Технически науки

UDC 537.312.62:620.018.45

МЕТОДИ ЗА ПРОИЗВОДСТВО И СВОЙСТВА НА HTSC КЕРАМИКА НА БАЗА НА УЛТРАФИНИ ПРАХОВЕ

О.Л. Хасанов

Томски политехнически университет Имейл: [имейл защитен]

Описани са резултатите от развитието на технологията за производство на високотемпературна свръхпроводяща керамика на базата на ултрафини прахове, включително методи за сухо уплътняване под въздействието на мощен ултразвук. Оправдано оптимални условияпроцеси на синтез на HTSC прах и синтероване на керамика. Представени са данни за характеристиките на образци от екрани за електромагнитно поле, обемни микровълнови резонатори и керамични SQUID, направени от HTSC керамика.

Въведение

Сред съвременните керамични материали особено място заема високотемпературната свръхпроводяща (HTSC) керамика. Феноменът на свръхпроводимостта при температури над 30 K е експериментално открит през 1986 г. от J. Bednorz и K. Müller в семейството на лантанов купрат Ba-La-Cu-O и скоро критичните свръхпроводящи температури на преход Tc са достигнати над точката на кипене на течността азот (77 TO). С преодоляването на този праг се появиха вълнуващи перспективи за практическото приложение на HTSC в електрониката, комуникационните технологии и прецизните измервания, в енергетиката, електротехниката, транспорта и други области.

Следователно изследванията се развиват не само във фундаментална посока, но и в приложен аспект. Основният проблем беше разработването на технологии, които позволяват производството на необходимите продукти от такива крехки керамични материали като сложни купрати: проводници и кабели, индуктори, обемни резонатори и др. В много случаи на приложения с „нисък ток“ (електроника, сензори), използването на филмови технологии за производството на структури, базирани на HTSC филми, е ефективно. Въпреки това, за приложения с „висок ток“ (енергетика, транспорт, ускорителна технология и др.) Развитието на технологии за производство на обемни керамични HTSC материали с висока тоководеща способност и стабилни свойства е все още актуално.

Тази статия представя основните резултати от изследванията върху разработването на методи за производство и изследване на свойствата на HTSC керамика от семейството YBa2Cu3O7_x. Целта на работата беше да се разработят методи за синтез на ултрафин прах (UDP) от HTSC фазата, неговото уплътняване и синтероване на еднофазна свръхпроводяща керамика с високи критични характеристики.

Твърда фаза и саморазпространяваща се

високотемпературен синтез на HTSC

Синтез на свръхпроводяща орторомбична фаза YBa2CuзO7_x (x<0,4 - фаза "1-2-3") - многостадийный процесс последовательных химических и структурных превращений синтезируемых компонентов. Среди многих известных методов синтеза ВТСП-порошков нами разрабатывался метод твердофазного керамического синтеза.

Както е известно, твърдофазният синтез е дифузионен процес. Анализът на неговия ход и термодинамичните условия на синтез показа, че когато температурата на синтеза на фаза 1-2-3 се понижи под добре познатите 950 °C, вероятността за образуване на не-свръхпроводима фаза 2- 1-1 се намалява, агломерирането на получените зърна от фаза 1-2-3, което е нежелателно, се предотвратява. Такива условия се постигат при използване на всички реагенти или един от тях под формата на UDP. Показано е, че в първоначалния заряд в ултрадисперсно състояние е достатъчно да се използва само мед. В смес от състав 1-2-3 с помощта на UDP

Cu, температурата на синтеза намалява до 920 ° C, а продължителността на образуване на HTSC фазата намалява с 12 часа, което е свързано с увеличаване на броя на ядрата поради геометричния фактор - по-голям брой и площ на контакти между Cu UDP и по-големи частици U2O3 и BaCO3. Интензификацията на кинетиката на фазообразуване се дължи на увеличаване на коефициента на дифузия на веществото от субмикронни медни частици (с максимално стехиометрично съдържание в заряда) на интерфейса на реагентите поради тяхната повърхностна активност, дефектност и термодинамична метастабилност на структурата, както и ефективното отделяне на зърна от междинни фази на синтез от по-големи частици реагенти поради междугранулирани напрежения. В резултат на това се синтезира еднофазен UDP HTSC UVa2Cu307-x със среден размер на частиците 0,4...0,7 μm, критична температура на свръхпроводящия преход Tc = 95 K и ширина на този преход Tc = 1 K.

Синтезът на HTSC фази може да се извърши не само чрез твърдофазни реакции, но и чрез метода на саморазпространяващ се високотемпературен синтез (SHS), когато реакцията на синтез се извършва в резултат на слой по слой самонагряване на смес от реагенти поради екзотермичен топлинен ефект.

Образуването на съединение UVa2Cu307-x с такъв екзотермичен ефект е възможно чрез реакцията:

1/2U2O3 + 2BaO2 + 3Cu + nO2 ^UBa2Cu307.x + O,

където BaO2, O2 са окислители; Cu е метален неокислен меден редуциращ агент.

Използването на UDP Cu интензифицира реакцията на синтез и увеличава нейния топлинен ефект O (определящ самоподдържането на реакцията в заряда) поради високата съхранена енергия на ултрафините частици.

За да се определят моделите на системата SHS 1-2-3, използвайки UDP Si nami

Извършени са изследвания на процеса в поток от кислород и във въздуха, възможността за регулиране на температурата на горене чрез въвеждане на допълнителен окислител, степента на уплътняване на първоначалния заряд и изборът на геометрията на пробата. В тези изследвания задачата беше да се определят условията, при които температурата на горене е в диапазона от 900,970 °C, т.е. съответства на температурата на синтез и синтероване на HTSC фаза 1-2-3.

От хомогенизирана смес от изходни компоненти чрез сухо статично едноосно пресоване при налягане на пресоване Р от 50 до 350 МРа се формират компакти с различни диаметри Br (7, 10, 14 и 18 mm) с височина 3 mm.

Вълната на горене в компактите беше инициирана по два начина: чрез бързо нагряване на целия компакт в специално изработена тръбна пещ до 800 °C и с помощта на електрическа намотка, която нагряваше повърхността на компакта до 750 °C. И в двата случая, непосредствено след SHS, ефектът на Meissner не се наблюдава в пробите и е необходимо допълнително отгряване при 950 ° C за 2, 8 часа за образуването на HTSC фазата. Очевидно, за компактите с изследваната геометрия се получава изгаряне по същество неадиабатичен режим, който не съответства на термодинамичните условия за образуване на HTSC фазата.

Рентгеновият фазов анализ, извършен за пробите след SHS преди отгряване, показа наличието на фазите U4Ba3O9, BaCuO2, тетрагоналната фаза 1-2-3, нереагиралите Cu0, Cu, Y2O3, както и малко количество орторомбична фаза 1-2-3. Съдържанието на HTSC фаза Csp се повишава до 40% след отгряване при 950 °C за 2 часа и до 50.60% след отгряване при 950 °C за 6 часа.

Стойностите на ефекта на Meissner x, който корелира със съдържанието на HTSC фазата в пробите, в зависимост от налягането на натискане на заряда преди иницииране на SHS и геометрията на пробите са показани на фиг. 1.

