Зубко Василий Васильевич. Моделирование теплофизических и электрофизических процессов для исследования и оптимизации конструкций сверхпроводящих кабелей и проводов

Короткий опис

Зубко Василий Васильевич. Моделирование теплофизических и электрофизических процессов для исследования и оптимизации конструкций сверхпроводящих кабелей и проводов: диссертация ... доктора Технических наук: 05.09.02 / Зубко Василий Васильевич;[Место защиты: ОАО Всероссийский научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт кабельной промышленности], 2017

Содержание к диссертации

Введение
ГЛАВА 1.Анализ требований для исследования и разработки сверхпроводящих кабелей. постановка задач для исследований20
1.1 Современные технические сверхпроводники 20
1.2 Сверхпроводящие кабели для магнитов ускорителей. Сопряженные задачи для моделирования параметров стабильности сверхпроводящих кабелей быстроциклирующих магнитов ускорителей 24
1.3 Кабели на основе высокотемпературных сверхпроводников. Сопряженные задачи для моделирования поведения высокотемпературных сверхпроводников и силовых кабелей на их основе при перегрузках током и аварийных режимах 35
1.4 Моделирование потерь в кабелях на основе ленточных высокотемпературных сверхпроводников второго поколения 45
1.5 Оптимизация сверхпроводящих кабелей 49
ГЛАВА 2.Моделирование электрофизических и теплофизических процессов в быстроциклирующих магнитах ускорителей для определения стабильности сверхпроводящих кабелей51
2.1 Модель для определения температурного запаса сверхпроводящих кабелей для быстроциклирующих магнитов 52
2.2 Исследование динамических потерь в сверхпроводящей обмотке дипольного магнита и температурного запаса применяемых сверхпроводящих кабелей 60
2.3 Исследование динамических потерь в сверхпроводящей обмотке магнита и температурного запаса применяемых сверхпроводящих кабелей
2.4 Исследование динамических потерь в сверхпроводящих обмотках корректирующих магнитов и температурного запаса применяемых сверхпроводящих кабелей 88
ГЛАВА 3.Моделирование параметров стабильности сверхпроводящего кабеля для быстроциклирующего квадрупольного магнита99
3.1 Численный анализ минимальной энергии перехода в нормальное состояние сверхпроводящего стренда в кабеле с промежуточным элементом между его слоями 100
3.2 Моделирование перехода в нормальное состояние и разработка системы защиты сверхпроводящих обмоток квадрупольных магнитов 118
3.3 Результаты испытаний сверхпроводящего квадрупольного магнита 124
ГЛАВА 4.Моделирование поведения силового кабеля на основе высокотемпературных сверхпроводников при коротком замыкании в сети130
4.1. Математическая модель для расчета перераспределения токов между металлическими и сверхпроводящими элементами силового кабеля и их нагрева при коротком замыкании в сети 131
4.2 Моделирование короткого замыкания в силовом кабеле длиной 30 метров . 133
4.3 Моделирование короткого замыкания в силовом кабеле длиной 200 метров . 147
4.4Анализ результатов испытаний кабелей токами короткого замыкания 149
ГЛАВА 5.Моделирование теплофизических и электрофизических процессов при перегрузках током в ленточных высокотемпературных сверхпроводниках, охлаждаемых жидким азотом151
5.1 Математическая модель для расчета нагрева высокотемпературных сверхпроводников и теплоотдачи от их поверхности в жидкий азот приперегрузках током с учетом размытого перехода сверхпроводника в нормальное
состояние и гистерезиса кипения жидкого азота 153
5.2 Результаты экспериментального и численного исследования изменения напряжения в ленточных высокотемпературных сверхпроводниках при перегрузках током 160
ГЛАВА 6.Моделирование гистерезисных потерь в силовых кабелях на основе ленточных высокотемпературных сверхпроводников второго поколения173
6.1 Численная модель для исследования потерь в ленточных высокотемпературных сверхпроводниках второго поколения и кабелях на их основе 174
6.2 Моделирование профилей плотности тока в сверхпроводящем слое 182
6.3 Анализ потерь в ленточном высокотемпературном сверхпроводнике второго поколения 186
6.4 Экспериментальное исследование потерь в кабелях на основе ВТСП-лент второго поколения с двухповивным токонесущим элементом 193
6.5 Моделирование и исследование потерь в кабеле на основе ВТСП-лент второго поколения 195
ГЛАВА 7.Оптимизация конструкции силовых кабелей на основе ленточных высокотемпературных сверхпроводников206
7.1 Моделирование многоповивного токонесущего элемента и экрана коаксиального кабеля методом конечных разностей 206
7.2 Моделирование многоповивного токонесущего элемента и экрана коаксиального кабеля методом конечных элементов 211
7.2 Оптимизация конструкции компактного коаксиального кабеля на основе высокотемпературных сверхпроводников с трехповивным токонесущим элементом и двухповивным экраном 219
7.3Моделирование и оптимизация конструкции трехфазного кабеля на основе высокотемпературных сверхпроводников для электроэнергетики 226
Выводы 230
Список литературы 235

