Studiu Privind Materialele Supraconductoare. Aplicatie Echipamente de Putere
PROIECT DE DIPLOMĂ
Studiu privind materialele supraconductoare. Aplicație – echipamente de putere. Realizare practică.
CAPITOLUL 1 – Proprietăți ale stării normale
1.1. Introducere
Acesta se referă la fenomenul de supraconductibilitate, un fenomen caracterizat prin anumite proprieteti electrice, magnetice, precum și alte proprietăți, din care multe vor fi introduse în următoarele capitole. Un material devine supraconductor la o temperatura foarte mică, caracteristică numită temperatura de tranziție supraconductoare Tc, care variază de la valori foarte mici (milligrade sau micrograde) la valori de peste 100 K.
Elementele care devin supraconductoare sunt conductori, dar în starea lor normală nu sunt buni conductori. Conductoarele bune, cum ar fi cuprul, argintul și aurul, nu sunt supraconductori.
Acest capitol va fi de ajutor pentru a ancheta unele proprietăți ale conductorilor normali înainte de a discuta despre supraconductori. Acest lucru ne va permite revizuirea unor materiale de fond și definirea unor termeni care vor fi folosiți în tot textul. Multe dintre proprietățile care vor fi discutate aici sunt modificate din starea normală în starea supraconductoare.
1.2. Realizarea transportului de electroni
Conductivitatea electrică a unui metal poate fi descrisă cel mai simplu din punct de vedere al atomilor constitutivi ai metalului. Atomii în această reprezentare, pierd valența electronilor, cauzând o rețea de fundal de ioni pozitivi, numiți cationi, pentru a forma și delocaliza conducția și de a muta electronii între acești ioni. [7]
Numărul densitate n (electroni/cm3) de electroni de conductie într-un element metalic de densitate pm g/cm3, numărul atomic de masa A (g / mol), și valența Z este dat de:
(1.1)
unde: NA este numărul lui Avogadro.
Tipic, valorile enumerate mai jos sunt de mie de ori mai mari decat cele ale unui gaz la temperatura de cameră și presiune atmosferică.
Tabelul 1.1Caracteristici ale selectării elementului metalic
Tipic, valorile enumerate mai sus sunt de mie de ori mai mari decat cele ale unui gaz la temperatura de cameră și presiune atmosferică.
Cea mai simplă aproximare pe care o putem adopta ca și modalitate de a explica conductivitatea este modelul Drude. În acest model se presupune că electronii de conductie:
nu interacționează cu cationi (aproximatia electronilor liberi) cu excepția cazului când unul dintre ei se ciocnește elastic cu cation care se întâmplă, în medie, de 1/τ timp pe secundă, cu rezultatul că viteza electronilor schimbă brusc direcția lor în mod aleatoriu (aproximatia timpului de relaxare);
menținerea echilibrului termic prin coliziuni, în conformitate cu statistica Maxwell-Boltzmann (approximație statistică clasică);
nu interacționează unele cu altele (approximatie electron-independență).
Acest model prezice multe dintre caracteristicile generale fenomenelor electrice de conducție, dar după cum vom vedea mai târziu, acesta nu ține seama de multe altele, cum ar fi și legea Bloch T5. Mai multe explicații satisfăcătoare de electroni de transport confirmă sau neagă unul sau mai multe dintre aceste aproximări.
Figura 1.1 oferă un exemplu de un simplu potențial, care este negativ în apropiere de ioni pozitivi și zero între ele. Un electron mișcându-se prin zăbrele interacționează înconjurat de ioni pozitivi, care sunt oscilanți în pozițiile lor de echilibru, și denaturează încărcarea care rezultă din această interacțiune propagată de-a lungul zăbrelelor, cauzând distorsiuni în potențialul periodic. [36] Aceste distorsiuni pot influența mișcarea dintre unii electroni, care interacționează cu zăbrele oscilante. Vibrațiile de înmulțire a zăbrelelor sunt numite fononi, astfel încât această interacțiune se numește interacțiuni electro-fononice.
Tabelul 1.2Realizarea transportului de electroni
Figura 1.1 – Potențialul brioșei de staniu are valori negative constante – V0 aproape fiecare ion pozitiv și este zero în regiunea dintre ioni
Vom vedea mai târziu că doi electroni interactionează reciproc prin intermediul fononului, care poate forma stări obligate și rezultă electronii obligați, numite perechi Cooper, deveniți transportatorii de super curent.
Clasica ipoteză statistică este in general înlocuită de către abordarea Sommerfeld. În această abordare electronii au funcția de distribuție, conform statisticilor Fermi Dirac:
(1.2)
în cazul în care kB este constanta lui Boltzmann, iar constanta se numește potențial chimic.
În statistica lui Fermi-Dirac se spune că electronii de conducție care nu interacționează, este constituit un gaz Fermi. Potențialul chimic este energia necesară pentru a elimina un electron din acest gaz sub condițiile de volum constant și entropie constantă. [21]
Aproximatia timpului de relaxare presupune că funcția de distribuție f(v,t) este dependentă de timp și că, atunci când f(v,t) este deranjat de o configurație neechilibrată fcol, coliziunea revine la starea de echilibru f0 cu constanta de timp , în conformitate cu expresia:
(1.3)
De obicei, timpul de relaxare se presupune să fie independent de viteza, care rezultă dintr-o întoarcere simplă exponențială la echilibru:
(1.4)
În sistemele de interes f(v,t) rămâne întotdeauna aproape de configurația sa de echilibru (1.2). O abordare mai sofisticată pentru coliziunea dinamică, face uz de ecuația Boltzmann, și acest lucru este discutat în textele solide de fizica de stare și statistici mecanice.
Este mai realist să se renunțe la apropierea independentă de electroni prin recunoașterea că există o repulsie Coulomb între electroni. În secțiunea ce urmează vom arăta că electronii fac mici interacțiuni de ecranare electron-electron, interacțiune neglijabilă în conductoarele bune. Când o metodă dezvoltată de Landau (1957a, b) este angajată să ia în considerare interacțiunea electron-electron, astfel încât să se asigure o corespondență unu-la-unu între stări membre ale gazului de electroni liberi și cele ale interacțiunii de conducere a sistemului de electroni, electronii sunt pentru a forma un lichid Fermi. [1]
1.3. Potențialul chimic și ecranarea
De regulă, potențialul chimic µ este aproape de energia Fermi EF și conducția de electroni se modifică la viteza vF corespunzătoare energiei cinetice aproape de EF=kBTF.
De obicei, vF ≈ 106 m/s pentru bune conductoare, care este 1/300 viteza luminii; probabil, o zecime la fel de mare în cazul supraconductorilor de temperatură ridicată și compuși A15 în starea lor normală. Dacă luăm τ ca timp dintre coliziuni, drumul liber mediu, sau distanța medie parcursă între coloziuni este:
l =vF τ (1.5)
Pentru aluminiu drumul liber mediu este 1.5×10-8 m la 300 K, 1.3×10-7 m la 77 K, și 6.7×10-4 m la 4.2 K.
Pentru a vedea că interacțiunile între conducția electronilor pot fi neglijabile într-un bun conductor, luăm în considerare situația unui punct de încărcare Q încorporat într-un gaz de electroni liberi neperturbat cu densitate n0. [5] Această încărcare negativă este compensată de o sarcină pozitivă cu un fundal rigid și electronii de localizare se rearanjează până la situația statică când densitatea totală de forță dispare peste tot. În prezența acestei interacțiuni electrostatice slabe electronii constituie un lichid Fermi. Energia liberă F, în prezența unui potențial extern este o funcție locală de densitate n(r) de forma:
(1.6)
unde Ф(r) este potențialul electric din cauza atât încărcării Q cât și încărcării induse de ecranare și F0(n) este energia liberă a unui electron neinteracționat de gaze cu densitate locală n. Luând derivata funcțională a F[n] vom avea:
(1.7)
= µ, (1.8)
unde µ0(r) este potențialul chimic local al gazului de electroni liberi în absența unor încărcări Q și µ este o constantă. La temperatura zero, care este o bună aproximare pentru că T<<TF, potențialul chimic local este:
(1.9)
Rezolvând acest lucru pentru densitatea gazului de electroni, avem
(1.10)
De obicei energia Fermi este mult mai mare decât energia electrostatică, astfel ecuația (1.10) poate fi extinsă cu privire la Ф = 0 pentru a da:
(1.11)
unde n0=[2m µ/h-2]3/2/32. Densitatea indusă de încărcare totală este apoi:
(1.12)
Ecuația lui Poisson pentru potențialul electric poate fi scrisă ca:
(1.13)
în cazul în care distanța caracteristică λsc, numită lungimea de ecranare, este dată de:
(1.14)
Ecuația (1.13) are bine cunoscuta soluție Yukawa:
(1.15)
Rețineți că la distanțe mari potențialul încărcării scade exponențial, și că distanța caracteristică λsc peste care potențialul este apreciabil scade cu densitate de electroni. În conductori buni lungimea de ecranare poate fi destul de scurtă, si acest lucru ne ajută să explicăm de ce interacțiunea dintre electroni este neglijabilă. Ecranarea cauzează lichidul Fermi al conducției de electroni pentru a se comporta ca un gaz Fermi. [27]
1.4. Conductivitatea electrică
Atunci când există o diferență de potențial între două puncte de pe un fir conductor, un câmp electric uniform E este stabilit de-a lungul axei de sârmă. Acest câmp exercită o forță F = -eE care accelerează electronii:
(1.16)
și în timpul t, care este pe ordinea de coliziune timp τ electronii ating o viteza:
(1.17)
Mișcarea de electroni este formată din perioadele succesive de accelerare întreruptă de coliziuni, și în medie, fiecare coliziune reduce viteza electronilor la zero înainte de începerea accelerației următoare. Pentru a obține o expresie pentru densitatea de curent J
J = nevav (1.18)
noi presupunem că vav viteza medie de electroni este dată de ecuația (1.17), asa că obținem
(1.19)
Conductivitatea electrică σ0 este definită de legea lui Ohm,
J = σ0E (1.20)
(1.21)
unde p0 = 1/σ0 este rezistivitatea, deci de la ecuația (1.19) avem:
(1.22)
Deducem din datele din tabelul 1.1, care metale au de obicei rezistivitate la temperatura camerei între 1 și 100 µ cm. Rezistivitatea semiconductoarelor au valori de la 104 – 1015 µ cm, iar pentru izolatori rezistivitatea este în intervalul de la 1020 – 1028 µ cm.
Vedem dintr-o comparație a datelor în coloanele 11 și 12 din Tabelul 1.1 că, pentru elementele metalice coliziunea în timp scade odată cu temperatura, astfel încât conductivitatea electrică scade cu temperatura, acesta din urmă într-un mod aproximativ liniar [32]. Timpul de relaxare τ limitează dependențele de temperatură:
(1.23)
1.4.1. Conductivitatea electrică dependentă de frecvență
Atunci când un camp electric E = E0e-iωt care variază armonios acționează asupra electronilor conductori, ei sunt accelerați periodic în direcțiile înainte și înapoi pentru ca E se inversează la fiecare ciclu. Electronii conductori sunt supuși de asemenea coliziunilor aleatoare cu un timp mediu între coliziuni. Coloziunile, care întrerup oscilațiile periodice de electroni, pot fi luate în considerare prin adăugarea unei frecări de amortizare pe termen p/τ la ecuația (1.16),
(1.24)
unde p = mv este momentul. Momentul are aceasi variație armonică de timp, p = mv0eiωt. Dacă am înlocui acest lucru în ecuația (1.24) și o rezolvăm pentru viteza v0, obținem:
(1.25)
Comparând acesta cu ecuațiile (1.18) și (1.22) cu v0 jucând rolul de vav ne dă conductivitatea dependenta de frecvență:
(1.26)
Acest lucru reduce cazul d.c. la ecuația. (1.22) atunci când frecvența este zero.
Când ωτ << 1, apar multe coliziuni în timpul fiecărui ciclu din câmpul E, și urmează oscilațiile de electroni. Când ωτ >> 1, E oscilează mai rapid decât frecvența de coliziune, ecuația (1.24) nu se mai aplică, și conductivitatea electrică devine predominant imaginară, ceea ce corespunde la o impedanță reactivă. Pentru frecvențele foarte înalte, rata de coliziune devine nesemnificativă și gazul de electroni se comporta ca o plasmă. Fenomenele de unde electromagnetice pot fi descrise în termeni de constantă dielectrică dependenta de frecvență ε(ω),
(1.27)
unde ωp este frecvența plasmei,
Astfel ωp este frecvența caracteristică a conductei plasmatice de electroni sub care constanta dielectrică este negativă, astfel undele electromagnetice de mai sus sunt pozitive, nu pot propaga și este posibila raspandirea. Ca urmare, metalele sunt opace atunci când ω< ωp și transparente atunci când ω> ωp. Unele frecvențe tipice de plasmă ωp/ 2π sunt enumerate în Tablul 1.1. De asemenea, lungimile de undă a plasmei sunt definite de setare λp = 2πc/ωp. [2]
1.5. Interacțiunea electron – fonon
Vom vedea mai târziu în text mecanismul pentru majoritatea supraconductorilor responsabili pentru formarea unor perechi Cooper de electroni, care transportă supercurent, care este interacțiunea electron-fonon. În cazul unor metale normale, vibratiile termice poate perturba periodicitatea zăbrelelor. Din cauza acestor interacțiuni dintre fononi și electronii de conducție, acestea din urma se risipesc.
La zero absolut conductivitatea electrică în metale se datorează prezenței impurității, defecte, și deviații ale ionilor pozitivi din fondul latic în condiție de periodicitate perfectă. La temperaturi finite dar scăzute, T <<D, știm din ecuația (1.23) că rata de împrăștiere 1 /τ este proporțională la T3. La temperaturi mai mici împrăștierea în direcția înainte tinde să domine, iar acest lucru introduce un alt factor T2, determinând legea Bloch T5,
σ ≈ T-5 T <<D (1.29)
care a fost observat experimental pentru multe metale. [35]
1.6. Rezistivitatea
Electronii se deplasează prin intermediul unui conductor metalic, de asemenea sunt împrăștiați nu numai de fononi ci și de defectele zăbrelelor, impuritatea atomilor, și alte imperfecțiuni ale zăbrelelor. Aceste impurități produc o contribuție independentă de temperatură, care plasează o limită superioară globală de conductivitate electrică totală a metalului.
Potrivit regulii lui Matthiessen, conductivitatea ce decurge din impurități și contribuțiile fononice se adaugă ca reciproce; rezistivitatea lor individuală p0 și pph, se adaugă pentru a da rezistivitatea totală
p(T)=p0+pph (1.30)
Am notat mai devreme că termenul fonon pph(T) este proporțional cu temperatura T la temperaturile mari și cu T5, prin intermediul legii Bloch (1.29) la temperaturi scăzute. Aceasta înseamnă că, mai sus de temperatura camerei, contribuția impuritatilor este neglijabilă, astfel încât rezistivitatea din elemente metalice este de aproximativ proporțională cu temperatura:
(1.31)
La temperaturi scăzute mult sub temperatura Debye, legea Bloch T5 se aplică pentru a da:
p(T)=p0+AT5 T <<D (1.32)
Rezistivitățile tipice la temperatura camerei sunt 1.5 – 2µ cm pentru conductoare foarte bune (de exemplu Cu), 10 – 100 pentru conductoare normale, 300 la 10.000 materiale supraconductoare de înaltă temperatură, 104 – 1015 pentru semiconductori, și 1020 – 1028 pentru cele izolatoare.
Vedem din ecuațiile (1.31) și (1.32) care metale au un coeficient pozitiv de temperatură de rezistivitate, care este motivul pentru care metalele devin conductori mai buni la temperaturi joase. În schimb, rezistivitatea unui semiconductor are un coeficient de temperatură negativă, astfel încât aceasta crește odată cu scăderea temperaturii. Aceasta se produce din cauza scăderii numărului de purtători de sarcină mobili care rezultă din întoarcerea electronilor excitati termic la starea lor de la baza atomului donator sau în banda de valență. [30]
1.7. Conductivitatea termică
Atunci când un gradient de temperatură există într-un metal, mișcarea electronilor de conducție realizează transportul de energie termică (sub forma de energie cinetică) dinspre zonele calde către cele reci. În cazul conductorilor buni cum ar fi cuprul și argintul acest transport implică procese identice de ciocniri fononice care sunt responsabile pentru transportul de sarcină electrică. [41] Prin urmare aceste metale tind să aibă aceeași timpi de relaxare termică și electrică la temperatura camerei. Raportul Kth/σT în care apar ambele conductivități (termică și electrică) (a se vedea tabelul1.1 pentru diferite elemente metalice), are o valoare aproximativ dublă comparativ cu cea prezisa de legea Wiedermann si Franz de legea Wiedermann și Franz,
(1.33)
=1.11 × 10-8 WΩ/K2 (1.34)
unde constanta universala 3/2 (kB/e)2 se numește numarul Lorenz [24].
