ТРЕХЖИЛЬНЫЙ СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ КАБЕЛЬ

Область техники.
Полезная модель относится к области сверхпроводниковой техники и электроэнергетики и может быть применена при создании сверхпроводящих кабелей.
Уровень техники.
c
Известен, принятый в качестве прототипа, многожильный сверхпроводящий кабель, состоящий из шести 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 j, определяющая токонесущую способность кабеля, оказывается заниженной.
макс
Кроме того, конструкция прототипа такова, что максимальное (по сечению кабеля) значение индукции В 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 трехжильный сверхпроводящий кабель, предназначенный для протекания встречных токов в соседних жилах и содержащий выполненные из однотипного материала на основе высокотемпературного сверхпроводника (ВТСП) и коаксиально расположенные наружную, центральную и внутреннюю жилы с кольцевыми сечениями, внешние радиусы которых удовлетворяют соотношениям:
нap
центр
R/R=2,0-0,4γ;
внутр
центр
R/R=1,7-0,3γ,
где γ задается в пределах от 0 до 1 электромагнитными свойствами материала жил.
Это позволяет получить указанный выше технический результат.
c
Развитие полезной модели предусматривает, что значение γ может быть уточнено путем аппроксимации характеристики j(B) материала жил зависимостью
,
с
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.
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 и внутренняя 3 жилы кабеля. Жилы 1, 2 и 3 выполнены из однотипного материала на основе высокотемпературного сверхпроводника и коаксиально расположены относительно друг друга.
Материал жил содержит нити ВТСП, стабилизирующую матрицу из обычного проводника (меди, серебра) и имеет наружную изоляцию.
1
2
3
Кабель подключается между источником тока и потребителем так, чтобы токи в соседних жилах были направлены встречно. Например, по жилам 1 и 2 протекают токи I и I прямого направления, а по жиле 3 ток I обратного направления.
нap
центр
внутр
Внешние радиусы R, R R жил 1, 2 и 3 удовлетворяют соотношениям:
где γ задается в пределах от 0 до 1, исходя из электромагнитных свойств материалов жил.
1
2
3
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 I:I:I=1:1:2.
mах
Это, в свою очередь, позволяет за счет взаимной компенсации магнитных полей отдельных жил уменьшить максимальную величину индукции магнитного поля В (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.
c
Уточнение значения γ может быть произведено путем аппроксимации характеристики j(B) материала жил (приведенной заводом-изготовителем в паспорте этого материала или снятой экспериментально) зависимостью
с
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, определяемый химической формулой используемого сверхпроводника (как правило, приводится в паспорте на материал жил).
Эмпирическая зависимость (3) представляет собой модель критического состояния для сверхпроводника [2].
c
Величина γ в выражении (3) подбирается такой, чтобы соответствующая кривая максимально приближалась (например, в среднеквадратичном смысле) к реальной зависимости j(B), приведенной в паспортных данных материала жил или снятой экспериментально.
центр
2
При конструировании и изготовлении кабеля площадь (и, следовательно, радиус R) сечения центральной жилы определяется требуемой величиной тока I. Размеры остальных жил определяются соотношениями (1) и (2).
макс
1
2
Распределение магнитного поля по сечению кабеля предлагаемой конструкции, приведенное на фиг.2, показывает, что значение магнитной индукции В определяется величиной I=I, которая составляет половину величины тока, протекающего в одном направлении через жилы кабеля, а значения индукции на внешней границе сечения кабеля близко к нулю.
Источники информации
[1] 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, B.H.Шахтарин. «Электрофизические проблемы использования сверхпроводимости». Наука, 1980 г.