Кабели на основе высокотемпературных сверхпроводников. Сопряженные задачи для моделирования поведения высокотемпературных сверхпроводников и силовых кабелей на их основе при перегрузках током и аварийных режимах
Исследование динамических потерь в сверхпроводящей обмотке дипольного магнита и температурного запаса применяемых сверхпроводящих кабелей
Моделирование перехода в нормальное состояние и разработка системы защиты сверхпроводящих обмоток квадрупольных магнитов
Моделирование короткого замыкания в силовом кабеле длиной 200 метров

Введение к работе

Актуальность проблемы
Благодаря развитию прикладной сверхпроводимости, крупномасштабной индустрии производства сверхпроводящих материалов и значительному прогрессу в криогенике стало возможным широкое применение технических сверхпроводящих (СП) проводников. Основными применениями СП- проводников как низкотемпературно-сверхпроводящих (НТСП) так и высокотемпературно-сверхпроводящих (ВТСП) является создание
высокопольных магнитных систем и электроэнергетических устройств.
Для дальнейших исследований в области физики высоких энергий в новом поколении ускорителей элементарных частиц нашли применение быстроциклирующие НТСП-магниты с высокой плотностью тока в обмотке и скоростью изменения магнитного поля выше 1 Тл/с. Такие магниты создаются в различных ускорительных центрах, в том числе, в Федеральном государственном бюджетном учреждении РФ "Институт физики высоких энергий имени А.А. Логунова" (ИФВЭ) разработаны, изготовлены и успешно испытаны быстроциклирующие магниты на основе ниобий-титанового (NbTi) сверхпроводника для ускорителя SIS300. Одной из главных проблем при проектировании НТСП-кабелей для магнитов с высокой плотностью тока в обмотке является устойчивость сверхпроводника к любым возможным возмущениям в рабочих условиях.
Применение ВТСП-материалов для электрофизических и
электротехнических устройств имеет огромные преимущества (возможность охлаждения жидким азотом, меньшая масса и габариты устройств при сохранении мощности, и т.д.). Понимая это, многие компании из ряда стран ведут разработки в этой области. Наиболее востребованным применением является создание силовых ВТСП-кабелей, которые устанавливаются в реальные энергосистемы. В ОАО Всероссийский научно-исследовательский проектно-конструкторский и технологически институт кабельной
промышленности (ВНИИКП) разработаны, изготовлены и успешно испытаны силовые кабели на основе ВТСП-лент первого поколения и несколько модельных кабелей, изготовленных из ВТСП-лент второго поколения (2G) отечественного и зарубежного производства. Здесь особо важной является проблема работы кабельных ВТСП-линий в аварийных условиях. В рабочих условиях важно определение и минимизация потерь на переменном токе в силовых кабелях на основе 2G ВТСП-проводников, учитывая особенности их конструкции. Также необходимо развитие моделей для оптимизации различных разрабатываемых ВТСП-кабелей.
Во многих случаях при разработке СП-кабелей необходимо
математическое моделирование для решения нелинейных и нестационарных задач.
На современном этапе математическое моделирование невозможно без применения современных компьютерных (численных) технологий, поскольку аналитические модели требуют многих допущений, что может привести к менее точным решениям и в лучшем случае к необоснованным требованиям. Компьютерное моделирование позволяет более полно описать исследуемые процессы и существенно сократить затраты на решение сложных конструкторских и исследовательских задач с учетом реальных свойств материалов и реальных условий эксплуатации. Особенно это актуально, когда при решении нестационарных задач, необходимо одновременно моделировать нескольких взаимосвязанных физических процессов, то есть решать сопряженные задачи. Например, для моделирования теплофизических и электрофизических процессов, в которых имеется внутренняя связь между тепловыми и электромагнитными свойствами, необходимо совместно решать уравнения, описывающие законы сохранения энергии и законы электродинамики.
