Разработка технологии изготовления и исследование сверхпроводящих силовых кабелей на основе высокотемпературных сверхпроводников первого поколения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.02, кандидат технических наук Шутов, Кирилл Алексеевич

• Шутов, Кирилл Алексеевич
• кандидат технических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат технических наук Шутов, Кирилл Алексеевич

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Использование ВТСП-кабелей в электроэнергетике

1.1. Базовые сверхпроводящие материалы

1.2. Силовые ВТСП-кабели и необходимость их внедрения

1.3. Преимущества ВТСП-кабелей, исследования и разработки

1.4. Обзор экспериментальных и теоретических работ по конструкциям ВТСП-кабелей

1.5. Теоретические основы создания ВТСП-кабелей и основные принципы конструирования токонесущего элемента ВТСП-кабеля

1.6. Потери в сверхпроводящих силовых кабелях

1.7. Выводы и постановка задачи исследования

2. Алгоритм разработки конструкций силовых ВТСП-кабелей и исследования влияния конструктивных параметров на их характеристики

2.1. Разработка конструкции оптимизированной токонесущей части ВТСП-кабеля

2.2. Разработка и оптимизация конструкции формера ВТСП-кабеля

2.2.1. Разработка центральной спирали формера

2.2.2. Расчет усилий тяжения

2.3. Разработка и анализ конструкции изоляции силового ВТСП-кабеля

2.4. Выбор и разработка конструкции экрана ВТСП-кабеля

2.5. Выводы к главе 2

3. Разработка технологического процесса изготовления ВТСП-кабеля, оборудования и оснастки для его производства

3.1. Технологические эксперименты по изготовлению макета силового ВТСП-кабеля длиной 5 метров

3.2. Разработка технологии изготовления и оборудования для производства спирали из нержавеющей стальной ленты

3.3. Разработка технологии изготовления формера

3.4. Разработка технологии укладки ВТСП-лент в повив

3.4.1. Разработка и изготовление оборудования для наложения повивов ВТСП-лент

3.5. Разработка технологии наложения ленточной бумажной изоляции

3.6. Разработка технологии изготовления экрана для ВТСП-кабелей

3.7. Установка ВТСП-кабеля в криостат

3.8. Выводы к главе 3

4. Исследования полномасштабных длинномерных ВТСП-кабелей,

изготовленных по разработанным технологиям

4.1. Методика экспериментального исследования моделей и образцов-свидетелей ВТСП-кабеля

4.2. Изготовление и исследование макетного пятиметрового образца ВТСП-кабеля

4.3. Конструкция изготовленного по разработанным технологиям полномасштабного силового ВТСП-кабеля длиной 30 метров и его исследования

4.4. Конструкция изготовленного по разработанным технологиям силового ВТСП-кабеля длиной 200 метров, и его исследования

4.5. Сравнительный анализ образцов изготовленных ВТСП-кабелей

4.6. Выводы к главе 4

Заключение

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка технологии изготовления и исследование сверхпроводящих силовых кабелей на основе высокотемпературных сверхпроводников первого поколения»

Введение

В последнее время происходит рост потребления электроэнергии во всём мире, соответственно всё острее встаёт вопрос о повышении надежности и электроэффективности линий электропередач энергетических систем и качества поставляемой электроэнергии. Учитывая естественное старение существующих линий электропередач, построенных десятки лет назад, возникает потребность улучшения условий передачи и распределения энергии, при строительстве новых линий электропередач, как в крупных мегаполисах, так и на крупных предприятиях. Рост электропотребления влечёт за собой неминуемое увеличение потерь при передаче и расходовании электроэнергии, что также является следствием использования разработок многолетней давности. Следовательно, возникает необходимость в разработке и внедрении линий электропередач, работающих на новых принципах, что позволило бы решить задачу повышения электроэффективности.

В последние годы, достигнут большой прогресс в области технологии производства высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП-проводников). В связи с этим наблюдается всё возрастающий интерес к практическому использованию ВТСП-проводников в электроэнергетике. ВТСП-силовые кабели одно из наиболее эффективных применений ВТСП для передачи энергии на расстояния, для связи объектов энергосистем и для подачи энергии потребителю. В большинстве промышленно развитых и в некоторых развивающихся странах мира ведутся интенсивные исследования и разработки новых видов электротехнических устройств на основе ВТСП-проводников.

Во ВНИИКП ведутся исследования и разработки в области прикладной сверхпроводимости, главной целью которых является создание кабельных линий с использованием явления сверхпроводимости. Использование ВТСП-материалов позволяет выработать принципиально новые подходы к вопросам создания сверхпроводящих кабелей, так как имеется возможность их охлаждения дешевым и легкодоступным жидким азотом.

ВТСП-кабели по сравнению с обычными обладают уменьшенными потерями, большей пропускной способностью даже при снижении класса напряжения. При одинаковой мощности по сравнению с обычным кабелем ВТСП-кабель более компактен и имеет меньший вес, что облегчает транспортировку и монтаж, соответственно сокращается площадь прокладки. Особенность внутреннего охлаждения ВТСП-кабелей (с помощью жидкого азота) позволяет избежать нежелательного перегрева электрической изоляции. По сравнению с традиционно применяемыми кабелями ВТСП-кабели экологичны и пожаробезопасны, что также играет немаловажную роль.

Поэтому создание алгоритма разработки конструкций и технологий изготовления полномасштабных, оптимизированных сверхпроводящих силовых кабелей на основе ВТСП-материалов является весьма актуальной задачей, что и обуславливает выбор направления диссертационной работы.

На сегодняшний день самыми доступными являют ВТСП-материалы первого поколения. Они имеют относительно невысокую стоимость, удовлетворительные электрические и механические параметры и могут выпускаться длинами, достаточными для изготовления длинномерных электротехнических изделий, таких как кабели. Поэтому в этом исследовании мы использовали базовые ВТСП-материалы первого поколения

Цель работы

Целью настоящей работы является разработка методов конструирования, технологий изготовления силовых кабелей на основе ВТСП-материалов первого поколения, их экспериментальная проверка на моделях и доведение до уровня, позволяющего непосредственно приступить к промышленному производству силовых ВТСП-кабелей для внедрения в энергетические сети и системы.

Для реализации этой задачи необходимо:

1) На основе известных теоретических работ разработать методы конструирования токонесущих элементов ВТСП-кабелей.

2) Разработать конструкции и технологии создания элементов кабеля и кабеля в целом, обладающих минимальными потерями энергии и полностью использующих сверхпроводящие свойства используемого материала.

3) Исследовать влияние технологических воздействий применяемого оборудования на изменение параметров используемого исходного сверхпроводящего материала.

4) Разработать оборудование для созданного технологического процесса производства силовых ВТСП-кабелей.

5) Создать и провести исследования макетных образцов.

6) Исследовать потери в образцах ВТСП-кабелей разных конструкций, для чего необходим специально разработанный алгоритм компьютерной обработки экспериментальных данных.

7) Изготовить полномасштабные ВТСП-кабели, провести их испытания и проанализировать результаты испытаний.

Научная новизна

Впервые в России создан алгоритм разработки конструкций силовых ВТСП-кабелей.

Впервые проведены последовательные экспериментальные исследования влияния технологических воздействий, в том числе механических свойств применяемых материалов, на токонесущую способность сверхпроводящих лент на всех стадиях производства кабеля и его элементов. Экспериментально исследовано влияние шага скрутки ВТСП-лент в кабеле на критический ток ВТСП-лент.

Экспериментально подобраны и обоснованы технологические приёмы, обеспечивающие сохранность параметров сверхпроводящих лент при прохождении всех стадий производства кабелей.

Экспериментально исследованы потери в моделях сверхпроводящих кабелей разных конструкций, полномасштабных по сечению. Разработан программный комплекс обработки экспериментальных данных, получаемых при исследовании образцов на стенде, который позволяет существенно сократить время обработки результатов.

Разработаны и исследованы конструкции различных центральных несущих элементов (формеров) силовых ВТСП-кабелей. Разработаны технологии изготовления формеров, адаптированных для силовых сверхпроводящих кабелей разных типов.

Впервые разработан набор технологий для изготовления силовых ВТСП-кабелей и их элементов, обеспечивающий параметры этих кабелей, соответствующие теоретическим оптимизационным расчетам. Разработанный набор технологий позволяет изготавливать силовые ВТСП-кабели на кабельном оборудовании дополненном оснасткой разработанной в данной работе.

Изготовлены и испытаны полномасштабные ВТСП-кабели длиной 30 и 200 метров и проведен анализ экспериментальных данных подтвердивший адекватность, разработанных при выполнении диссертационной работы, технологий.

Практическая ценность

Практическая ценность работы заключается в том, что в результате выполненных исследований разработаны базовые технологии для изготовления оптимизированных силовых сверхпроводящих кабелей на основе ВТСП-материалов. Создана база для промышленного производства ВТСП-кабелей. На

основе проведенных исследований изготовлен крупнейший в Европе силовой ВТСП-кабель длиной 200 м.

Достоверность результатов работы

Достоверность полученных результатов подтверждается сравнением экспериментальных и расчетных данных и успешным испытанием полномасштабных ВТСП-кабелей длиной 30 и 200 м, разработанных и изготовленных на основе алгоритмов и технологий, представленных в данной работе.

Автор защищает

1. Алгоритм разработки конструкций ВТСП-кабелей основанный на известных теоретических расчетах.

2. Результаты разработки и исследования конструкций различных элементов силовых ВТСП кабелей.

3. Результаты разработки технологий для изготовления силовых ВТСП кабелей и их элементов, сохраняющих сверхпроводящие свойства ВТСП лент, и обеспечивающих оптимальные параметры этих кабелей.

4. Результаты анализа напряженно - деформационного состояния сверхпроводящих лент при изгибе.

5. Анализ результатов экспериментального исследования ВТСП кабеля длиной 30 метров.

6. Анализ результатов экспериментального исследования ВТСП кабеля длиной 200 метров.

7. Результаты исследования потерь в ВТСП кабелях, различных конструкций, методику и алгоритм компьютерной обработки экспериментальных данных потерь в ВТСП кабелях.

Апробация работы

Материалы, которые легли в основу диссертации, опубликованы в работах, докладывались на Европейской конференции по прикладной сверхпроводимости ЕиСАБ 2009 (Дрезден, Германия, 2009), на конференциях по прикладной сверхпроводимости А8С-2006 (Сиэтл, США, 2006), А8С-2008 (Остин, США, 2008) и (АБС 2010) (Вашингтон, США, 2010), на международных конференциях 1СЕС-22-1СМС (Сеул, Корея, 2008) и МТ-21 (Хэфей, Китай, 2009). Опубликованы в журналах "Кабели и провода", №2 (321), 2010; «Сверхпроводимость»: исследования и разработки", №15, 2011; в сборнике статей РАН «Инновационные технологии в энергетике» [1-10, 86-87]. По теме диссертации получен патент на две полезные модели [99, 100].

