Конструкции криопроводящих и сверхпроводящих кабелей

Электроизоляционные материалы

В качестве изоляции для крио- и сверхпроводящих кабелей может применяться либо жидкий хладагент, либо слоистая изоляция, пропитанная жидким хладагентом. Установлено, что жидкие хладагенты (азот, гелий) являются хорошими диэлектриками и могут быть использованы в сочетании с диэлектрическими распорками для изоляции, если кабель имеет жесткую конструкцию. Однако электрическая прочность жидких газов сильно зависит от давления и температуры. Кроме того, диэлектрические распорки также значительно снижают его электрическую прочность. Преимуществом жидких хладагентов при использовании их в качестве изоляции являются малые значения е_г и tg б (например, для жидкого гелия е_г=1,05, tg δ=10^-6).

Для гибких кабелей целесообразно в качестве изоляции использовать слоистую изоляцию, пропитанную жидким хладагентом. Наиболее дешевая изоляция, которая применяется для изоляции криогенных кабелей, – это кабельная бумага, пропитанная жидким азотом. Кроме бумаг, для изоляции крио- и сверхпроводящих кабелей предполагается использовать также пленки.

 

Криопроводящие кабели.В криопроводящих кабелях увеличение передаваемой мощности достигается за счет охлаждения токопроводящих жил до 77 К, т. е. до температуры кипения жидкого азота. Токопроводящая жила таких кабелей изготавливается из сверхчистых меди и алюминия и имеет центральный канал для прокачки хладагента – жидкого азота. Жила может быть как жесткой (в виде трубы), так и гибкой, – скрученной из отдельных проволок. Безусловно, гибкая конструкция предпочтительнее, так как в этом случае увеличивается строительная длина кабеля, а, следовательно, уменьшается количество мест соединения на трассе. Использование для жилы криопроводящего кабеля алюминия по сравнению с медью более перспективно, так как алюминиевая жила будет примерно в два раза дешевле медной.

В качестве электрической изоляции для жидкоазотных кабелей наиболее дешевой и доступной является кабельная бумага, пропитанная жидким азотом. Однако существует принципиальная возможность использования для таких кабелей экструдированной полиэтиленовой изоляции (согласно исследованиям, проведенным в Японии).

Поверх изоляции криопроводящего кабеля обязательно накладывается металлическая оболочка. Если кабель имеет жесткую конструкцию, то оболочка выполняется в виде жесткой трубы. В этом случае часто три фазы имеют общую металлическую оболочку. Для гибкой конструкции используется гофрированная металлическая оболочка поверх каждой фазы. Металлическая оболочка выполняет, как правило, следующие функции: 1) является электромагнитным экраном; 2) предохраняет электрическую изоляцию от внешних воздействий и механических повреждений; 3) позволяет поддерживать в кабеле избыточное давление хладагента.

Электрическая изоляция и металлическая оболочка увеличивают количество теплоты, выделяемой в кабеле вследствие диэлектрических потерь и потерь от продольных и вихревых токов в оболочках.

Кроме всех перечисленных источников теплоты в кабеле, которые определяют нагрузку рефрижератора, существует еще один источник – приток теплоты в кабель извне. Для уменьшения последнего используют различные способы теплоизоляции кабеля. Наиболее эффективной, но и наиболее дорогой является вакуумная изоляция и ее разновидности: суперизоляция – изоляция, состоящая из неорганических волокон, или пористый синтетический материал, работающий в условиях глубокого вакуума; вакуум-порошковая изоляция.

Сверхпроводящие кабели. Рабочие температуры сверхпроводящих кабелей, должны составлять от 6 до 20 К, что возможно лишь при использовании в качестве хладагента жидкого гелия. При этом значительно возрастает приток теплоты в кабель извне. Поэтому отличительной особенностью конструкции почти всех сверхпроводящих кабелей является наличие двух ступеней охлаждения. На первой ступени используется жидкий азот, на второй – жидкий гелий.

Материалом токопроводящих жил в существующих конструкциях кабелей являются такие сверхпроводники как ниобий, станнид ниобия и германид ниобия.

Конструктивно в сверхпроводящих кабелях можно выделить два основных узла: изолированная жила и криостатирующая оболочка (тепловая изоляция). В зависимости от исполнения этих узлов различают три вида конструкций: жесткие, полугибкие и гибкие. Жесткие – это жесткая оболочка и жесткая жила. Полугибкие – это жесткая оболочка и гибкая жила. Гибкие – это гибкая оболочка (гофрированные трубы) и гибкая жила.