1.8. Căldura specifică electronică
Căldura specifică C a unui material este definită ca variație a energiei interne U cauzată de o schimbare a temperaturii.
(1.35)
Noi nu vom face o distincție între căldura specifică la volum constant și caldura specifică la presiune constantă, deoarece pentru solide aceste două proprietăți sunt aproape imposibil de diferențiat. De obicei, căldura specifică este măsurată prin determinarea de caldură introdusă dQ necesară pentru a ridica temperatura materialului cu o cantitate anumită notată dT
dQ = CdT (1.36)
În această secțiune, vom deduce contribuția electronilor de conducere la caldura specifică, iar în secțiunea următoare vom aprofunda vibrațiile zăbrelelor sau participarea fononica. Primul se poate aprecia doar la temperaturi scăzute, iar cel din urmă domină la temperatura camerei.
Contribuția electronilor conductori la caldura specifică Ce este dată de derivati dEτ/dt. Integrarea ecuatiei 1.35 este oarecum complicată, astfel de diferențiere nu este usor de facut. Lucrările din fizica stării solide reușesc o evaluare aproximativă a acestei integrale, dând formula:
Ce = yT (1.37)
în care y este constanta Sommerfield și reprezintă căldura specifică electronica în stare normală; această constantă este definita prin formula:
(1.38)
Aceasta oferă o modalitate de a evalua experimental densitatea de stări la nivelul Fermi. [38]
1.8.1. Căldura specifică fononică
Atomii unui solid sunt într-o stare de continuă vibrație. Aceste vibrații, numite moduri fononice, constituie principala contribuție la căldura specifică. În modelele de solide vibrante atomii alăturati sunt descriși ca fiind legați împreună prin resorturi. In cazul unei structuri unidimensionale diatomice, care este o alternanță de atomi mari și mici cu masa ms respectiv m1, exista modul de frecvență joasă în care două tipuri de atomi vibrează în faze numit mod acustic(A) și modul de frecvență înaltă, numit mod optic în care atomii vibreaza aritmic. [4] Vibrațiile pot fi de asemenea longitudinale (de-a lungul liniei de atomi) și transverse (perpendiculare pe linia de atomi ), după cum este explicat în lucrările de fizică a solidelor. În mod convențional aceste vibrații se descriu în spațiul k, fiecare mod de vibrație având energia E = hω. Functia de distributie Planck aplică formula
(1.39)
unde minus unu la numitor indică că numai nivelul de vibrație al solului este ocupat la zero absolut. Nu există nici potential chimic deoarece numarul de fononi nu se conservă.
Numărul total de moduri vibraționale acustice pe unitatea de volum N este calculat ca în ecuația (1.39) cu factorul 2 omis, deoarece nu există nici un spin:
(1.40)
unde L3 este volumul de cristal și kD este valoarea maximă permisă de k. În modelul Debye, viteza sunetului v se presupune a fi izotropică (vx=vy=vz) și independent de frecvență
(1.41)
Scriind ωd=vkD și introducând această expresie in ecuatia 1.40 rezultă pentru densitatea modului vibrațional n=N/L3
(1.42)
unde frecvența maximă admisă ωd se numeste frecventa Debye.
Densitatea de stări pe unitatea de volum Dph(ω)=dn/dω este:
(1.43)
și energia totală vibrațională Eph obținută prin integrarea modului fononic de energie hω potrivit densității de stări asupra funcției de distribuție.
(1.44)
Caldura specifică vibrațională sau fononica Cph=dEph/dT se găsește prin diferențierea ecuatiei 1.44 cu respectarea temperaturii.
(1.45)
Căldura specifică molară are urmatoarele limite maxime și minime de temperatură:
T << (1.45a)
T >> (1.45b)
cu mult sub și cu mult peste temperatura Debye
(1.46)
Deoarece la temperaturi scăzute, un metal are o componentă de caldură specifică electronică care este lineară cu temperatura și o componentă de caldură fonica care este cubică de temperatură cele două forme pot fi evidențiate experimental prin expunerea Cexp/T versus T2, [32] unde
(1.47)
Materiale cu un sistem pe două niveluri, în care atât starea bazală cât și starea excitată sunt degenerate, pot expune o extra contribuție la căldura specifică, numită parametrul Schottky. Această contribuție depinde de spațiul energetic Esch dintre starea bazală și cea excitată. [26]
1.9. Câmpurile electromagnetice
Înainte de a discuta proprietățile magnetice ale conductorilor va fi de ajutor să vorbim câteva cuvinte despre câmpurile electromagnetice și de a nota câteva din ecuațiile de bază ale electromagnetismului deoarece ulterior se vor face referiri la ele.
Acestea includ cele două ecuații omogene ale lui Maxwell:
(1.48)
(1.49)
și două ecuații ne-omogene:
(1.50)
(1.51)
unde și J se referă la densitatea de sarcină liberă respectiv densitatea de curent liber. Despre cele două densități se spune că sunt libere, deoarece nici una din ele nu apare ca urmare a reacției de mediu la aplicarea de câmpuri, încărcături sau curenți externi. [17] Câmpurile B si H, respectiv E și D sunt legate prin enunțurile:
(1.52)
(1.53)
în care mediul este caracterizat prin permeabilitate și permitivitate , iar și sunt valorile corespunzatoare spațiului liber.
Desigur, acestea sunt formule SI. Când sunt utilizate unități cgs, și factorul 4π trebuie inserat înaintea lui M si P.
Câmpul electric fundamental (E) și câmpul magnetic fundamental (B) sunt câmpurile care intră în legea forței Lorentz:
(1.54)
care definește forța F ce acționează asupra sarcinii q în mișcare cu viteza v într-o zonă care conține câmpurile E și B. Așa că B și E sunt câmpurile electrice și magnetice măsurate macroscopic. Uneori B se numește inducție magnetică sau densitatea fluxului magnetic.
În mod uzual ecuatia (1.60) se scrie în legătură cu câmpul fundamental B utilizând ecuația (1.52):
(1.55)
unde dislocarea raportului ∂D/∂t este neglijabilă pentru conductori și supraconductori și astfel este omis frecvent. Prin reactia mediului la aplicarea unui câmp magnetic se produce densitatea curentului de magnetizare care poate fi destul de mare la supraconductori. [6]
1.10. Susceptibilitatea magnetică
În mod uzual ecuația (1.55) se exprimă în funcție de susceptibilitatea magnetică adimensionala χ:
(1.56)
pentru a da:
unitati SI (1.57a)
unitati cgs (1.57b)
Tabelul 1.3 cgs Susceptibilitatea molară (χcgs) și dimensiunile SI,
Susceptibilitatea volumică (χ) a mai multor materiale
Susceptibilitatea χ este ușor negativă pentru diamagneți, ușor pozitivă pentru paramagneți și intens pozitivă pentru feromagneți. Elementele care sunt bune conductoare au susceptibilitatea mică, uneori ușor negativă (ex. Cu) alteori ușor pozitiva (ex. Na) cum se poate vedea în tabelul 1.3. Compușii anorganici nonmagnetici sunt diamagneți slabi (ex.NaCl), în timp ce compușii magnetici care conțin ioni de tranziție pot fi mult mai puternici paramagneti (ex.CuCl2). [3]
Magnetizarea în ecuația (1.69) este momentul magnetic pe unitate de volum, și susceptibilitatea definită de această expresie este adimensională.. Pentru a ține cont de acest fapt se obișnuiește să se foloseasca susceptibilitatea molară χM, care în sistemul SI se exprimă în unități m3 per mol.
Este arătat în lucrarile de fizica stării solide (De exemplu, Ashcroft și Mermin, 1976; Burns, 1985; Kittel, 1976) că un material care conține ioni paramagnetici cu momente magnetice μ care devin magnetici – comandați la temperaturi joase, au o susceptibilitate magnetică de înaltă temperatură supusă legii Curie-Weiss:
(1.58a)
(1.58b)
unde n este concentrația de ioni paramagnetici și C=constanta Curie.
Pentru un ion pamântean rar cu moment angular Jh putem scrie:
(1.59)
unde J=L+S este suma contribuțiilor orbital(L) și spinal(S), μB=eh/2m este magnetronul Bohr, iar Landé g factorul adimensional este:
(1.60)
Pentru prima serie de ioni de tranzitie momentul cinetic orbital Lh se stinge,ceea ce inseamna ca este decuplat de momentul cinetic spinal si devine masurat de-a lungul directiei cimpului cristalin electric. [20]
Pentru temperaturi foarte joase, câmpuri magnetice înalte, și materiale foarte pure există un termen de corecție diamagnetică adițională notată XLandau și denumită diamagnetism Landau, care rezultă din interacțiunea electronică orbitală cu câmpul magnetic. Pentru electronii liberi această corecție are valoarea:
(1.61)
În prepararea tabelului 1.3 valorile adimensionale SI ale χ listate în coloana 5, au fost calculate din valorile cunoscute ale susceptibilitatii molare cgs, XMcgs, exprimat în unități de cm3 per mol, folosind formula:
(1.62)
Unde ρm este densitatea în g per cm3 și MW este masa moleculară în g per mol.
Unii autori raportează susceptibilitatea per unitatea de masă dată în emu/g, ceea ce noi numim χgcgs. Acesta din urmă depinde de χ adimensională în expresia: [40]
(1.63)
CAPITOLUL 2 – Cabluri de alimentare supraconductoare
2.1 Cabluri HTS Triax
Sistemul de cabluri lung de 200 m, de 13,2 kv, MVA HTS Triax instalat de Energia Electrică Americană, de la substația Bixby din Columbia, stat Ohio, are cel mai lung record operațional de rețea conectată de sisteme de cabluri HTS în SUA. Comandate în august 2006, cablurile Columbus au functionat timp de șase luni și mai mult de atât, obținându-se 33.000 de ore de funcționalitate și transmitere cu succes a energiei electrice în procentaj de până la 90% (2700 amperi) față de randamentul său previzionat.
Sistemul de cabluri HTS Triax generează o legătură de transformare internă între al doilea transformator de 138 kV/13.2 kV și al substației de 13.2 kV; acesta transportă întreaga încărcătură de putere al substației pentru toți consumatorii care se alimentează de la subsatția din Bixby. Figura 2.1. ilustrează o secșiune încrucișată a design-ului unic al cablurilor Triax, în care toate cele 3 faze ale electricității sunt înfășurate concentric în jurul unei axe comune, rezultând o reducere subsanțială a cerințelor superconductoarelor comparativ cu modelele de cabluri HTS convenționale.
Figura 2.1 O vedere în secțiune transversală a cablului HTS Triax
Sursa: High Temperature Superconducting Cable, 2006 Annual Peer Review, Superconductivity Program for Electric Systems, U.S. Department of Energy, July 25-27, 2006, Washington, D.C.
Planuri în ceea ce privește lansarea de noi cercetări pentru cablurile Columbus anunțate prin Technology Watch, au fost abandonate. Noul efort al cercetării ar fi inclus înlocuirea ciclului deschis de răcire al sistemului existent cu un circuit închis optimizat pentru sistemul de răcire ce nu consumă nitrogen lichid. Sistemul de răcire cu nitrogen lichid cu ciclu deschis este foarte costisitor de menținut (100 milioane de dolari anual) și nu a fost niciodată intenția ca aceasta să fie soluția finală pentru stația de la Bixby.
De când secțiunea DOE a proiectului a luat sfârșit acum trei ani, costurile operaționale de la Bixby au fost suportate în întregime de către Southwire, producătorul cablului. Utilitarul gazdă, AEP, nu a arătat nivelul de interes sperat de către cei de la Southwire, făcându-i să ia decizia să termine proiectul. Mecanismul va fi scos din funcțiune la sfârșitul anului 2012. La închiderea proiectului, Southwire raportează că toate testele care analizează caracteristicile performanței cablurilor HTS sunt complete și toate analizele de date sunt în desfășurare.
În 2008 Departamentul de Securitate internă al SUA (DHS) în colaborare cu Consolidated Edison (ConEd), utilitarul care servește Manhattan și întinderea cea mai mare din zona New York, a început un proiect care să dezvolte, să instaleze și să opereze un sistem de cabluri HTS în orașul New York care să furnizeze o legătură de capacitate mare în circuitul secundar al transformatoarelor din apropiere, adică în substațiile urbane. Sistemul de cabluri ar avea capacitatea inerentă de a limita magnitudinea curentului prin utilizarea conductoarelor 2G care sunt special concepute să tranziteze rapid de la o stare superconductoare la o stare rezistivă oferind astfel o cale pentru un curent de impedanță redusă în caz de condiții nominale și o cale foarte mare de impedanță în timpul unei încărături electrice prea mari. Proiectul va furniza o demonstrație a conceptului pentru limitarea comportamentului de scurt-circuit precum și o platformă care să demonstreze fiabilitatea sistemului și viabilitatea comercială a sistemului de răcire.
Această aplicație a cablurilor HTS, care sunt în atenția lumii întregi, permite unui planificator de sisteme paralele de conductoare urbane, să producă următoarele avantaje:
Reduce nevoia de transformatoare de schimb în fiecare substație care altfel permit planificarea de urgență N—1
Permit capacitatea eliberată de conectare a unei sarcini suplimetare făr transformatoare adiționale sau substații noi
Reduce costurile de planificare de urgență N—1, deoarece sunt necesare mai puține transformatoare generale. De obicei stațiile interconectate pot fi alimentate de la cabluri de alimentare separate de înaltă tensiune. Conectivitatea crescută realizată prin interconectare protejează sarcinile vulnerabile, critice, în caz de eșec catastrofal al unei substații sau întrerupere pe una dintre dispozitivele de alimentare independente. Figura 2.2 reprodusă din [1] ilustrează conceptul.
Conducătorul proiectului este AMSC, care de asemenea furnizează cablurile 2G. Cablul cu un design tri-axial similar cu cel folosit pentru cablurile Columbus (vezi figura 2.1), este fabricat de Ultera, o asociație în participație între Southwire și NKT Cables. Testarea cablurilor este efectuată de Laboratorul Național Oak Ridge.
Figura 2.2 – Proiectul HYDRA – Conceptul de interconectare a substațiilor
Inițial programat pentru operare în 2010, proiectul a fost întârziat cu câțiva ani ca urmare a crizei economice care a forțat ConEd să renunțe la planurile de construcție a unei subsații în Manhattan care ar fi fost interconectat.
A fost stabilită o nouă locație pentru proiect la nord de Manhattan și programat a fi pornit cel târziu în 2014. Cablul, planificat să aibă inițial 200 -250 metri lungime, acum va avea doar 170 metri lungime.
În timp ce oportunitățile de relocare a proiectului în vecinătatea Manhattan-ului sunt investigate, dezvoltarea, testarea și perfecționarea cablului în sine continuă. Acestea au fost raportate în Actualizările Tehnologice anterioare [1], [2], [3], [4], [5]. Figura 2—3 arată terminațiile cablurilor de la institutul de testare al Laboratorului Național Oak Ridge.
Nou anunțate sunt doar câteva detalii legate de sistemul criogenic. Furnizorul sistemului va fi DH Industries, SUA. DH Industries va folosi 3 criogeneratoare Stirling Cryogenics SPC 4 dând o capacitate totală de 12 Kw la 77K ( cerințele reale sunt de 6.2 Kw la 72 K, cu 90 L / minut debit și o cădere de presiune de 3 bari). Fiecare criogenerator are o capacitate de 4Kw și fiecare poate să fie configurat să opereze într-o modalitate redundantă furnizând fiabilitate sporită și flexibilitate crescută în operațiuni (ca răspuns la sarcina de refigerare) și întreținere (capacitatea de a elimina una pentru service fără a lua cablul de pe linia de operare). Fiabilitatea sistemului de răcire este o problemă importantă pentru ConEd pentru că este nevoie de un sistem care poate fi instalat rapid într-o zonă urbană sau suburbană densă. Un sistem criogenic cu aceste caracteristici demonstrate este un proiect cu obiectiv cheie pentru DHS și sistemul selectat ar trebui să atingă acest scop.
Lista de mai jos sintetizează unele rezultate cheie obținute până în prezent în modelul și testarea cablurilor HYDRA:
25 de metri de cabluri și terminații au trecut cu succes testele tip.
procesul de fabricație a cablului de lungime mare precum și procesul asociat acestuia a fost aprobat.
stabilitatea termică a fost demonstrată
cerințele criogenice au fost verificate
Figura 2.3 – Cablu pentru test la Laboratorul Național Oak Ridge pentru proiectul HYDRA
2.1.1 Proiectul LIPA 2
Prima clasă de transmisiune a sistemului de cabluri HTS din lume a fost energizat la începutul anului 2008 și a operat timp de 3 ani în centrul orașului Long Island din cadrul LIPA .
