№ 2
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2014
УДК 621.3.045 : 538.945
© 2014 г. ТУРУБАНОВ М.А., ЧУБРАЕВА Л.И., ШИШЛАКОВ В.Ф.1
ЭФФЕКТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ СОЗДАНИЯ МАГНИТНЫХ СИСТЕМ СВЕРХПРОВОДНИКОВЫХ УСТРОЙСТВ
В статье рассматривается технология создания магнитных систем различного назначения с использованием высокотемпературных сверхпроводников. Представлены результаты исследований отдельных элементов данных систем (короткие образцы провода, спаи), и экспериментальных магнитных систем, разработанных коллективом Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения.
Введение. При создании магнитных систем из низкотемпературных сверхпроводников (НТСП) основное внимание было уделено приближению критического тока в готовом изделии к току короткого образца. Были исследованы эффекты деградации, связанные с переходом НТСП катушек в нормальное (резистивное) состояние при токах, существенно меньших, чем токи короткого образца. В результате были разработаны технологии изготовления магнитных систем с токами, близкими к токам коротких образцов. Исследован способ повышения критических токов за счет так называемых "тренировок", т.е. неоднократных переходов НТСП катушек в нормальное состояние [1] . Но высокую оценку получали только те технологические процессы намотки и пропитки эпоксидными компаундами, при которых высокие критические токи достигались при минимальном числе тренировок. Существенным этапом создания НТСП магнитных систем была разработка технологии электрических соединений между отдельными катушками. Качество этих соединений сказывалось на величине критического тока и на надежности и долговечности магнитных систем.
Переход к высокотемпературным сверхпроводникам (ВТСП) выявил серьезные проблемы, заложенные в природе этих материалов: слабые связи, крип магнитного потока и неудовлетворительные механические свойства [2].
С использованием традиционных для сверхпроводников технологий были получены, в частности, ВТСП ленты на основе висмута В1-2223 с невысокими критическими токами во внешних магнитных полях при температуре жидкого азота [3]. Однако уже на этом этапе развития сверхпроводников они начали использоваться для создания модельных устройств и опытно-промышленных образцов (преимущественно для Военно-Морского флота). Ленты на основе В1-2223 принято в настоящее время относить к первому поколению ВТСП проводов.
Разработка второго поколения связана с использованием соединения на основе иттрия УВСО. Эти провода, над которыми работают специалисты в США, Европейских странах, Японии, Китае и России, считаются наиболее многообещающими для практического использования в различных областях электроэнергетики.
При создании опытных магнитных систем из ВТСП проводов основное внимание, как и раньше на этапе НТСП, уделяется разработке технологий, позволяющих полу-
1Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения.
Рис. 1. Функциональная схема установки: 1 — источник питания ВТСП образца; 2 — блок управления источника питания; 3 — источник питания измерителя индукции; 4 — токоизмерительный шунт; 5 — измеритель индукции; 6 — устройство обнаружения нормальной зоны; 7 — образец; 8 — вольтметр; 9 — персональный компьютер
чить максимально возможные критические токи, а также методов создания электрических соединений отдельных проводов. Актуальность проблемы электрических соединений (контактов) определяется, в частности, тем, что ВТСП провода выпускаются пока кусками сравнительно небольшой длины.
На этапе разработки ВТСП устройств требуется проводить экспериментальные исследования как коротких образцов сверхпроводника в собственном и внешнем магнитном поле на постоянном и переменном токе, так и опытных образцов магнитных систем. По результатам экспериментальных исследований вносятся необходимые уточнения и в расчеты, и во многих случаях в конструкцию сверхпроводникового устройства, поскольку критические параметры ВТСП материала в реальных условиях
Рис. 2. Общий вид установки по исследованию коротких образцов
ДЦ, мВ ДЦ, мкВ
0 100 200 300
I, A
Рис. 3. Вольтамперные характеристики ВТСП ленты Рис. 4. Вольтамперная характеристика ВТСП ленты Sumitomo Electric: 1 - 0,45 Тл; 2 - 0,2 Тл; 3 - 0,1 Тл; AMSC 4 — 0,055 Тл; 5 — в собственном поле
эксплуатации часто оказываются ниже, чем те, которые заявляют фирмы — производители для коротких образцов на постоянном токе.
Выпускаемые ленточные ВТСП материалы первого и второго поколений принципиально отличаются своей внутренней структурой и технологией производства. Структура сверхпроводника непосредственно влияет на критические параметры, на его поведение при переходных процессах и переходе в резистивное состояние, и, как следствие, на возможную область применения.
Испытания коротких образцов ВТСП ленты. Испытания коротких образцов проводились в собственном и внешнем магнитных полях [4]. На рис. 1 представлена функциональная схема испытательной установки для исследования коротких образцов ВТСП ленты. Общий вид установки приведен на рис. 2.
Результаты исследования коротких образцов ВТСП ленты первого поколения производства фирмы Sumitomo Electric (Япония) даны на рис. 3, критический ток ленты в собственном поле составил 180 А.
Результаты исследования короткого образца ВТСП ленты второго поколения производства фирмы AMSC (США) приведены на рис. 4. По результатам испытаний критический ток ВТСП ленты в собственном поле составил 99 А.
Рис. 5. Электромагнит для создания внешних магнитных полей
IJI* 1,2
0,8 0,4
a
0
0,1
0,2 B„, Тл
103 102 101 100
б
\
ч
6 8 di/dt, Ac-1
Рис. 6. Величина критического тока в образце ВТСП ленты в зависимости от величины внешнего магнитного поля (а) и от скорости заведения тока (б)
Рис. 7. Основание каркаса, на котором производилась намотка трека
Для испытания коротких образцов ленты во внешних магнитных полях была разработана специальная установка, которая позволяет проводить исследования токонесущей способности при токах 100 А и более во внешних магнитных полях величиной до 1,5 Тл. На рис. 5 показан электромагнит, используемый для создания внешнего магнитного поля [3]. Исследовалась лента производства фирмы Trithor (Германия) на основе Bi-2223Ag сечением 0,3 х 4,3 мм. Лента содержит 85 сверхпроводящих жил с коэффициентом заполнения порядка 40%.
На рис. 6 приведены результаты экспериментальных исследований токонесущей способности данного провода во внешних магнитных полях (а) и при различной скорости заведения тока (б).
Исследования магнитной системы из отечественной ВТСП ленты. В рамках международного проекта INCO—COPERNICUS была разработана новая технология изготовления трековых катушек из ВТСП ленты на основе висмута. По этой технологии был изготовлен и испытан трековый ВТСП модуль для обмотки возбуждения высокооборотного криогенного синхронного генератора мощностью до 5 МВА. Намотка производилась ВТСП лентой сечением 10,8 х 0,32 мм, содержащей 61 сверхпроводниковую жилу Bi-2223 и матрицу из серебра. Провод был изготовлен во ФГУП "ВНИИНМ им. А.А. Бочвара" [3] и не имел внешней электрической изоляции.
Рис. 8 . Трековый модуль перед пропиткой
Рис. 9. Каркас с ВТСП треком в вакуумной печи
Технологическая оснастка представляла собой специально разработанный дюралюминиевый каркас, основание которого показано на рис. 7. Каркас имел разборную конструкцию, состоящую из четырех частей, что позволяло свободно извлечь завершенный модуль после окончания процесса пропитки. Разборный каркас был необходим из-за низкой механической прочности ленты. Основание и крышка каркаса содержали большое количество конических отверстий, что повышало качество пропитки катушки. Для облегчения извлечения катушки все поверхности, соприкасающиеся со сверхпроводником, были отполированы и покрыты перед началом намотки антиадгезионным материалом.
В качестве корпусной электрической изоляции применялась стеклоткань Э-100 толщиной 100 мкм, межвитковая изоляция выполнялась из каптоновой ленты толщиной 20 мкм, которая наматывалась бифилярно со сверхпроводником. Токоподводы были выполнены в виде медных цилиндров диаметром 50 мм, к которым припаивались выводные концы катушки. Их исполнение обеспечивало жесткую фиксацию в процессе намотки, пропитки и последующей установки катушки в рабочий каркас ро-
Рис. 10. Рейс-трековый модуль после пропитки перед началом испытаний
тора. При намотке каркас размещался на специальном технологическом столе, в процессе намотки лента крепилась специальными приспособлениями для обеспечения требуемого натяга. По окончании намотки катушка покрывалась фторопластовой антиадгезионной лентой (рис. 8).
Пропитка катушки осуществлялась компаундом горячего отверждения ЭТ-10 в вакуумной печи (рис. 9). Использовался капельный метод пропитки: обмотка разогревалась в печи при полном вакууме до температуры 90°С, после этого сверху на катушку подавался компаунд, который заполнял ванну с находящейся в ней катушкой. После заполнения ванны, вакуум выдерживался еще один час, по окончании которого производился отжиг катушки с использованием инертных газов (гелий, азот) под давлением 2,5 атм и температуре 120—130°С. Общее время полимеризации компаунда составило 12—14 час.
Основные электромагнитные параметры рейс-трекового модуля (рис. 10) приведены в табл. 1 (расчетные значения при токе 100 А).
Таблица 1
Расчетные характеристики ВТСП трека при токе 100 А
№ Параметр Значение
1 Магнитное поле в центре катушки, Тл 0,016
2 Максимальное поле на поверхности катушки, Тл 0,252
3 Количество проводов 50
4 Индуктивность, мГн 4,64
5 Запасенная энергия, Дж 23,2
6 Сечение обмотки, мм 16 х 13
7 Коэффициент заполнения сверхпроводником, % 83
8 Тип сверхпроводника Б1-2223 в серебряной матрице
9 Количество сверхпроводящих жил 61
Рис. 11. Криостат с катушкой в каркасе и криоголовкой
а
V ч> ь \ \ Г
|б
4 > 1
Рис. 12. Опытные образцы двухслойных катушек из ВТСП ленты первого (а) и второго (б) поколений
Таблица 2
Пара
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.