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения.

В первой главе проведен обзор работ по теме диссертации. Проведен анализ различных ВТСП-лент и их свойств. Показаны основные преимущества ВТСП-кабелей. Проанализированы исследования и разработки в мире ВТСП-кабелей и показаны их преимущества. Проанализированы модели для расчета потерь в ВТСП-кабелях. Сформулированы задачи исследования.

Во второй главе приведен разработанный алгоритм конструирования силовых ВТСП-кабелей: оптимизированной токонесущей части, формера, изоляции и электрического экрана. Проведено исследование влияния конструктивных параметров на характеристики ВТСП-кабелей. Показаны результаты измерений изменения относительного критического тока от шага скрутки ВТСП-лент в кабеле. Проведен расчет усилий тяжения при затягивании готового кабеля в криостат.

Третья глава посвящена разработке технологического процесса изготовления ВТСП-кабеля, а также оборудования и оснастки для его производства на кабельном оборудовании. Приведены технологические эксперименты по изготовлению ВТСП силового кабеля. Приведена проверка

принципов конструирования и «обкатки» технологии изготовления токонесущих элементов кабеля.

Четвертая глава посвящена разработке полномасштабных длинномерных ВТСП кабелей длиной 30 и 200 метров, их испытаниям и анализу полученных результатов. Описан стенд для всесторонних испытаний образцов свидетелей ВТСП-кабеля (длиной до 5 м) различной конструкции, полномасштабных по сечению и токонесущей способности. Приведены результаты испытаний на переменном токе: зависимость тока от времени, токи в повивах и отношение тока в повиве к полному току. Приведены экспериментальные и расчетные исследования потерь на переменном токе в данных кабелях. Показаны результаты обработки экспериментальных данных различными методами. Проведено сравнение измеренных потерь с различными теоретическими моделями.

В заключении изложены основные выводы и результаты работы. Приведены результаты обработки и анализа проведённых экспериментальных испытаний кабелей длиной 30 и 200 метров, а также сделан вывод об адекватности разработанных конструкций и технологий, готовых для полномасштабного производства ВТСП-кабелей.

1. Использование ВТСП-кабелей в электроэнергетике

1.1. Базовые сверхпроводящие материалы

Терминологически технические сверхпроводящие материалы делятся на две категории: низкотемпературные сверхпроводящие материалы (НТСП), имеющие критическую температуру (температуру перехода в сверхпроводящее состояние в нулевом магнитном поле (Тс)) ниже 25 К и работающие при гелиевом уровне температур, и ВТСП-материалы, имеющие критическую температуру выше 35 К.

60-летний опыт создания практических НТСП-проводников и, почти, 25-летний опыт разработок ВТСП-проводников, создали широкую номенклатуру различных материалов, из которых могут быть созданы всевозможные сверхпроводниковые устройства [11-16]. Подробно вопросы сверхпроводящих материалов освещены в работах [17,18].

Интенсивные исследования и разработки в области технологии ВТСП-материалов привели к созданию ВТСП-проводов с достаточно высокой токонесущей способностью при Тс выше 77 К. В качестве хладагента, для этих материалов может использоваться жидкий азот (77 К). На сегодня, известны десятки ВТСП-соединений, демонстрирующих сверхпроводимость при температурах выше 77 К. Основой для технологии ВТСП-проводов, после 20 лет поиска стали лишь два соединения: 1-го поколения (на базе висмутовой керамики) (В1,РЬ)28г2Са2СизОх (сокращенно В8ССО или 2223, с Тс = 105-120 К) и 2-го поколения УВа2Си307 (УВСО или 123, Тс = 90-92 К). В настоящее время ВТСП-провода 1-го и 2-го поколения представляют собой конкурирующие направления, причём если технология проводов 1-го поколения уже продемонстрировала свой потенциал - получены многие сотни километров провода. В США, Германии, Японии, Китае и других странах налажено промышленное производство ВТСП-провода первого поколения с

параметрами, позволяющими создавать конкурентоспособные электроэнергетические устройства [19]. В ряде стран (Германия, США, Япония, Россия) ведутся разработки и производство ВТСП-проводников второго поколения. В этих сверхпроводниках в перспективе можно получать более высокие токонесущие параметры по существенно более низким ценам [20-22].

ВТСП провода изготавливаются в виде лент. В лентах 1-го поколения ВТСП волокна заключены в матрицу из серебра или сплава на его основе. Для создания ВТСП лент 2-го поколения обычно применяют ленты-подложки (как правило, из сплавов на основе никеля), а ВТСП-волокон нет, но есть сверхпроводящий слой, представляющий собой тонкое покрытие на поверхности ленты. Для предотвращения химического взаимодействия ВТСП-слоя и ленты, а также подготовки текстуры, используют так называемые буферные слои. Металлический защитный слой (как правило, из серебра) предохраняет ВТСП слой от взаимодействия с парами воды и СОг воздуха, служит защитой от механических повреждений и от прямого контакта ВТСП слоя с шунтирующим материалом (упрочненная медь, нержавеющая сталь) [3]. На рис. 1.1 показано сечение ВТСП-лент на основе ВБССО и УВСО. Сечение сверхпроводящей части в лентах 1-го поколения обычно составляет не более 40%, а в лентах 2-го около 5%.

В настоящее время хорошо отлажена технология изготовления, длинномерных ВТСП-лент 1-го поколения они доступнее и дешевле ВТСП-лент 2-го поколения, что и обусловило выбор этих лент для изготовления полномасштабных ВТСП-кабелей в настоящей работе.

Однако разработанные в работе технологии могут быть использованы и для изготовления в будущем кабелей из ВТСП лент 2-го поколения и даже из плоских сверхпроводящих лент на основе 1У^В2.

8ТСП ПРОВОД 1 -го поколения

ВТСП провод 2-го поколения

защитный слой Ад (0.2-5 мкм)

Рис. 1.1. Сечение ВТСП-лент на основе В5СС0 и УВСО. Приведены типичные линейные размеры провода (мм). Наиболее распространены в настоящее время провода шириной около 4 мм.

Следует отметить, что ВТСП-материалы первого и второго поколений в настоящее время довольно чувствительны к магнитному полю, подавляющему их токонесущую способность и ВТСП-лента обладает анизотропией критических свойств т.е. критический ток падает гораздо слабее в магнитном поле, если поле направлено параллельно широкой поверхности ленты.

1.2. Силовые ВТСП-кабели и необходимость их внедрения

Проблема повышения передаваемой мощности, с использованием силовых кабелей и минимизации потерь энергии, имеет давнюю историю. В кабелях из традиционных материалов (медь, алюминий) эта проблема решается, в основном, за счёт увеличения электрического напряжения. Максимально достигнутые значения электрического напряжения в кабелях находятся на уровне 500 кВ и не превышают значения 750 кВ для реальных проектов, что ограничивает передаваемую мощность на уровне 0,5 - 1,5 ГВт. Возникает ряд экологических проблем: блуждающие токи, разогрев почвы, электромагнитные излучения и засорение почвы маслами вблизи подстанций и в местах повреждения кабеля. Кроме того, имеется необходимость создания

компенсаторов реактивной мощности, а длина кабелей переменного тока ограничивается на уровне нескольких десятков километров.

Сверхпроводящие кабели позволяют поднять уровень передаваемой энергии до единиц-десятков ГВА. Экологически, сверхпроводящие кабели коаксиальной конструкции, являются почти идеально электромагнитно чистыми, так как экранируют электромагнитное поле полностью, при этом отсутствует разогрев почвы и загрязнение маслами.

Реальные работы над силовыми НТСП-кабелями начались после открытия интерметаллического соединения №>38п. Разработки НТСП-кабелей продолжались до 1990 г. Было разработано и испытано несколько моделей кабелей длинами от 1м до 115 м. Испытания показали работоспособность и подтвердили высокие рабочие параметры данных кабелей. За рубежом наиболее последовательно эти работы проводились в Брукхэйвенской национальной лаборатории, США (БНЛ) [23, 24].

В России над созданием СПК работали в ЭНИН'е, ВЭИ и во ВНИИКП. Во ВНИИКП был изготовлен НТСП кабель длиной 50 м, создан стенд и испытана одна фаза кабеля переменного тока на критический ток 8,6 кА и электрическое напряжение до 110 кВ, измеренный критический ток составил 12,6 кА [25, 26].

Однако высокие стоимости гелия и криогенно-вакуумного оборудования гелиевого уровня установили уровень экономической целесообразности замены традиционных кабелей на СПК до 5 - 10 ГВА. В силу этого, НТСП-кабели не были востребованы.

Открытие ВТСП-проводников и прогресс в области их разработки возродили интерес к созданию сверхпроводящих кабелей к началу 90-х годов. В США, Японии и Западной Европе с 1987 - 1990 гг. были начаты, и на сегодня достаточно продвинуты, работы по созданию ВТСП-кабелей. ВТСП-кабели могут существенно отличаться от НТСП-кабелей. Жидкий азот дешевле жидкого гелия примерно в 40 - 50 раз, а запасы его, практически, безграничны.

Создано и уже много лет действует мощное, серийно выпускаемое криогенное оборудование, для добычи и использования жидкого азота и жидкого кислорода в различных областях науки и техники. Очень важным является то, что жидкий азот при рабочих давлениях 8-10 атм. является прекрасным диэлектриком, превосходящим по своим свойствам пропиточные составы, используемые в кабелях.

Главным двигателем продвижения ВТСП-кабелей (ВТСПК) на рынок является необходимость существенного увеличения мощности передаваемой потребителю, причем эта мощность уже выходит за пределы возможностей обычных кабелей. Интерес к разработке ВТСПК связан еще и с тем, что изменение рынка сбыта электроэнергии в западных странах заставляет мощные компании и сети заботиться об увеличении пропускной способности подземных передающих линий. В 1995 году длина подземных кабельных линий в США составляла примерно 5700 км и их протяженность ежегодно увеличивается на -220 км. ВТСПК, со стоимостью (за период службы) аналогичной стоимости обычного кабеля, но с удвоенным током, могут захватить 56% рынка подземных кабелей в течение 10 лет после первой коммерческой продажи [27]. По оценкам, примерно 3500 км подземных кабельных линий в США подходят к концу своего жизненного цикла и, в принципе, могут быть заменены на ВТСПК [28].

Глубокие вводы в мегаполисы и крупные энергоемкие комплексы, с помощью подземных ВТСПК, рассматриваются как наиболее перспективные применения [29, 30].

Однако этим возможные области применения ВТСПК не исчерпываются. В качестве возможных областей применения ВТСПК можно назвать также: • сильноточные токопроводы на электростанциях мощностью 1 ГВт (вывод мощности электростанции к трансформаторам распределительных сетей на генераторном напряжении);

• перемычки между воздушными ЛЭП при прохождении водных преград;

• экспортные ЛЭП в страны, не допускающие использование воздушных ЛЭП по экологическим или иным соображениям;

• связи между энергетическими системами, позволяющие создавать гибкие (управляемые) системы электропередачи переменного и постоянного тока;

• кабели постоянного тока для передачи энергии на большие расстояния.

1.3. Преимущества ВТСП-кабелей, исследования и разработки

Как уже упоминалось, работы по созданию опытно-промышленных образцов силовых ВТСП-кабелей ведутся практически во многих странах. Главное преимущество силовых ВТСП-кабелей заключается в возможности наращивания передаваемой мощности до уровней 0.5 - 2,0 ГВА без существенного увеличения габаритов кабеля. Они также позволяют снизить габариты кабеля при неизменной мощности и исключить промежуточные трансформаторы, поскольку мощность, передаваемая по ВТСП-кабелю, наращивается за счет тока кабеля, а не его напряжения.

Существенным преимуществом ВТСП-кабелей является возможность передачи электроэнергии с минимумом потерь. На постоянном токе потерь в сверхпроводящем элементе ВТСП-кабеля нет. Однако в случае работы на переменном токе это преимущество реализуется только при превышении переменным током кабеля уровня порядка 1кА. На уровне токов порядка 2 кА, потери в ВТСП-кабеле в три раза меньше, чем в обычном. И эта разница будет возрастать при повышении тока. Наращивание передаваемого тока, является основным направлением увеличения передаваемой мощности с помощью ВТСП-кабелей. Как будет показано дальше, уровни токов порядка 10 кА для ВТСП-кабелей достижимы на современном уровне технологии.

Работы по разработке и внедрению ВТСП-кабелей в действующие энергосистемы, можно условно разделить приблизительно на три уровня:

• демонстрационные проекты, в которых отрабатывалась технология ВТСП-кабелей (первый уровень);

• опытно-промышленные проекты, в которых создавались реально действующие мощные ВТСП-кабели, а также демонстрировалась работа некоторых ВТСП-кабелей в реальных сетях (второй уровень);

• проекты, с практически полностью промышленным применением кабелей и их установкой в системе энергоснабжения (третий уровень и последний). После этих проектов, при их успешном осуществлении, уже может быть предложено промышленное производство и коммерческая поставка ВТСП-кабелей.

В Европе основные разработки сверхпроводящего энергетического оборудования осуществляются электротехническими компаниями Nexans, Tratos Cavi, Siemens [31-33]. Однако до сих пор в Европе не было разработано ВТСПК длинной более 30 метров.

Значительных успехов достигла компания Sumitomo Electric Industry (SEI) [34-40]. Эта компания имеет полный цикл производства ВТСП-кабелей - от производства исходных лент, с весьма высокими параметрами, по специальной технологии, до выпуска трехфазных ВТСП-кабелей по технологии «три-в-одном». То есть в одном криостате находятся три экранированных и изолированных жилы ВТСП-кабеля. Причем кабели поставляются уже криостатированные, с системой охлаждения и токовыми вводами. Этой компанией в 2005 году на коммерческой основе были поставлены кабели типа «три-в-одном» для предпромышленых испытаний в Корею (длиной 100 м) и в США (длиной 350 м). Последний кабель был установлен в г. Олбани, столице штата Нью-Йорк, внутри городской застройки, в уже имеющиеся туннели для обычных кабелей [41-43].

В настоящее время в Японии проводятся работы по тестированию кабельной силовой ВТСП-линии запущенной в конце 2012 года и созданной

при совместном участии компаний Sumitomo Electric, ТЕРСО (Tokyo Electric Power Company) и Mayekawa. Финансирование проекта осуществляется Министерством экономики, торговли и промышленности Японии МЕТІ (Ministry of Economy, Trade and Industry). Целью данного эксперимента является демонстрация надежности всех систем ВТСП-кабельной линии предназначенной для установки в энергетическую сеть Японии. ВТСП-кабель конструкции «3-в-одном» мощностью 200MVA проложен в городе Асахи (Asahi) на подстанции ТЕРСО (в префектуре Канагава, возле Токио) [44].

В США работы ведутся в основном под патронажем Министерства энергетики США через головной институт EPRI, а также в рамках программы SPI. Кроме того, наиболее крупные проекты финансируются энергопроизводящими и распределяющими компаниями. Например, компания Long Island Power Authority (LIPA) поддерживает наиболее крупный проект по ВТСП-кабелям [45].

Первый демонстрационный проект ВТСП-кабеля был осуществлен фирмой Southwire в 2001 году. Трехфазный кабель длиной 30 метров, включенный в рассечку воздушной ЛЭП, питает медеплавильный завод фирмы в штате Джорджия. При наработке более 40000 часов (к концу 2009 г.) не выявлено никаких замечаний к кабельной системе [46].

Второй ВТСПК, поставленный в демонстрационную эксплуатацию, был изготовлен в Дании, компанией NKT. К сентябрю 2003 г. этот кабель наработал 1603 часа в холодном виде, 1491 час под нагрузкой 1157 А - максимальная нагрузка. Передано 226 кВт/час в течение 2-х лет. Выдержал один случай перегрузки в 6 кА, в течение 142 м/сек без повреждений [47].

Также следует упомянуть модель кабеля совместного проекта ВНИИКП и компании ConduMex (Мексика) [48]. Этот кабель имеет рекордные, для своего времени, параметры по токонесущей способности - 10 кА, которые были достигнуты без перехода в нормальное состояние. То есть, по размерам и

отсутствию длительной опытной эксплуатации, это проект первого уровня, однако рекордная величина рабочего тока и, практически, промышленный метод изготовления кабеля, позволяет считать этот проект достаточно продвинутым, приближающимся ко второму уровню.

Наиболее отвечающим критериям реального промышленного применения, является проект компании Long Island Power Authorities (LIPA) - создание и постановка в эксплуатацию в городской инфраструктуре трехфазного кабеля, на 138 кВ с током 2.4 кА и мощностью порядка 570 MB А длиной 600 м [49-51].

К этому же типу проектов можно отнести уже упомянутый проект в Олбани, кабель длиной 350 м разработанный компанией SEI, имеющий рабочий ток 800 А и напряжение 34.5 кВ. Это первый в мире ВТСП-кабель с соединительной муфтой. Результатом его работы является 6700 часов безупречной работы и одно к.з. 7,5 А без последствий для кабеля.

Близкий к третьему уровню проект, разработанный совместным предприятием Ultera, созданным компаниями Southwire и NKT [52]. Данный кабель запущен в работу в августе 2006 года в системе American Electric Power в Коламбусе, штат Огайо. Этот кабель имеет коаксиальную конструкцию всех трех фаз и экрана и рассчитан на напряжение 13,2 кВ и рабочий ток 3 кА.

Таким образом, видно, что уже сегодня новые ВТСП-материалы первого поколения обеспечивают возможность изготовления реальных мощных ВТСП-кабелей, работающих на реальных подстанциях и в реальных сетях. При непрерывно продолжающемся прогрессе в области технологий длинномерных токопроводящих элементов с высокими критическими характеристиками, в ближайшие годы следует ожидать заметного снижения цен проводов первого поколения и выхода на рынок проводов второго поколения, с более высокими параметрами. И, несомненно, сверхпроводящий кабель будет первым устройством, который найдет практическое применение на коммерческой основе с использованием ВТСП-проводов первого поколения.

Таким образом, из вышесказанного, видна необходимость в разработке и изготовлении новых конструкций ВТСП-кабелей, а соответственно и алгоритмов их расчёта, технологий производства, а также методов испытания этих кабелей и комплексов обработки данных этих испытаний.

1.4. Обзор экспериментальных и теоретических работ по конструкциям ВТСП-кабелей

Каких-то «стандартных» конструкций ВТСП-кабелей пока не существует. Пробуются различные варианты компоновок кабеля и на сегодня трудно сказать, какие из них найдут наиболее широкое применение. Конструкции ВТСП-кабелей, вид центрального сердечника (формера), способы экранирования кабеля, способы изоляции и охлаждения и другие параметры варьируются в достаточно широких пределах.

Наиболее типичные конструкции кабелей показаны на рис. 1.2. Основными различиями в конструкциях кабелей можно считать следующие:

• изоляция в теплой или холодной зоне: теплый - холодный диэлектрик;

• способ экранирования: экран сверхпроводящий (коаксиальный кабель) или несверхпроводящий;

• расположение фаз в криостате: каждая фаза (экранированная или неэкранированная) в отдельном криостате, все фазы (экранированные) в одном криостате, три коаксиальные фазы (проект ике1та);

• количество повивов в токонесущей жиле.

Выбор той или иной конструкции кабеля определяется главным образом местом его установки или включения в электрическую сеть и задачами, которые данный кабель должен решать. Этим определяются его основные параметры - рабочий ток и напряжение.

Рис. 1.2. Типичные конструкции ВТСП-кабелей. (а) - Каждая фаза в своем криостате, экранированный, холодный диэлектрик, два повива (проект LIPA). Кабель с низким импедансом; (б) - Три экранированные фазы в общем криостате, два повива, холодный диэлектрик (Sumitomo «три - в одном»); (в) - Теплый диэлектрик, неэкранированный.

Необходимо также сформулировать требования на «электромагнитную чистоту» - этим определяется необходимость экранирования кабеля. Если все фазы располагаются в едином криостате («три-в-одном») - экранирование обязательно, иначе влияние магнитного поля одной фазы на другую может сильно понизить токонесущую способность кабеля и увеличить потери в нём.

Весьма важным параметром, определяющим конструкцию кабеля, является также требование на устойчивость кабеля к токам короткого замыкания. Требования на КЗ определяют способ защиты кабеля, конструкцию формера, который может защитить кабель в момент короткого замыкания, запас по рабочему току. Эти требования также определяются конкретным местом установки кабеля.

Разработанные и продемонстрированные к настоящему времени конструкции ВТСП-кабели имеют значительно более высокую плотность рабочего тока в сверхпроводящей жиле, чем кабели на основе меди или алюминия. Кроме того, поскольку они охлаждены и термически независимы от окружающей среды, они могут быть смонтированы более компактно, чем стандартные медные кабели, без особых требований к месту установки или

специальных материалов для укладки в траншее. Например, на мостах, виадуках, в междурельсовых пространствах железных дорог и т.п.

Эти условия установки ВТСП-кабелей уменьшают влияние на окружающую среду и обеспечивают допустимую токовую нагрузку в компактных кабельных конструкциях в 3-5 раз выше, чем в стандартных цепях, при том же или более низком напряжении. При условии, что другие показатели (приложенное напряжение и фазовый угол) равные, например ВТСП-кабели с низким импедансом (экранированный кабель с холодной изоляцией, рис. 1.2) способен нести более высокую нагрузку, чем стандартный кабель, подключенный в параллель к тем же двум точкам в энергосети. Индуктивный импеданс кабеля с холодной диэлектрической изоляцией почти в шесть раз ниже, чем импеданс стандартного кабеля, и двадцать раз ниже, чем импеданс подвесной линии того же самого напряжения.

