шестнадцатая СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ

Содержание

  • 16.1. Общие сведения
  • 16.2. Основные виды сверхпроводникового (СП) оборудования

Введение

  • 16.2.1. Кабельные линии электропередачи
  • 16.2.2. Трансформаторы
  • 16.2.3. Ограничители токов КЗ
  • 16.2.4. Индуктивные и кинетические накопители энергии
  • 16.2.5. Электрические машины
  • 16.3. Ситуация с освоением СП-техники в электроэнергетике

России

Контрольные вопросы

Литература для самостоятельного изучения

Общие сведения

Сверхпроводимость — явление, заключающееся в том, что у определенных химических элементов, соединений, сплавов при их охлаждении ниже определенной температуры наблюдается переход из нормального в так называемое сверхпроводящее состояние, в котором их электрическое сопротивление постоянному току полностью отсутствует. При этом переходе структурные свойства этих сверхпроводников остаются практически неизменными. Электрические и магнитные свойства в сверхпроводящем состоянии резко отличаются от этих свойств в нормальном режиме.

Явление сверхпроводимости было открыто Г. Камерлинг-Оннесом в 1911 г. при исследовании ртути. Он обнаружил, что при охлаждение ртутной проволоки ниже 4 К (-270 °С) ее сопротивление скачком обращается в нуль. Нормальное же состояние восстанавливается при пропускании через проволоку достаточно сильного тока или при помещении в достаточно сильное магнитное поле.

В 1933 г. Ф.В. Мейснером было обнаружено другое важное свойство сверхпроводников — внешнее магнитное поле, меньшее некоторого критического значения, не проникает в глубь проводника, имеющего форму бесконечно сплошного цилиндра, ось которого направлена вдоль поля, и отлично от нуля лишь в тонком поверхностном слое.

В разработку теории сверхпроводимости большой вклад внесли отечественные ученые Л.Д. Ландау, В.Л. Гинзбург, А.А. Абрикосов, Л.П. Горьков.

Различают низкотемпературную и высокотемпературную сверхпроводимости.

Низкотемпературная сверхпроводимость достигается при охлаждении определенных материалов жидким гелием при уровне температур 4 К (точнее 4,2 по Кельвину, эта температура кипения жидкого гелия при нормальном давлении). Высокотемпературная сверхпроводимость достигается при охлаждении определенных материалов жидким азотом при температуре 77 К (точнее 77,3 по Кельвину или -195,7 °С).

Сильноточная прикладная низкотемпературная сверхпроводимость (НТСП) имеет более чем сорокалетнюю историю. Основные технические НТСП-материалы, разработанные в конце 70-х и начале 80-х годов и используемые в настоящее время, представлены двумя подгруппами:

неупорядоченными деформируемыми сплавами ниобий-титан (N6-70) с критической температурой Тк = 9,6 К и критическим магнитным полем с

индукцией Вк= 12 Тл, они имеют плотность критического тока 3*105 А/м2 при рабочей температуре 4,2 К в магнитном поле с индукцией В = 5 Тл;

интерметаллическими соединениями ПЬ35п с критической температурой Тк = 18,3 К, критическим магнитным полем с индукцией 24 Тл, характеризуются более высокой плотностью критического тока 109 А/м2 при рабочей температуре 4,2 К в магнитном поле с индукцией 10 Тл.

На базе этих материалов были изготовлены опытные образцы различных электротехнических устройств: электрических турбогенераторов, накопителей электрической энергии, кабелей, трансформаторов и др., испытаниями которых были подтверждены их ожидаемые свойства. Вместе с тем, высокая стоимость криогенной системы, требующейся для получения температуры 4,2 К жидкого гелия, стоимость эксплуатационных расходов и недостаточная надежность не позволили этим устройствам получить практическое применение в сильноточной электротехнике.

В других областях, например в медицине (в томографах), НТСП-техно- логии получили достаточно широкое и практическое коммерчески выгодное применение.

Большие надежды на практическое применение сверхпроводимости в электроэнергетике связаны с открытием в 1986 г. высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП). Жидкий азот, применяемый для охлаждения ВТСП-материалов, существенно более дешевый хладагент, чем гелий, его производство освоено в промышленных масштабах.

ВТСП-материалы подразделяются на материалы первого и второго поколений.

Материалы первого поколения созданы на базе сверхпрпроводников семейства висмутовых купратов (ВГ2223) со структурой слоистого иеров- скига с критическими параметрами Тк= ПО К, Вк > 100 Тл. Плотность критического тока при 77 К немного превышает 10х А/м2, рабочие токи единичных проводников (4—5 мм шириной, 0,2—0,3 мм толщиной) составляет 40—150 А.

На базе этих проводников уже созданы опытные образцы разнообразных устройств: кабелей, ограничителей токов короткого замыкания (КЗ), трансформаторов, синхронных компенсаторов, электродвигателей.

Есть, однако, два обстоятельства, заметно ограничивающих использование ВТСП-материалов первого поколения. Очевидно, что в ближайшем будущем предпочтительной рабочей температурой будет являться 77,3 К. Висмутовые провода (В1-2223) в этих условиях могут работать в магнитных полях, перпендикулярных плоскости ленты и не превышающих 0,3 Тл. При этом плотность тока составляет лишь 2—4 • 10х А/м2, что обеспечит практическое использование ВТСП-материалов первого поколения для электрических кабелей, и, возможно, ограничителей токов КЗ, где амплитуда индукции магнитного поля, как правило, не выше 0,2—0,3 Тл.

Второе обстоятельство касается проблем цена/качество ВТСП-прово- дов первого поколения. Для широкомасштабного использования в электроэнергетике сверхпроводникового оборудования даже с учетом вышеизложенного ограничения по значению магнитной индукции, стоимость ВТСП-провода должна быть соизмерима со стоимостью меди.

В настоящее же время стоимость ВТСП-проводов первого в 6—8 раз выше стоимости медных и по оценкам фирм-производителей не опустится выше 3—4 раз.

Все надежды на широкомасштабное промышленное использование в электроэнергетике сверхпроводниковых технологий и оборудования связывают с так называемыми ВТСП-материалами второго поколения, производство которых осваивается в США, Японии, странах ЕС, Южной Корее, КНР и др.

Основу ВТСП-материалов второго поколения составляют иттриевая керамика (пленка с покрытием). На гибкой подложке никелевого сплава формируется специальный буферный слой с кристаллической структурой. На этот слой осаживается сверхпроводник, который затем покрывается стабилизирующим металлом. Получается гибкая тонкая монокристалли- ческая сверхпроводящая пленка на несущей ленте, обладающая весьма высокой токонесущей способностью и большой плотностью тока.

В настоящее время фирмы предлагают эти материалы по стоимости в 7—8 раз выше стоимости медных проводов. Однако по прогнозам фирм- производителей ВТСП-материалов второго поколения к 2010—2015 гг. их стоимость может оказаться соизмеримой со стоимостью медного провода. Если эти прогнозы оправдаются, то сверхпроводимость в электроэнергетике найдет широкое применение.

Есть большая доля уверенности, что эти прогнозы оправдаются.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >