Носов Александр Анатольевич. Исследования и разработка методов испытаний сверхпроводящих кабелей на основе высокотемпературных сверхпроводников и диборида магния

Краткое описание

Носов Александр Анатольевич. Исследования и разработка методов испытаний сверхпроводящих кабелей на основе высокотемпературных сверхпроводников и диборида магния: диссертация ... кандидата Технических наук: 05.09.02 / Носов Александр Анатольевич;[Место защиты: ОАО Всероссийский научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт кабельной промышленности], 2017

Содержание к диссертации

Введение
1. Литературный обзор 11
1.1. Вводная часть .11
1.2. Сверхпроводящие материалы, используемые для кабелей 12
1.3. Кабельные проекты на основе сверхпроводимости 17
1.4. Структура сверхпроводящих кабельных линий 24
1.5. Основные требования к сверхпроводящим кабельным линиям 30
1.6. Статус работ по методам и методикам испытаний сверхпроводящих кабелей в составе кабельных линий 35
1.7. Выводы и постановка задачи исследования 36
2.Выбор параметров верификации сверхпроводящих кабелей и методов их определения37
2.1. Исследование модельных образцов и образцов свидетелей .37
2.2. Виды испытаний сверхпроводящих кабелей 39
2.3. Выводы к главе 2 43
3.Испытания модельных образцов и образцов-свидетелей сверхпроводящих кабельных линий44
3.1. Особенности испытаний коротких образцов сверхпроводящего кабеля..44
3.2. Датчики, их монтаж и влияние на результаты измерений 59
3.3. Методика проведения токовых испытаний
3.4. Испытания коротких образцов повышенным напряжением 68
3.5. Испытания токами короткого замыкания 72
3.6. Выводы к главе 3 74
4.Методики и результаты испытаний полномасштабных высокотемпературных сверхпроводящих кабелей76
4.1. Особенности испытаний и конструкция сверхпроводящего кабеля 76
4.2. Испытания образцов-свидетелей 79
4.3. Испытания длинномерных высокотемпературных сверхпроводящих кабелей в составе кабельных линий
4.4. Токовые испытания: методики и результаты 81
4.5. Испытания повышенным напряжением 86
4.6. Сравнение с параметрами, полученными при испытаниях коротких образцов 88
4.7. Выводы по главе 4 88
5.Гибридные энергетические магистрали89
5.1. Цели создании прототипов гибридных магистралей. 90
5.2. Стенд для исследования токовых характеристик материалов на основе MgB2 и методики проведения испытаний 90
5.3. Разработка и испытания первого прототипа гибридной энергетической магистрали со сверхпроводящим кабелем на основе MgB2 96
5.4. Разработка прототипа и испытания гибридной энергетической магистрали длиной 30 метров 107
5.5. Выводы к главе 5 120
Заключение 121
Список сокращений 123
Список литературы

Кабельные проекты на основе сверхпроводимости
Виды испытаний сверхпроводящих кабелей
Методика проведения токовых испытаний
Испытания длинномерных высокотемпературных сверхпроводящих кабелей в составе кабельных линий

Введение к работе

Актуальность темы исследованияРост энергопотребления во всем мире неминуемо влечет за собой повышение потерь при передаче и распределении электроэнергии. Особо остро эта проблема проявляет себя в крупных мегаполисах. В связи с этим весьма актуальным является разработка и внедрение новых энергоэффективных технологий передачи и распределения энергии, в том числе сверхпроводящих(СП) кабельных линий(КЛ), главным преимуществом которых является возможность передачи электроэнергии с минимумом потерь.
Открытие высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) в 1986 г. вызвало существенное оживление в области исследований, направленных на расширение сферы применения сверхпроводимости из-за возможности использования криогенных систем на дешевом жидком азоте. Появление коммерчески доступных ВТСП-проводников к середине 1990-х активизировало исследования и разработки СП-кабелей на основе высокотемпературной сверхпроводимости. Сегодня исследователи вплотную подошли к их промышленному внедрению и коммерциализации.
Особенности работы СП КЛ существенно отличаются от традиционных кабельных линий, что заставляет разрабатывать новые методы испытаний для определения соответствия СП КЛ параметрам, заданным в техническом задании (ТЗ). Следует отметить, что в литературе, описывающей состояние дел по тому или иному проекту, отсутствуют описания методов испытаний СП КЛ.
Одна из ключевых проблем энергетики - передача огромных потоков энергии на дальние расстояния - пока решается перекачкой природного газа или нефти по трубопроводам. Вскоре после открытия в 2001 году сверхпроводника на основе диборида магния (MgB2) c критической температурой в 39К была предложена концепция «гибридной» транспортной энергетической магистрали (ГЭМ) с одновременной доставкой химической и электрической энергии через единый «кабельный коридор». Жидкий водород экологически чистый энергоноситель, имеет самую высокую плотность энергии среди других видов топлива. Температура кипения жидкого водорода ~20 K, что позволяет использовать его в качестве охлаждающей жидкости для СП-кабеля из относительно дешевого материала на основе MgB2. Однако все работы на эту тему были только расчетно-теоретическими и ранее не проверялись на практике.
Степень разработанности темы исследования
Несмотря на большой объем публикаций по испытаниям СП-кабелей и кабельных линий в литературе практически отсутствует информация о методах и методиках, подготовке к испытаниям и особенностям их проведения. Только в 2016 году Международной электротехнической комиссией (МЭК)
организована рабочая группа для разработки и подготовки стандартов для испытаний СП-кабелей. В связи с этим создание собственных методов и методик испытаний является весьма актуальным и обуславливает выбор направления диссертационной работы.
Хотя концепция ГЭМ имеет заманчивые перспективы, нигде не ведутся исследования по ее практической реализации, в том числе с использованием сверхпроводников на основе MgB2. Таким образом, экспериментальная проверка идеи гибридной магистрали является весьма актуальной.
Целью диссертационной работыявляется разработка критериев оценки работоспособности сверхпроводящих кабелей на основе ВТСП и MgB2, разработка методов и методик их испытаний; исследование характеристик, необходимых для проверки рабочих параметров сверхпроводящих кабелей при введении в эксплуатацию.
Основные научные задачи работызаключаются в том, чтобы:
Определить набор параметров, необходимых для оценки работоспособности СП-кабелей на основе ВТСП и MgB2;
Провести необходимые исследования и разработать методы и методики испытаний коротких образцов и полномасштабных СП-кабелей;
Разработать приемы подготовки коротких образцов СП-кабелей к испытаниям, исследовать влияние введения датчиков на снимаемые характеристики;
Исследовать характеристики коротких образцов и полномасштабных ВТСП-кабелей;
Исследовать характеристики гибридных энергетических магистралей с СП-кабелем на основе MgB2, охлаждаемым транспортом жидкого водорода.
Научная новизна:
Исследовано влияние токовых соединений ВТСП-кабелей на смещение фаз и распределение токов в повивах. Проведен расчет зависимостей угла смещения фазы и распределения токов в СП-повивах от входного и межповивного сопротивлений.
Исследовано влияние введения датчиков в конструкцию СП-кабелей на результаты испытаний. Показано, что установка объемных датчиков может приводить к 5% дисбалансу токов в повивах.
Проведены сравнительные исследования характеристик длинномерных кабелей ВТСП КЛ и их коротких образцов-свидетелей. Доказано, что данные по токовым характеристикам образцов-свидетелей можно использовать для проверки работоспособности длинномерных линий.
Проведены исследования критического тока в широком диапазоне температур для СП-лент на основе MgB2. Показано влияние температуры и деформации на токонесущую способность СП-лент.
Созданы и испытаны прототипы гибридных энергетических магистралей с СП-кабелем на основе MgB2, охлаждаемым транспортом жидкого водорода. Получены экспериментальные данные по характеристикам ГЭМ.
Разработаны и внедрены методики испытаний СП-кабелей для кабельных линий на основе ВТСП и MgB2.
Теоретическая и практическая значимость работы:Разработанные в этой работе методики использовались для проведения испытаний коротких образцов и полномасштабных кабелей в составе КЛ на основе ВТСП (длиной
30 и 200 м) и гибридных магистралей на основе MgB2(прототипы длиной 10 и 30 м) и могут найти применение для проверки работоспособности будущих протяженных сверхпроводящих кабельных линий.
Расчетные зависимости угла смещения фазы и распределения токов в СП-повивах от сопротивления токовых соединений в ВТСП-кабелях используются при конструировании новых типов СП-кабелей.
Расчетные зависимости распределения токов в СП-повивах при наличии в них датчиков учитываются при анализе данных испытаний СП КЛ и конструировании модельных образцов (МО) СП КЛ.
Методики и стенд для испытаний сверхпроводников на основе MgB2используются для исследования свойств различных сверхпроводящих материалов в диапазоне температур 4 - 80 К.
Получена большая база данных по электрофизическим свойствам и особенностям поведения протяженных СП КЛ и прототипов ГЭМ. Результаты работы могут быть применены при изготовлении и испытании будущих сверхпроводящих кабельных линий.
Методология и методы исследования
Объектом исследований в данной работе являлись образцы
сверхпроводников на основе ВТСП и MgB2, а также короткие образцы и полномасштабные СП-кабели в составе сверхпроводящих кабельных линий.
Экспериментальные исследования проведены в лаборатории физических исследований ОАО «ВНИИКП», на стенде высоковольтных испытаний и стенде для испытаний сверхпроводникового оборудования ОАО "НТЦ ФСК ЕЭС", а также криогенно-водородном комплексе экспериментальной базы ОАО КБХА. Все измерения проводились на высокоточном оборудовании с применением поверенных измерительных инструментов.
Расчётные характеристики СП кабелей были получены с использованием программ, разработанных в среде Excel, MatLab, MatCad. Обработка данных проводилась с использованием программ EasyPlot, Excel, MatLab.
Положения, выносимые на защиту
1. Результаты исследования влияния конструкции токовых соединений СП-кабелей на смещение фаз и распределение токов в кабеле.
2. Результаты исследования влияния датчиков, введенных в конструкцию СП-кабелей, на характеристики кабелей, получаемые при испытаниях.
3. Алгоритм проведения испытаний для исследования характеристик СП-кабелей и подтверждения их соответствия требованиям ТЗ, включающий методы подготовки, порядок проведения и методики испытаний образцов свидетелей (ОС) и полномасштабных кабелей СП КЛ.
4. Анализ результатов испытаний коротких образцов и полномасштабных СП-кабелей на основе ВТСП-материалов.
5. Результаты исследования критического тока СП-лент на основе MgB2при различной температуре и деформации.
6. Анализ результатов испытаний прототипов гибридных энергетических магистралей с СП-кабелем на основе MgB2и транспортом жидкого водорода.
Степень достоверности результатов исследования
Достоверность результатов работы подтверждается:
- совпадением расчетных и экспериментальных характеристик ВТСП-кабелей, полномасштабных ВТСП-кабельных линий и прототипов гибридных энергетических магистралей на основе MgB2;
- совпадением экспериментальных значений токовых характеристик материалов на основе MgB2с данными, полученными от поставщика.
Внедрение результатов работы
Основные положения, выводы и рекомендации нашли применение в ОАО ВНИИКП” при разработке, и испытаниях различных СП-кабелей.
Разработанные методики испытаний применяются при исследовании образцов ВТСП КЛ в ОАО ВНИИКП”, полномасштабных ВТСП КЛ в ОАО "НТЦ ФСК ЕЭС" и гибридных магистралей на основе MgB2в ОАО КБХА.
Методики сильноточных испытаний СП-материалов на основе MgB2используются для исследования свойств различных CП-материалов при разработке перспективных токонесущих элементов для модернизации Большого Адронного Коллайдера (CERN).
На технические решения по теме диссертации получено 5 патентов на полезную модель.
Личный вклад авторасостоял в разработке методик испытаний, методов подготовки к испытаниям, проведении теоретических и
экспериментальных исследований, в анализе и обобщении полученных результатов, разработке стенда и методик для сильноточных испытаний при температурах от 4 до 80 К, модернизации конструкций СП-кабелей, разработке инструкций монтажа КЛ.
Апробация работы
Основные результаты диссертации были доложены на национальной конференции по прикладной сверхпроводимости НКПС-1 (Москва,2011); на Европейских конференциях по прикладной сверхпроводимости, EUCAS 2009 (Дрезден, Германия,2009), EUCAS 2011 (Гаага, Нидерланды, 2011); на международных конференциях по криогенной технике и криогенным материалам ICEC/ICMC-22 (Сеул, Корея, 2008), ICEC/ICMC-25 (Твенте, Нидерланды,2014); на международных конференциях по прикладной сверхпроводимости АSC-2008 (Остин, США, 2008), ASC-2010 (Вашингтон, США,2010), ASC-2012 (Портленд, США, 2012), ASC-2014 (Шарлотта, США, 2014), ASC-16 (Денвер,США,2016); на международных конференциях по ВТСП материалам 2-го поколения ССА2009 (Барселона, Испания, 2009), ССА2010 (Фукуока, Япония, 2010), ССА2012 (Гельденберг, Германия, 2012); на международном симпозиуме по сверхпроводимости ISS 2014 (Токио, Япония, 2014).
Публикации. По теме диссертации опубликовано в научных изданиях 32 работы, в том числе5- в изданиях по перечню ВАК, а 18 - в журналах, входящих в международную базу цитирования Scopus и 5 патентов РФ на полезную модель.
Структура и объем диссертации:Диссертационная работа состоит из введения, литературного обзора 4-х глав и заключения. Материалы изложены на 145 страницах и содержат 69 рисунков, 11 таблиц и 8 страниц приложений. Список литературы состоит из 158 наименований.