Sistemul de cabluri HTS de 138 kW a fost un proiect demonstrativ finanțat de Departamentul de Energie (DOE) sub programul Echipamente pentru energie superconductoare ( SPE). Partenerii de proiect incluși sunt DOE, AMSC, Nexans, Air Liquide și LIPA.
Sistemul de cabluri subterane cu o lungime de 600 de metri reprezintă cel mai lung sistem de cabluri în rețea de cabluri HTS conectând substația Holbrook de liniile aeriene care călătoresc la nord de Port Jefferson.
Sistemul de cabluri LIPA au o capacitate de putere nominală de 574 MVA (2,4 kA / fază), cu toate acestea componentele de conectare convenționale (linia aeriană și echipamentele substațiilor conductoare) limitează capacitatea de operare la 200 MVA (~830 A/fază).
Tabelul 2.1
LIPA Faza 2 – Îmbunătățirea design-ului
Figura 2.4 – LIPA 2 Sistemul de cabluri HTS
De-a lungul anului 2012 toate îmbunătățirile de sistem au fost completate și cablul se răcește la temperatura de funcționare.
Punerea în funcțiune a sistemului a fost programată pentru ultima săptămână din octombrie 2012. Din păcate asta a fost săptămâna în care uraganul Sandy se îndrepta spre nord-estul SUA. Într-o mișcare inteligentă, compania de testare a decis să nu mute echipamentele din Long Island decât după furtună.
Acum, din cauza faptului că Long Island este devastat, Nexans (furnizorul de cablu) se teme că punerea în funcțiune va fi amânată până la începutu anului 2013[].
Tres Amigas, LLC, un start-up, o societate comerciala de transmisiune cu baza în New Mexico, și este un proiect lider prin care se dorește legarea celor 3 rețele electrice americane folosind stații de conversie curent alternativ – curent continuu și linii electrice superconductoare de capacitate mare pentru curent continuu. în prezent cele 3 rețele grids (Western Electric Coordinating Council, Eastern Interconnect, și Electric Reliability Council of Texas) funcționează asincron, ceea ce face dificil să se mute cantități mari de de energie de la o regiune la alta. Separarea rețelelor prezintă un obstacol major pentru transportul de energie din surse regenerabile, pentru că este dificil să se mute putere semnificativă din regiunile cu abundență de energie din surse regenerabile pentru a încărca centre cu cerere mare de energie electrică.
Tres Amigas propune ca un curent continuu pe 3 direcții interconectate între cele 3 rețele ar permite energiilor regenerabile să fie utilizate acolo unde este necesar și ar stimula producția de energie din surse regenerabile și mai mult decât atât ar furniza o cale de pătrundere a furnizării pe piață.
Inițial propus să fie lansat în 2010, proiectul a tot fost amânat din cauza unor aranjamente complexe între acționarii proiectului.
Primele două acorduri de interconectare – unul cu Consiliul Coordonator al Sistemului de Vest (WSCC) și cealaltă cu Eastern Interconnect (EI) ar trebui finalizat până la sfârșitul anului 2012, care să permită o dată de pornire pentru instalație de la începutul anului 2014.
Acordurile de interconectare între sistemele Texas, WSCC și EI sunt complicate datorită faptului că Consiliul Fiabilității Electrice din Texas (ERCOT) nu este sub jurisdicția Federală de Reglementare a Energiei (FERC) așa cum sunt rețelele de est și de vest.
Interconectarea cu restul țării ar putea pune în pericol ERCOT care dorește să se păstreze.
Convertoarele cu sursă de tensiune ridicată, spate în spate, cu curent continuu s-ar fi construit în etape pentru a găzdui intensificarea schimburilor de energie în timp. Inițial convertoarele vor fi interconectate cu un conductor cu curent continuu convențional care funcționează la aproximativ 300 Kw de curent continuu.
Semnarea acordurilor de cumpărare de energie sunt așteptate să crească până la un maxim proiectat de 5Gw. Atunci când sarcina se propie de 3Gw s-a planificat să se înlocuiască un conductor cu curent continuu convențional cu superconductoare de cabluri cu curent continuu.
În septembrie Tres Amigas a depus și a emis obligațiuni în valoare de 1,65 bilioane de dolari pentru construirea instalației la 12 mile de nordul orașului Clovis, New Mexico.
Costurile inițiale pentru primul convertor de 750 Mw sunt estimate la 500 de milioane de dolari. Într-o a doua etapă, 400 de milioane de dolari ar adăuga 2,25 Gw la interconectarea rețelei Texas (ERCOT) cu grilele de vest și de est.
O fază finală, estimată la o sumă de 1 bilion de dolari ar duce nivelul de putere la 5Gw și ar include probabil conectarea superconductorilor de curent continuu. Finanțarea este în curs de a demara prfoiectele de inginerie și de construcție, în primă fază, și include suma de 12 milioane de dolari, de la Mitsui&Co, o companie de servicii cu infrastructură industrială japoneză. Câteva firme de inginerie au fost păstrate în portofoliul Tres Amigas cum ar fi: Power Engineers, Burns & McDonnell și CH2M Hill.
2.2 Cabluri Superconductoare de curent continuu răcite cu Heliu
Centrul pentru Sisteme de Putere Avansate (CAPS) a întreprins un studiu de fezabilitate pentru marina americană, cu privire la oportunitatea și mijloacele de a realiza o navă de război complet electrificată.
Superconductoarele cu curent continuu oferă o mai mică și mai ușoară greutate ca și opțiune pentru distribuția puterii decât alte alternative care au fost luate în considerare de marina americană cum ar fi curent alternativ de curent convențional de 60 Hz și frecvență înaltă de 300-400 Hz de curent alternativ. Din cauza problemelor de securitate la bord legate de sistemul de răcire cu azot lichid (eliberare accidentală în spații închise) precum și greutatea suplimentară criogenul preferat pe care CAPS îl investighează este heliul gazos.
Până în prezent, în cadrul acestui proiect 1 Kv de 30 de metri monopol de cablu HTS 2G cu curent continuu a fost fabricat de Southwire și se află în testare la CAPS.
O serie de temperaturi de răcire cuprinsă între 50 și 77 K se află în cercetare, la temperaturi sub aproximativ 65 K fiind posibilă prin utilizarea de heliu, care se lichefiază la o temperatură mai scăzută.
Datorită performanței crescute a supraconductorului, temperaturile mai scăzute sunt de mare interes (vezi figura 2—5 care a fost dezvoltată de W. Hassenzahl și se bazează pe o bandă 2G produsă de Furukawa Superpower. De exemplu testarea cablului arătat că la 66 K cablul poartă 6 kA, ce reprezintă dublul capacității sale. Pe de altă parte, proprietățile dielectrice al heliului gazos, nu sunt aproape la fel de bune ca azotul lichid. Cei care lucrează la CAPS, investighează aceste aspecte la fel de mult ca și pe celelalte precum problemele termo-mecanice care apar de la razele de îndoire dorite de marină. A doua fază a proiectului este încă în discuție. În aceasta este inclusă construirea și testarea unui cablu bipolar de +/- 5 kV. Configurația cablului ( de exemplu coaxial versus două cabluri monopolare) este în dezbatere.
În exercitarea misiunii sale de a desfășura activități de cercetare și dezvoltare legate de generarea, livrarea și utilizarea energiei electrice în beneficiul publicului, Institultul de Cercetare a Energiei Electrice (EPRI), explorează scenarii care ar putea influența producția viitoare de energie electrică, transport și utilizare.
Astfel, în toamna anului 2005, EPRI, a avut o previziune și a creat un workshop pe tehnologia prezentă și viitoare a cablurilor supraconductoare de alimentare cu curent continuu pe distanțe lungi.
Acel workshop a condus la un proiect pe patru ani ce este descris în raportul EPRI 1020458, Un cablu Superconductor DC (cu curent continuu), publicat în 2009[6].
În timpul acestui studiu s-au găsit mai multe aspecte ale sistemului criogenic de a solicita dezvoltarea în continuare a îndeplinirii criteriilor de a fi atât practice cât și universal aplicabile.
Sistemul criogenic descris în acest raport a constituit baza pentru un nou studiu, finalizat în 2012, în care sunt luate în considerare metode suplimentare pentru proiectarea sistemului criogenic.
Studiul a extins un aspect al proiectării EPRI pentru a îmbunătăți performanța și a reduce costurile. Aceatsa abordează problema utilizării aerului lichid ca fluid criogenic care este folosit pentru a răci cablul. Utilizarea de aer în loc de azot lichid elimină pericolul potențial de excludere de oxigen în zonele cuprinse, și permite sistemului să funcționeze la o temperatură mai scăzută, care reduce cantitatea de supraconductor necesară. Figura 2.5 luat din Raportul de referință [7] arată impactul semnificativ chiar și la o temperatură uțor mai scăzută asupra capacității de încărcare a supraconductorului 2G.
Figura 2.5 Curentul critic relativ a unei a doua generații de superconductor (ybco), ca o funcție de temperatură și de câmp magnetic
Ancheta a evaluat, de asemenea, și alți criogeni potențiali ( neon, hidrogen și heliu) și a cercetat utilizarea criogenilor gazoși, hibrizi, gazoși-lichizi pentru sisteme de cabluri cu schimbări mari de altitudine, cum ar fi cazul transmisiei pe distanțe lungi. Astăzi piața pentru tehnologia de superconductoare de transmisie de curent continuu nu este mare, ca nivel de putere necesar pentru că competitivitatea este foarte mare. Cu toate acestea, privind spre viitor, ne putem aștepta la necesitatea de sisteme de mari dimensiuni pe distanțe lungi, de transfer de putere la vrac pentru a face această tehnologie tot mai atractivă.
2.3 Cabluri supraconductoare de curent continuu
Institutul de Inginerie Electrică din cadrul Academiei de Științe Chineze (IEE-CAS) face demonstrații pe un cablu HTS cu curent continuu într-un mediu comercial. Cablul transmite ieșirea de curent continuu a unui redresor de curent continuu situat într-o substație din apropiere, peste un drum și într-o instalație de electrolizor alumină ce folosește energia continua direct.
Șase cabluri de alimentare ac subterane suplimentare aprovizionează șase redresoare de la fabrica electrolizor. Vezi figura 2.6. Cele 360 de metri de sisteme de cabluri HTS au fost alimentate în prima jumătate a anului 2011.
Figura 2.6 Cablu superconductor de curent continuu la fabrica Electrolizilor din China
Sursa: L. Xiao, IEE-CAS. Folosit cu permisiune.
Acest cablu este cel mai lung suportand cea mai mare putere instalat, operativ cablu de curent direct ( Direct Curent )din lume, in prezent si consideram ca este o reusita notabila.
Amperajul de 10Kilo Amperi (kA) are in acelasi timp si cel mai inalt curent cu aproape de cinci ori mai mare decat orice cablu din lujme AC sau DE.
Un aspect oarecum neobisnuit al cabluluie ste design-ul usor cald dielectric. Asocierea cu termenul ,,usor cald dielectric” se refera la faptul ca izolarea electrica a cablului este in afara incintei criogenice si este, prin urmare, la temperatura mediului extern. Cele mai multe, dacă nu toate, cabluri de la Detroit Edison, la începutul anilor 2000 au avut un design dielectric rece, deoarece acest design se pretează la un conductor coaxial plus aranjamentul tip scut care elimină câmpul magnetic extern și prevede o portiune mai compacta de drum .
Campurile magnetice se degradeaza prin capacitatea de suparaincarcare a unui supraconductor, astfel incat este necesar sa se separe polii plus si minus a unui cablu dielectric cald de la o distanta corespunzatoare, asa cum se arata in figura 2.6.
Cu toate acestea un cablu dielectric cald este mai usor de fabricat deoarece dielectricul este extrudat peste criostat printr-un cablu foarte conventional metodelor de fabricatiesi utilajelor, si in plus dielectricul nu trebuie sa isi indeplineasca functiile la temeperaturi criogenice.
In viitor supraconductorii cu rezistenta crescuta la campurile magnetice externe pot duce proiectantii de sisteme sa isi reconsidere cablurile calde dielectrice.
Anvelopa criogenica a fost impartita in 8 segmente, fiecare segment avand o imbinare standardizata la fiecare capat.
Articulatiile sunt desemnate a fi de tip A si tip B, astfel ca un tip A are in comun un segment ce introduce un segment de tip B pe segmentul adiacent in timpul integrarii sistemului de cabluri si asamblarii pe teren.
Pierderile de caldura statica pentru anvelope este mai mic de 0,8 W / m. Un sistem de refrigerare Stirling cu sistem de rezerva de 4 Kw, ofera puterea de racire. A se vedea Figura 2.7.
Cele patrfu terminatii de cablu sunt de 6,15 m lungime si 325 mm in diametru. A se vedea Figura 2—8. Exista 3 parti functionale: corpul principal, conductorul de curent si camera. Modularizarea este utilizata astfel incat fiecare parte functionala este independenta. Cele doua ansambluri verticale din figura sunt porturile de intrare si vidul de racire. specificatiile tehnice ale sistemului de cabluri sunt prezentate in Tabelul 3—1.
Tabelul 2—2
Specificatiile tehnice ale cablurilor DC IEE-CAS
Figura 2.7 Refrigerator stirling si sistem de rezerva pentru cablurile IEE-CAS
Sursa: l. Xiao, folosit cu permisiune
Figura 2.8 – Terminatii ale cablurilor dc iee-cas
Sursa: l. Xiao, iee-cas. Folosit cu permisiune
2.2.1 Clasa de 275 kV de dezvlotare a cablurilor REBCO
Fukurawa Electric Co., LTD, a dezvoltat un cablu de alimentare HTS clasa 275 Kv cu o capacitate nominala de 3 kA, ( cu trei faze fiind evaluat la 1500 MVA). Un prototip de 1kA a cablului cu o singura terminatie a fost fost fabricat pentru tensiune si testare de sarcina de curent in 2010 si 2011, astfel cum a fost raportat in 2011 pentru Technology Watch.
Acum cu o lungime de 30 de metri, cu o singura faza, cablul de demonstratie cu terminale de exterior si siteme de racire a fost proiectat si instalat la Compania de Cabluri Shenyang Fukurawa LTD, in Shenyang, China. A se vedea Figura 2.9 si Figura 2.10.
Figiura 2.9 – Dispunerea cablului de demonstratie hts Fkurawa de 30 metri si 275 kv
Sursa: S. Mukoyama, Furukawa Electric. Folosit cu permisiune.
Figura 2.10 – Cablul HTS cu o singura faza, Fukurawa 275 Kv, instalat in Shenyang, China
Sursa: S. Mukoyama, Furukawa Electric. Folosit cu permisiune.
Figura 2-11 prezinta structura unui cablu HTS cu un singur nucleu de baza care este un design dielectric racit cu o banda HTS de a doua generatie (2G).
Fiecare faza AC a cablului consta dintr-un nucleu coaxial HTS infasurat intr-o singura conducta criostat. Un cablu de cupru catenar este infasurat cu doua straturi de conductor HTS, urmat de un start de izolare electrica, un singur strat HTS de tip scut, un strat de cupru de stabilizare si o manta de protectie.
Cablul de cupru catenar si stratul de cupru de stabilizare furnizeaza cai de curent alternativ, in cazul unei defectiuni, care poate duce la o supraincarcare de curent pe benzile HTS.
Criostatul este construit cu un vid izolat, tevi corugate cu superinsulatie multistratificata pentru a putea oferi flexibilitatea necesara precum si o mai buna performanta a izolatiei termice.
Figura 2.11 – Structura Fukurawa 275 Kv, de 3 kA, cablul HTS YBCO
Sursa: S. Mukoyama, Furukawa Electric. Folosit cu permisiune.
Cablul de 30 de metri a fost instalat la sfarsitul lunii septembrie a anului 2012. Pentru a coonfirma proprietati satisfacatoare a unui sistem cabluri HTS de 275 Kv, pentru utilizare in retelele electrice, Fukurawa va efectua teste pe ciclul de sarcina pe termen lung.
Fukurawa isi va baza testele pe standardul japonez JEC 3401 si IEC 62067 in care sunt specificate izolarea cablurilor dielectrice de inalta tensiune extrudate (nu exista standarde corespunzatoare, inca, pentru cabluri HTS). Testele mentionate in Tabelul 2-3 vor fi efectuate pe un esantion de 5 m si un cablu de 30 m ce finalizeaza demonstartia. Proba va fi incetata din cablul finalizat inainte de expeditie.
O mare parte a coloanei vertebrale a transportului electric in Japonia functioneaza la 275 Kv. La 1500 MVA, care este aproximativ capacitatea medie a generatorului termic sau generatorul de energie nucleara, sistemul de cablu HTS de 275 Kv, trifazat este cel mai mare sistem de cabluri de alimentare din lume. Aceasta ar oferi, de asemenea, o capacitate suplimentara pentru sistemul de transport pentru care sunt necesare solutii pentru cablurile de consolidare.