Компьютерное моделирование при разработке СП-кабелей, работающих в нестационарных условиях, является обязательным, так как имеется сложная геометрия, нелинейность свойств материалов, внутренняя связь между теплофизическими и электрофизическими свойствами, и во многих случаях экспериментальные исследования ограничены и требуют значительных затрат.
Разработки численных моделей для расчета и анализа различных характеристик кабелей ведутся во многих научных центрах. При компьютерном моделировании используются, как правило, собственные программные коды, основанные на методе конечных разностей или различные программные комплексы, основанные на методе конечных элементов, такие как ANSYS. Однако в литературе они представлены недостаточно полно, обычно представляются только результаты исследований. В связи с этим создание собственных подходов и численных моделей для расчета и анализа характеристик СП-кабелей, исследование их поведения в нестационарных условиях, выяснение физических причин наблюдаемых явлений и на этой основе разработка или усовершенствование конструкций СП-кабелей, являются актуальными и важными задачами.
Цели диссертационной работы
Разработать математические (численные) модели сопряженных нестационарных теплофизических и электрофизических процессов в быстроциклирующих НТСП-магнитах с высокой плотностью тока в обмотке и отдельно в НТСП-кабелях;
С помощью разработанных моделей исследовать стабильность и провести оптимизацию конструкции НТСП-кабелей для быстроциклирующих магнитов ускорителей;
Разработать математические модели нестационарных теплофизических и электрофизических процессов в ВТСП-кабелях для электроэнергетики при коротком замыкании в цепи и отдельно в ВТСП-лентах, охлаждаемых
азотом при токах перегрузки. Разработать модели для расчета гистерезисных потерь в кабелях на основе ВТСП-лент второго поколения, работающих на переменном токе. Разработать новые модели для оптимизации конструкции ВТСП-кабелей.
Исследовать поведение силовых ВТСП-кабелей в аварийных режимах работы и поведение ВТСП-лент при токах перегрузки. Провести оптимизацию конструкции и исследовать потери в силовых кабелях на основе ВТСП-лент второго поколения.
Научная новизна
Предложены и разработаны математические модели для детального исследования нестационарных, нелинейных процессов в обмотках быстроциклирующих магнитов с высокой плотностью тока, а также отдельно в НТСП-кабелях. На основе этих моделей создан новый комплекс методик, позволяющих обосновать требования к сверхпроводящим кабелям и их стрендам для быстроциклирующих магнитов, применяемых в ускорителях заряженных частиц.
Впервые разработана математическая модель для исследования стабильности (устойчивости к любым видам возмущений) НТСП-кабелей для быстроциклирующих магнитов ускорителей. Модель основана на использовании сопряженных дифференциальных уравнений, описывающих тепло физические и электромагнитные процессы в магнитах в течение ускорительных циклов.
Впервые проведено теоретическое исследование стабильности НТСП-кабелей для быстроциклирующих магнитов ускорителя SIS300, в том числе дипольного, квадрупольного и корректирующих магнитов. В результате определен температурный запас и сформулированы требования к НТСП-кабелям и стрендам для этих магнитов.
Разработана математическая модель для определения минимальной энергии перехода в нормальное состояние НТСП-стрендов в кабеле с промежуточным элементом между его слоями. Модель основана на использовании сопряженных дифференциальных уравнений, детально описывающих тепловые и электрические процессы в момент начала и развития процесса перехода в нормальное состояние НТСП-стренда в кабеле;
Проведено теоретическое исследование минимальной энергии перехода в нормальное состояние НТСП-стренда в кабеле с промежуточным элементом между его слоями. Показано, что в кабеле с промежуточным элементом имеется повышенная стойкость к локальным тепловым возмущениям и данная конструкция может быть применена в обмотках для быстроциклирующих магнитов ускорителей.