Таким образом, анализ приведенных конструкций ВТСП-кабелей доказывает перспективность силовых ВТСП-кабелей и необходимость их разработки и внедрения в энергосети, для решения проблем растущего потребления электроэнергии.

1.5. Теоретические основы создания ВТСП-кабелей и основные принципы конструирования токонесущего элемента ВТСП-кабеля

Проектирование несверхпроводящих кабелей включает в себя комплекс электрических, тепловых и механических расчётов кабелей в зависимости от их назначения, передаваемой мощности, рабочего напряжения кабельной линии, режима изменения нагрузки в линии, характера возможных перенапряжений и токов короткого замыкания, а также условий прокладки кабеля по длине линии.

Проектирование ВТСПК, направленное, также как и классических[53-55], на создание оптимизированных конструкций, надёжных в работе и экономичных по использованию материалов, имеет свои особенности. В

отличие от обычных кабелей в основе конструирования ВТСПК находятся критические характеристики сверхпроводников и электродинамика кабеля.

В ВТСПК все исследования, испытания и расчёты должны начинаться с ВТСП-проводника.

На сегодняшний день в ОАО «ВНИИКП» разработана стандартная программа и набор методик для характеризации ВТСП-лент перед их использованием в кабеле. Лента, используемая для производства силового ВТСПК, должна удовлетворять следующим механическим и электрофизическим требованиям одновременно:

- Требования к критическому току и его анизотропии. Лента проходит ряд испытаний по определению её критического тока в магнитных полях различной конфигурации. По полученным данным строят графики зависимости тока в образце от величины магнитного поля, из которых хорошо видна анизотропия критического тока в сверхпроводниках, что необходимо учитывать при разработке любых сверхпроводящих устройств.

- Изменение критического тока при термоциклировании ВТСП-лент.

- Изменение критического тока при механических деформациях. ВТСП-ленты весьма хрупкие из-за используемых керамик, следовательно, они должны, без существенного снижения их электрических свойств, выдерживать ряд определённых механических нагрузок, возникающих как при подготовке ленты и изготовлении кабеля, так и при его последующей транспортировки и установке на «объекте».

Серьёзным испытанием для любой ВТСП-ленты, является её укладка вместе с остальными лентами в повив, на центральный несущий силовой элемент (формер). В процессе укладки ВТСП лент в повивы каждая лента испытывает несколько видов механических нагрузок:

- натяжение ленты, вследствие действия тормозного механизма отдающей кассеты с лентой;

- изгиб ленты в продольном направлении при прохождении ею специальной оснастки;

- изгиб ленты в поперечном направлении на угол определяемый шагом скрутки при закрутке ленты вокруг формера;

- трение ленты о поверхности скруточной оснастки;

- поперечное сдавливание лент при прохождении технологических узлов и агрегатов оборудования скрутки и приёмке готового изделия на приёмный барабан;

Как уже говорилось, лента, выбранная для изготовления силового ВТСПК должна без явного снижения своих электрофизических свойств переносить все перечисленные нагрузки.

При дальнейшем производстве кабеля лента испытывает такие деформации, как поперечное сдавливание при наложении ленточной изоляции и элементов экрана кабеля, а также растяжение и сжатие в повиве при изгибе токопроводящей части кабеля (при приёме на барабан и отдаче с барабана, а также при установке кабеля на «объекте»).

Таким образом, можно сказать, что ВТСП-ленты для изготовления кабелей, выбираются на основании совокупности результатов перечисленных исследований и должны соответствовать всем предъявленным к ней требованиям одновременно.

Величина и распределение магнитного поля в кабеле определяет его токонесущую способность и потери энергии. На распределение магнитного поля наибольшее влияние оказывают конструктивные параметры и токи, текущие по сверхпроводящим лентам [29,30]. Успехи в создании ВТСП-кабеля обусловлены оптимальной конфигурацией магнитного поля в кабеле по отношению к токонесущему сверхпроводящему элементу, когда доминирует магнитное поле, параллельное широкой поверхности ВТСП-ленты. На рис. 1.3 показано направление магнитного поля в ВТСП-кабеле. На рис. 1.3 также

24

показаны фото ВТСП-ленты 1-го поколения и модель ВТСПК и его основные элементы: формер, повивы ВТСП-лент, изоляция, экран. Из рисунка видно, что в ВТСП-кабеле магнитное поле направлено в азимутальном направлении параллельно широкой поверхности ВТСП-лент.

Рис. 1.3. Фото ВТСП-ленты 1-го поколения. Модель ВТСП-кабеля и его основные элементы: формер, повивы ВТСП-лент, изоляция, экран. Направление магнитного поля в ВТСП-кабеле.

В настоящее время для длинномерных ВТСП-материалов первого поколения конструктивное (инженерное) значение плотности критического тока Ус(77,8 К, 0 Тл) составляет порядка 90-150 А/мм2. Для обеспечения рабочего тока ВТСП-кабеля на сегодняшний день и в ближайшем будущем, применение многоповивных проводников, состоящих из нескольких десятков ВТСП-лент уложенных несколькими повивами, является единственным возможным решением. Такая конструкция позволит обеспечить коэффициент запаса Кге5 сверхпроводника по критическому току. Значение Кге5 может изменяться в широком диапазоне и определяться требованиями электрической сети. Коэффициент этот достаточно условен, и во многом определяется еще и консервативностью разработчиков любого сверхпроводящего устройства. Для

в, т

о

.005 .011 .016 .021 .02" .032 .03" .043 .048 .053 .059 064 .069 .0% .08

ВТСПК разумный коэффициент запаса может быть определен в процессе натурных испытаний или испытаний образцов-свидетелей.

Для многоповивного кабеля необходимо решить несколько проблем, главная из которых - обеспечить равномерную загрузку всех повивов током, так, чтобы все ВТСП-ленты начинали одновременно переходить в нормальное состояние и имели подобные вольтамперные характеристики [56]. Дополнительно надо обеспечить гибкость кабеля, сохранение сверхпроводящих свойств лент при намотке на каркас с натягом, минимизацию потерь в каркасе кабеля и его криостате. Некоторые из перечисленных требований противоречат одно другому, так что необходимо решить довольно сложную оптимизационную задачу.

Разработчики кабелей на основе ВТСП-материалов предпринимают попытку увеличить токонесущую способность кабеля за счет увеличения числа повивов сверхпроводящих лент до 4-6 (ФРГ, США) и даже до 10 (Япония). Однако наращивание числа повивов не всегда позволяет увеличить полный ток кабеля, так как существует ряд проблем, связанных с электродинамикой и неоднородностью распределения токов между повивами.

Критический ток (1С) в «слабом» сечении кабеля определяет токонесущую способность ВТСП-кабеля. Это может быть на конце или в середине по длине кабеля между двумя рефрижераторами, в зависимости от принятой схемы охлаждения, где температура азота имеет максимальное значение, Т=Ттах. Тогда для критического тока кабеля можно записать соотношение:

Ic(TmiLX) = Krn-Inom (1.1)

- где Kres - коэффициент запаса сверхпроводника по критическому току, hот~ номинальное значение транспортного тока.

/с токонесущего ленточного элемента может снижаться на (5-10)% в процессе изготовления кабеля, хотя и это крайне нежелательно. Кроме того, плотность /с может быть различным в пределах ширины и по длине ленты.

Величина Kres должна, с одной стороны, компенсировать возможное снижение /с лент в результате изготовления кабеля и температурных напряжений, возникающих при захолаживании. С другой стороны, коэффициент запаса определяется требованиями энергосистемы к стойкости кабеля к кратковременным нагрузкам и может достигать весьма значительных величин.

Как отмечено выше основной задачей конструирования оптимального ВТСП-кабеля, является обеспечение равномерного распределения тока по повивам т.е. 100% использовании поперечного сечения сверхпроводника [6466]. Следует отметить, что одноповивная жила сверхпроводящего кабеля переменного тока не рассматривается. Это связано с тем, что для обеспечения гибкости кабеля, ленты должны быть скручены с неким конечным шагом, что приводит к генерации продольного магнитного поля, которое, в свою очередь приводит к повышенным потерям энергии в центральном формере, внешнем экране и криостатирующих оболочках.

Анализ распределения токов в повивах кабелей из лент выполнен в работах П.И. Долгошеева и В.Е. Сытникова [57-58]. Эти работы и их результаты были использованы нами при разработке алгоритма конструирования оптимизированных кабелей.

В работах ВНИИКП была предложена математическая модель для многоповивных проводов и кабелей из проволок круглого сечения. Для многоповивных проводов теоретически и экспериментально была показана нецелесообразность использования более 2 повивов, так как доминирующее влияние азимутального магнитного потока и большие длины проводов в магнитах приводили к вытеснению транспортного тока в наружные повивы и появлению отрицательных токов во внутренних повивах. В кабелях из лент малой толщины, из-за большого отношения диаметра повива к толщине ленты, в принципе возможно использование нескольких повивов [56-67].

Также весьма важной задачей в процессе разработки ВТСП-кабелей является расчёт изоляции кабеля. Так как, далеко не все материалы возможно применять в качестве изоляции при температуре жидкого азота, дополнительной задачей является и подбор соответствующих материалов. К примеру, экструдированные полимеры (полиэтилен, пвх) при азотной температуре механически разрушаются. Кроме того экструдирование полимеров производится при достаточно высоких температурах, превышающих 200°С, что может привести к нарушению свойств самой сверхпроводящей ленты. Следовательно, накладывать изоляционные материалы довольно распространённым в классической кабельной технике методом экструзии не удастся, что несколько усложняет задачу изготовления ВТСП-кабеля.

1.6. Потери в сверхпроводящих силовых кабелях

Сверхпроводники на постоянном токе не имеют сопротивления и, соответственно, при пропускании по ним постоянного тока в них нет потерь на джоулево тепловыделение.

Иная ситуация при необходимости использования сверхпроводников и сверхпроводящих устройств на переменном токе. При работе на переменном токе сверхпроводник находится в переменном же магнитном поле, что приводит к вязкому движению вихрей в нем и тепловыделению. В композитных сверхпроводниках возникают дополнительные потери при перетекании тока между сверхпроводящими волокнами по несверхпроводящей матрице, а также вихревые потери в матрице. При необходимости работы на промышленной частоте 50-60 Гц, быстропеременные поля приводят к заметному увеличению потерь в данных устройствах. Учет, оценка потерь и их снижение являются весьма важной задачей при разработке сверхпроводящих силовых устройств переменного тока.

