Конструктивное исполнение криогенных линий электропередачи

Основным элементом криогенной линии, оказывающим решающее влияние на возможности передачи заданной мощности, является криогенный кабель. В настоящее время разработано много конструкций сверхпроводящих и криорезистивных кабелей переменного и постоянного тока. Конструкция кабеля в основном зависит от выбранной конструкции токопроводящей системы, вида электро и теплоизоляции.
Сверхпроводники позволяют иметь очень высокие рабочие плотности тока (несколько тысяч А/мм2). Поэтому их сечение может быть малым. Для обеспечения механической прочности токопроводящей системы сверхпроводник сочленяют со специальной подложкой из нормального металла высокой проводимости. Эта подложка одновременно выполняет очень важную роль стабилизатора сверхпроводника в аварийных режимах, при которых сверхпроводник переходит в нормальное состояние и ток вытесняется в подложку. Варианты конструкций сверхпроводников приведены на рис. 11.1.
Для электрической изоляции в криогенных кабелях могут применяться: твердые диэлектрики (тефлон, полиэтилен, лавсан), сжиженные газы и вакуумные полости. Твердые диэлектрики должны обладать достаточной механической прочностью и
эластичностью, температурные коэффициенты линейного расширения диэлектриков и материалов токопроводов должны быть соизмеримы. В качестве сжиженных газов используются хладагенты, предназначенные для охлаждения токопроводов кабеля. На электрическую прочность хладагентов большое влияние оказывает чистота жидкости. Вакуумные полости целесообразно использовать одновременно для электро- и теплоизоляции. Электрическая прочность вакуума в значительной степени зависит от материала электродов и чистоты их обработки. Наиболее слабым местом в вакуумной изоляции являются опоры из твердого диэлектрика, предназначенные для обеспечения заданных расстояний между элементами кабеля. Достоинство вакуумной изоляции заключается в дешевом производстве, недостаток — в ее относительной ненадежности.
В целях поддержания низких температур в зоне расположения токопроводов применяют специальную теплоизоляцию. Для криогенных кабелей пригодны следующие виды теплоизоляции: высоковакуумная (10~4—10~® мм рт. ст.), порошково-вакуумная, многослойно-вакуумная (суперизоляция). Свойства и методы расчета различных видов теплоизоляции подробно описаны в специальной литературе по криогенной технике.
Для трехфазных сверхпроводящих кабелей переменного тока известны следующие принципиальные конструкции токопроводящей системы: бифилярная, полностью коаксиальная, пофазно коаксиальная.
Бифилярная конструкция характерна тем, что каждая фаза расщеплена на ряд проводников. Проводники каждой группы располагаются в углах равностороннего треугольника. Такая конструкция позволяет создать гибкую токопроводящую систему. Один из основных недостатков бифилярной конструкции заключается в том, что каждый проводник должен иметь изоляцию на линейное напряжение.
Полностью коаксиальная конструкция предполагает соосное расположение всех фаз, которые выполняются в виде цилиндрических труб, причем одна из фаз для обеспечения сдвига токов на 120° состоит из пары соосных труб, а каждая из двух других фаз содержит по одной трубе. Цилиндрическое исполнение фаз позволяет использовать их для прокачки хладагента. Такая конструкция отличается малыми геометрическими размерами, однако она имеет ряд существенных недостатков: неполная компенсация электромагнитного поля внутри кабеля при несимметричных нагрузках фаз, появление больших электродинамических усилий и др.
В пофазно коаксиальной конструкции каждая фаза выполнена в виде двух соосных труб. Такое расположение проводников фазы приводит к тому, что при противоположном направлении .токов в них электромагнитное поле расположено только между проводниками коаксиала. Возможны также варианты этой конструкции с общим экраном на все фазы.
В настоящее время «при проектировании сверхпроводящих электропередач большее предпочтение отдают пофазно коаксиальной конструкции. Поэтому в дальнейшем, если нельзя применить общий подход, задачи проектирования рассматриваются применительно к пофазно коаксиальной конструкции.
Во всех рассмотренных конструкциях криогенная оболочка с токопроводящей системой помещается в теплоизоляционную оболочку. В сверхпроводящих кабелях с рабочей температурой до 20 К токопроводов охлаждаемых основным хладагентом 2, в теплоизоляционной оболочке экономически Целесообразно оказывается применение промежуточного температурного экрана 5, который охлаждается промежуточным хладагентом (например, жидким азотом). В качестве теплоизоляции между основной криогенной оболочкой 3 и температурным экраном 5 обычно используют вакуум 4> а теплоизоляция температурного экрана осуществляется с помощью суперизоляции 6. Для фиксации отдельных оболочек друг относительно друга применяются опорные элементы 7.
Аналогичную конструкцию имеют и однофазные сверхпроводящие кабели переменного тока. Разница заключается лишь в том, что в криогенную оболочку вместо трех фаз помещают одну фазу.
В криорезистивных кабелях промежуточный температурный внешней среды только одним слоем теплоизоляции. Токопроводящая система может выполняться с пофазным экранированием либо с общим электрическим экраном.