Или = 14 mmu \ P = 18 mm m

■■ 1- -1-*-1-

Ориз. 1. Големината на ефекта на Майснер в HTSC компакти, синтезирани по метода SHS и отгряти при 950 C за 2 часа (а), и след това 6 часа (б) - в зависимост от налягането на пресоване P

Сухо пресоване на UDP HTSC под въздействието на

ултразвук

На всички технологични етапи на производство на HTSC керамика е необходимо да се вземе предвид метастабилността на орторомбичната HTSC фаза 1-2-3 и нейната висока чувствителност към съдържанието на кислород и наличието на водни пари. В тази връзка е уместно да се разработят методи за уплътняване на твърди HTSC прахове, особено високо диспергирани (синтезирани от UDP мед), без използване на свързващи вещества и пластификатори. Затова използвахме метода на сухо пресоване на HTSC прах под ултразвуково въздействие (USV), приложено перпендикулярно на силата на пресоване.

Целта на тези изследвания е да се изследва ефектът от температурата на синтероване върху плътността на HTSC керамиката, произведена с помощта на UDP Cu и стандартна технология, пресована при различни режими на ултразвукова обработка.

Пробите бяха пресовани в таблетки с диаметър 11,2 mm както под ултразвуково въздействие, така и в статичен режим. Интензитетът на USV беше зададен от изходното напрежение на US генератора и USV на 50, 75 и 100 V, което съответства на амплитудите на вибрациите на стената на матрицата AUZV = 5, 10 и 15 µm при честота 21.5 kHz. Агломерирането се извършва при ниски температури: 890 ° C (за проби с UDP мед) и 950 ° C (за проби от стандартни реагенти) в продължение на 48 часа. Експерименталните резултати са представени на фиг. 2.

За всички режими на пресоване най-плътната керамика беше синтерована от заряд с UDP Cu (стойности 1, 2, 3 на фиг. 2, b), въпреки че плътността на компактите зависи немонотонно както от типа заряд, така и от стойностите на P и USV. За проби с UDP, ултразвуковото пресоване в изследвания диапазон и USV практически няма ефект върху плътността на керамиката (стойности 1, 2, фиг. 2, b). Очевидно е, че за силно диспергиран HTSC прах, синтезиран от UDP, субмикронните размери на частиците са значително по-малки от амплитудата на вибрациите на AUZV матрицата = 5, 10 и 15 μm, а звукът преминава през уплътняването на твърд HTSC прах, без да причинява вибрационно изместване на частици.

Само при P = 907 MPa и USV = 75 V (крива 2, фиг. 2, а) се наблюдава намаляване на плътността на уплътняване - поради агломерация на праха под вибрационно ултразвуково въздействие с дадена амплитуда. След синтероване, плътността на тези проби достига плътността на други UDP проби, пресовани при 907 MPa (крива 2, фиг. 2, b), което показва активиращ ултразвуков ефект върху пресованите прахови частици.

Плътността на керамиката, изработена от стандартни реактиви, се влошава след ултразвуково пресоване с ултразвуково пресоване = 50 V и се подобрява с ултразвуково пресоване = 75 V, 100 V в сравнение със статично пресоване (крива 5, фиг. 2, b). За грубо диспергиран HTSC заряд в изследваните USV режими се проявяват квазирезонансни ефекти на съвпадение на амплитудата на вибрациите с размерите на частиците или агломератите, отразени в увеличаване на плътността на компакти и синтерована керамика при USV = 10 и 15 μm (USV = 75 и 100 V - криви 5 на фиг. 2).

Поради ниските температури на синтероване (890 °C за проби, направени от UDP и 950 °C за проби, направени от стандартни реактиви), плътността на HTSC керамиката в тези експерименти не надвишава 5,45 g/cm3 - 86% от теоретичната плътност. След оптимизиране на режимите на сухо пресоване и синтероване на UDP HTSC плътността на керамиката достигна 6 g/cm3 (виж Таблица 1).

Електрическите характеристики на керамичните HTSC продукти се влияят значително от размера на зърната на анизотропната свръхпроводяща фаза и тяхната текстура. По време на конвенционалната термична обработка на този етап от HTSC синтероването няма изразена анизотропия на растежа на зърната. Въпреки това, насочената деформация, създадена по време на едноосно сухо пресоване на анизотропни зърна на перовскитоподобната фаза 1-2-3, създава определена предпочитана посока и системата престава да бъде изотропна. Перпендикулярно на посоката на силата на натиск по време на процеса на синтероване се получава ориентиран растеж на зърната, т.е. образува се текстура. Ако в процеса на едноосно сухо уплътняване HTSC компактът се държи дълго време (10...20 часа) под налягане (т.е. в него се създава равномерно напрежение и посока на деформация),

Ориз. 2. Плътност на компакти pp (a) и синтерована HTSC керамика pc (b) в зависимост от интензивността на ултразвукова обработка и налягането на пресоване на UDP HTSC: 1) 746 MPa; 2) 907 MPa; 3) 1069 MPa; и заряд от стандартни реактиви: 4) 746 MPa; 5) 907 MPa

tion), тогава по време на процеса на прекристализация тази посока ще бъде избрана за растеж на зърното. Анизотропните зърна на перовскитоподобната фаза 1-2-3, в която свръхпроводящите равнини на CuO2 са перпендикулярни на посоката на силата на натиск, ще растат предимно в посоки по протежение на тези равнини (по протежение на силата на деформация) и ще достигнат значителни размери (повече от 10 μm). Поради преразпределението на дифузионните потоци на материята по тези посоки, растежът на зърната се инхибира във всички останали посоки. Така се развива процесът на текстуриране на HTSC керамиката. На фиг. Фигура 3 показва микроструктурата на текстурирана керамика 1-2-3, синтерована при определените условия (данните от сканираща електронна микроскопия на микроанализатор Philips SEM-15 са получени с помощта на V.N. Lisetsky).

Нашите проучвания показват, че образуването на текстура по време на синтероване на керамика 1-2-3 от UDP-синтезиран HTSC се осъществява оптимално при едноосово сухо пресоване под налягане над 300 MPa, продължителност на пресоване при такова натоварване от повече от 10 часа и синтероване температура от 950...975 ° С.

Електрофизични свойства на HTSC керамика

и разработени продукти

Тествахме свръхпроводящите и други физични свойства на образци от HTSC керамика и разработени продукти (HTSC SQUIDS, екрани на електромагнитни полета, обемни резонатори) на калибрирани инсталации, използвайки индуктивен метод (Тс; ATC), 4-контактен метод (Тс; ATC ; критичен ток jc ), както и на специализирано оборудване в Лабораторията по неутронна физика ОИЯИ (Дубна); в Микровълнова радиотехническа лаборатория на MIREA (Москва); в Научно-изследователския институт по ядрена физика на TPU, Научно-изследователския институт на полупроводникови прибори, Сибирския физико-технологичен институт на TSU, KB "Проект" (Томск). В табл 1, на фиг. 4

Представени са резултатите от измерването на параметрите на образци от HTSC керамика, произведени по описаната по-горе технология.

