Разработка технологии изготовления и исследование сверхпроводящих силовых кабелей на основе высокотемпературных сверхпроводников первого поколения

• Автор: Шутов, Кирилл Алексеевич
• Шифр специальности: 05.09.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 135 с. : ил.

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
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
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
Заключение
Список литературы

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.
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;