Tabelul 2—3
Sumarul testelor asupra cablurilor HTS Fukurawa de 275 kV.
Fukurawa considera ca tehnologia superconductoare va fi o alternativa puternica pentru rezolvarea problemelor globale de mediu. ei citeaza [] o serie de avantaje a cablurilor HTS de 275 Kv si 3k A, inclusiv pierderile de transmisie semnificativ mai mici (vezi Tabelul 2-4):
cablurile HTS au capacitatea de 3 ori mai mare decat cablurile dielectrice nominale si dimensiuni de 1/3 mai mici
costurile construirii cablurilor sunt previzionate a fi mai mici
cablul HV HTS pare a fi potrivit pentru infrastructuri in tarile in curs de dezvoltare
Tabelul 2 – 4
Furukawa Compararea convențională XLPE a sistemului de cablu cu 275 kV a sistemului de cabluri HTS
2.3.2 Cablul HTS trei in unu Sumimito de 66 Kv
Proiectul din Yokohama este primul din seria demonstratiilor in retea a cablurilor HTS din Japonia. Instalarea de 66 Kv in 3 faze de 5 kA (200 MVA) de sisteme de cabluri de alimentare HTS de la Tokyo Electric Power Company (TEPCO)de la substatia Asahi din Yokohama a fost oprit temporar in urma cutremurului masiv si tsunami-ului ce a urmat ulterior in martie 2011. Sumitomo Electric a fabricat cabluri HTS de 250 de metri care sunt alcatuite din 3 cabluri coaxiale cu o singura faza si un singur criostat. A se vedea figura 2.12. Sistemul de cabluri leaga un Kv de transformator reprezentand 156/66 a statiei de transmisie conductoare Asahi.
Proiectul demonstrativ Yokohama este sponsorizat de Ministerul japonez al Economiei, Comerțului și Industriei (METI) prin Noua Energie Industrială a Organizației de Dezvoltare Tehnologica (NEDO), o organizație responsabilă pentru dezvoltarea de noi tehnologii energetice și de conservare pentru guvernul național[]. Scopul proiectului este de a executa o evaluare a sistemului de cablare pe termen lung într-un mediu de putere comerciala. În afară de Sumitomo și METI, echipa de proiect include Tokyo Electric Power Company (TEPCO), ca utilitar gazdă, și Mayekawa Mfg, care este responsabilă pentru proiectarea, fabricarea și instalarea sistemului de refrigerare criogenică.
Figura 2.12 – Cablul HTS trei in unu Sumimito de 66 Kv
Sursa: H. Yumura, Sumitomo Electric. Folosit cu permisiune.
Testarea cu succes a unui prototip de 30m a fost finalizată în 2009 și de 250 m cabluri HTS lungi au fost fabricate în 2010. Sistemul de refrigerare criogenică a fost instalat în februarie 2011, chiar înainte de cutremur. Instalarea cablului, planificată să înceapă în martie 2011, a fost amânată ca urmare a cutremurului. Construirea cablului a fost reluata la sfârșitul anului 2011 și a fost finalizată în 2012. Racirea cablului a fost finalizata, iar cablul va fi energizat la sfârșitul anului 2012. Figura 2.13 arată ca instalarea s-a încheiat.
Înainte de transportul maritim al cablurilor de la stația Asahi, au fost efectuate teste de pre-expediere. Testele au inclus măsurarea curentului critic (înainte și după tragerea cablurilor și teste de contracție), măsurătorile de pierdere ac, testarea cablurilor la indoire și teste de rezistență la tensiune. Testele au confirmat că cablurile au îndeplinit cerințele de proiectare. Aceeași metodă de instalare a fost folosita ca pentru instalarea de cabluri subterane convenționale, folosind un troliu pentru a trage cablul în conducta de cabluri la tamburul de alimentare. La stația Asahi există un cot de 180 grade cu raza de 5 metri pentru instalarea cabluri HTS. Instalarea a mers fără probleme, cu tensiunea maximă de tracțiune înregistrată la aproximativ 1,3 tone, mai mică decât valoarea de calcul a 2 tone. O interconectare a cablurilor-la-cablu și terminațiile acestora au finalizat instalarea acestor cabluri.
Șase refrigeratoare Stirling sunt instalate, fiecare avand o putere de răcire de 1kW la 77K sau 0.8kW la 67K. În plus, există două pompe de circulație LN2, și un rezervor. Refrigeratoarele sunt asociate și conectate în paralel, într-o configurație redundantă, astfel încât, dacă unul din refrigeratoare nu functioneaza din cele rămase restul se vor ocupa de sarcina de răcire. Prin controlul numărului din refrigeratoare din funcțiune, temperatura de intrare a cablurilor este reglată la 69 K ± 1K. Pentru ușurința întreținerii sau reparațiilor, refrigeratoarele și pompele sunt proiectate pentru a fi eliminate din sistemul de răcire fără oprirea funcționării sistemului. Cablul care trebuie să se răcească a fost realizat treptat în primul rând cu ajutorul temperaturii de -100 C și apoi a gazului la de azot -150 C. Acest pas a fost urmat cu azot lichid. Cablu ca sa se răcească are nevoie de trei zile.
Figura 2.13 – Dispunerea și fotografii de Montare finalizate la substatia TEPCO Asahi (Yokohama)
Sursa H. Yumura, Sumitomo Electric. Folosit cu permisiune.
O testare stabilita după punerea în funcțiune a fost realizată în cazul în care cablurile au fost răcite. Rezultatele testelor sunt rezumate în Tabelul 2-5. Sumitomo asigurara accesul public la sistemul de monitorizare a performanței sistemului din timp real. URL-ul web de acces este: http://global-sei.com/super/cable_e/ingridj.html.
Tabelul 2-5
Dispunerea rezultatelor testelor sistemului de cabluri Asahi
2.4 Cabluri pentru limitarea curentului de defect
Cercetatorii sud-coreeni au prezentat rezultatele preliminare de la activitățile de proiectare pentru un scurt circuit de limitare (FCL) per cablu[]. Proiectul a fost realizat de către Universitatea Națională Changwon și Institutul de Cercetare Electrotehnica Coreea (KERI). Cercetarea a implicat dezvoltarea unui model simplificat al cablului HTS ce încorporează generarea de căldură și variațiile de temperatură, rezistenta HTS, si rezistenta stabilizatorilor. Design-ul cablului FCL încorporează o fostă bază blocata pe care sunt înfășurate benzi HTS,. Prima ofera calea scurt circuitarii. Diferite foste materiale și dimensiuni au fost evaluate pentru a determina efectul lor asupra variației de rezistență și creșterea temperaturii de cablul de alimentare FCL HTS. Cercetatorii au descoperit ca formatorii de alama si otel inoxidabil au fost cele mai favorabile. In aceasta cercetare, de asemenea, au fost testate si timpul de recuperare pe alte lungimi de cablu. Timpul de recuperare pentru alamă, de exemplu, a fost de 3,2 minute.
2.4.1 Cablu HTS
Coreea de Sud a avut un program susținut de guvern în dezvoltarea cabluri HTS din 2001, începând cu programul Dapas[] și, in 2009, programul GENI[]. În 2011, proiectul Jeju Island a fost anunțat, bazându-se pe succesele atât ale programelor GENI cat si Dapas. Dapas și GENI s-au concentrat în primul rând pe cabluri și limitatoare de scurt circuit de la 22,9 kV, care este la nivelul național coreean pentru tensiune de distribuție standard. Aceste proiecte au fost raportate în rapoartele anterioare ale Technology Watch, la care cititorul este direcționat (acestea sunt, de asemenea, documentate în anexe). Într-o măsură mai mică, construirea Dapas a fost în curs de dezvoltare și testarea a unui cablu care funcționează la 154 kV (la capacitate de 1000 MVA), care este tensiunea standard de subtransmisie în Coreea (345 kV și 756 kV, linii de ac constituie sistemul de transport cu EHV, acesta din urmă fiind utilizat pentru cele mai lungi curse de la centralele nucleare îndepărtate la Seoul și pana în alte centre urbane importante de încărcare).
Testarea a 100 de metri, de 154 kV, a 1 cablu de GVA la Coreea Electric Power Company (KEPCO), la centrul de testare la Gochang a fost finalizată în 2012. Centrul de testare Gochang este aproape de o centrală nucleară și, prin urmare, este capabil să furnizeze nivelul de putere necesar pentru aceste teste. Cablul de 154 kV a fost conectat la rețeaua locală de 154 kV pentru aceste teste. Sistemul de cablu testat a inclus cablul, două terminații, și un sistem de răcire. Cablul a avut un ciclu de sarcină testat la 1,2 Uo (105 kV;; Uo = 89 kV), și cicluri cu succes pentru timp de 40 de zile: pe timp de 8 ore și pe timp de 16 ore. Teste de securitate dielectrice AC au fost finalizate la 1,5 Uo timp de 30 minute. Descărcarea parțială (PD), precum si testarea la 18.0 MHz și 1,5 Uo, în timpul testului de securitate ac a aratat PD <5 pico-pandative (PC). Un prototip de 2 metri de cablu realizat cu un dc IC de 5760 Amperi la 77 K (IC medie pe bandă a fost de 104,7 A).
Estimarea DC IC a sistemului de cablu de la 70 K temperatura de funcționare este de 8,985 A. Cercetarea Continua pe cablul de 154 kV HTS este planificata spre finalizare aproximativ in anul 2015, cu comercializare prin preajma anului 2020. Proiectul Jeju Island este un proiect pentru a consolida furnizarea de energie pentru rezidenți și a întreprinderilor pe această insulă de dimensiuni medii în largul coastei de sud a Coreei de Sud. Ambele cabluri submarine convenționale și tehnologia HTS vor fi utilizate în alimentarea cu energie la reteaua Jeju Island. Durata proiectului este de 5 ani (2011-2016), și va încerca să avanseze comercializarea de tehnologie de energiesupraconductoare. Obiectivul proiectului include, în plus, o analiză a comportamentului de rețea cu ac supraconductor și componente, și dezvoltarea celor mai bune practici pentru O & M a sistemului, inclusiv componentele de refrigerare de curent continuu.
Porțiunea HTS a proiectului Jeju Island[] include un 1 km, de 154 cabluri ac per kV și 500 metri de cablu cu curent continuu de 80 kV, ambele situate la substatia GumAk de pe insula. Cablul de ± 80 kV (3125 Amperi) dc va consolida legătura de 154 kV între substația Hanlim și GumAk și va fi finalizat în 2014. Cablul ac de 154 kV (600 MVA) , urmeaa să fie finalizat în 2015, va interconecta substatia Anduk și va oferi sprijin suplimentar grilelor din aceasta zonă a insulei. Un supraconductor de 154 kV (2 kA) limitator de curent este, de asemenea, în curs de dezvoltare și programat pentru desfășurare la GumAk în 2015. Cablul submarin pe continent este o ± 250 kV cablu (400 MW), DC, care a fost finalizată în 2011. Bugetul de cercetare pentru acest proiect este de $ 70M. Participanții la proiect includ KEPCO, KERI, LS Cable, și mai multe universități
Un dc de înaltă tensiune (HVDC) de cablu superconductor este, de asemenea, în curs de dezvoltare. Cablul va fi ± 250 kV și va funcționa la 10 kA, oferind o capacitate de transfer de putere de 2,5 GW. Proiectarea și construcția nucleului de cablu este de a fi completă până în 2014. O comuna de oprire (îmbinare), pentru a extinde distanța de transport și de gaz sau terminațiile epoxidice cu cabluri hibride de curent va fi completă până în 2017, în conformitate cu planurile de KERI. Planuri pentru dezvoltarea, testarea si comercializarea de cabluri de curent continuu HTS sunt:
• ± 30 kV, cabluri de curent continuu de 2,5 GW HTS pentru "ferme" de energie regenerabilă ar trebui să intre în testare in 2017, și va fi comercializatadin2020.
• ± 250 kV, cabluri de curent continuu de 10 GW HTS sunt de așteptate să fie comercializate până în 2020.
• ± 180 de cabluri de curent continuu kV HTS pentru transmiterea energiei de la centralele nucleare de pe coasta de est a Coreei de Sud la Seul, bazat pe dezvoltarea și testarea cablurilor de tensiune mai mici, ar putea deveni comercializate după anul 2030.
Există o opoziție considerabilă în țarăin ceea ce priveste instalarea mai multor linii electrice aeriene de 765 kV pentru a satisface cererea tot mai mare de sarcină în Seul, care este furnizată de aceste centrale nucleare îndepărtate.
După cum a fost raportat în 2011 de Technology Watch [5] un kV 22,9, 50 MVA cablu HTS a fost instalat in 2011. Proiectul este parte a proiectului GENI. Planurile originale au cerut ca dimensiunile cablului să aibă o lungime de 500 de metri. Limitările de spațiu au dus la limitarea cablului ceea ce a dus la reducerea sa la 410 de metri. Sistemul de cablu are terminale în aer liber și un golf trifazat comun intr-un singur criostat dinspre jumătatea distanței (200 de metri și 300 de metri per secțiuni)[]. Cablul a operat fiabil pentru aproape un an și jumătate, cu funcționarea stabilă a ciclului Stirling avand o buclă închisă in sistemul de răcire, și servește un client cu aproximativ 35 MVA. Planuri pentru o a doua fază, numit GENIl II sunt în curs de desfășurare, avand desfășurarea stabilita în cursul anului 2014. Cablul GENI II va avea o capacitate de putere mai mare decât GENI-I, la 150 MVA. Detalii cu privire la proiectul de extindere nu au fost disponibile in acest moment in presă.
Pe termen lung, cercetatorii KEPCO și KERI spera sa prelungeasca durata de cabluri de 22,9 kV la 3 km sau mai mult. Ideea este de a înlocui multe dintre cablurile de alimentare de 154 kV în zonele urbane cu cabluri supraconductoare de 22,9 kV eliminându-se astfel substațiile de înaltă tensiune în zonele aglomerate și îmbunătățirea eficienței.
Aceasta este parte din conceptul cheie KEPCO, care este ecologic, are eficienta in transmisie de mare putere, și este de o calitate mai bună din punct de vedere energetic[]. Conceptul KEPCO este ilustrat în figura 2.14 și este similar cu cel care este în curs de dezvoltare în Essen, Germania, proiectul fiind discutat mai târziu în acest raport. Cablul de 22,9 kV este de așteptat fi comercializat până în 2014.
Planurile pe termen lung (2016 și după) Apel pentru dezvoltarea unei "VAB clasa" 345 kV cablu HTS cu comercializare in 2026. Coreea de Sud de asemenea, desfasoara in mod activ dezvoltarea de programe de transformatoare HTS pentru retea, și cu motor / generatoare de nave și generatoare eoliene.
Figura 2.14 – DAPAS – viziunea pe termen lung a retelei KEPCO
Sursa: A New Project on Applying 22.9kV HTS Cables and SFCL to KEPCO Power Grid, 2008 EPRI Superconductivity Conference, Nov 11, 2008. Oak Ridge, TN. Folosit cu permisiune.
2.4.2 Caluri HTS cu limitatoare de curent de defect
Proiectul AmpaCity este un nou sistem de cabluri HTS ce aduc in plus limitatorul de curent de defect planificat pentru orașul Essen, Germania. Aceasta va fi prima combinație de cablu cu limitator de curent de deect din rețeaua europeană. Sponsorii proiectului sunt RWE Deutschland (compania de utilități locale), Nexans Supraconductors, si Institutul de Tehnologie din Karlsruhe (KIT). Proiectul a rezultat dintr-un studiu realizat în 2011, în care sponsorii au investigat posibilitatea de a înlocui o îmbătrânire mare / medie de tensiune (110 kV / 10 kV), infrastructura de transport / distribuție în centrul orașului Essen cu tensiune mai mică (10 kV)pentru cabluri HTS[].
Opțiunea aceasta de cabluri HTS ar reduce numărul de stații din interiorul orasului cu transformatoare mari, umplute cu ulei și numărul de linii de transmisie de înaltă tensiune, economie de spațiu pentru dezvoltarea comerciala. O analiză economică a arătat că sistemul de 10 kV HTS a fost de 9,2% mai mic la costuri în comparație cu opțiunea de a înlocui porțiuni ale sistemului de transport convențional de 110 kV. Opțiunea HTS a fost de 6,8%, mai mare decât costul de renovare a sistemului de tensiune medie. Fără o alta opțiune HTS, calea de preferat ar fi fost de a înlocui cablurile imbatranite de tensiune medie. Sistemul HTS fost preferat deoarece oferă pierderi mai reduse de energie și necesită mai puțin spațiu decât sistemul convențional de 10 kV.
Figura 2.15 – Configurare electrica privind modificările prin angajarea prin cabluri HTS
Sursa: M. Stemmle, Nexans. Folosit cu permisiune.