Существует несколько основных видов потерь энергии в сверхпроводящих силовых кабелях:

• гистерезисные потери в сверхпроводниках, возникающие в переменных магнитных полях;

• кооперативные потери при перетекании тока между сверхпроводящими волокнами;

• вихревые потери в матрице;

• потери в ферромагнитной подложке;

Эти виды потерь можно рассматривать как потери в сверхпроводящем элементе кабеля, следующие виды потерь относятся к элементам кабельной конструкции:

• за счёт перетекания тока (при неравномерном распределении тока по повивам);

• диэлектрические потери в бумажной изоляции, проявляющие себя, несмотря на относительно небольшую напряжённость электрического поля в кабеле;

• потери в металлических оболочках кабелей (металлические оболочки, экраны, броня, трубопроводы и криостаты), суммируемые из потерь на вихревые токи и продольные токи, проявляющиеся тем сильнее, чем выше значения передаваемых токов.

Рассмотрим каждый вид потерь подробнее в отдельности.

Потери в сверхпроводящем элементе кабеля

Как показано в [68], технология промышленного производства ВТСП проводов на основе Вь2223 в серебряной матрице хорошо отлажена, однако, основной проблемой использования таких проводников в ВТСПК и трансформаторах является заметный уровень потерь в переменных магнитных полях. Уменьшение размера сверхпроводящих волокон позволяет снизить

29

гистерезисные потери, но из-за электромагнитных связей структура из большого числа параллельных волокон ведет себя, в плане кооперативных потерь, практически, как один массивный сверхпроводник.

Для расчета гистерезисных потерь в сверхпроводнике на практике часто используют аналитические выражения Норриса [69], основанные на модели критического состояния, для расчета потерь в одиночном сверхпроводнике, несущем транспортный ток, для случаев либо эллиптического, либо прямоугольного сечения сверхпроводника.

где г = Шс отношение транспортного тока к критическому току, f - частота.

Для рассвета потерь в сверхпроводящем элементе кабеля из ВТСП лент 1-го поколения используют "моноблочную" модель, в которой весь кабель рассматривается как трубка сверхпроводника [70] или модель Дрезнера [71].

Одной из задач данной работы было экспериментальное изучение потерь в модельных ВТСП-кабелях для понимания характера потерь в них и выработки рекомендаций для конструирования промышленных силовых ВТСП-кабелей, а также проверка теоретических моделей [69-71].

Диэлектрические потери

В классической кабельной технике считается, что влияние диэлектрических потерь на допустимый ток нагрузки в кабелях с бумажной пропитанной изоляцией становится существенным при напряжении 35 кВ и выше [53,54]. В случае со сверхпроводящими силовыми кабелями важны все, вносящие свои вклад, источники потерь.

Р = {(\ --о+ (2-о-1 (эллипс)

(1.2)

(1.3)

п

Диэлектрические потери в изоляции, Вт/м, одной фазы рассчитываются по известной формуле:

Рд = Щ2(1.4) где С — емкость фазы на единицу длины, Ф/м; иф — фазное напряжение; со=2п{ — угловая частота переменного тока, 1/с; tg5 - тангенс угла диэлектрических потерь при рабочих частоте и температуре.

Ёмкость одной фазы на единицу длины, при условии что, жила круглая и её изоляция неградированная, может быть рассчитана по формуле

С=2'7Т'еп£° (1.5)

ьД

го

где Я - радиус кабеля по изоляции, г0 - радиус жилы кабеля, ео -диэлектрическая проницаемость вакуума, 8 - относительная диэлектрическая проницаемость изоляции.

Потери в металлических оболочках

Данный вид потерь может внести вклад в общие потери в сверхпроводящей силовой кабельной линии и зависит как от свойств металлов оболочек, так и от способа заземления оболочек и экранов кабеля. Так при соединении и заземлении экранов и металлических оболочек только с одной стороны, эти потери будут близки к нулю, но в оболочке будет наводится ЭДС, величиной до 200 В/км. Наибольшее же значение потери будут достигать при соединении оболочек с двух сторон. Однако в условиях громоздких и сложных подключений кабеля к криосистеме, задача рассоединения оболочек и экранов, с какой-либо стороны, становится трудновыполнимой [53-55].

В случае использования в качестве оболочек немагнитных металлов

потери на вихревые токи в них будут невелики, а существенный вклад будут

вносить потери, обусловленные продольными токами. Для снижения этих

потерь необходимо уменьшить расстояние между кабелями, лучший способ,

31

положить их так, что бы их геометрические центры в сечении образовывали треугольник. В случае, когда и после сближения кабелей потери в оболочках оказываются неприемлемо большими, в классической кабельной технике, существует возможность транспозиции оболочек при их соединении. Принцип соединения оболочек по системе правильной транспозиции показан на рис. 1.4.

Однако такой способ расположения кабелей не всегда приемлем, что толкает сознательно идти на увеличение потерь в кабельной линии, либо организовывать транспозицию кабелей, что влечет за собой дополнительные расходы на разработку и создание специальных кабельных муфт, способных работать при криогенных температурах, что может оказаться нецелесообразным на небольших по длине кабельных линиях [53-55].

""ЗА \/ \ 1 \ 'жв-►

Чэв ]\ Д 1 'же-►

'-► 'эс I 1

Рис. 1.4. Принцип соединения оболочек по системе правильной транспозиции

Поэтому целесообразно изготавливать ВТСП-кабели с экраном из ВТСП-лент, что исключит потери в экране. Эффективность применения экрана из ВТСП-лент была показана при сравнении результатов испытаний кабельной линии на основе ВТСП-кабелей длинной 30 метров (без сверхпроводящего экрана) и кабельной линии на основе ВТСП-кабелей длинной 200 метров (со сверхпроводящим экраном).

1.7. Выводы и постановка задачи исследования

Как было показано выше в мире ведется немало проектов по созданию ВТСП-кабельных линий, однако публикаций о методах их конструирования и изготовления мало, так как работы эти перспективны и не допускают раскрытия всех нюансов.

Отмечено отсутствие данных по технологии изготовления, как самих ВТСПК, так и их элементов. Отсутствует освещение вопросов изготовления оснастки и приспособлений для производства кабелей на основе ВТСП материалов на стандартном кабельном оборудовании.

В выполненном обзоре по технологии изготовления ВТСП-кабелей показано, что в настоящее время промышленность не выпускает специализированного оборудования.

На основе анализа опубликованных работ показано преимущество силовых кабелей на основе ВТСП-материалов перед классическими кабелями. Однако имеется множество нераскрытых задач, таких как:

• методы разработки конструкций оптимизированных ВТСП-кабелей;

• проведение экспериментальных технологических исследований, как в области производства самих ВТСП-кабелей, так и их элементов;

• изучение электрофизических свойств реальных длинномерных моделей кабелей на основе ВТСП материалов.

На основании изучения литературы можно сформировать задачи данного диссертационного исследования:

1. Создание алгоритмов разработки конструкций оптимизированных силовых сверхпроводящих кабелей на основе ВТСП-материалов.

2. Разработка набора технологий, позволяющих изготавливать оптимизированные силовые сверхпроводящие кабели на основе ВТСП материалов, на основе разработанных алгоритмов.

3. Экспериментальная проверка на модели и полномасштабных ВТСП-кабелях разработанного алгоритма и технологий, позволяющих непосредственно приступить к промышленному внедрению технологии производства силовых ВТСП-кабелей для их последующего внедрения в энергетические сети и системы.

Для реализации этой задачи необходимо:

1. Создать алгоритм разработки конструкции ВТСП-кабелей основанный на известных теоретических расчетах.

2. Исследовать результаты разработки и исследования конструкций различных элементов силовых ВТСП-кабелей.

3. Исследовать результаты разработки технологий для изготовления силовых ВТСП-кабелей и их элементов, сохраняющих сверхпроводящие свойства ВТСП-лент, и обеспечивающих оптимальные параметры этих кабелей.

4. Исследовать результаты анализа напряженно - деформационного состояния сверхпроводящих лент при изгибе.

5. Провести анализ результатов экспериментального исследования ВТСП-кабеля длиной 30 метров.

6. Провести анализ результатов экспериментального исследования ВТСП-кабеля длиной 200 метров.

7. Оценить результаты исследования потерь в ВТСП-кабелях, различных конструкций, методику и алгоритм компьютерной обработки экспериментальных данных потерь в ВТСП-кабелях.

Решение этих задач позволит приступить к промышленному производству

ВТСП-кабелей.

2. Алгоритм разработки конструкций силовых ВТСП-кабелей и исследования влияния конструктивных параметров на их характеристики

Расчет конструкции ВТСП-кабелей является совокупностью расчётов различных элементов конструкции по заданным рабочим параметрам готового изделия (рабочие ток и напряжение, способ прокладки фаз кабеля, наличие и способ заземления и т.п.).

Проектирование несверхпроводящих кабелей является отлаженной задачей, включающей в себя комплекс электрических, тепловых и механических расчётов. Характер этих расчетов напрямую зависит от назначения кабеля, его передаваемой мощности, рабочего напряжения кабельной линии, режима изменения нагрузки в линии, характера возможных перенапряжений и токов короткого замыкания, а также условий прокладки кабеля по длине линии [53-55, 72].

Принципы проектирования сверхпроводящих кабелей также, направленны на создание конструкций, надёжных в работе и экономичных по использованию материалов. Но имеются и специфические особенности, связанные с критическими характеристиками сверхпроводников и электродинамикой жилы кабеля. Соответственно задачи создания конструкции сверхпроводящего кабеля здесь тесно переплетаются с особенностями физики сверхпроводящих материалов.

Разработанные силовые ВТСП-кабели имеют коаксиальную конструкцию. Такая конструкция выбрана по следующим причинам: • ввиду изначально заложенных высоких значений электрических напряжений, а именно для получения равномерного электрического поля в изоляционном слое ВТСП-кабеля;

• исходя из высокого значения рабочего тока и геометрических параметров материала (ВТСП-лента плоская), а, следовательно, её укладку, возможно осуществить должным образом лишь в коаксиальной конструкции. ВТСП-кабели имеют электрические экраны, и каждая фаза может располагаться отдельно в своем криостате. Стоит отметить, что потери в ВТСП-кабеле должны быть сравнимы с потерями в криостате и не должны быть больше последних. Выбранная конструкция позволяет обеспечить равномерное распределение электрического и магнитного полей в кабеле, а также приемлемое охлаждение каждой фазы кабельной линии, что значительно снижает риски связанные с особенностями работы сверхпроводящих материалов.

На основе проведенных исследований алгоритм разработки конструкции ВТСП-кабеля выглядит следующим образом:

1. Расчёт, оптимизация и конструирование токонесущей части ВТСП-кабеля (повивов ВТСП-лент) с учетом запаса по значению рабочего тока. Выбор запаса по току обусловлен различными причинами. Так для кабелей переменного тока это может быть допустимый уровень потерь.

2. Анализ напряженно - деформационного состояния сверхпроводящих лент при изгибе.

3. Разработка конструкции формера, пригодной для укладки заданного количества сверхпроводящих лент, с расчётом полезного сечения формера, для обеспечения шунтирования сверхпроводящих лент при коротком замыкании.

4. Выбор допустимой рабочей напряжённости электрического поля в изоляции и расчёт толщины изоляции в зависимости от используемого экрана ВТСП-кабеля.