Макети на обемни микровълнови резонатори и HTSC екрани на електромагнитни полета от керамика 1-2-3 под формата на кухи цилиндри с диаметър 50 mm, височина 40 mm с дебелина на стената 4 mm, заедно с крайни дискове с с диаметър 50 mm и дебелина 4 mm, са произведени по технология с използване на UDP Si. HTSC керамиката има плътност от 5,5 g/cm3, критична температура Tc = 88 K. Качественият фактор на такива резонатори, измерен при температура на течен хелий T = 4,2 K, е O = 2700 при честота / = 10 GHz (R = 3 cm ), повърхностното съпротивление на дисковете при същите условия е -0,04 Ohm (измерванията са извършени в лаборатория 46 на Научноизследователския институт по ядрена физика на TPU от G.M. Samoilenko).

Таблица 1. Електрофизични свойства на HTSC керамични проби

Параметър Рс " g/cm3 d,* μm Tc, K ATC, K j ** A/cm2 Qi Q2

Керамика 1-2-3 базирана на UDP Cu 5.9...6.0 10.20 95 3.5 920 150 250 150 241

Керамика 1-2-3 от стандартни реактиви 5,2...5,5 40,50 90 1,5 90

Среден размер на зърното според оптична и сканираща електронна микроскопия;

**]с - критична плътност на тока, определена по 4-сондовия метод (77 K, 0 T);

th - качествен фактор на полирани керамични проби при честота / = 3 GHz (2A / = 20 MHz) при стайна температура (в числителя) и при 77 K (в знаменателя), измерен в Лабораторията по микровълнова радиотехника MIREA O.M. Олейник;

O2 е качественият фактор на същите проби, измерен при същите условия една година по-късно, показващ устойчивостта на разграждане на керамиката.

Ориз. 3. SEM изображение на текстурирана HTSC керамика 1-2-3, синтерована от UDP след предварително натоварване по време на пресоване и стълбова диаграма на рентгенов фазов анализ (CoKa радиация)

Ориз. 4. Криви на свръхпроводящ преход за HTSC керамика, произведена с помощта на UDP Cu: 1, 2) сухо статично пресоване, синтероване при 920 и 950 °C, съответно (Tc_ измерванията са извършени в FLNP JINR от V.N. Polushkin); 3) Ултразвуково пресоване, синтероване при 950 C (T измерванията са извършени в LSVChR MIREA от A.A. Bush)

Тестовете на същите цилиндрични проби като екрани на електромагнитни полета бяха извършени в Научноизследователския институт на PP (Yu.V. Lilenko) и в SPTI към TSU (A.P. Ryabtsev).

Ориз. 5. Екраниращи свойства на HTSC цилиндъра

Ориз. 6. Хистерезис на VPC в свръхпроводящо състояние (T=77K) на HTSC цилиндър

Използвана е техника за измерване на напрежението IC на приемната (външна) индукторна намотка, разположена извън HTSC цилиндъра, докато тестовият ток I преминава през генериращата (вътрешна) намотка, поставена вътре в кухия HTSC цилиндър. Зависимостите Пс = /(I) са взети в свръхпроводящо състояние на екрана (7 = 77 K) и в нормално състояние (при 293 K) - Фиг. 5. Коефициент на екраниране при 7=77 К

при честота 10 kHz стойността беше £>100. Хистерезисът на характеристиката напрежение-поле (VFC) на HTSC екрана при 77 K, за разлика от константата при 300 K (фиг. 6), също показва диамагнитните свойства на изследвания продукт (ток през пробата 1 m = 1,3 mA; / = 10 kHz).

Чувствителността на свръхпроводящ сензор за квантова интерференция (SQUID) се характеризира с параметър в:

в = 2 ■1 -ft

Тук b ~ 10-9.10-10 H е индуктивността на веригата за квантуване в керамични SQUIDS, която обикновено е дупка с диаметър 0.5-1.0 mm; 1C - критичен ток през прехода на Джоузефсън (JJ); Ф0=2.07-10-15 V - квант на магнитния поток. За HTSC SQUIDs стойностите на β = 1,2 са действително постижими. Следователно стойността на I трябва да бъде 1,10 mA. За HTSC керамиката са получени стойностите на критичната плътност на тока: Х=1/$=10...103 A/cm2 = 0.1.10 μA/μm2 при работна температура 78 K (κ е площта на напречното сечение на HTSC керамиката). От това следва, че площта на напречното сечение на DP в SQUID трябва да бъде в рамките

0.1.100.µm2, т.е. характерните размери на DP трябва да бъдат 0,3,10 микрона. Това условие определя средния размер на зърното на HTSC керамиката. За да се образува DP в HTSC керамика от зърна с посочените размери по време на производството на керамични HTSC калмари от тип Zimmermann, използвахме методите на твърдофазен синтез и сухо пресоване, описани по-горе. DP се формира в HTSC таблетка между два отвора по време на процеса на формоване и синтероване на плътна текстурирана HTSC керамика с плътност от 5, 7–6, 0 g / cm3 с размер на зърното в равнината на текстурата от 10, 20 μm. След това чрез механично писане с контрол под оптичен микроскоп и последваща топлинна обработка в поток от кислород се постига необходимата дебелина на DP от ~ 10 μm. Чувствителността на SQUID към външно магнитно поле достигна стойности от 1,2 μV/Fo.

Така въз основа на резултатите от работата бяха направени следните заключения:

1. При естествени условия SHS както на обемния заряд от състав 1-2-3, така и на компактите не води до образуването на HTSC фаза, чийто синтез изисква допълнително отгряване при 950 °C.

2. Иницииране на SHS във въздуха чрез електрически импулс от повърхността на компакти с изследваната геометрия се наблюдава само при заряд с UDP Cu; използването на груба мед в този случай не осигурява необходимия топлинен ефект на реакцията.

3. За образуването на HTSC фаза по метода SHS са необходими реактиви с клас не по-лош от аналитичния (предимно окислителя Ba02).

4. В изследвания диапазон от геометрични размери оптималният коефициент на форма за СВС ВТСП е Нр/Вр = 3/\4, налягане на пресоване >150 MPa. При тези условия плътността на керамиката достига 4,6 g/cm3, съдържанието на HTSC фаза е 54%, T = 86 K, AT = 5 K.

5. Сухото пресоване под въздействието на ултразвук е ефективно за грубо диспергирани HTSC заряди при амплитудата на трептене на AUZV матрицата = 10 и 15 μm, когато се появяват квазирезонансни ефекти, когато амплитудата на трептене съвпада с размера на частиците или агломератите.

6. Образуването на текстура по време на синтероване на керамика 1-2-3 от синтезиран UDP HTSC се извършва оптимално при едноосово сухо пресоване под налягане над 300 MPa, продължителността на пресоването при това

натоварване повече от 10 часа и температура на синтероване 950...975 °C.

7. Технологията на твърдофазов синтез на UDP HTSC и сухо уплътняване е ефективна за синтероване на плътна текстурирана HTSC керамика с високи критични параметри и производство на HTSC продукти от нея: екрани на електромагнитни полета, резонатори, SQUIDS.

Работата по отношение на анализа на условията на ултразвуково пресоване беше подкрепена от Руската фондация за фундаментални изследвания, грант 01-03-32360.