Ca urmare a rezultatelor pozitive ale studiului, a fost luată o decizie de a aduce o parte din rețeaua de tensiune medie între două stații din centrul orașului, în Essen cu un sistem de cablu de 10 kV HTS. Sistemul de cablu HTS va elimina un transformator HV la substatia Dellbruegge și o linie de 110 kV între substatiile Dellbruegge și Herkules. A se vedea Figura 2-15. Cablul nou HTS a înlocuit linia 110 kV caretransporta 40 MW.
În plus, o boltă transformator de rezervă la Herkules poate fi folosit pentru FCL și pentru sistemul de răcire, economisind spațiu suplimentar. La 1 km, cablul va fi cea mai lungă instalarea de cablului HTS din lume.
Proiectul a fost demarat în septembrie 2011. Instalarea sistemul de cablu este asteptata sa fie completa din al 3-lea trimestru al anului 2013, cu punerea în functiune in trimestrul 4. Sponsorizarea planului pentru o durată a proiectui de 4.5 ani, timp în care avantajele de operare tehnice vor fi evaluate. Experiența va fi, de asemenea, câștigată în evaluarea de cabluri HTS suplimentare și limitatorul de curent (FCL) prin aplicații. Daca va avea succes, secțiuni mari ale orașului pot fi convertite la rețeaua de tensiune inferioară conferită de cablurile HTS. Finanțarea de 6 milioane € (~ 8 milioane dolari), pentru proiectul de aproximativ 13,5 milioane € (18 milioane dolari), a venit de la Ministerul Federal al Economiei și Tehnologiei din Germania. Sponsorii proiectului finanteaza echilibrul financiar[].
Nexans va furniza cablul de design tri-axial de 10 kV, care va avea o capacitate de curent nominal de 2,3 kA.Supraconductorul cablului va fi de Generația 1 (1G) BSCCO pentru a reduce costurile. Există un singur strat HTS per fază. O încetare compacat a fost proiectata și este de numai 2,3 metri lungime. Nucleul cablului este fabricat la Nexans "Halden, Norvegia, o fabrica cablu și asamblate în criostat la Hanovra, Germania. Un cablu de pre-prototip de 30 de metri cu niste casete HTS a fost testat la instalația de testare Hanovra. Un cablu prototip cu o interconectare va fi fabricat și testat în al patrulea trimestru din 2012. Figura 2.16 și figura 2.17 arată structura de cablu și conceptul de terminare, respectiv figura 2.18 arată cablul de pre-prototip testat.
Figura 2.16 – Structura cablului tri-axial Nexans
Sursa M. Stemmle, Nexans. Folosit cu permisiune.
Figura 2.17 Terminale pentru Nexas cablu tri-axal de 10 kV
Terminatiile pentru 10 kV de cablu tri-axial Nexans
Sursa: M. Stemmle, Nexans. Folosit cu permisiune.
Figura 2.18 – Pregatirile pentru testare a cablurilor tri-axiale Nexans si ale terminatiilor pre-prototip
Sursa: M. Stemmle, Nexans. Folosit cu permisiune.
Sistemul de răcire a proiectui Essen foloseste sub-răciri, azot lichid sub presiune într-un aranjament cu ciclu deschis, pentru că are costuri de operare mai mici și fiabilitate și disponibilitate ridicată. Cu toate acestea, este recunoscut faptul că lichidul mare din rezervor de azot necesar poate crea probleme vizuale în viitor. Figura 2.19 prezintă sistemul de răcire, care produce 4 KW la 67 K.
Figura 2.19 – Sistemul de racire a proiectului AmpaCity
Sursa: M. Stemmle, Nexans. Folosit cu permisiune.
Sistemul de cablu va angaja un limitator de curent supraconductor (SFCL) la sfârșitul substatiei Herkules pentru a reduce potentialul de a provoca scurt circuitari prin cablu pentru a se potoli. Spre deosebire de cablu, SFCL va angaja benzi 2G YBCO în construcția sa. Există două opțiuni pentru criostat: fie fiecare fază va fi în propriul criostat sau toate cele trei faze într-un criostat. Acestea sunt prezentate în figura 2.20. Tabelul 2-6 arata proiectarea și performanța, precum si detalii cu privire la SFCL.
Figura 2.20 – Limitatorul de curent cu scurt circuit pentru supraconductoare a proiectului AmpaCity, optiuni pentru criostat
Sursa: M. Stemmle, Nexans. Folosit cu permisiune.
Tabelul 2-6
Design-ul si performanta parametrilor pentru Supraconductoarele AmpaCity cu limitator de scurt-circuit
2.4.3 Cablu HTS de curent continuu unipolar cu plaga concentrica
În activitatea sponsorizata de Compania de Transport Federal al Unified Energy System (UES) cercetatorii FGC au inceput un proiect pentru a dezvolta, a construi și a instala un cablu superconductor dc într-o zonă centrală a orașului Sankt Petersburg, Rusia[]. Lucrarea este realizată de către Centrul de Cercetare si Proiectare al FGC UES. Obiectivele proiectului sunt:
• Investigarea de proiectare a unei conexiuni HTS DC – 20 kV, 50 MW de rețea la Sankt Petersburg.
• Crearea unei cooperari științifice de producție pentru fabricarea de cabluri HTS cu curent continuu, racorduri, convertoare si echipamente criogenice.
• Crearea și demonstrarea unei legături HTS DC.
Intenția proiectului este de a spori siguranța aprovizionării cu energie electrică și pentru a limita curenții defecti în secțiunea centrală din Sankt-Petersburg.
Investigații ale rețelei în mai mult de zece scenarii au arătat că în zona centrală a orașului există potențial pentru un număr de moduri de mesaj a sistemului defect de oscilație care rezultă din alimentarea cu energie de întrerupere. A fost demonstrat în continuare că întărirea sistemului cu un cablu XLPE convențional sau linie cu izolație în gaz (GIL) între două stații in centrul orasului (SS RP-9 și SS Tsentralnaya)a înrăutățit modurile post-eroare din cauza suprasarcinilor actuale suplimentare în linii de transport adiacente și substații. Figura 2.21 reprezintă o diagramă a rețelei din regiunea orașului centru. Opțiunea cablului HTS dc, cu convertoare AC-DC, a evitat aceste scenarii și a consolidat sistemul.
Figura 2.21 – Diagrama de rețea din Sankt Petersburg, Rusia, Plasarea retelei prin cablu HTS DC
Sursa: V.E. Sytnikov, FGC UEC. Folosit cu permisiune.
Designul cablului HTS de curent continuu care a fost ales este un cablu unipolar cu o plaga concentrica, superconductorul revine asupra stratului actual, foarte similar cu cablul de curent continuu proiectat de EPRI [6]. Înainte conductorul funcționa la 20 kV și conductorul de întoarcere este la pământ la RP-9 de substație. Astfel, acesta este un cablu coaxial, care nu are nici un câmp electromagnetic extern – benefic pentru o locatie ultracentrala.Structura de cablu este prezentată în figura 2.22. Curentul nominal al cablului propus este de 2,5 kA la 20 kV. Așa cum se arată în Figura 2.21 se vor interconecta cele două substații din centru, menționate mai sus. Cablul de aproximativ 2.500 de metri va transporta 50 de MW. Vor fi cinci articulatii de îmbinare, pentru o lungime medie per segment de 500 de metri. Cablul va fi îngropat la o adâncime de 10 metri.
Figura 2.22- Diagrama cablurilor HTS de curent continuu unipolar cu plaga concentrica,
Sursa: V.E. Sytnikov, FGC UEC. Folosit cu permisiune.
Cablul va folosi 1G BSCCO sârmă superconductoare furnizata de Sumitomo, de tip HT-CA. Conductorul anterior avea 22 de casete cu un IC = 160 A plasate în două straturi. Conductorul de întoarcere folosseste 19 benzi într-un singur strat cu IC = 180 A. Un prototip de cinci metri de cablu a demonstrat un IC de ~ 4,5 kA la 77,4 K.
Cablul este răcit cu un sistem sub presiune de azot lichid în buclă deschisă care raceste LN2 la 65 K pentru livrare la cablu. Temperatura de retur a lichidului de răcire este de aproximativ 75 K. S-a stabilit că peste 2.5 km din lungimea cablului o scădere a temperaturii de <6 K a fost acceptabila.Nexans a furnizat criostate pentru cablul și linia de retur a lichidului de răcire care are un diametru de 64 mm, care oferă o cădere de presiune de 5 – 6 bari, în fiecare la un debit de aproximativ 50 litri / min.
Cablul de curent continuu este interconectat între două rețele comutate de convertoare sursă de 12 de impulsuri, similare cu cele utilizate în legături de transmisie HVDC aeriene convenționale. Compensarea puterii reactive și de filtrare a armonicelor superioare din convertoare se efectuează cu un filtru de baterie de condensatoare pe partea de curent alternativ. Filtrele de pe partea de curent continuu acordat de la 6 la 12 armonici. Dacă nu sunt blocate, aceste armonici de curent ar putea provoca încălziri nedorite în supraconductor, așa cum se arată în lucrarea EPRI [6]. Convertoarelesunt conectate la 110 transmisiuni de kV ale celor două stații.
Primele teste ale cablurilor eșantion pe scară largă, vor fi efectuate în 2013, cu dezvoltarea și testarea a tuturor elementelor planificate pentru finalizare până la sfârșitul anului 2014. În prezent, infrastructura de transformare necesar este în curs de constructie. Montarea de cablu va avea loc în prima jumătate a anului 2015 și energizarea cablului este planificată să aibă loc la sfârșitul acelui an. Operațiunea de demonstrație va începe în 2016.
2.5 Linie de transfer de energie hibride (ETL)
Așa cum a fost descris în 2011 in raportul Technology Watch, o echipă de trei institute de cercetare din Rusia a dezvoltat și testat un prim hidrogen hibrid și supraconductoare de sistem prototip de cablu. Acesta este primul prototip experimental cu un atom de hidrogen și de linie supraconductoare de transfer de energie electrică (ETL), care a fost construit. O astfel de linie a fost subiectul unui studiu conceptual din Cartea albă al EPRI în 2006 [8]. Conceptul de ETL este de a furniza atât electricitate cat și energie termice ca un sistem hibrid de transfer de energie. În testul descris mai jos, 30 MW de energie termică din hidrogenul lichid (LH2) a fost transportat la un debit de 250 galoane / sec. Transferul global de energie pentru cablul de testare va fi de aproximativ 80 MW, cu 50 MW transferat de curent electric. Cercetatorii prezic că ar fi adăugați ușor de cinci sau zece ori mai multe casete de MgB2 la designul lor de cablu de curent (5 benzi) pentru a crește nivelul de putere la fel de mult ca 180 MW.
Sistemul hibrid are un criostat de transfer de hidrogen cu 12 m lungime alimentat prin cabluri cu o rata nominala de până la 3-4KA și tensiunea nominală de 20-30 kV (cu toate acestea, testul de cablu a fost efectuat la 3,3 V cc, de testare avand o tensiune la fel de mare, nu a fost parte a proiectului si ca acest test a fost de a valida capacitatea de transfer de energie de LH2). Diametrul interior in criostat este de 40 mm, iar diametrul exterior este de 80 mm, cu super-izolație in vid între pereți. LH2 curge în spațiul exterior dintre mantaua cablului și peretele interior din criostat. Nu este folosit azot lichid pentru pre-răcire în criostat.
Cablul de alimentare a fost dezvoltat folosind sârmă superconductoare MgB2 la supraconductorul Columbus, din Genova, Italia. Firul este de 3,65 mm x 0,65 mm dimensiune cu 12 filamente de MgB2 și un stabilizator central de Cu în matrice Ni. Cinci benzi sunt utilizate în proiectarea cablului, răsucit în jurul cuprului facut grămadă pe supraconductor fiind protejate împotriva defectării. Fiecare bandă a avut parte de un test IC de 529 A la 20 K. Buchetul de cupru este plasat în jurul unei spirale din otel inoxidabil central cu un diametru interior de 12 mm, care poartă lichidului de răcire / combustibil LH2.In exterior diametrul cablului este de 28 mm. Figura 2-23 este un grafic de construcție de cablu.
Figura 2.23- Cablu Superconductor curent continuu MGB2 racit cu hidrogen
Sursa: V.S. Vysotsky, VNIIKP. Folosit cu permisiune.
Sistemul de transport a fost testat prin umplere cu hidrogen lichid (LH2) dintr-un rezervor de stocare. Debitul de hidrogen a fost de 2-7 g / sec sub presiune cuprinsă 0.15-0.45 MPa. Temperaturile au variat intre 20-26 K în timpul testului. Timpul total de răcire a fost de ~ 380 secunde, folosind circa 2,3 kg de LH2. Pierderile de căldură estimate în criostat au fost mai puțin de 10 W / m. În curent continuu 2600-amp conduc pierderile care au fost de aproximativ 300 de wați. Hidrogenul lichid nu a fost recirculat, dar a fost pur și simplu aprins și a ars la celălalt capăt al cablului, subliniind scopul dublu al ETL. Figura 2.24 prezintă o fotografie a cablului de testare și bancul de încercare. Valorile tensiunii / Caracteristicile actuale ale cablului au fost măsurate la diferite temperaturi și curenți critici care au fost determinate pe baza criteriului de tensiune de 1 uV / cm frecvent utilizate în industrie. La 20 K al curentului critic al cablului care a fost de mai mult de 2600 A și la 26 K a curentului critic a fost mai mult de 2000 A. Aceasta confirmă că proprietățile supraconductoare de MgB2 pot fi folosite pentru cabluri electrice de mare intensitate. Următorii pași sunt discutati și ar include tensiuni mai mari, linii de transfer mai lungi și criostate flexibile de proiectare diferite[].
Figura 2.24 Standul de testare pentru cabluri superconductoare cu hidrogen pentru transfer de energie in linie (ETL)
Sursa: V.S. Vysotsky, VNIIKP. Folosit cu permisiune.
Tehnologia de Actualizare din anul 2011 a raportat incorect Institutul Stiintific de crecetare si Dezvoltare de Cablu rus (VNIIKP) ca fiind organizatie pentru proiectele sale la substatia Moscoa Dinamo al companiei de utilități Holding, IDGC. De fapt, managementul general al proiectului cablului de 200 de metri a fost realizat de către Institutul deInginerie Electrica Moscova Krzhizhanovski (ENIN). Cablul cu trei faze a fost dezvoltat și produs de VNIIKP. Testarea prin cablu a fost efectuat la instalația de testare special amenajata pentru superconductoare si dispozitive de putere de la Centrul rus de cercetare și dezvoltare FGC UES din Moscova. Institutul de Aviație din Moscova (MAI) este responsabil pentru dezvoltarea și producția sistemului criogenic. Detalii despre designul pe cablu, actualizate in raportul din 2011, sunt regasite în anexe.
Institutul pentru Studii Avansate ale dezvoltării durabile (IAS) în Potsdam, Germania, colaborează cu Organizația Europeană pentru Cercetare Nucleară (CERN), pentru a proiecta și opera un cablu superconductor la stație de testare de la CERN din Geneva, Elveția. Stația de testare va permite caracterizarea electrică a cablurilor supraconductoare cu diborura de magneziu (MgB2) cu sârmă, răcit cu heliu gazos la diferite temperaturi în intervalul de 5 Kelvin (K) la 70 K. Diferite tipuri de cabluri MgB2 vor fi testate pentru a determina designul optim pentru configurații.
CERN este o locație ideală pentru stația de testare, deoarece are infrastructura criogenica și electrica existente disponibiles care sunt in concordanta cu misiunea sa principală în cercetare de particule fundamentală. De asemenea, CERN are nevoie de înaltă densitate de curent compact (DC), cabluri de putere cu magneți superconductori care alcătuiesc acceleratorul Hadron mare (LHC). Pentru această cerere, MgB2 oferă o îmbunătățire substanțială a performanței față de alte opțiuni, la un cost rezonabil. Sprijinul de colaborare de la IASS este în legătură cu misiunea sa de a explora posibilitatea de a folosi MgB2 pentru distanțe lungi, si supraconductoare de transmisie DC de energie din surse regenerabile.
Stația de testare se află în Laboratorul SM-18 de la CERN, unde este susținută cu o sursă de alimentare de 20 kA DC, cu lichid de heliu de 6 kW (LHE), un refrigerator și un Dewar LHEcu capacitate de 25.000 de litri. Există achiziții de date dedicate, de control pentru a potoli sistemele de protecție disponibile.
Stația de testare a fost comandata în iulie 2012 și este în curs de pregătire pentru primul test la momentul declararii in presă.Primul obiectiv va fi testarea unui cablu MgB2 de 20 de metri, care a fost recent construit și este instalat în stație. Cablul este proiectat pentru a funcționa până la 20 kA (dar la joasă tensiune). Primele teste vor fi în intervalul de temperatură de la 5K la 39K (care este temperatura de tranziție pentru MgB2). Performanța de cablu va fi studiată în condiții nominale și tranzitorii. Mai târziu, lungimi mai mari – de pana la 60 metri – și configurații verticale vor fi testate la fel de bine.
CAPITOLUL 3 – Limitatoare de curent defect superconductoare
Nu au existat proiecte noi privind supraconductoarele limitatoare de curent de defect la nici un proiect curent al SUA. Un proiect continuă și unul a fost finalizat. O actualizare este data spre planificare pentru a fi comercializat un limitator de înaltă tensiune de către un dezvoltator american.
Acesta este un cablu de defect superconductor, care, de asemenea, acționează ca un limitator de curent de defect. Proiectul este în curs de desfășurare. A se vedea secțiunea 2, Cabluri, pentru detalii.
3.1 Superlimitatorul hv – fcl de 138 kv c.a
"SuperLimiterTM" este un rezistiv supraconductor de înaltă tensiune hibrid fiind un limitator de curent (FCL), dezvoltat de AMSC și Siemens în cadrul unui program american DOE pentru a oferi stimulente pentru dezvoltarea comercială a tehnologiei supraconductoare. FCL a fost deja instalate de către Southern California Edison (SCE), un partener în proiectul sponsorizat de DOE, la Devers la substațiile lor în apropiere de Riverside, CA. Începând cu 2011, un prototip monofazat a fost construit și testat. Cu toate acestea, în 2011, finanțarea in proportie de 50% din programul DOE pentru a continua cu fabricarea și instalarea la SCE a unui sistem complet de 3-faze a fost pus în așteptare, iar în 2012 programul DOE a fost complet anulat. Ca urmare a altor participanți la proiect (Nexans, LANL[], și TcSUH[], în plus față de cele deja menționate), au decis să întrerupă proiectul. Proiectul a fost raportat în rapoartele anterioare EPRI Technology Watch, [4] și [5]. O descriere sumară a dispozitivului este prezentată mai jos, precum și unele grafici ce nu au fost publicate anterior.
SuperLimiterTM utilizeaza elemente supraconductoare modulare, care pot fi asamblate pentru a completa caietul de sarcini destul de precis in ceea ce priveste limitarea curentului. Designul hibrid depinde de supraconductor pentru a limita defectul inițial și apoi folosește un comutator de operare rapid pentru a se îndepărta din supraconductor din circuit după ce a fost stins. După ce se deschide întrerupătorul, un reactor cu aer cu nucleu convențional, care este în paralel cu elementul supraconductor poartă curentul. Modulul supraconductor permite reducerea rapidă a curentului de defect (<1 ciclu), în timp ce comutatorul și reactorul aer oferă de lungă durată de limitare. Această metodă reduce cantitatea de încălzire în modulul supraconductor, care accelerează procesul de re-răcire după o defecțiune, reducând astfel timpul necesar pentru a reveni la funcționarea normală după o acțiune de limitare. Figura 3.1 prezintă o schemă a dispozitivului și modul în care aceasta funcționează.
Tabelul 3.1 rezumă caietul de sarcini-cheie pentru SuperLimiterTM. Proiectat pentru 138 kV, dispozitivul care ar fi fost testat la SCE a fost fabricat să fie de 115 kV.
Figura 3.1Superlimitatorul HV FCL de 138 kV AMSC/SCE – reprezentare schematica
Sursa: AMSC. Folosit cu permisiune.
Tabelul 3-1
Specificatii pentru superlimitatorul de 138 kV
Prototipul monofazat a fost de aproximativ 8 m lungime și 2 m în diametru, și a fost proiectat pentru a funcționa ca o fază a limitatoruluicu trei faze. Acesta include benzi supraconductoare aranjate în paralel și in serie pentru a se potrivi la tensiune și curent. Design-ul este flexibil, în care curenții de mai multe tensiuni pot fi cazați în sistemul de aranjare a componentelor supraconductoare în criostat și prin ajustarea comutatorului care acționează rapid și elementul inductiv normal. Un refrigerator și un criostat menține componentele supraconductoare la o temperatură de funcționare de 71 – 72 K.
Teste ale prototipului au fost efectuate de către Powertech la laboratorul lor de la Vancouver, Canada. Deși facilitățile în America de Nord pentru teste de echipamente de putere sunt tensionate de cerințele de avarie supraconductoare pentru limitatoarele de curent care funcționează la tensiuni de transmisie, AMSC a raportat că prototipul monofazat a fost finalizat cu succes la testare de înaltă tensiune[]. În general, curentul de defect a fost limitat la 34 la sută din valoarea prospectiva. Timpul de recuperare de 9,3 kA de curent a fost de aproximativ 17.
5 secunde. Cu toate acestea, timpul de recuperare depinde de nivelul de curent defect limitat. Testele de impuls de la 650 kV și trecerea testelor de impuls la 540 kV (în conformitate cu specificațiile IEEE, C57.16) s-au realizat cu succes. Figura 3.2 prezintă o imagine a dispozitivului monofazat pe standul de încercare.
Figura 3.2 – Prototipul Superlimitatorului HV FCL cu o singura faza in testare la Laboratoarele Powertrch
Sursa: AMSC. Folosit cu permisiune.
3.1.1 Sistemul de electricitate Varian
Varian Power Systems este o divizie a Varian Semiconductor Equipment o unitate de afaceri din cadrul Applied Materials, Inc. În 2011, supraconductoarele Varian cu curent de defect, limitatorul a fost raportat a fi finalizat prin testarea KEMA la tensiuni de pana la 125 kV. Varian raportează acum că a finalizat toate testele pentru înaltă tensiune și de testare de impuls pentru SFCL până la un sistem de 230KV. Limitatorul Varian folosește o abordare modulară, care este extrem de scalabil și de încredere, de care beneficiază și Applied Materials avand mulți ani de experiență în dezvoltarea și comercializarea de sisteme de înaltă tensiune cu proces continuu. Se utilizeaza o tehnologie superconductoare într-o platformă modulară și compacta pentru a maximiza fiabilitatea și scalele de la distribuție la tensiuni de transmisie de până la 230KV. Aceste dispozitive nu introduc nici o impedanță semnificativă în timpul operațiunilor normale, dar în stare de avarie sistemul răspunde instantaneu prin adăugarea de suficientă impedanță pe linie pentru a reduce primul vârf și curenții de defect ulterioare cu 20-80 la sută (așa cum este specificat de către clienți). Detalii suplimentare cu privire la Varian SFCL sunt în anexa [5]. Varian Power Systems in prezent este în căutare de parteneri de utilități la un proces limitator de curent de defect.
Limitator de curent de 10 kV de tip rezistiv cu supraconductoare de defect de 10 kV (SCFCL)
Comisia de Știință și Tehnologie din Shanghai (STCSM) a sponsorizat un proiect pentru proiectare, testare, și instalație într-o substație a unui limitator de curent de 10 kV de tip rezistiv cu supraconductoare de defect (SFCL). Lucrarea de modelare și design a fost realizata de către Energy Smart Grid R & D Center din Shanghai Jiao Tong University (SJTU), în Shanghai. Modul de proiectare a fost finalizat în decembrie 2011 și fabricarea unui kV 10, 400 de prototip monofazat finalizat în septembrie 2012. Pentru a pastra echilibrul din 2012, cercetatorii de la SJTU vor testa performanta, inclusiv funcționarea sistemului criogenic și timpul de recuperare pentru prototip. O fotografie a prototipului testat este prezentat în figura 3-3.
Figura 3.3 Prototip monofazat de 10 kV SFCL din Shanghai
Sursa: Z. Hong, Shanghai Jiao Tong University. Folosit cu permisiune.
Benzile YBCO pentru SFCL sunt preparate prin SJTU folosind o depunere laser pulsata (PLD) . Pentru aplicarea FCL ele sunt tăiate în lungimi de 1.1 metri. Lățimea este de 10 mm. IC masurat până în prezent este de aproximativ 150 A.
Principalele caracteristici ale modulului de limitare de curent sunt:
• 12 benzi (200A) sau 24 de benzi (400A) într-un modul
• 800 A, cu benzi mari Ic
• Clema și lipire între terminalele YBCO și cupru
• 15 module / faza de a construi 10 kV FCL
O diagramă de modul în care sunt construite modulele este prezentată în figura 3.4.
Figura 3.4Structura modulelor pentru 10 kV de SFCL rezistiv Shanghai
Sursa: Z. Hong, Shanghai Jiao Tong University. Folosit cu permisiune.
Validarea de proiectare a componentelor prototip până în prezent a inclus evaluarea pierderilor din criostat și capacitățile dielectrice ale azotului lichid, tensiunea rezista in benzi în timpul de răcire, stabilitate mecanică, și de performanță de limitare curent. Recuperarea în condiții de sarcină și fără sarcină a fost estimata a fi de aproximativ 3 – 4 secunde.O unitate trifazata va fi instalata într-o stație de pe Insula Chongming în Shanghai. Tabelul 3-2 conține specificațiile pentru Shanghai SFCL.
Tabelul 3-2
Design Parameters for Shanghai 10 kV Resistive Fault Current Limiter
Parametrii modelului Shanghai de 10 kV de limitator de curent de defect rezistiv.
SFCL cu nucleu de fier de 220 kV
EPRI Technology Watch din 2009 a raportat ca pe 35 kV saturat de fier de bază supraconductoarele limitator de curent de defect (SI-SCFL), dezvoltate de Innopower și instalate la substatia Puji [2] bazându-se pe succesul acestui proiect, Innopower a continuat eforturile de cercetare și dezvoltare cu privire la această tehnologie cu un proiect început în 2008 pentru a dezvolta și testa în retea un proiect de 220 kV SI-SFCL. 220 kV SFCL are același principiu de funcționare și configurație structurală de bază ca și cea de 35 kV, dar există diferențe semnificative între cele două dispozitive. 35 kV SI-SFCL folosit cu izolare electrică de tip riu, care este potrivit pentru echipamente de tensiune medie de acest gen. Cu toate acestea, la transmiterea tensiunii este necesară izolație cu ulei. Alte schimbări inovatoare au inclus utilizarea de FRP pentru tancurile petroliere, trei rezervoare de ulei separate, fiecare conținând o singură fază de bobine ac, și un nou sistem de magnetizare de curent continuu, care a fost introdus pentru a scurta timpul de accelerare de magnetizare. Principiul de funcționare al unui nucleu SFCL saturat este bine descris, și în comparație cu alte rezistive și supraconductoare IFN, în EPRI Technology Watch 2010 [4]. Figura 3.5 de mai jos, de la acest raport, ilustrează principiul de funcționare. Tabelul 3-3 dă specificațiile cheie pentru 220 kV / 300 MVA SI-SFCL.
Figura 3.5 – Operatiunea unui nucleu saturabil SFCL
Tabelul 3-3
Specificatii cheie ale si –SFCL –ului de 220 Kv / 330 MVA
Figura 3.6 este o schemă de 220 kV SISFCL, și arată cele trei părți majore din corpul principal:
• bobina supraconductoare de curent continuu
• nuclee de fier
• bobine de curent alternativ cu tancuri petroliere
Așa cum se arată în schema, șase cadre de fier sunt plasate radial pentru a forma o coloană vertebrală hexagonală. La centru, acestea cuprind șase membre de fier într-o coloană verticală în jurul caruia supraconductoarele cu bobina de curent continuu sunt înfășurate. O singură bobină constă din două înfășurări de curent altnernativ adiacente conectate în serie într-un rezervor de ulei (vezi Figura 3.5 pentru înțelegere suplimentara). Există două găuri în fiecare rezervor de ulei, prin fiecare dintre care un segment de fier de la fiecare dintre cele două cadre care cuprind piciorul la faza care il depășește. Trei rezervoare de ulei sunt utilizate pentru dispozitiv in 3 faze. Bobinele AC sunt componentele de înaltă tensiune, și acestea sunt scufundate în ulei de izolare electrică adecvată Dewar în care bobina supraconductoare stă și cealaltă jumătate a fiecărui nucleu de fier sunt deschise catre aer. Această abordare elimină necesitatea de a pune și miezurile grele de fier într-un mare rezervor de ulei integrat. De asemenea, crește ușurința cu care componente ale dispozitivului pot fi expediate separat și re-asamblate la locul de instalare. Mai mult, eventualele probleme care pot rezulta din interacțiunea dintre ulei de izolare și Dewar în cazul în care sunt evitate iar conductele criogenice conectate în interior.
Figura 3.6 SFCL cu nucleu de fier de 220 kV din Tianjin
Sursa: Y. Xin, Innopower. Folosit cu permisiune.
Modificări ample de la principiul de lucru de bază și design de la dispozitivul de 35 kV necesar pentru testarea considerabila si pentru a evalua siguranța și performanța funcțională a aparatului în rețeaua electrică de tensiune medie. Două categorii de teste din fabrică au fost efectuate în 2011, înainte ca SFCL sa fie transportate la locul de instalare. Primul a măsurat capacitatea SFCL de a îndeplini standardele industriale relevante (impuls de trăsnet, de înaltă tensiune, descărcarea parțială și temperatura în creștere, etc), care au trebuit să fie confirmate. Cea de a doua a examinat dacă dispozitivul a întâlnit performanțe funcționale și parametrii cheie de funcționare (de exemplu, de măsurare impedanta de echilibru, de magnetizare și demagnetizare bobina supraconductoare, etc). După expedierea la locul, care a implicat demontare, transport, și reasamblarea, teste de teren au fost efectuate la performanță pentru a re-confirma. Tabelul 3-4 prezintă rezultatele testelor de teren.
După testare la fabrică, a SI-SFCL de 220 kV a fost livrat la stația Shigezhuang din Tianjin, China. Lucrările de instalare au fost completate in trimestrul 2 din 2012 și testele de teren au fost apoi efectuate. Exploatarea rețelelor vii erau de așteptat să înceapă la sfârșitul anului 2012. Figura 3.7 SFCL Tianjin de 220 kV cu nucleu de fier. Instalat la substatia Shigezhuang în Tiang, China, arata o fotografie de instalarea ce s-a încheiat în Tianjin.
Tabelul 34
Rezultatele de pe teren al SI—SFCL de 220 kV Tianjin
Figura 3.7 – SFCL cu nucleu de fier Tianjin instalat la substatia Shigezhuang in Tiang, China.
Sursa: Y. Xin, Innopower. Folosit cu permisiune.
Coreea: Proiecte SFCL la I'cheon și Jeju Island – Actualizare
EPRI Technology Watch 2009 [2] a testat în primul rând pe un hibrid supraconductor limitator de curent (SFCL) fiind proiectat pentru instalare la substatia I'cheon. Aceasta a fost parte a proiectului Dapas raportat mai devreme în capitolul 2, în secțiunea referitoare la HTS proiecte de cablu în Coreea. După cum a raportat în [2], KEPCO are planuri pe termen mai lung pentru a crește capacitatea de sub-transmisie prin modernizarea 154/22.9 kV, 60 de transformatoare MVA la 100 MVA (vezi Figura 2.14). În timp ce creșterea capacității va ajuta găzduirea cererii tot mai mari de sarcină, aceasta va crește probabil nivelul de eroare actual de pe conductorul de 22,9 kV. Hibridul SFCL este așteptat sa diminueze datoria de eroare pe partea de 22,9 kV a sistemului și să ofere o alternativă cu costuri mai mici pentru modernizarea întreruptoarelor și declansatoarelor de circuit. Un hibrid SFCL de 22,9 kV, si 630-amp a fost instalat în decembrie 2010 și energizat în luna august 2011. Acesta este în prezent în exploatare comercială, protejând un alimentator de 22,9 kV în stație.
SFCL a fuctionat asa cum era de așteptat în timpul unui defect în februarie 2012.
Modul de funcționare a SFCL este de a permite curenților de până la 1,2 kA efectiv să treacă. La curenti mai mari de 1,4 rms kA, SFCL răspunde instantaneu pentru a limita defectul. Impedanța limitatorului este de 400 mW. Un curent mai mare, 3 kA,o alta versiune a acestui limitator este de asemenea în curs de dezvoltare. SFCL-uri de 22,9 kV sunt de așteptat să devină comercializate până în 2014. Cum sunt raportate în secțiunea de cabluri HTS a acestui raport, Coreea de Sud a intrat într-un proiect de "retea reala" de modernizare a sistemului de livrare de putere și de pe insula Jeju. Vezi discuția de mai devreme în capitolul 2. Acest proiect include, de asemenea, o planificare de 154 kV (2-4 kA) SFCL, care este în curs de dezvoltare și vor fi instalate la substatia GumAk de pe insula în 2015 cu un test in retea în 2016 și comercializarea în 2018. Detalii cu privire la înalta tensiune SFCL nu au fost disponibile. Planuri dezvoltarea unui kV SFCL 345 în 2020, cu reteaua de teste care vor incepe în 2022 și comercializarea în 2024.
3.4 Limitator de curent de defect rezistiv
ECCOFLOW este un proiect european care are scopul de a dezvolta si a testa un versatil de tip rezistiv defect supraconductor limitator de curent (SFCL). Testarea la doua situri vor evalua flexibilitatea, fiabilitatea și eficiența. În plus față de proiectarea, construirea și testarea unui sistem, proiectul va investiga, de asemenea, aspectele tehnice și economice ale SFCL atunci când sunt utilizate în diverse aplicații. Participanții la proiect speră că acest proiect va oferi primii pași către realizarea de tensiune medie standardizata SFCL.
Un total de 15 parteneri, inclusiv 5 utilitati colaborează la acest proiect. Participanții principali în proiectarea sistemului sunt: Nexan, Hurth, Germania; Karlsruhe Institute of Technology, Eggenstein-Leopoldshafen, Germania;; École Polytechnique Federale de Lausanne;; Ricerca Sistema Energetio, Milano, Italia, și Institutul Néel- G2Elab-CRETA, Grenoble, Franța. Există cinci companii de utilități din Europa participante: A2a în Genova, Italia; Endesa din Spania; Vorweg gehen; și RWE Group. Finantarea pentru proiect a fost primita de la Programul-cadru al șaptelea Uniunii Europene (FP7/2007 – 2013). Într-un prim-plan pentru proiecte demonstrative, ECCOFLOW SFCL va fi proiectat și testat pentru două tipuri diferite de aplicare, ambele care sunt de obicei sugerate ca cererile potential benefice pentru limitatoare de curent de defect. Într-o aplicație, va servi ca un bar de cuplaj de incarcare într-o substație, iar în celălalt va fi instalat în linie alimentatorul de ieșire a unui transformator HV-MV. Cele două companii de utilități, la ale căror situri vor fi instalate in unități sunt Endesa din Spania și VSE din Slovacia. Figura 3.8 este un grafic care arată locația și diagrama de circuit pentru cele două situri destinate.
Figura 3.8 – Localizare și aplicații pentru doua situri demonstrative ECCOFLOW
Sursa: J. Schramm, Nexans . Folosit cu permisiune.
Cerințele diferite sitului au dus la o specificație mai exigenta decât a fost până acum realizat în proiectele anterioare de către dezvoltator. Cerințele de specificație sunt rezumate în Tabelul 3-5, arătând cerințe diferite ale celor două gazde de utilitate și cum fiecare parametru de proiectare ECCOFLOW întâlnește mai riguros una dintre cele două cerințe. Limitatorul va funcționa la 1 kA și o tensiune nominală de 24 kV și va fi testat în ambele un bar de conductor și o aplicație de alimentare transformator.
Tabelul 3-5
Cerinte si specificatii pentru proiectul ECCOFLOW SFCL
Designul SFCL a fost bazat pe benzi de titei (vezi Glosar), care ar îndeplini specificațiile celor două utilități gazdă. La alegerea benzii care să fie utilizata cercetătorii au investigat comportamentul de limitare în toate scenariile posibile și au realizat o modelare a comportamentului în grila de benzi în toate cazurile. Echipa de cercetare, apoi a efectuat o căutare completă de conductoare acoperite disponibile pentru SFCL-urile rezistive cu caracteristicile cerute, și a găsit puțini candidați. Acestea au fost apoi investigate în detaliu pentru caracterul adecvat în cadrul proiectului ECCOFLOW. Banda aleasa a fost una ce produce superputere. Un aranjament bifilar locae cu cinci conductoare paralele, de aproximativ 16 metri lungime cuprinde curent de defect in componenta de limitare. Aceasta permite un curent de funcționare de 1005 rms A fără a fi nevoie a schimba componente în paralel. Tensiunea maximă pe fiecare componentă este de 800 V rms, cu izolație care conține două straturi de poliamidă între conductori. Doisprezece componente sunt legate în serie și mecanic cuplate pentru a produce un modul ("stack"). Figura 3.9 arată modul în care componentele sunt stivuite în interiorul unui criostat. Trei astfel de module, unul pentru fiecare fază de ac sunt instalate într-o singură incintă de vid, după cum se arată.
Figura 3.9 Vedere sectionata a unui SFCL AC trifazat ECCOFLOW care arata nucleul bifilar al uneia dintre cele faze si refrigerarea si conexiunea in vid a unitatii
Sursa: J. Schramm, Nexans Superconductors.
Trei lichide / vase de azot gazos izolate sunt cuprinse in criostatul SFCL. Conexiunile duble la ambele lichide și gazoase in regiunile fazei din interiorul navei asigura un nivel egal de azot lichid. Vasele sunt plasate într-o matrice triunghiulara în interiorul unui vas de vid rotund. Modulele de limitare sunt suspendate la capac in vasele de azot. Designul pentru cablurile de curent între modulul și cablurile din afara criostatului utilizeaza încapsulat conectori de tensiune medie, care sunt pre-fabricate și testate electric. Figura 3.10 oferă o vedere conceptuala aconducerii actuale.
Figura 3.10 – Vedere sectionata al crioststului ECCOFLOE care arata cele doua faze modulare
Sursa: J. Schramm, Nexans Superconductors. Folosit cu permisiune.
Răcirea modulelor de limitare va fi cu sistem de răcire criogenic Gifford-McMahon si re-condensează azotul evaporat. Capetele reci G-M sunt instalate la partea superioară a rezervorului de vid rotund.
În timpul funcționării, lungi, timpul de limitare de 1 secundă necesară prin utilizarea unui reactor cu nucleu de aer, astfel încât curentul de defect sa poata fi comutata departe de benzile supraconductoare la timp pentru a evita încălzirea excesivă a benzilor în timp ce încă limitarea efectiva a curentului pentru un astfel de proces sa fie relativ o perioada mai lungă timp. Această abordare găzduiește, de asemenea,transformarea curenților de pornire, în anumite aplicații, fără a provoca o călire în supraconductor. Figura 3.11 prezintă o schemă simplificată a SFCL.
Figura 3.11 Diagarama intr-o singura linie a SFCL-ului ECCOFLOW
Sursa: J. Schramm, Nexans Superconductors. Folosit cu permisiune.
Impedanța nominală a SFCL este de aproximativ Pȍ Ȝ +, care este de numai 1/2500 din instalarea nucleului de aer in reactor in timpul unei defecțiuni, casetele supraconductoare în modulele de limitare sunt pentru a potoli și pentru a deveni rezistiv, ridicandu-se la mai mult de 0.
Curentul în acel moment este redirecționat către reactorul de bază de aer pentru restul timpului de limitare. În simulări, asa cum se arată în figura 3.12, întrerupătorul CB1 se deschide la 80 ms după inițierea unui scurt-circuit și curentul navigheaza pe deplin la reactorul pe bază de aer. Întrerupătorul CB1 va fi evaluat pentru curentul limitat, care trece prin SFCL. Un al doilea întrerupător, CB2, este prevăzut pentru a izola SFCL din retea- un eveniment improbabil.
Figura 3.12 Curenti simulati in SFCL-ul ECCOFLOW si reactor cu nucleu de aer paralel
Sursa: J. Schramm, Nexans Superconductors. Folosit cu permisiune.
SFCL –ul este ambalat intr-un container de 20 inch -ISO standard care conține criostat, doi șefi Gifford-McMahon reci, compresoare, răcitorul de apă, precum și sistemul de control. O carcasă detașabilă pe partea de sus a containerului asigură întreținerea ușoară a capetelor reci. O casă standard de comutație din beton oferă spațiu pentru întrerupătoare de circuit, și de tensiune si transformatoare de curent. Paralel reactorul pe bază de aer conectat este în afara. Figura 3.13 oferă vedere un artist de a ansamblului finalizat.
Testarea tip pentru un astfel de dispozitiv nu a fost standardizată. Pentru testarea unui SFCL ECCOFLOW de 24 kV, de scurtă durată si putere-frecvență industrială de tensiune va fi de 50 kV, cu o rezistenta la tensiune de 125 kV. Testele actuale nominale și teste de curent pentru scurt-circuit vor fi efectuate atât la nivel complet (25,6 kA) și vor reduce curentul de scurt-circuit de perspectivă. Testarea de tip este de așteptata să apară la începutul anului 2013, la facilitatea de testare RSE / CESI in Milano, Italia.
Primul test in acest domeniu va avea loc mai târziu, în 2013, la unul dintre cele două utilități. Siturile de instalare sunt în curs de elaborare.
Figura 3.13 – Sistemul complet de SFCL ECCOFLOW
Sursa: J. Schramm, Nexans Superconductors. Folosit cu permisiune.
Un SFCL este proiectat și testat ca parte a proiectului AmpaCity în Essen, Germania. Acest dispozitiv este prezentat în descrierea proiectului AmpaCity în secțiunea de cablu HTS a acestui raport.
3.4.1 SFCL rezistiv pentru A2A RETI ELETTRUCHE
La fel ca multe utilități în zonele urbane, a doua cea mai mare utilitate italiana, A2A Reti Elettriche SpA (A2A), se confruntă cu necesitatea de a depăși în mod eficient problema în creștere asociata cu curenti de inalta tensiune defecte la substații. Pentru a rezolva aceasta problemă în creștere A2A și Ricerca sul Sistema ENERGETICO SpA (RSE) au facut echipa pentru a proiecta, construi, instala și testa pe teren de un SFCL pentru rețeaua de tensiune medie. Rezistivul de tip SFCL este evaluat la 9 kVA și 3.4 MVA. Unic, se folosește bandă BSCCO 1G, mai degrabă decât cele mai comune casete 2G. Un motiv pentru alegerea de benzi 1G fost capacitatea de a realiza defectul relativ lung ori actual de limitare.
Proiectul a început în 2009 cu simulări, proiectare și încercare de activități pentru un dispozitiv cu o fază și a condus la dezvoltarea unui dispozitiv prototip cu trei faze, care este instalat la substația S. Dionigi de la Milano într-unul dintre dispozitivele de alimentare a stației [2]. Punerea în funcțiune a avut loc în decembrie 2011, iar operațiunile comerciale au început în martie 2012. Dispozitivul a functionat perfect de atunci, deși nu există defecte care sa fi avut loc în stație. Fiecare etapă a dispozitivului este compus din trei serii conectate HTS înfășurate într-un aranjament coaxial și triate de către un reactor pe bază de aer de 0,4 Ω. Fiecare lichidare are două straturi de benzi izolate cu Kapton. Cele trei faze sunt cuprinse într-un singur criostat, în azot lichid la temperatura de 65 K. Dimensiunile din criostat sunt de 1,8 metri înălțime si de 0,6 metri diametru. Este închis intr-o buclă de 1 kW (la 77 K) Stirling cu lichefiere ce oferă de răcire (700 W, 65 K). Specificațiile pentru SFCL și testele de calificare sunt prezentate în tabelul 3-6. Figura 3.14 arată o comparație între simularea curenților nelimitati și limitati de erori proiectate pentru dispozitiv.
Tabelul 3-6
Cerinte de retea pentru SFCL-ul A2A / RSE
Sistemul va rămâne în funcțiune timp de aproximativ un an, în care cunoștințele vor fi acumulate pe cerințele de performanță și de întreținere. Următorul pas va fi proiectarea de un 1 kA SFCL pentru a fi instalat în aceasi substație si de a limita contribuția actuală a unui alt alimentator.
Figura 3.14 – Comparatie intre un RSE / A2A de 9 kV de curent scurt circuitat limitat si nelimitat
Sursa: G. Angeli, RSE S.p.A, Milan. Folosit cu permisiune.
Figura 3.15 prezintă o vedere 3D schematică a SFCL cu echipamentele sale periferice.
Figura 3.15 – Viziune 3D asupra unui SFCL RSE /A2A de 9 kV in Milano, Italia
Sursa: G. Angeli, RSE S.p.A, Milan. Folosit cu permisiune.
3.4.2 Modernizarea unui SFCL Boxburg
Limitatorul de curent defect supraconductor Nexans care protejează sursa de alimentare de încărcare de la o centrală electrică cu lignit în Boxburg, Germania, a fost descris în rapoartele anterioare EPRI Technology Watch [5] [4]. Modernizarile la acest SFCL, în care supraconductorul original BSSCO a fost înlocuit cu a doua generație de casete YBCO, s-au efectuat la sfârșitul anului 2011. Superputere (acum Furukawa / superputere) în Schenectady, NY, a produs 12 mm benzi YBCO largi. Nexans a efectuat un test de tip-cu ajutorul testelor dielectrice și teste de prescripție înainte de instalare. Fiabilitatea unitatii a fost testata pe sit în 2012 prin efectuarea de acțiuni de comutare de pe limitator, transformatoare si motoare.
Modernizate SFCL-urile au un rating de curent nominal de 560 A la 12 kV tensiune de conductor, cu un rating intermitent de 2700 A, fără a provoca dispozitivul pentru a se declanșa. Pierderile din limitatorul modernizat sunt reduse cu mai mult de un factor de 10 și dispozitivul răspunde mai rapid la un defect (vezi Tabelul 2-4 în [5] pentru o comparație a unităților originale și modernizate).
3.4.3 FCL inductiv
De mai mulți ani, Bruker a fost în curs de dezvoltare si un limitator inductiv protejat de bază al unui superconductor de curent defect (de asemenea, cunoscut ca un "iSFCL"). Evoluții și detalii de design au fost raportate în rapoartele anterioare EPRI Technology Watch [4], [5] la care se fac trimiteri pentru detalii. În acest raport vom oferi o actualizare privind activitățile în 2012, iar unele grafice nepublicate anterior, care ajuta pentru înțelegea funcționarii unui iSFCL.
Supraconductorul Bruker prin proiectarea limitatoarelor de curent se bazează pe o bandă HTS înfășurat în jurul unui nucleu de fier. Elementul de bază a limitatorului de curent defect este un inel superconductor făcut din mai multe benzi supraconductoare independente care formează spire scurtcircuitate. Inelul este scăldat în azot lichid și amenajarea inelului și orientarea este astfel încât fiecare bandă este bine ventilata. Designul le permite să fie răcite la temperatura azotului foarte rapid. Acest lucru este deosebit de important, după o defecțiune atunci când sistemul trebuie să recupereze înainte de apariția altui defect. Atât numărul de benzi în fiecare dintre cicluri și numărul de apeluri utilizate într-un FCL depind de instalare. Figura 3-16, figura 3-17, și figura 3-18 ofera ilustrarea grafică a modului în care funcționează iSFCL.
Figura 3.16 – Design-ul iSFCL-ului Bruker
Sursa: F. Moriconi, Bruker EST. Folosit cu permisiune.
Figura 3.17 – Principiul de operare al unui iSFCL Bruker
Sursa: F. Moriconi, Bruker EST. Folosit cu permisiune.
Figura 3.18 Comparatie intre performantele unui ISFCL Bruker cu reactorele conventionale
Sursa: F. Moriconi, Bruker EST. Folosit cu permisiune.
În 2012 modelarea și testar a unui dispozitiv prototip a continuat. Un dispozitiv sub-scală cu o singură fază a fost testata în primăvara anului 2012. Teste de scurt-circuit s-au efectuat, de asemenea, confirmând capacitatea de a reduce curentul de defect de vârf cu 80%. O comparație cu un reactor convențional a fost de asemenea realizat (vezi Tabelul 3-7). Pe o scară largă, dispozitivul monofazat este în prezent în construcție si in curs de testare în 2013. Bruker și utilitatea gazdă, Stadtwerke Augsburg (SWA) preconizeaza sa instaleze dispozitivul în 2014, la o substație care furnizează unității de producție de o companie care face combinatesi sisteme de energie termică și electrică (CHP), MTU Onsite Energy.
Tabelul 3-7
Comparatia unui iSFCL Bruker cu un reactor conventional de limitare a puterii de curent de defect
După cum a fost raportat în 2010 la EPRI Technology Watch, aplicat ASL a fost înființată în noiembrie 2004. Obiectivul său principal, în prezent, este comercializarea de supraconductoare limitatoare de curent de defect. ASL si diferitele tipuri de SFCL-uri la rețelele electrice de distribuție a energiei electrice oferă protecție împotriva daunelor care rezultă din actuala creștere inevitabila cauzata din cand în cand de scurtcircuitare. ASL integrează SFCL-urile cu alte componente în funcție de necesități și oferă un pachet pentru clientii lor, care oferă o soluție viabilă și funcțională la problemele asociate cu curenți de defect. În procesul de dezvoltare a acestor soluții, ASL utilizeaza experiența lor în inginerie de rețea, tehnologie componentă, și integrare de sisteme. Aceasta abordare la comercializarea de SFCL-uri a permis ASL sa asigure comenzi pentru furnizarea a primelor patru SFCL-uri ce urmează să fie instalate în rețelele comerciale din Marea Britanie.