5. Проведение проверочного расчета.

Разработанный алгоритм расчета сверхпроводящего кабеля на основе высокотемпературных сверхпроводящих материалов представлен на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Схема расчёта сверхпроводящего кабеля на основе высокотемпературных сверхпроводящих материалов

Также стоит отметить, что в случае применения сверхпроводящего экрана в конструкции ВТСП-кабеля, расчёт и проектирование этого экрана будет связан с расчетом основной токопроводящей части кабеля и вносить соответствующие коррективы. Это связано с тем, что магнитное взаимодействие различных слоев может дать крайне нежелательное перераспределение токов по повивам сверхпроводящих лент, что с высокой вероятностью приведет к полной неработоспособности всей конструкции ВТСП-кабеля в конечном итоге.

Для обеспечения расчетов различных элементов ВТСП-кабеля в ОАО «ВНИИКП» было создано несколько компьютерных программ, позволяющих экономить временные ресурсы.

2.1. Разработка конструкции оптимизированной токонесущей части ВТСП-кабеля

Так как от электрических параметров сверхпроводящего токонесущего элемента и его геометрических размеров напрямую зависит конструкция финального кабеля, первым шагом в конструировании токопроводящей части становится подбор исходных ВТСП-лент [63]. Этот подбор осуществляется на основе заданных рабочих параметров финального кабеля. Следующей задачей расчета конструкции токопроводящей части является экспериментальное определение, либо проверка, значений критических токов ВТСП-лент, используемых для формирования токонесущего элемента.

Далее исходя из параметров ВТСП-лент определяется необходимое их количество и количество повивов для передачи заданного тока. Следует отметить, что одноповивная жила сверхпроводящего кабеля переменного тока не рассматривается. Это связано с тем, что для обеспечения гибкости кабеля ленты должны быть скручены с неким конечным шагом, что приводит к генерации продольного магнитного поля, которое, в свою очередь, приводит к повышенным потерям энергии в центральном формере, внешнем экране и криостатирующих оболочках. Эта задача зависит от совокупности геометрических и электрических свойств ВТСП-лент и решается следующим образом. Предположим, что для изготовления ВТСП-кабеля нам доступна ВТСП-лента толщиной а и шириной Ь с пропускной способностью тока 12 А при том, что токовая нагрузка кабеля должна составлять 7/ А. В таком случае мы можем определить необходимое количество лент N разделив 1\ на 12 и умножив полученное значение на коэффициент запаса. Зная общее количество ВТСП-лент, необходимое для пропускания заданного тока, можно принять решение о числе повивов этих лент в токопроводящем элементе. Решение о количестве повивов ВТСП-лент принимается, основываясь на предполагаемое значение диаметра крайнего повива. При необходимости, количество ВТСП-

лент можно варьировать, добавляя их количество. Уменьшать же данное значения нельзя, т.к. с уменьшением количества ВТСП-лент возрастает значение тока, приходящегося на каждую ленту, что недопустимо по причине ограниченной токонесущей способности данного материала [56-64].

Главной задачей конструирования оптимизированного ВТСПК, является обеспечение равномерного распределения тока по повивам. Такой анализ был выполнен ранее в работах П.И. Долгошеева [57] и В.Е. Сытникова [58].

Полученные данные о количестве повивов, с числом лент в каждом повиве, используются для проведения расчета шагов и направлений скрутки лент, таким образом, чтобы ток в повивах распределялся максимально равномерно.

Для расчета распределения тока по повивам ВТСП-кабеля удобно использовать следующую математическую модель (уравнения Кирхгофа в матричном виде [73]), в которой учтено, что повивы в ВТСП-кабеле электрически изолированы, т.е. перераспределение токов между повивами

I |иРv (Л 'I ii'i' по i-/~\тiтт')V тлойаттп'

Прип^лидп! iixt липцал Каи^лл.

f т/ \

К

V

\ N J

L М

'1

М

21

12 и

м

IN

м

2 N

...... LN J

d.Ix / dt

dl N j dt

+

-

о R2(i2)

0

о ...... R„Vn)

{ T \

л

У

(2.1)

S7. (0=^(0

/=1

(2.2)

где: i -1—N - число повивов, I, - ток в повиве, Lt и - коэффициенты собственной и взаимной индуктивности повивов, V, и dl/dt - напряжение и скорость изменения тока в каждом повиве, R (IJ - сопротивление повива зависящее от тока, Itomi(t) - общий ток в кабеле.

Сопротивление ВТСП повива Щіі) можно определить степенным законом

( , У

(2.2)

с \*с /

Где Ес=\0~ В, /с- критический ток ВТСП повива.

Учитывая то что, для современных ВТСП лент п>20, при рабочих токах кабеля (токи меньше критического) резистивным сопротивлением ВТСП повивов можно пренебречь.

Так как источником питания кабелей является источник тока (задан закон изменения общего тока в кабеле), мы можем ввести дополнительное, бесконечно большое сопротивление ЯаМ, по которому течет бесконечно малый ток 1а(м и исключить напряжение из уравнения (2.1).

В качестве примера на рис. 2.2 показана электрическая схема кабеля состоящего из двух повивов с источником тока.

Рис. 2.2. Электрическая схема для кабеля состоящего из двух повивов.

Для многоповивных проводов теоретически и экспериментально была показана нецелесообразность использования более 2 повивов [58], так как доминирующее влияние азимутального магнитного потока и большие длины

проводов в магнитах приводили к вытеснению транспортного тока в наружные повивы и появлению отрицательных токов во внутренних повивах. В кабелях из лент малой толщины, из-за большого отношения диаметра повива к толщине ленты использование многоповивных конструкций оказалось возможным [57, 58].

Для расчета равномерного распределения тока по повивам двухповивного кабеля, использовалась следующая математическая модель.

L, М

VM21

2 У

dl{ / dt dl2 / dt

+

Radd \R-add J

1 add

V^ add J

= 0

(2.4)

Заключение диссертации по теме «Электротехнические материалы и изделия», Шутов, Кирилл Алексеевич

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Создан алгоритм разработки конструкций кабелей с применением высокотемпературных сверхпроводящих материалов основанный на известных теоретических расчетах, а также проведены последовательные экспериментальные исследования влияния технологических воздействий на токонесущую способность сверхпроводящих лент на всех стадиях производства кабеля и его элементов, в том числе механических свойств применяемых материалов. Это позволило экспериментально подобрать и обосновать технологические приёмы, обеспечивающие целостность сверхпроводящих лент и сохранность их электрических параметров при прохождении всех стадий производства ВТСП-кабеля и его элементов. Выполнен анализ факторов, влияющих на свойства сверхпроводящего материала при изготовлении кабелей.

2. Проведено исследование различных видов изоляционных материалов, которые возможно применять в силовых ВТСП-кабелях. Показано, что «классический» вариант бумажно-ленточной изоляции оказывается оптимальным, исходя как из его стоимости, так и практического применения в конструкции кабеля.

3. Разработаны и исследованы конструкции различных центральных несущих элементов (формеров) силовых ВТСП-кабелей. Разработаны конструкции и технологии изготовления формеров, адаптированных для силовых сверхпроводящих кабелей разных типов.

4. Исследованы результаты анализа напряженно - деформационного состояния сверхпроводящих лент при их изгибе в процессе производства макетов ВТСП-кабелей.

5. Впервые в России разработан набор технологий для изготовления силовых ВТСП-кабелей и их элементов, обеспечивающий параметры этих кабелей, соответствующие оптимизационным расчетам [57, 58]. Разработанный набор технологий позволяет изготавливать кабели на кабельном оборудовании, оснащённом, впервые разработанным, специальным технологическим оборудованием и оснасткой для изготовления длинномерных силовых ВТСП-кабелей и их компонентов, которое позволяет реализовать предложенные технологии изготовления длинномерных ВТСП-кабелей. В состав разработанного комплекса оборудования входят:

• отдающие устройства нескольких модификаций, в том числе с возможностью использования в качестве отдающих кассет транспортную тару;

• направляющие устройства с возможностью обеспечения дополнительного натяжения на сверхпроводящих лентах непосредственно перед их укладкой в повив;

• элементы направляющего узла;

• раскладывающий узел, состоящий из сферического направляющего элемента и калибра специальной формы;

• направляющие и поддерживающие устройства по всей длине технологической линии.

6. Изготовлены короткая модель и образцы-свидетели сверхпроводящих кабелей разных конструкций, полномасштабные по сечению. На специально созданном стенде проведены их экспериментальные исследования.

7. С целью повешения точности расчетов и производительности разработан программный комплекс обработки данных, полученных при исследовании образцов на стенде, позволяющий существенно сократить время обработки результатов.

8. Проведён анализ результатов экспериментального исследования ВТСП-кабеля длиной 30 метров. Проведены исследования потерь в этом кабеле.

123

Показано, что разработанные конструкции и набор технологии изготовления кабелей и их элементов обеспечивают приемлемый уровень потерь в кабелях данного типа.

9. На основе проведенных исследований и разработанных технологий, на промышленном оборудовании изготовлены длинномерные силовые ВТСП-кабели переменного тока, в том числе крупнейший в Европе силовой кабель на основе ВТСП материалов первого поколения длиной 200 метров.

10. Проведён анализ результатов экспериментального исследования ВТСП-кабеля длиной 200 метров. При помощи специально разработанного набора программ исследованы потери в этом ВТСП-кабеле.

Изготовленные длинномерные кабели успешно выдержали испытания в НТЦ «Электроэнергетики», чем подтвердили адекватность разработанных и внедрённых базовых технологий производства ВТСП-кабелей.

На созданный ВТСП-кабель имеются патенты на полезные модели «Сверхпроводящий силовой кабель» [99, 100].

Таким образом, в результате проведенных исследований в России впервые создана промышленная технология для производства ВТСП-кабелей в России.

Силовые кабели на основе ВТСП - материалов, изготовленные на разработанном технологическом оборудовании, установлены и испытываются в НТЦ «Электроэнергетики» (г. Москва) и не имеют аналогов в России. Отсутствие опыта в решении аналогичных задач в российской практике, отсутствие прототипов созданного оборудования и оснастки, делает затруднительным оценки технико-экономического эффекта, обеспечиваемого созданным комплексом технологического оборудования. В тоже время, разработка и создание комплекса оборудования собственными силами, без закупки за рубежом лицензий и соответствующего оборудования, позволило сэкономить значительные средства.

В заключение автор считает своей приятной обязанностью и долгом выразить глубокую и сердечную благодарность:

Своим учителям и руководителям: 1. B.C. Высоцкому, под чутким руководством которого в ОАО «ВНИИКП» были созданы убедительные возможности, развиты инновационные идеи и осуществлены первые проекты по созданию ВТСПК, ставшие основой данной диссертации;

1. В.В. Зубко, за чуткий контроль используемого и создаваемого материала и неоценимую помощь в написании данной работы в её окончательном виде.