БИБЛИОГРАФИЯ

1. Третяков Ю.Д., Гудилин Е.А. Химически принципи за получаване на свръхпроводници от метални оксиди // Напредък в химията. - 2000. - Т. 69. - № 1. - С. 3-40.

2. Диденко А.Н., Похолков Ю.П., Хасанов О.Л. и др.. Приложение на ултрафини прахове при синтеза на свръхпроводяща керамика U-Ba-Cu-O // Физикохимия и технология на високотемпературни свръхпроводящи материали. - М.: Наука, 1989. - С. 133-134.

3. Похолков Ю.П., Хасанов О.Л. Синтез и изследване на свойствата на текстурирана HTSC керамика с висока плътност на базата на ултрафини прахове // В: Високотемпературна свръхпроводимост. - Томск: Научен съвет за RSTP на RSFSR "VTSP". - 1990. - С. 28-34.

4. Pat. 1829811 Руска федерация. MKI N01b 39/14. Метод за производство на монофазен високо диспергиран прах от високотемпературен свръхпроводник UBa2Ci3O7-x / O.L. Хасанов, Г.Ф. Иванов, Ю.П. Похолков, Г.Г. Савелиев. От 23.03.94г.

5. Похолков Ю.П., Хасанов О.Л., Соколов В.М. и др.. Характеристики на ултрадисперсната технология за производство на високотемпературна свръхпроводяща керамика // Електротехника. - 1996. - № 11. - С. 21-25.

6. Мержанов А.Г., Пересада А.Г., Нерсисян М.Д. и други // JETP Letters. - 1988. - Т. 8. - Бр. 11. - стр. 604-605.

7. Хасанов О.Л., Соколов В.М., Похолков Ю.П. и др.. Ултразвуково уплътняване на високо диспергиран прах UBa2Cu3O7-x // Материалознание за високотемпературни свръхпроводници: Proc. отчет II международен. конф. - Харков: Институт по монокристали на НАНУ, 1995. - С. 149.

8. Хасанов О.Л., Соколов В.М., Двилис Е.С. и др.. Ултразвукова технология за производство на структурна и функционална нанокерамика // Перспективни материали. - 2002. - № 1. - С. 76-83.

9. Похолков Ю.П., Хасанов О.Л., Ройтман М.С. и др. Разработване на технология за производство на керамични HTSC калмари и основен магнитометър на тяхна основа // Преобразуване в инструментостроенето: Proc. отчет научно-техн семинар. - Томск: TPU, 1994. - С. 32.

UDC 621.039.33:541.183.12

РАЗДЕЛЯНЕ НА ИЗОТОПИ И ЙОНИ С ПОДОБНИ СВОЙСТВА В ОБМЕННИ ПРОЦЕСИ С ЕЛЕКТРОХИМИЧНО ИНВЕРТИРАНЕ НА ФАЗОВИЯ ПОТОК

А.П. Вергун, И.А. Тихомиров, Л.И. Дорофеева

Томски политехнически университет Имейл: [имейл защитен]

Представени са резултатите от теоретични и експериментални изследвания върху обменното разделяне на изотопи и йони. Обръщането на фазовите потоци в обменната система се извършва по време на електромиграционното заместване на изотопни и йонни форми в процеса на електродиализа.

Провеждането на комплексен теоретичен и екс-изотопен обмен са насочени към изучаване на неперименталните изследвания на процесите на изотопно ефективни методи за разделяне, развитието на разделянето е важно научно и практическо използване на нови технологии за разделяне на изотопи и йонно значение, определено от нуждите с подобни свойства. ядрена индустрия. Изследвания в областта

Създаден на базата на оксидни високотемпературни свръхпроводници. Свръхпроводящата керамика е получена за първи път през 1986 г. от J. Bednorz и K. Müller, които са удостоени с Нобелова награда за това откритие. Тази керамика е направена от лантан, барий и меден оксид (La 2-x Ba x CuO 4) и има необичайно висока свръхпроводящи материалитемпература на свръхпроводящ преход Tc = 35 K. Година по-късно под ръководството на P. Chu е получена керамика на базата на итрий-бариев-меден оксид YBa 2 Cu 3 O 7-x с Tc = 93 K . Тези открития направиха свръхпроводимостта обещаваща за практически приложения.

Високотемпературната свръхпроводяща керамика, подобно на конвенционалните керамични материали, се прави от оксидни прахове. Производството на оксидни керамични високотемпературни свръхпроводници включва следните основни етапи: дозиране на изходните компоненти на заряда, хомогенизиране на заряда, високотемпературен (при температури 800-1100 o C) синтез, включително междинно смилане на заряда , както и формоване (пресоване) и синтероване на керамични изделия.

Плътността и микроструктурата на получените материали са силно повлияни от състоянието на първоначалния прах и условията на синтез. Керамичните материали съдържат неориентирани зърна, пори и почти винаги примес на чужди фази. По време на синтеза на високотемпературна свръхпроводяща керамика, финозърнестите прахове започват да се синтероват при по-ниски температури от едрозърнестите. Това избягва образуването на значителни количества течна фаза и деформация на пробата. Въвеждането на малко количество примесни оксиди в основния състав има положителен ефект върху свойствата на керамиката, насърчавайки образуването на необходимата текстура.

Механичните и електромагнитните свойства на HTSC керамиката се определят пряко от значително нехомогенна структура, състояща се от зърна, пори и микродефекти, които като правило са локализирани по границите на зърната. Образуването и разрушаването на микроструктурата на свръхпроводящата керамика възниква по време на процеса на синтероване, което допринася за появата на вътрешни напрежения и работата на материала в различни механични и термични условия. Свръхпроводящата керамика се състои от свръхпроводящи гранули, които се характеризират с доста висока критична плътност на тока jcr, но тъй като междугранулното пространство има ниско jcr, критичната плътност на транспортния ток на високотемпературната керамика намалява, което усложнява използването му в технологията.

Към днешна дата са създадени доста голям брой свръхпроводящи керамични изделия, които съдържат редкоземни елементи Y, Ba, La, Nd, Sm, Eu, Cd, Ho, Er, Tm, Lu. За тези керамики експерименталните изследвания дават температурата на свръхпроводящ преход в температурния диапазон от 86 K до 135 K.

Най-разпространени са лантанова керамика (La1-xBa)2CuO1-y с Tc = 56 K, итриева керамика на базата на Y-Ba-Cu-O с Tc = 91 K, бисмутова керамика на базата на Bi-Sr-Ca-O с Tc = 115 K, талиева керамика на основата на Tl-Ba-Ca-Cu-O с Tc = 119 K, живачна керамика HgBa2Ca2Cu3O8+x с Tc = 135 K.

Разработена е технология за производство на текстурирана керамика, която позволява да се увеличи плътността на тока с порядъци. Но производството на достатъчно големи продукти, проводници или ленти от керамични високотемпературни свръхпроводници остава доста трудна технологична задача. Компактни масивни елементи с различни форми и размери обикновено се изработват от оксидна свръхпроводяща керамика Y-Ba-Cu-O, а дългите композитни свръхпроводници се основават на съединения Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O в обвивки от различни метали и сплави. Такива продукти имат ефект на свръхпроводимост при температури на течен азот и по-ниски, високи характеристики на токопроводимост и когато се използват, позволяват значително намаляване на теглото и размерите на електрическите устройства, намаляване на оперативните разходи и създаване на високоефективни и екологични електрически системи

В микровълновите компоненти се използват тънки слоеве от HTSC керамика върху монокристални субстрати. Като правило основните параметри на HTSC филмите включват съпротивление и магнитна чувствителност. Те се произвеждат чрез отлагане върху субстрат чрез лазерно и електронно лъчево изпаряване, химическо отлагане на пари, директно и реактивно катодно разпрашване и епитаксия с молекулен лъч.

През 1986 г. високотемпературните свръхпроводници (HTSC) са открити от I. G. Bednorz и K. A. Muller. Критичната температура на HTSC лежи, като правило, над точката на кипене на азота (77 K). Основата на тези съединения са медни оксиди и затова те често се наричат ​​купрати или метални оксиди. През 1987 г. е постигната свръхпроводяща температура на преход от 92 K върху YBa 2 Cu 3 O 7 керамика; след това тя беше повишена до 125 K в талиеви съединения. Най-високата критична температура, постигната в продължение на 10 години HTSC изследвания (~145 K), принадлежи на съединения на основата на живак. Сега са известни повече от две дузини HTSC съединения - купрати на различни метали, те се наричат ​​според основните метали: итрий (например YBa 2 Cu 3 O 7-x, Tc ~ 90 K), бисмут (Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8, Tc ~ 95 K), талий (Tl 2 BaCaCu 2 O 8, Tc ~ 110 K), живак (HgBa 2 CaCu 2 O 6 Tc ~ 125 K).

Оксидните свръхпроводници обикновено съдържат 4-5 различни типа атоми, а единична кристалографска клетка съдържа до 20 атома. Почти всички HTSCs имат слоеста структура с равнини от Cu и O атоми, които могат да бъдат синтезирани съединения, в които броят на CuO 2 слоевете достига 5. Наличието на кислород играе важна роля в механизъм на свръхпроводимост. Резултатите от множество експерименти показват, че равнините с кислород са основният обект в кристалографската решетка, които са отговорни както за проводимостта на тези оксидни съединения, така и за възникването на свръхпроводимост в тях при високи температури.

ВТСП са типични представители на тип II свръхпроводници с много голямо съотношение на лондонската дължина към кохерентната дължина - от порядъка на няколкостотин. Следователно магнитното поле з ° С 2 има много висока стойност, по-специално за Bi 2212 тя е приблизително 400 T, и з ° С 1 равна на няколкостотин ерстеда (в зависимост от ориентацията на полето спрямо кристала).

Повечето HTSC се характеризират със силна анизотропия, което води по-специално до много необичаен характер на зависимостта на магнитния момент на тези вещества от силата на полето, ако е наклонен към основните кристалографски оси. Същността на ефекта е, че поради значителна анизотропия първоначално е енергийно по-изгодно вихровите линии да се намират между слоевете на CuO 2 и едва след това, след определена стойност на полето, да започнат да проникват през тези равнини.

Експериментална техника Измерване на магнитните свойства и Tc на свръхпроводници

Техниката, използвана за измерване на магнитните свойства на свръхпроводниците, не се различава по принцип от тази, използвана за измерване на обикновени магнитни вещества като феромагнетици, с изключение на това, че трябва да може да работи при много ниски температури. Експерименталните методи могат да се разделят на две групи: такива, при които магнитният поток INизмерени в пробата, и тези, в които се измерва намагнитването на пробата аз(фиг. 23). Всеки от тези методи предоставя пълна информация за магнитните свойства на пробата, но в зависимост от обстоятелствата можете да изберете единия или другия от тях. За магнитни измервания се използва разнообразно оборудване с различна степен на сложност в зависимост от чувствителността, степента на автоматизация и т.н. Цялата тази технология обаче се основава на прости методи, върху един от които сега ще се съсредоточим.

Днес видях този коментар и дискусията под него. Като се има предвид, че днес бях в производството на свръхпроводящи кабели, исках да вмъкна няколко коментара, но само за четене ... В резултат на това реших да напиша кратка статия за високотемпературни свръхпроводници.

Като начало, за всеки случай, бих искал да отбележа, че самият термин „високотемпературен свръхпроводник“ означава свръхпроводници с критична температура над 77 K (-196 ° C) - точката на кипене на евтиния течен азот. Те често включват свръхпроводници с критична температура около 35 K, т.к Това беше температурата на първия свръхпроводящ купрат La 2-x Ba x CuO 4 (вещество с променлив състав, следователно x). Тези. „Високите“ температури тук са все още много ниски.

Широко използвани са два високотемпературни свръхпроводника - YBa 2 Cu 3 O 7-x (YBCO, Y123) и Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10+x (BSCCO, Bi-2223). Използват се и материали, подобни на YBCO, в които итрият е заменен с друг редкоземен елемент, например гадолиний, общото им обозначение е ReBCO.
Произведеният YBCO и други ReBCO имат критична температура от 90-95 K. Произведеният BSCCO достига критична температура от 108 K.

В допълнение към високата критична температура, ReBCO и BSCCO се отличават с големи стойности на критичното магнитно поле (в течен хелий - повече от 100 T) и критичен ток. С последното обаче всичко не е толкова просто...

В свръхпроводника електроните не се движат независимо, а по двойки (двойки на Купър). Ако искаме токът да премине от един свръхпроводник към друг, тогава разстоянието между тях трябва да бъде по-малко от характерния размер на тази двойка. За метали и сплави този размер е десетки или дори стотици нанометри. Но в YBCO и BSCCO е само няколко нанометра и части от нанометъра, в зависимост от посоката на движение. Дори пролуките между отделните зърна на поликристала се оказват доста забележимо препятствие, да не говорим за пролуките между отделните части от свръхпроводника. В резултат на това свръхпроводящата керамика, освен ако не се предприемат специални трикове, е способна да пропуска само сравнително малък ток през себе си.

Най-лесният начин за решаване на проблема беше в BSCCO: неговите зърна естествено имат гладки ръбове и най-простото механично компресиране позволява тези зърна да бъдат наредени за получаване на висока критична стойност на тока. Това направи възможно бързото и лесно създаване на първо поколение високотемпературни свръхпроводящи кабели или по-скоро високотемпературни свръхпроводящи ленти. Те представляват сребърна матрица, съдържаща множество тънки тръбички, пълни с BSCCO. Тази матрица е сплескана и зърната на свръхпроводника придобиват желания ред. Получаваме тънка гъвкава лента, съдържаща множество отделни плоски свръхпроводящи сърцевини.

Уви, материалът BSCCO далеч не е идеален: неговият критичен ток пада много бързо с увеличаване на външното магнитно поле. Неговото критично магнитно поле е доста високо, но много преди да достигне тази граница, то губи способността си да пропуска големи токове. Това силно ограничи използването на високотемпературни свръхпроводящи ленти; те не можеха да заменят добрите стари сплави ниобий-титан и ниобий-калай, работещи в течен хелий.

ReBCO е съвсем различен въпрос. Но създаването на правилната ориентация на зърното в него е много трудно. Едва сравнително наскоро те се научиха да правят свръхпроводящи ленти на базата на този материал. Такива ленти, наречени второ поколение, се произвеждат чрез разпръскване на свръхпроводящ материал върху субстрат, който има специална текстура, която определя посоката на растеж на кристалите. Текстурата, както може би се досещате, е с нанометров размер, така че това е истинска нанотехнология. В московската компания SuperOx, където всъщност бях, за да се получи такава структура, върху метална основа се напръскват пет междинни слоя, единият от които едновременно се напръсква с поток от бързи йони, падащи под определен ъгъл. В резултат на това кристалите на този слой растат само в една посока, в която е най-трудно за йони да ги разпръснат. Други производители, които са четири в света, могат да използват други технологии. Между другото, домашните ленти използват гадолиний вместо итрий; той се оказва по-напреднал в технологично отношение.

Свръхпроводящите ленти от второ поколение с ширина 12 mm и дебелина 0,1 mm в течен азот при липса на външно магнитно поле пропускат ток до 500 A. Във външно магнитно поле от 1 T критичният ток все още достига 100 A, а при 5 T - до 5 A. Ако охладите лентата до температурата на течния водород (ниобиевите сплави при тази температура дори не преминават в свръхпроводящо състояние), тогава същата лента ще може да премине 500 A в поле от 8 T и „някои“ 200-300 A в поле от 8 T. ниво на няколко десетки Tesla (жабата лети). Няма нужда да говорим за течен хелий: на тези ленти има проекти на магнити с поле на ниво от 100 тесла! Вярно, тук проблемът с механичната якост възниква с пълна сила: магнитното поле винаги се стреми да счупи електромагнита, но когато това поле достигне десетки тесла, неговите стремежи лесно се осъществяват...

Всички тези отлични технологии обаче не решават проблема със свързването на две части от свръхпроводник: въпреки че кристалите са ориентирани в една посока, не може да се говори за полиране на външната повърхност до субнанометрови грапавини. Корейците имат технология за синтероване на отделни ленти една с друга, но тя все още е, меко казано, далеч от съвършенството. Обикновено лентите се свързват една с друга чрез конвенционално запояване с помощта на конвенционална калаено-оловна спойка или друг класически метод. Разбира се, в този случай при контакта се появява ограничено съпротивление, така че не е възможно да се създаде свръхпроводящ магнит от такива ленти, който не изисква захранване в продължение на много години, а просто електропровод с точно нулеви загуби. Но контактното съпротивление е малки части от микроома, така че дори при ток от 500 A там се отделят само части от миливата.

Разбира се, в научно-популярна статия читателят търси повече забавление... Ето някои видеоклипове от моите експерименти с високотемпературна свръхпроводяща лента от второ поколение:

Последното видео е записано под впечатлението от коментар в YouTube, в който авторът твърди, че свръхпроводимостта не съществува, а левитацията на магнит е напълно независим ефект, като приканва всеки да провери неговата правота чрез директно измерване на съпротивлението. Както виждаме, свръхпроводимостта все още съществува.

ВИСОКОТЕМПЕРАТУРНИ СВЪРХПРОВОДими DC КАБЕЛНИ ЛИНИИ – СТЪПКА КЪМ ИНТЕЛИГЕНТНИ ЕЛЕКТРИЧЕСКИ МРЕЖИ

В.Е. Ситников, доктор на инженерните науки, АО „НТЦ ФСК ЕЕС“
Т.В. Рябин, заместник-директор в АД „НТЦ ФСК ЕЕС“
Д.В. Сорокин, кандидат инженерни науки, АО „НТЦ ФСК ЕЕС“

Ключови думи:свръхпроводящи кабели; електрическа мрежа, критичен ток, криогеника.

Електрическата индустрия на XXI век трябва да осигури висока ефективност на производството, транспортирането и използването на енергия. Това може да се постигне с по-високи изисквания за управляемост на енергийната система, както и за екологични и ресурсоспестяващи параметри на всички етапи от производството и разпределението на електрическата енергия. Използването на свръхпроводящи технологии позволява постигането на качествено ново интелектуално ниво на функциониране на тази индустрия. PAO FSK EES изпълни програмата за научноизследователска и развойна дейност, която включва разработване на високотемпературни свръхпроводими AC и DC кабелни линии (наричани по-долу HTSC CL).

Описание:

Електроенергетиката на 21 век трябва да осигури висока ефективност при производството, транспортирането и потреблението на енергия. Това може да се постигне чрез повишаване на изискванията за управляемост на електроенергийната система, както и за екологични и ресурсоспестяващи характеристики на всички етапи от производството и разпределението на електроенергия. Използването на свръхпроводникови технологии ни позволява да преминем към качествено ново интелектуално ниво на функциониране на тази индустрия. PJSC FGC UES прие програма за научноизследователска и развойна дейност, включително създаването на високотемпературни свръхпроводящи кабелни линии (наричани по-нататък HTSC CL) за променлив и постоянен ток

В. Е. Ситников, доктор на техническите науки науки, заместник научен директор, JSC "STC FGC UES"

Т. В. Рябин, заместник генерален директор, АД "НТЦ ФГК УЕС";

Д. В. Сорокин, Доцент доктор. техн. науки, ръководител на Центъра за системни изследвания и развитие на IES AAS, JSC "STC FGC UES"

Електроенергетиката на 21 век трябва да осигури висока ефективност при производството, транспортирането и потреблението на енергия. Това може да се постигне чрез повишаване на изискванията за управляемост на електроенергийната система, както и за екологични и ресурсоспестяващи характеристики на всички етапи от производството и разпределението на електроенергия. Използването на свръхпроводникови технологии ни позволява да преминем към качествено ново интелектуално ниво на функциониране на тази индустрия. PJSC FGC UES прие програма за научноизследователска и развойна дейност, включително създаването на високотемпературни свръхпроводящи кабелни линии (наричани по-долу HTSC CL) за променлив и постоянен ток 1 .

В повечето индустриализирани страни по света се провеждат интензивни изследвания и разработки на нови видове електрически устройства, базирани на свръхпроводници. Интересът към тези разработки се увеличи особено през последните години поради откриването на високотемпературни свръхпроводници (наричани по-нататък HTSC), които не изискват сложни и скъпи охлаждащи устройства.

Перспективи за въвеждане на свръхпроводящи кабели

Силовите свръхпроводящи кабели са най-развитият и усъвършенстван метод за използване на свръхпроводимост в електроенергийната индустрия в момента. Основните предимства на свръхпроводящите кабели са:

• висока ефективност поради ниски загуби на енергия в свръхпроводника;
• възможност за замяна на съществуващия кабел с кабел с по-голяма предавана мощност със същите размери;
• леко тегло поради по-малко използван материал;
• увеличаване на жизнения цикъл на кабела в резултат на забавяне на процеса на стареене на изолацията;
• нисък импеданс и голяма критична дължина;
• липса на електромагнитни и топлинни полета на разсейване, екологичност и пожарна безопасност;
• способността за предаване на големи мощности при относително ниско напрежение.

