Сверхпроводящие трансформаторы - Сверхпроводящие провода

ГЛАВА ВТОРАЯ
СВЕРХПРОВОДЯЩИЕ ПРОВОДА
1. Общие сведения и классификация сверхпроводящих проводов.

Основным преимуществом использования сверхпроводящих проводов является возможность увеличения плотности тока в них на два-три порядка по сравнению с плотностью тока в обычных проводах из меди или алюминия. Существенным отличием между СП проводом и обычным проводом является то, что допустимые величины плотности тока и потерь в СПП всецело зависят от интенсивности магнитного поля, тогда как в обычных проводах такие зависимости отсутствуют. В связи с этим, методы расчета и задачи оптимизации обычных и сверхпроводящих проводов различны. В обычном проводе плотность тока j по всему сечению провода остается постоянной и задача оптимизации сводится к получению минимальных электрических джоулевых потерь в проводе. Ток обычного провода круглого сечения диаметром d не зависит от магнитного поля
(2.1)
Плотность тока j = const по сечению проводника, и ток пропорционален квадрату диаметра провода.
В сверхпроводящих проводах для силовых обмоток СП трансформаторов и якорных обмоток электрических машин задача оптимизации значительно шире и состоит в следующем:

1. Уменьшение гистерезисных и вихревых потерь в сверхпроводящих токонесущих жилах провода и электрических и вихревых потерь в стабилизирующем металле СП провода.
2. Повышение токонесущей способности (ТПС) сверхпроводящих проводов и снижение их расхода.
3. Уменьшение индуктивности и индуктивного сопротивления сверхпроводящих проводов и СП обмотки трансформатора, уменьшение ек % СП трансформатора.
4.  Повышение надежности сверхпроводящего провода на основе его стабилизации.

Невидно, что задачи оптимизации сверхпроводящих проводов на переменном токе значительно отличаются от задач оптимизации СП проводов для обмоток сверхпроводящих магнитных систем на постоянном токе, в которых отсутствуют все виды сопротивления и потерь, активные и индуктивные падения напряжений.
В сверхпроводящих проводах плотности токов не остаются постоянными по сечению СПП и зависят от значений магнитной индукции поля в рассматриваемой точке и от магнитной индукции на поверхности СП провода. Магнитное поле на поверхности СП провода может создаваться не только током самого СПП, но и токами других, близко расположенных сверхпроводящих проводов. С увеличением интенсивности суммарного магнитного поля, плотность тока и ТПС резко снижаются и потри в СПП растут. Максимальная ТПС при минимальных потерях достигается при полном отсутствии внешних магнитных полей, когда СП провод находится в собственном магнитном поле, создаваемом током самого СП провода. В этом случае токонесущая способность и потери в сверхпроводящем проводе зависит только от собственных параметров провода.
Такие провода в дальнейшем будем называть сверхпроводящими проводами с локализированным магнитным полем (ЛСПП).
Оптимальной формой ЛСПП следует считать цилиндрическую форму провода. Магнитное поле в таких СП проводах проникает на равное от поверхности провода расстояние, определяемое глубиной проникновения λ, и при величине λ равной радиусу ЛСПП, такой СП провод полностью заполнен током. Принимая величину этого тока равной критическому значению, получим:
(2.2)
где d - диаметр ЛСПП.

Критический ток соответствует критическому значению магнитной индукции поля на поверхности СП провода.
Плотность тока jк при этом также достигает своего критического значения:

(2.3)
где Sпp - площадь сечения провода.
Из формулы (2.2) следует, что токонесущая способность СП провода растет пропорционально его диаметру d, а не квадрату диаметра d2, как это происходит в обычных проводах. Кроме того, величина ТНС СП провода определяется критическим значением магнитной индукции поля на его поверхности. Эго обстоятельство связано с тем, что, как следует из формулы (2.3), с увеличением диаметра СП провода критическая плотность тока уменьшается. Следовательно, уменьшение диаметра СПП ведет к увеличению критической плотности тока и росту токонесущей способности провода. С уменьшением диаметра СП провода, достигаются также значительные снижения гистерезисных и вихревых потерь в проводе.
В связи с этим, становится целесообразным использование вместо одножильных СП проводов большого диаметра, многожильных сверхпроводящих проводов с локализированным магнитным полем (ЛМЖСПП), в которых диаметр СП жилы dK, по сравнению с диаметром провода, составляет незначительную величину. Локализированность магнитного поля многожильного СП провода в связи с тем, что, достигается за счет увеличения расстояния между СП жилами, т.е. снижением коэффициента заполнения СПП до определенной оптимальной величины, при которой взаимное магнитное влияние между СП жилами практически отсутствует.
На основе ЛМЖСПП целесообразно выполнение силовых обмоток трансформаторов и якорных обмоток электрических машин, когда, кроме увеличения ТНС и КПД, ставится задача уменьшения внешних магнитных полей и реактивных сопротивлений этих обмоток.

Для ЛМЖСПП: Кз≤1.
На рис. 14 дана классификация СП проводов, применяемых в сверхпроводящих трансформаторах.

Рис. 14.