2. В.Е. Сытникову, руководящему первыми шагами автора в области изучения сверхпроводящих материалов и устройств, а также направившего внимание автора на вопросы исследования ВТСПК, за замечания и комментарии, позволившие улучшить данную работу;

3. A.B. Рычагову, многолетнему руководителю производственной деятельностью автора и первому учителю на пути постижения технологических тонкостей и нюансов при работе со сверхпроводящими материалами;

4. Г.Г. Свалову, руководство которого обеспечило возможность проведения в рамках данной диссертации всех необходимых работ;

5. Г.И. Мещанову, многолетнему руководителю ранними работами автора, явившихся стартовой отметкой для написания данной работы;

6. Д.Л. Головкову, чья поддержка и помощь в решении сопутствующих каждодневных вопросов и проблем позволили выполнить данную работу;

7. Большой и дружной команде Отделения №4 ОАО «ВНИИКП», обеспечившей создание макетного образца и полномасштабных ВТСПК. Автор бесконечно благодарен: Тарану A.B., Ченскому И.Ф., Носову A.A., Поляковой Н.В., Радченко И.П. и всем, с кем автору выпала честь работать в одной команде и без чьих творческих, интеллектуальных и физических усилий не могла быть создана данная работа.

Заключение

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Шутов, Кирилл Алексеевич, 2013 год

Список литературы

1. V.E. Sytnikov, V.S. Vysotsky, A.V. Rychagov, N.V. Polyakova, I.P. Radchenko, K.A. Shutov, E.A. Lobanov, S.S. Fetisov, The 5m HTS Power Cable Development and Test, IEEE Trans, on Appl. Supercon., 2007, V. 17, N 2, pp.1684-1687.

2. V.E. Sytnikov, V.S. Vysotsky, A.V. Rychagov, N.V. Polyakova, LP. Radchenko, K.A. Shutov, S.S. Fetisov, A.A. Nosov, V.V. Zubko, The 30 m HTS power cable development and test, Proceedings of ICEC-22-ICMC-2008, Korean Institute of Appl. Supercon and Cryogenics, pp. 907-912, 2009 (Paper TH-C1-C05 presented at ICEC-22-ICMC, Seoul, Korea, July, 2008).

3. V.E. Sytnikov, LP. Radchenko, K.A. Shutov, and V.S. Vysotsky, The Study of Mechanical Properties of HTS Tapes for Power Cables Use, IEEE Trans, on Appl. Supercon., 2009, Vol.19, Number 3, pp. 1770-1773.

4. V.E. Sytnikov, V.S. Vysotsky, A.V. Rychagov, N.V. Polyakova, LP. Radchenko, K.A. Shutov, S.S. Fetisov. A.A. Nosov and V.V. Zubko, 30 m HTS Power Cable Development and Witness Sample Test, IEEE Trans, on Applied Superconductivity, 2009, V.19, N 3, p. 1702-1705.

5. V. Vysotsky, V. Sytnikov, A. Nosov, S. Fetisov, K. Shutov, N. Polyakova, AC Loss of a Model 5m 2G HTS Power Cable Using Wires with NiW Substrates, 2010 J. Phys.: Conf. Ser. 234 032061 doi: 10.1088/17426596/234/3/03206 l(EUCAS-2009, Dresden, Germany, 13-17 September).

6. V.E. Sytnikov, K.A. Shutov, N.V. Polyakova, S.S. Fetisov, A.A. Nosov, V.S. Vysotsky, The AC Loss Analysis in the 5m HTS Power Cables, IEEE Trans, on Appl. Supercon., 2009, V.19, Number 3, p. 1706-1709.

7. B.C. Высоцкий, A.A. Носов, A.B. Рычагов, В.Е. Сытников, С.С. Фетисов, К.А. Шутов, Создание силового сверхпроводящего кабеля на базе ВТСП технологий, Кабели и провода, №2 (321), с. 3-10, 2010.

8. V.S. Vysotsky, A.A. Nosov, S. S. Fetisov, K.A. Shutov, AC Loss and Other Researches with 5 m HTS Model Cables, IEEE Trans, on Appl. Supercon., 2011, V. 21, Number З, I. 9, ISSN 1051-8223, p. 1001-1004.

9. B.C. Высоцкий, А.А. Носов, С.С. Фетисов, K.A. Шутов, Сверхпроводящая кабельная линия длинной 200 метров. История проекта и результаты, СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ: Исследования и разработки, ISSN 0868-8885, 2011 г., №15, стр. 75-80.

10.Malozemoff А.Р., Sytnikov V.E., Polyakova N.V., Mawatari Y., Clem J.R., Fetisov S.S., Shutov K.A., Nosov A.A., Zubko V.V., Vysotsky V., AC Loss in Helically Wound Power Transmission Cables with 2G HTS Wire, Proceedings CCA-2009, p.1-18.

11 .FiPkin V.Y., Plashkin E.I., Salunin N.I. et al., "Superconducting wire for NMR-tomography", IEEE Trans, on Magnetics, Vol. 28, N. 8, p.p. 648 - 650, 1992.

12.Terry M. Peters, "Computed Tomography: Fundamentals, System Technology, Image quality and Applications", Phys. Med. Biol. 46, p. 1593, 2001.

13.Evans L.R, "LHC status and plans", Particle Accelerator Conference, Vol. 1, p.p. 61 -65, 1997.

14.Wyss. C., "LHC arc dipole status report", Particle Accelerator Conference, Vol. l,p.p. 149- 153, 1999.

15.0stojic R., "Status and challenges of the LHC construction", Particle Accelerator Conference, Vol. 1, p.p. 16-20, 2001.

16. Adam J.D., Boutboul Т., Cavallari G. et al., "Status of the LHC superconducting cable mass production", IEEE Trans, on Applied Supercond., Vol. 12, p.p. 1056 - 1062, 2002.

17.Сытников B.E., Высоцкий B.C., Иванов С.С., "Сверхпроводящие материалы (обзор достижений и перспективы развития)", Известия РАН. Энергия: экономика, техника, экология, том. 2, с.с. 13 - 20, 2007.

18.Самойленков С.В., Иванов С.С., Кауль А.Р., "Высокотемпературные сверхпроводники и материалы на их основе: что нового?", Энергия, вып. 7, с.с. 10-21,2008.

19.Mazur L. at al., "The Status of Commercial and Developmental; HTS Wires", International Symposium on Superconductivity, YoKohama, Japan, 2002.

20.Usoskin A. et al., "YBCO Coated Tapes with Extra High Engineering Current Density", Proceedings EUCAS - 2003, Italy, Sept., 2003.

21.1ijima Y. et al. "Development of long Y-system coated conductors by IBAD and PLD method", Proceedings EUCAS - 2003, Italy, Sept., 2003.

22.Kreiskott S. et al., "Reel - to - Reel Preparation of IBAD - MgO Coated Conductors Proceedings", EUCAS - 2003, Italy, Sept., 2003.

23.Thompson J., Maley M., Newkirk L. et al., "Construction and properties of a 1-m long Nb3Ge-based AC superconducting power transmission cable", IEEE Transactions on Magnetics, p.p. 149 - 152, 1981.

24.Garber M. et al. Appl. Supercond. Conf., Pithsburgh, 1978.

25.Peshkov I. et al., "Design and first state of 50-rneter flexible superconducting cable", IEEE Trans, on Magn., V. 15, N. 1, 1979.

26.G. Meshchanov, I. Peshkov and G. Svalov, "The results of work carried out in the USSR oncreation of superconducting and cryoresistive cables for electric power lines", Applied Supercond. Conference, p.p. 662-667, 1982.

27.Forbes Donn R., "The U.S. Market for High Temperature Superconducting Wire in Transmission Cable Applications", Nrel Report NREL/TR -450-20667, 1996.

28.SPI Project Fact Sheet. "Transformer (Current Limiting)", DOE Annual Peer review, July, 1999.

29.Отчет ОАО «ВНИИКП» по Договору № П0-905 от 1 апреля 2005 года по теме: «Разработка и изготовление силового сверхпроводящего кабеля для испытаний в сетях ОАО «ФСК ЕЭС», Этап 1, 2005.

30.Отчет ОАО «ВНИИКП» по Договору № П0-905 от 1 апреля 2005 года по теме: «Разработка и изготовление силового сверхпроводящего кабеля для испытаний в сетях ОАО «ФСК ЕЭС», Этап 2, 2005.

31.Maguire J.F., Schmidt F., Bratt S. et al., "Development and Demonstration of a HTS Power Cable to Operate in the Long Island Power Authority Transmission Grid", IEEE Trans, on Applied Supercond., Vol. 17, p.p. 2034 - 2037, 2007.

32.Di Zenobio A., della Corte A., Muzzi L. et al., "Conductor Manufacturing of the ITER TF Full-Size Performance Samples", IEEE Trans, on Applied Supercond., Vol. 20, p.p. 1412-1415,2010.

33.Fink S., Bauer K., Ulbricht A., Zwecker V., "High voltage testing of short samples of 110 kV high temperature power superconducting transmission cables with the HAIhKE facility", Dielectric Liquids, 2002. ICDL 2002. Proceedings of 2002 IEEE 14th International Conference, vol., no., pp. 186- 189, 2002.

34.Masuda Т., Hirose M., Isojima S., Honjo S., Takahashi Y., Suzuki H., "Verification tests of a 100 m high-Tc superconducting cable", Transmission and Distribution Confcrcncc and Exhibition 2002: Asia Pacific. IEEE/PES , vol.2, pp. 1298- 1303,2002.

35.Watanabe M., Masuda Т., Ashibe Y. et al., "Thermo-mechanical properties of a 66 kV superconducting power cable system", IEEE Trans, on Applied Supercond., vol.13, no.2, pp. 1956- 1959, 2003.

36.1chikawa M., Kanegami M., Okamoto T. et al., "Thermomechanical characteristics of 500-m HTS power cable", Applied Superconductivity, IEEE Transactions on , vol.15, no.2, pp. 1771- 1774, June 2005.

37.Mukoyama S., Yagi, M., Ichikawa, M., Torii S., Takahashi Т., Suzuki H., Yasuda K., "Experimental Results of a 500 m HTS Power Cable Field Test", IEEE Trans, on Applied Supercond., vol.17, N.2, pp. 1680-1683, 2007.

38.Mukoyama S. et al., "Development of 500-m HTS cable for the Super-ACE Project", Proceedings EUCAS - 2003, Italy, Sept., 2003.

39.Makoyama Shinichi et al., "Manufacturing and Installation of the World's Longest HTS Cable in the Super-ACE", Project. IEEE Trans. On Appl. Supercond. Vol. 15, N.2, p. 1763, 2005.

40.Takahashi T. et al. "Dielectric Properties of 500 m Long HTS Power Cable", IEEE Trans. On Appl. Supercond., Vol 15, No2, p. 1767, 2005.

41.Weber C.S. et al., "Overview of the Underground 34.5 kV HTS Power Cable Program in Albany", IEEE Trans. On Appl. Supercond. Vol. 15, N.2, p. 1793, 2005.