Для большей гарантии стабильности работы НТСП-кабелей, предназначенных для применения в быстроциклирующих магнитах ускорителей, предложено выбирать рабочий ток в НТСП-кабеле с
промежуточным элементом между его слоями ниже уровня тока, при котором изменяется режим устойчивости стренда в данном кабеле к локальным тепловым возмущениям.
Разработана компьютерная модель для расчета нестационарных теплофизических и электромагнитных процессов в СП-магнитах, которая позволяет рассчитывать переход их обмоток в нормальное состояние, с учетом реальной переходной (вольт-амперной) характеристики используемого СП-проводника.
Исследованы теплофизические и электрофизические процессы в СП-обмотках цепочки быстроциклирующих квадрупольных магнитов для ускорителя SIS300 при переходе в нормальное состояние. Разработана система их защиты.
Впервые разработана математическая модель для расчета нестационарных процессов в ВТСП-кабелях при коротком замыкании в цепи. Модель основана на использовании сопряженных дифференциальных уравнений, описывающих тепловые и электрические процессы в ВТСП-кабелях при коротком замыкании.
Обоснована конструкция формеров и каналов охлаждения азотом в силовых коаксиальных кабелях на основе ВТСП-лент первого поколения.
Предложен новый подход к математическому моделированию поведения ВТСП-лент первого и второго поколений, охлаждаемых азотом, при перегрузках током, который основан на использовании сопряженных дифференциальных уравнений, описывающих тепловые и электрические процессы в ВТСП-лентах, с учетом нелинейной модели теплоотдачи в кипящий азот.
С помощью разработанной модели детально исследована и впервые объяснена причина изменения напряжения в ВТСП-лентах, охлаждаемых азотом, при перегрузках током.
Разработана компьютерная модель для детального исследования нестационарных процессов в кабелях на основе ВТСП-лент второго поколения;
Проведено теоретическое исследование потерь в кабелях на основе ВТСП-лент второго поколения.
Созданы новые взаимодополняющие математические модели для оптимизации конструкции коаксиальных силовых ВТСП-кабелей переменного тока: конечно-разностная модель, использующая эквивалентную электрическую схему кабеля, и две трехмерные модели на основе метода конечных элементов. Трехмерное моделирование методом конечных элементов может дать более подробную информацию о токах в повивах и распределении магнитного поля внутри кабеля. Разработана математическая модель для оптимизации конструкции триаксиальных ВТСП кабелей переменного тока для электроэнергетики.
Практическая ценность и реализация работы
Разработанные эффективные математические модели нелинейных нестационарных теплофизических и электрофизических процессов позволили получить ряд технических решений, которые использованы при проектировании СП-кабелей:
При разработке первых в России быстроциклирующих магнитов с высокой плотностью тока в обмотке для ускорителя SIS300 проведены исследования теплофизических и электрофизических процессов в обмотках и отдельно в кабелях данных магнитов. В результате проведенных исследований сформулированы требования, на основе которых изготовлены стренды и НТСП-кабели для данных магнитов;
При разработке первых в России коаксиальных кабелей для электроэнергетики на основе ВТСП-лент первого поколения проведено исследование перераспределения токов и нагрева элементов кабеля при коротком замыкании в цепи. На основе проведенных исследований обоснована конструкция формеров кабеля;
В результате исследований тепловой стабильности и перехода в нормальное состояние ВТСП-лент, охлаждаемых азотом, определена граница тепловой стабильности (ток теплового перехода) ВТСП-лент первого и второго поколений;
При разработке кабелей на основе ВТСП-лент второго поколения разработана численная модель, на основе которой проведен анализ потерь на переменном токе;
Проведена оптимизация компактного коаксиального ВТСП-кабеля и первого в России триаксиального ВТСП-кабеля.