прочность изоляции. Все окруженные изоляцией 16 элементы из металла находятся под потенциалом повышенного напряжения, предпочтительно под потенциалом высокого напряжения. Если используется кабель со сверхпроводящим экраном, то экран помещают поверх изоляции 16 в промежуточном пространстве 12. Для экрана используют предпочтительно оксидные сверхпроводящие материалы.