42.Masuda T., Yumura H., Watanabe M. et al., "Fabrication and Installation Results for Albany HTS Cable", IEEE Trans, on Applied Supercond., vol.17, N.2, pp. 1648-1651,2007.

43.Yuichi Y., Shigeki I., Takato M., Kazuhiko H., Ken-ichi S., Ryosuke H., "Recent development of high-temperature superconducting (HTS) cable in Sumitomo Electric Industries, Ltd", Electricity Distribution, CIRED 2005. 18th International Conference and Exhibition, pp. 1-5, 6-9, 2005.

44.http://globa1i-sei.com/super/cable_e/ingridj_detail.html

45.Maguire J.F. et al. "Development and Demonstration of a Long Length HTS Cable to Operate in Long Island Power Authority Transmission Grid", IEEE Trans. On Appl. Supercond. Vol. 15, N.2, p. 1787, 2005.

46.Stovall J.P. et al. "Installation and Operation of the Southwire 30 meter High-Temperature Superconducting Power Cable", Preprint, 1998.

47.Tonnesen O., "Operational experience of a 30kV/100MVA HTS superconducting cable", Proceedings EUCAS - 2003, Italy, Sept., 2003.

48.Sytnikov V.E. et al., "The current test results for two models of HTS cables on CASAT project, IEEE Trans, on Appl. Supercond. V. 13, N.2, pp. 1964-1967, 2003.

49.Maguire J.F., Schmidt F., Hamber F., Welsh T.E., "Development and demonstration of a long length HTS cable to operate in the long island power

authority transmission grid", IEEE Trans, on Applied Supercond., vol.15, N.2, pp. 1787- 1792, 2005.

50.Maguire J.F., Schmidt F., Bratt S., Welsh Т.Е., Yuan J., Allais A., Hamber, F., "Development and Demonstration of a HTS Power Cable to Operate in the Long Island Power Authority Transmission Grid", IEEE Trans, on Applied Supercond. , vol.17, N.2, pp.2034-2037, 2007.

51.Maguire J.F., et al., "Progress and Status of a 2G HTS Power Cable to Be Installed in the Long Island Power Authority (LIPA) Grid", IEEE Transactions on Applied Supercond., vol.21, N.3, pp.961-966, 2011.

52.Gouge M.J., Lindsay D.T., Demko J.A. et al., "Tests of tri-axial HTS cables", IEEE Trans, on Applied Supercond., vol.15, N.2, pp. 1827- 1830, 2005.

53.Привезенцев В.А., Гроднев И.И., Холодный С.Д., Рязанов И.Б., "Основы кабельной техники", Москва, изд. Энергия, с.с. 472, 1975 г.

54.Ларина Э.Т., "Силовые кабели и высоковольтные кабельные линии", Учебник для ВУЗов, 2-е изд. перераб. и доп. М., «Энергоатомиздат», 464 е., 1996 г.

55.Белоруссов Н.И. "Теоретические основы кабелей и проводов, их расчет и конструкции", Электрические кабели и провода. М., «Энергия», 512 е., 1976.

56.Sytnikov V.E. et al., "Current distribution and voltage-current relation in multilauer LTS and HTS power cable core": a review. Physica С 401, 2004.

57.В.Е.Сытников, Г.Г.Свалов, П.И.Долгошеев, Основные закономерности распределения тока в многопроволочных сверхпроводящих жилах. В сб. "Сверхпроводимость в технике", т. II, 31., 1884, с. 132.

58.И.Б. Пешков, В.Е. Сытников, Г.Г. Свалов, Теория распределения тока в многопроволочных сверхпроводящих проводах, Электротехника, 1986, №2, с.32

59.Сытников В.Е., Высоцкий B.C., Свалов Г.Г., "Сверхпроводящие кабельные изделия на пути внедрения в электротехнику и электроэнергетику", Кабели и провода, №5 (306), стр. 36-48, 2007.

60.Sytnikov V.E., Svalov G.G., Meshchanov G.I., Dolgosheev P.I., Cryogenics, v. 23, N. 2, p. 77, 1983.

61.Sytnikov V.E., Svalov G.G., Peshkov I.B. 1989 Cryogenics, v. 29, N. 10, p. 971.

62.Sytnikov V.E., Svalov G.G, Dolgosheev P.I., Electrotechnique. N. 8, p. 50, 1983.

бЗ.Сытников В.E., Высоцкий B.C., "Основы конструирования высокотемпературных сверхпроводящих силовых кабелей", Известия Академии Наук. Серия: Энергетика, №1, с. 89-107, 2008.

64.Sytnikov V.E., et al, Physica С, 310, p.387, 1998.

65.Turck. В., Cryogenics, August, p. 448, 1974.

66.Morgan G. H„ Forsyth E.B. Preprint BNL 19848, p. 13, 1976.

67.Garber M.T., Barber M., Morgan. G. H., IEEE Trans, on Magn., v. MAG-13, N1, p. 404, 1977.

68.Шутова Д.И., "Снижение потерь на переменном токе в ВТСП проводах 1-го и 2-го поколения", Бюллетень «Сверхпроводники в электроэнергетике», Том 5, Выпуск 5, 2008.

69.Norris W.T., "Calculation of hysteresis loss in hard superconductors carrying ac: isolated conductors and edges of thin sheet", Journal of Physics D: Applied Physics, 3:489, 1970.

70.Vellego G., Metra P., "An analysis of the transport current losses measured on HTSC single-phase conductor prototype", Supercond. Sci. Technol., Vol. 8, pp. 476, 1995.

71.Dresner L., "Incomplete - penetration hysteresis losses in transmission line cables", Physica C, vol.310, pp. 213-217, 1998.

72.Бронгулеева M.H., Городецкий С.С. "Кабельные линии высокого напряжения", М-Л., «Госэнергоиздат», 511 е., 1963.

73.Grilli F. et al., Numerical modelling of a HTS cable in AC regime, Physica C, Vol. 401, p. 176-181,2004.

74.Уилсон M. Сверхпроводящие магниты. -M.: Мир, 1985.

75.Самарский А.А. и др., Методы решения сеточных уравнений, - М.: Наука, 1978г.

76.www.matlab.com

77.V.S. Vysotsky S.S. Fetisov and N.V. Bykovsky, Mechanical behavior of HTS and MgB2 tapes in superconducting power cables and assembled conductors -review of some practical issues, представлена к публикации на конференции МЕМ-2013.

78.Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М., «Теоретическая физика», Том 7, «Теория упругости», Изд. 4-е, Москва «Наука», 1987.

79.Готвяиский Н.Ф., Рыбин И.В., Трыикина Л.Б. Электрические характеристики изоляционных материалов при криогенных температурах. М.: Информэлектро, 1978. 86 с.

80.М. Fukasawa and H.Nagano, Liquid nitrogen impregnated insulation for cryogenic power cable, Cryogenics, November, p.p. 607-611, 1974.

81.Н.Г. Анищенко, Э.Яворский, Выбор электроизоляционных материалов для криогенных и сверхпроводящих устройств и исследования их физических свойств, Объединённый институт ядерных исследований Дубна, 1974.

82.Б. Б. Утегулов, И. В. Захаров, А. Д. Ижикова, Перспектива использования диэлектрических материалов в индукторах с самокомпенсацией реактивной мощности, http://www.ipdn.ru/rics/doc0/DB/b3/3-ute.htm.

83.Vary Panwar, Jong-Oh Park, Suk-Ho Park, Sanjeev Kumar, R. M. Mehra, Electrical, Dielectric, and Electromagnetic Shielding Properties of Polypropylene-Graphite Composites, Journal of Applied Polymer Science DOI 10.1002, http://www.iongohpark.com/data/treatise/Paper215.pdf, 2009.

84. Muller A., Mechanical properties of insulating tapes at cryogenic temperatures, Review general de electricite, v.84, №7/8, p.p. 568-572, 1975.

85.Fallou В., Breteau J.P., Dielectric properties at low temperatures, Review general de electricite, v.84, №10, p.p. 748-757, 1975.

86.Taran A. , Sytnikov V., Ruchagov A., Shutov K., "New technology complex for ITER cables and conductors production", 21st International Conference on Magnet Technology, Hefei, Anhui, China, October 18-23, 2009.

87.V.S. Vysotsky, K.A. Shutov, AV. Taran, Yu.P. Ipatov, K.S. Marinin, D.S. Kaverin, A.V. Paramonov, M.V. Kochetov, I.F. Chensky, L. V. Potanina, G.G. Svalov, V.M. Patrikeev, A. K. Shikov «Status and Achievements in Production of ITER TF Conductors and PF Cables in Russian Cable Institute» Paper 1BO-7 presented at MT-22 conference, Marseille, September 2011, IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol.23, N3, 2012.

88.P.I. Dolgosheev, V.E. Sytnikov, G.G. Svalov, N.V. Polyakova and D.I. Belij, Physica C, vol. 310, pp. 367-371,1998.

89.V. Vysotsky, 1. Radchenko, S. Fetisov, V. Sytnikov, V. Zubko, "Voltage-current characteristics of two soldered 2G HTS tapes", J. Phys.: Conf. Ser. 234 022042 doi: 10.1088/1742-6596/234/2/022042, 2010.

90.Mukoyama S., Miyoshi K.,Tsubouti H. et al„ 1СЕС16/ ICMC, Kitakyushu, Japan, 2, 979,1996.

91.Bogner G., In Superconducting Machines and Devices, Plenum Press, p. 422, 1974.

92. Advancements in Low AC Loss Technology of Bi-2223 Wire, Superconductivity Web 21, summer issue, 26, 2008.

93. Высоцкий B.C., "Проблемы создания сверхпроводящих устройств, работающих на промышленной частоте переменного тока (Обзор) ", Труды Физического Института им. П.Н. Лебедева, Том 205, с.с.184, 1991.

94.Dresner L., "Applied superconductivity", 1996, vol.4, No.7-8, pp. 337-344.

95.A. Kuhle, С. Traeholt, М. Däumling et al., "AC losses in circular arrangements of parallel superconducting tapes", Physica C, vol.310, pp. 192-196, 1998.

96.S. Honjo, M. Shimodate, Y. Takahashi et al., "Electric Properties of a 66kV superconducting power cable system", IEEE Trans on Appl Supercon., Vol. 13, No. 2, pp. 1952-1955, 2003.

97. R.C. Duckworth, M.J. Gouge, J. Caugman et al., IEEE Trans, on Appl. Supercon., June 2005, Vol. 15, N. 2, pp.1578-1581.

98.M. Legissa, J. Rieger, H.-W. Neumuller et al., IEEE Trans, on Appl. Supercon., Vol. 9, No. 2, pp.406-409, 1999.

99.Патент на ПМ № 95428 Сверхпроводящий силовой кабель.

100. Патент на ПМ № 124034 Сверхпроводящий силовой кабель.