HTSC CL за постоянен и променлив ток е иновативна разработка, която позволява решаването на значителна част от проблемите на електрическите мрежи. Въпреки това, когато се използват HTSC DC CL, линията се превръща в контролиран елемент на мрежата, регулирайки потока на предаваната енергия до обръщане на предаването. HTSC DC линиите имат редица допълнителни предимства в сравнение с AC линиите:

• ограничаване на токовете на късо съединение, което прави възможно свързването на отделни сектори на електроенергийната система от ниската страна без увеличаване на токовете на късо съединение;
• повишаване на стабилността на мрежата и предотвратяване на каскадни прекъсвания на потребителите чрез взаимно резервиране на енергийни райони;
• регулиране на разпределението на мощностния поток в паралелни линии;
• пренос на енергия с минимални загуби в кабела и в резултат на това намалени изисквания към криогенната система;
• възможност за комуникация на несинхронизирани енергийни системи.

В електрическите мрежи е възможно да се създаде верига, използваща както HTSC AC, така и DC линии. И двете системи имат своите предпочитани приложения и в крайна сметка изборът се определя от технически и икономически съображения.

Свръхпроводящи вложки между подстанциите в мегаполисите

Енергийните мрежи на мегаполисите са динамично развиваща се структура, която има следните характеристики:

• бързо нарастване на потреблението на енергия, което обикновено надвишава средния темп на нарастване на потреблението в цялата страна;
• висока енергийна плътност;
• наличието на зони с енергиен дефицит;
• висока степен на разклоняване на електрическите разпределителни мрежи, което се дължи на необходимостта от многократно дублиране на захранващите линии към потребителите;
• разделяне на електрическата мрежа за намаляване на токовете на късо съединение.

Всички тези фактори определят основните проблеми в градските агломерационни мрежи:

• високо ниво на загуби на електроенергия в разпределителните мрежи;
• високи нива на токове на късо съединение, чиито стойности в някои случаи надвишават капацитета на прекъсване на комутационното оборудване;
• ниско ниво на контролируемост.

В същото време натоварването на трафопостовете в града е много неравномерно. В много случаи трансформаторите на подстанциите са натоварени само 30–60%. По правило дълбоките подстанции в градовете се захранват чрез отделни линии за високо напрежение. Свързването на подстанции от страна на средното напрежение може да осигури взаимно резервиране между енергийните райони и да освободи свободен трансформаторен капацитет, което в крайна сметка ще доведе до намаляване на загубите на енергия в мрежата. В допълнение, този тип свързване позволява освободеният капацитет да се използва за свързване на допълнителни товари, без да е необходимо да се пускат в експлоатация нови трансформатори или да се изграждат нови подстанции и електропроводи.

Ако има вложка (фиг. 1), три трансформатора ще осигурят напълно електричество на свързаните потребители при натоварване не повече от 80%. Четвъртият трансформатор и неговата захранваща линия могат да бъдат поставени в оперативен резерв, което ще доведе до намаляване на загубите на енергия. Могат да се използват и за свързване на допълнителни консуматори. Такава вложка може да бъде направена както по традиционни технологии, така и по свръхпроводящи кабелни линии.

Снимка 1.

Основният проблем при прилагането на такава схема е фактът, че директното свързване на подстанции ще доведе до значително увеличение на тока на късо съединение. Тази верига ще започне да функционира само ако вложката изпълнява две функции: предаване на мощност и ограничаване на токовете на късо съединение. Следователно, когато се предават големи енергийни потоци при разпределително напрежение, свръхпроводящите линии имат неоспорими предимства.

Решаването на проблема със създаването на вложка обещава големи перспективи за подобряване на системите за захранване на мегаполисите. В момента в света се изпълняват три големи научни проекта с цел пренос на висока мощност при средно напрежение между две подстанции при едновременно ограничаване на токовете на късо съединение: проектът HYDRA, Ню Йорк, САЩ; Проект AmpaCity, Есен, Германия 2 ; проект "Санкт Петербург", Русия. Нека разгледаме по-отблизо последния проект.

Руски HTSC DC CL

Целта на проекта в Санкт Петербург е разработването и инсталирането на свръхпроводяща линия за постоянен ток с мощност 50 MW между две градски подстанции, за да се повиши надеждността на електрозахранването на потребителите и да се ограничи токът на късо съединение в градската мрежа на Северната столица. Проектът включва прокарване на кабелни линии между п/ст 330/20 kV „Централна” и п/ст 220/20 kV РП 9 (фиг. 2). Свръхпроводящата постояннотокова линия ще свързва двете подстанции от страна на средно напрежение 20 kV. Дължината на линията е 2500 м, а предадената мощност е 50 MW. В проекта в Санкт Петербург функциите за пренос на енергия и ограничаване на тока на късо съединение са разделени между кабела и преобразувателите, когато са конфигурирани по съответния начин. Свръхпроводящият DC кабел, за разлика от AC кабела, няма загуби на енергия, което значително намалява изискванията за мощност на криогенна инсталация. При тази схема обаче в преобразувателите възникват допълнителни загуби на енергия. DC линията е активен елемент на мрежата и ви позволява да контролирате енергийните потоци в съседни линии както по посока, така и по отношение на мощността на предаване.

Въздействие на проекта върху електрическите режими

В енергийния район на подстанция 330 kV „Централная“ и подстанция 220 kV RP 9 (наричана по-долу Централная/RP 9) могат да възникнат редица следаварийни състояния поради аварийно изключване на електропроводи и свързани с прекъсване на електрозахранване на потребителите (разпределение на енергийните райони към изолирани товари).

Изчисленията показват, че резервирането на електрозахранване на потребителите чрез изграждане и въвеждане в експлоатация на електропровод за променлив ток (традиционен кабел или въздушен електропровод) Централен/РП 9 е невъзможно, тъй като това увеличава тежестта на следаварийните условия. Това може да се избегне чрез въвеждане в експлоатация на контролирано постояннотоково предаване с HTSC DC CL.

Контролирането на големината и посоката на потока на мощността на DC HTSC CL също така прави възможно:

• намаляване на загубите на активна мощност в електрическите мрежи (поради преразпределение и елиминиране на транзитните потоци на мощност);
• свързване на нови потребители на базата на съществуващата инфраструктура на електрическата мрежа (чрез преразпределение на потоците от мощност и премахване на текущите претоварвания на електрическите мрежи в нормални работни и следаварийни режими на енергийните системи).

Влияние на проекта върху нивото на токовете на късо съединение

Изчисленията на токовете на късо съединение бяха извършени 3 за случая на въвеждане на традиционна AC кабелна линия във веригата, както и HTSC DC кабелни линии. Въз основа на резултатите от изчисленията (Таблица 1) стигаме до извода, че включването на кабелната линия Central/RP 9 AC в схемата за захранване на Санкт Петербург води до увеличаване на стойността на тока на късо съединение над ниво на номиналния ток на изключване на превключвателите. Това означава, че ще е необходимо прилагането на допълнителни мерки за ограничаване на тока или подмяна на комутационни устройства в подстанциите. Използването на кабелни линии DC HSTP (Таблица 3) не води до увеличаване на токовете на късо съединение в електроенергийната система.

маса 1 Резултати от изчисляване на токове на късо съединение

Обозначения: аз 3 – трифазен ток на късо съединение; аз 1 – монофазен ток на късо съединение; аз off – номинален ток на превключване на превключвателите (приет въз основа на състоянието на превключвателите на подстанциите на ниво 2014 г.).

Оценка на загубите на енергия в свръхпроводящи линии

В линии за променлив ток със средно напрежение загубите на електрическа енергия възникват в самия кабел, електрическата изолация и токовите входове. В линия с постоянен ток няма загуби на енергия в кабела и изолацията, но те съществуват в преобразуващите устройства и токовите входове. В допълнение, криогенната система консумира електроенергия, за да компенсира всички топлинни потоци в студената зона и да изпомпва хладилен агент по целия маршрут.

За трифазна променливотокова линия със средно напрежение с предавана мощност от 100 MVA, загубите на енергия на фаза са сумата от следните стойности:

• електромагнитни загуби в сърцевината на кабела – 1,0–1,5 W/m;
• приток на топлина през криостата – 1,5 W/m;
• топлопритоци през токопроводи – (200–300 W) x 2;
• загубата на енергия в изолацията е около 0,1 W/m.

Общият приток на топлина в студената зона с дължина на трифазната линия 10 km ще бъде 78,5–93,5 kW. Умножаването на тази стойност по типичен хладилен коефициент от 20 води до 1,57–1,87 MVA, или по-малко от 2% от предаваната мощност.

За подобна линия с постоянен ток топлинният поток в студената зона е ограничен само от топлинния поток през криостата и токопроводите. Тогава общата загуба на енергия в 10 км кабел, като се вземе предвид криогенната система, ще бъде 0,31 MVA, или 0,31% от предадената мощност.

За оценка на общите загуби в DC линията трябва да се добавят загубите в преобразувателите - 2% от предадената мощност. Крайните загуби в 10 km дълга DC HTSC кабелна линия за предавана мощност от 100 MW се оценяват на не повече от 2,5% от предаваната мощност.

Горните оценки показват, че загубите на енергия в свръхпроводящите кабелни линии са значително по-малки, отколкото в традиционните кабелни линии. С увеличаване на предаваната мощност процентът на загубите на енергия намалява. С днешното ниво на производителност на материала е възможно предаване на енергия от 150–300 MW при 20 kV и до 1000 MW при 110 kV.

Възможности за реализация

Успешните тестове на HTSC CL с постоянен и променлив ток демонстрираха високата ефективност на свръхпроводящите линии.

Едно от основните предимства на свръхпроводящите кабелни линии е способността за предаване на големи енергийни потоци (стотици мегавати) при разпределително напрежение. Препоръчително е да се вземат предвид тези нови възможности и да се използват при проектирането или радикалната реконструкция на мрежовите съоръжения.

Например, при реконструкция/създаване на енергийната система на Нова Москва би било препоръчително да се предвиди създаването на надлъжни мощни свръхпроводящи линии и да се свържат няколко мощни подстанции в пръстеновидна структура със свръхпроводящи линии за постоянен ток от страна на средно напрежение. Това значително ще подобри енергийната ефективност на мрежата, ще намали броя на базовите подстанции, ще осигури висока управляемост на енергийните потоци и в крайна сметка ще повиши надеждността на енергоснабдяването на потребителите. Такава мрежа може да се превърне в истински прототип на интелигентната мрежа на бъдещето.

Литература

1. Глебов И. А., Черноплеков Н. А., Алтов В. А. Свръхпроводящи технологии - нов етап в развитието на електротехниката и енергетиката // Свръхпроводимост: изследване и развитие. 2002. № 41.
2. Ситников В. Е. Свръхпроводящи кабели и перспективи за тяхното използване в енергийните системи на 21 век // Свръхпроводимост: изследване и развитие. 2011. № 15.
3. EPRI. Наблюдение на технологиите за свръхпроводящо енергийно оборудване 2012 г. Пало Алто, Калифорния, САЩ, 2012 г.
4. Stemmle M., Merschel R, Noe M. Physics Procedia 36 (2012).
5. Ситников В. Е., Копилов С. И., Шакарян Ю. Г., Кривецки И. В. HTSC пренос на постоянен ток като елемент на „интелигентната мрежа“ на големите градове. Доклади от 1-ва национална конференция по приложна свръхпроводимост. М.: Национален изследователски център "Курчатовски институт", 2013 г.
6. Копилов С., Ситников В., Бемерт С. и др. ал. // Journal Physics.: Конференция. Серия. 2014. Т. 507. С. 032047.
7. Волков Е. П., Висоцки В. С., Карпишев А. В., Костюк В. В., Ситников В. Е., Фирсов В. П. Създаване на първия свръхпроводящ кабел в Русия с помощта на явлението високотемпературна свръхпроводимост. Сборник от статии на Руската академия на науките „Иновационни технологии в енергетиката“, изд. Е. П. Волков и В. В. Костюк. М.: Наука, 2010.

1 Статията се фокусира върху резултатите от тестовете и перспективите за широко въвеждане на HTSC DC кабелни линии в енергетиката.

2 1. Проект HYDRA, Ню Йорк, САЩ. Целта на проекта е да се разработи и инсталира свръхпроводяща AC кабелна линия между две градски подстанции в Ню Йорк. Линията трябва да осигурява комуникация с голям капацитет (96 MVA) между подстанции от вторичната страна на трансформаторите (13,8 kV). Кабелната система ще има способността да ограничава тока на късо съединение поради бързия преход на HTSC лентите от второ поколение към нормално проводящо състояние. Това осигурява ниска стойност на съпротивлението на линията в номинален режим (свръхпроводящо състояние на линията) и преход към състояние с високо съпротивление по време на претоварване по ток.
Проектът HYDRA съчетава функции за предаване на висока мощност и ограничаване на тока в едно устройство - специално проектиран свръхпроводящ кабел. Това прави изключително трудно оптимизирането на кабела въз основа на възможни мрежови условия, условия на охлаждане и маршрутизиране на кабела. В допълнение, техническите решения, разработени за един проект, не могат да бъдат възпроизведени за други поради различни работни условия и условия на монтаж и следователно условия на охлаждане на кабела, който трябва периодично да преминава от свръхпроводящо състояние към нормално проводящо.
2. Проект AmpaCity, Есен, Германия. Целта на проекта е да се разработи и инсталира 40 MVA свръхпроводящ променлив ток между две градски подстанции. Предаването се състои от 1000 m дълъг свръхпроводящ кабел и 10 kV ограничител на ток, свързани последователно. Този пренос свързва двете подстанции 110/10 kV Herkules и Dellbrugge в центъра на град Есен. Изпълнението на проекта ще позволи извеждането от експлоатация на един трансформатор 40 MVA и линия 110 kV.
В проекта AmpaCity функциите за пренос на мощност и ограничаване на тока на късо съединение са разделени между кабела и токоограничителя. Това опростява задачата за проектиране на всяко устройство и позволява кабелът да бъде произведен с висока степен на стабилизация, което не е възможно в проекта HYDRA. Разбира се, необходимо е да се координират характеристиките на кабела и ограничителя на тока, но това не е трудна задача и техническите решения, разработени по време на изпълнението на проекта, могат да бъдат възпроизведени при разработването на други линии с подобни параметри.

3 Изчисленията са извършени въз основа на прилагането на перспективната схема на енергийната система на Санкт Петербург и Ленинградска област за 2020 г.