Pe parcursul anului 2011, Zenergy Power Inc a trecut prin mai multe crize administrative. Consiliul de Administratie a fost schimbat de două ori, și, în septembrie, o decizie a fost făcută să se încheie programul lor de a dezvolta limitatoarele de curent de defect superconductor. În 2012, superconductorul Applied Supoerconductivity Limited a anunțat achiziționarea de porțiuni de putere Zenergy în iulie 2012. Zenergy Power a fost dezvoltator al tehnologiei limitator inductiv, care a fost recent demonstrat în proiectul 11 kV ASL cu Northern Powergrid la o substație în zona Scunthorpe din Yorkshire. Tehnologia va fi demonstrata în continuare anul viitor, atunci când o unitate de 33kV va fi instalata la o substație în Sheffield. Experții cheie din Zenergy alături de ASL. ASL are acum birouri în Marea Britanie, Australia și SUA. Cu un portofoliu robust de brevete pentru asigurarea tehnologiei limitatoarelor inductive și un număr considerabil în curs de desfășurare de programe de cercetare cu Universitatea din Wollongong.
CAPITOLUL 4 – Proiectare cu tehnologie supraconductoare, date experimentale
A. Proiectare cu tehnolegie supraconductoare, date experimentale în S.U.A
Tabel A-1
Proiecte cu cabluri HTS in Statele Unite:Prezentare Generală
Proiect anulat deoarece a stagnat creșterea sarcinii ca urmare a recesiunii economice actuale
Un prototip de 25 de metri a fost testat cu succes la Laboratorul National OakRidge.
Eroare tolerant cablu.
Tabel A-2
Proiecte cu cabluri in Statele Unite: Detalii Proiectare
TabelA-3
Proiecte cu cabluri HTS in Statele Unite: Criostat și Răcire
Sistemul va fi bazat pe Criogenetatorul SPC-4 de la StirlingCryogenics.
BOCînainte de fuziuneLinde/BOC(compania consolidate si-a asumat numele Linde).
Două tuburi de puls anterior indepărtate și înclocuite cu o unitate mică mai eficientă.
Capacitatea sistemului de răcire este de12kW,prin intermediul a trei unități de 4 kW, în configurație redundantă.
TabelA-6
Proiecte de limitare a curentului de defect în Statele Unite:Criostat și Răcire
B. Proiectare cu tehnolegie supraconductoare, date experimentale în EUROPA
Tabel B-1
Proiecte cu cabluri HTS în Europa:Prezentare generală
TabelB-2
Proiecte cu Cabluri HTS în Europa:Detalii de Proiectare
TabelB-3
Proiecte cu Cabluri HTS în Europa:Criostat și Răcitoare
TabelB-4
Proiecte pentru limitarea curentului de defect în Europa:Prezentare generală
TabelB-5
Proiecte pentru limitarea curentului de defect în Europa:Detalii Proiectare
TabelB-6
Proiecte pentru limitarea curentului de defect în Europa:Criostat și Racire
C. Proiectare cu tehnolegie supraconductoare, date experimentale în CHINA
Tabel C-1
Proiecte cu cabluri HTS în China:Prezentare Genarală
Tabel C-2
Proiecte cu cabluri HTS în China:DesignDetails
TabelC-3
Proiecte cu cabluri HTS în China:Criostat și Răcitoare
Tabel C-4
Proiecte pentru limitarea curentului de defect în China: Prezentare Generală
Tabel C-5
Proiecte pentru limitarea curentului de defect în China:Detalii de Proiectare
Tabel C-6
Proiecte pentru limitarea curentului de defect în China:Criostatși Răcitoare
D. Proiectare cu tehnolegie supraconductoare, date experimentale în JAPONIA
și în COREEA
Tabel D 1
Proiecte cu cabluri HTS in Japonia șiCoreea
TabelD 2
ProiectecuCabluriHTSinJaponiașiCoreea:DetaliiProiectare.
TabelD-3
Proiecte cu Cabluri HTS în Japonia și Coreea: Criostat si Răcire
Tabel D-4
Proiecte de Limitare a Pierderilor de Curent în Japonia si Coreea: Prezentare Generală
TabelD-5
Proiecte de limintare a curentului de defect în Japonia și Coreea
TabelD-6
Proiecte de limintare a curentlui de defect în Japonia și Coreea: Criostat ți Răcire
CAPITOLUL 5 – Concluzii și contribuții personale
În primul capitol este prezentate fenomenul de supaconductibilitate, fenomen caracterizat prin anumite proprieteti electrice, magnetice, precum și alte proprietăți. Dupa cum au fost prezentate anterior un material devine supraconductor la o temperatura foarte mică, caracteristică numită temperatura de tranziție supraconductoare Tc, care variază de la valori foarte mici (milligrade sau micrograde) la valori de peste 100 K.
Transportul de electroni se realizeaza in aceste supraconductoare prin pierderea de catra atomi a valentei electronilor , acest lucru cauzând o rețea de fundal de ioni pozitivi, numiți cationi, pentru a forma și delocaliza conducția și de a muta electronii între acești ioni astfel realizându-se transportul electronilor.
Am observat că doi electroni interactionează reciproc prin intermediul fononului, care poate forma stări obligate și rezultă electronii obligați, numite perechi Cooper, deveniți transportatorii de super curent. În cazul unor metale normale, vibratiile termice poate perturba periodicitatea zăbrelelor. Din cauza acestor interacțiuni dintre fononi și electronii de conducție, acestea din urma se risipesc.
La zero absolut conductivitatea electrică în metale se datorează prezenței impurității, defecte, și deviații ale ionilor pozitivi din fondul latic în condiție de periodicitate perfectă la temperaturi finite dar scăzute știm că rata de împrăștiere 1 /τ este proporțională la T.
Electronii se deplasează prin intermediul unui conductor metalic, de asemenea sunt împrăștiați nu numai de fononi ci și de defectele zăbrelelor, impuritatea atomilor, și alte imperfecțiuni ale zăbrelelor. Aceste impurități produc o contribuție independentă de temperatură, care plasează o limită superioară globală de conductivitate electrică totală a metalului.
Rezistivitățile tipice la temperatura camerei sunt 1.5 – 2µ cm pentru conductoare foarte bune (de exemplu Cu), 10 – 100 pentru conductoare normale, 300 la 10.000 materiale supraconductoare de înaltă temperatură, 104 – 1015 pentru semiconductori, și 1020 – 1028 pentru cele izolatoare.
În cazul conductorilor buni cum ar fi cuprul și argintul acest transport implică procese identice de ciocniri fononice care sunt responsabile pentru transportul de sarcină electrică. Prin urmare aceste metale tind să aibă aceeași timpi de relaxare termică și electrică la temperatura camerei.
Căldura specifică C a unui material este definită ca variație a energiei interne U cauzată de o schimbare a temperaturii. Pentru solide căldura specifică la volum constant și caldura specifică la presiune constantă, este arpape inposibil ca aceste două proprietăți sa fie diferențiate
Atomii unui solid sunt într-o stare de continuă vibrație, numite moduri fononice, are cea mai mare contribuție la căldura specifică. În modelele de solide vibrante atomii alăturati sunt descriși ca fiind legați împreună prin resorturi.
Un metal are o componentă de caldură specifică electronică care este lineară cu temperatura și o componentă de caldură fonica care este cubică de temperatură cele două forme pot fi evidențiate experimental.
Cele prezentate mai sus în capitolele 2, 3 și 4 sus sunt multe dintre activitățile și evenimentele cheie care au avut loc în 2012, în domeniul cablurilor supraconductoare și a limitatoarelor de curent de defect.Centrul de activitate în dezvoltarea supraconductibilității pentru aplicații de livrare de putere,se mută departe de Statele Unite,în țări din întreaga lume.
Sistemul de cabluri HTS Triax generează o legătură de transformare internă între un transformator de 138 kV/13.2 kV și al substației de 13.2 kV; aceste cabluri transportă întreaga încărcătură de putere al substației pentru toți consumatorii. Acest tip de cabluri au un designunic acestea având o secțiune încrucișata în care toate cele 3 faze sunt înfășurate concentric în jurul unei axe comune, rezultând o reducere subsanțială a cerințelor superconductoarelor comparativ cu modelele de cabluri HTS convenționale. Sistemul de cabluri HTS de 138 kV a fost un proiect demonstrativ .
Superconductoarele cu curent continuu oferă o mai mică și mai ușoară greutate ca și opțiune pentru distribuția puterii decât alte alternative care au fost luate în considerare de marina americană cum ar fi curent alternativ de curent convențional de 60 Hz și frecvență înaltă de 300-400 Hz de curent alternativ. Din cauza problemelor de securitate la bord legate de sistemul de răcire cu azot lichid (eliberare accidentală în spații închise) precum și greutatea suplimentară criogenul preferat pe care CAPS îl investighează este heliul gazos.
Un aspect oarecum neobisnuit al cabluluie este design-ul dielectricului usor cald, Campurile magnetice se degradeaza prin capacitatea de suparaincarcare a unui supraconductor, astfel incat este necesar sa se separe polii plus si minus a unui cablu dielectric cald de la o distanta corespunzatoare. Cu toate acestea un cablu dielectric cald este mai usor de fabricat deoarece dielectricul este extrudat peste criostat printr-un cablu foarte conventional metodelor de fabricatiesi utilajelor, si in plus dielectricul nu trebuie sa isi indeplineasca functiile la temeperaturi criogenice.
Structura unui cablu HTS cu un singur nucleu de baza care este un design cu dielectric răcit cu o banda HTS de a doua generatie (2G).
Fiecare faza alternativa a cablului consta dintr-un nucleu coaxial HTS infasurat intr-o singura conducta criostat. Un cablu de cupru catenar este infasurat cu doua straturi de conductor HTS, urmat de un start de izolare electrica, un singur strat HTS de tip scut, un strat de cupru de stabilizare si o manta de protectie. Cablul de cupru catenar si stratul de cupru de stabilizare furnizeaza cai de curent alternativ, in cazul unei defectiuni, care poate duce la o supraincarcare de curent pe benzile HTS.
Criostatul este construit cu un vid izolat, tevi corugate cu superinsulatie multistratificata pentru a putea oferi flexibilitatea necesara precum si o mai buna performanta a izolatiei termice.
Cablul care trebuia să se răcească a fost realizat treptat în primul rând cu ajutorul temperaturii de -100 C și apoi a gazului de azot la -150 C. Acest pas a fost urmat cu azot lichid. Cablu ca sa se răcească are nevoie de trei zile.
Caluri HTS cu limitatoare de curent de este un nou sistem de cabluri HTS ce aduc in plus limitatorul de curent de defect . Aceasta va fi prima combinație de cablu cu limitator de curent de deect din rețeaua europeană. Opțiunea aceasta de cabluri HTS ar reduce numărul de stații din interiorul orasului cu transformatoare mari, umplute cu ulei și numărul de linii de transmisie de înaltă tensiune, economie de spațiu pentru dezvoltarea comerciala.
Sistemul de răcire foloseste sub-răciri, azot lichid sub presiune într-un aranjament cu ciclu deschis, pentru că are costuri de operare mai mici și fiabilitate și disponibilitate ridicată. Cu toate acestea, este recunoscut faptul că lichidul mare din rezervor de azot necesar poate crea probleme vizuale în viitor.
Sistemul hibrid are un criostat de transfer de hidrogen cu 12 m lungime alimentat prin cabluri cu o rata nominala de până la 3-4KA și tensiunea nominală de 20-30 kV (cu toate acestea, testul de cablu a fost efectuat la 3,3 V cc, de testare avand o tensiune la fel de mare, nu a fost parte a proiectului si ca acest test a fost de a valida capacitatea de transfer de energie de LH2). Diametrul interior in criostat este de 40 mm, iar diametrul exterior este de 80 mm, cu super-izolație in vid între pereți. LH2 curge în spațiul exterior dintre mantaua cablului și peretele interior din criostat. Nu este folosit azot lichid pentru pre-răcire în criostat
Cablul de alimentare a fost dezvoltat folosind sârmă superconductoare MgB2 la supraconductorul Columbus, din Genova, Italia. Firul este de 3,65 mm x 0,65 mm dimensiune cu 12 filamente de MgB2 și un stabilizator central de Cu în matrice Ni. Cinci benzi sunt utilizate în proiectarea cablului, răsucit în jurul cuprului facut grămadă pe supraconductor fiind protejate împotriva defectării. Fiecare bandă a avut parte de un test IC de 529 A la 20 K. Buchetul de cupru este plasat în jurul unei spirale din otel inoxidabil central cu un diametru interior de 12 mm, care poartă lichidului de răcire / combustibil LH2.In exterior diametrul cablului este de 28 mm.
Limitatorul de curent de defect rezistiv este un limitator care are scopul de a dezvolta si a testa un versatil tip de limitator suparoconductor de curent de defect Designul SFCL a fost bazat pe benzi de titei ,care ar îndeplini specificațiile celor două utilități gazdă. Benzii care au fost utilizata pentru limitare trebuia sa aiba un comportament bun în grila de benzi în toate cazurile. Modernizate SFCL-urile au un rating de curent nominal de 560 A la 12 kV tensiune pe conductor, cu un rating intermitent de 2700 A. Pierderile din limitatorul modernizat sunt reduse cu mai mult de un factor de 10 și dispozitivul răspunde mai rapid la un.
Figura 1 experiment
Figura 2 experiment
Figura 3 experiment
Figura 4 experiment
Figura 5 experiment
Figura 6 experiment
Figura 7 experiment
BIBLIOGRAFIE
D. E. Farrell, J. P. Rice, D. M. Ginsberg, and J. Z. Liu, Phys. Rev. Lett. 64, 1573 (1990c).
D. E. Farrell, J. P. Rice, and D. M. Ginsberg, Phys. Rev. Letts. 67, 1165 (1991).
A. L. Fauchere and G. Blatter, Phys. Rev. B 56, 14102 (1997).
R. Fazio and G. Schon, Phys. Rev. B 43, 5307 (1991).
J. F. Federici, B. I. Greene, H. Hartford, and E. S. Hellman, Phys. Rev. B 42, 923 (1990).
R. Feenstra, D. K. Christen, C. Klabunde, and J. D. Budai, Phys. Rev. B 45, 7555 (1992).
J. D. Fletcher, A. Carrington, O. J. Taylor, S. M. Kazakov, and J. Karpinski, Phys. Rev. Lett. 95 97005 (2005)
J. D. Fletcher, A. Carrington, P. Piener, P. Rodiuere, J. P. Brison, R. Prozorov, T. Olheiser, and R. W. Giannetta, Cond. Matt. (2006)
R. B. Flippen, Phys. Rev. B 44, 7708 (1991). M. Florjanczyk and M. Jaworski, Phys. Rev. B 40, 2128 (1989).
R. Fliikiger and W. Klose, “Landolt-Bornstein, Group III Solid State Physics,” Vol. 21, Superconductors. Springer-Verlag, Berlin/New York, 1993.
L. Fruchter and I. A. Campbell, Phys. Rev. B 40, 5158 (1989).
H. Fujishita, M. Sera, and M. Sato, Physica C 175, 165 (1991).
R. Y. Gelfand and B. I. Halperin, Phys. Rev. B 45, 5517 (1992).
A. Gold and A. Ghazali, Phys. Rev. B 43, 12952 (1991).
B. I. Halperin, Phys. Rev. Lett. 52, 1583, 2390 (1984).
M. Heinecke, and K. Winzer Phys. B 98, 147 (1995).
D. E. Farrell, C. J. Alien, R. C. Haddon, and S. V. Chichester, Phys. Rev. B 42, 8694 (1990b).
L. Alff, S. Meyer, S. Kleefisch, U. Schoop, A. Marx, H. Sato, M. Naito, and R. Gross, Phys. Rev. Lett. 83 2644 (1999);
P. B. Alien, in “High-Temperature Superconductivity” (J. W. Lynn, Ed.), Chap. 9, Springer-Verlag, Berlin, (1990);
O. A. Anikeenok, M. V. Eremin, Sh. Zhdanov. V. V. Naletov, M. P. Rodionova, and M. A. Teplov, JETP Lett. 54, 149 (1991);
S. M. Anlage, M. Pambianchi, A. T. Findikoglu, C. Doughty, D.-H. Wu, J. Mao, S.-N. Mao, X. X. Xi, T. Venkstesan, J. L. Peng, and R. L. Greene, Proc. SPIE Conf. on Oxide Superconductivity, Vol 2158 (D. Pavuna, Ed.), 1994;
J. F. Annett, N. Goldenfeld, and S. R. Renn. “Temperature Superconductors” (D. M. Ginsberg, Ed.), Vol. 2, Chap.9, World Scientific, Singapore, 1990;
G. Arfken, “Mathematical Methods for Physicists 3rd ed., Wiley, New York, 1985;
A. Barone and G. Paterno, “Physics and Applications of the Josephson Effect,” Wiley, New York, 1982;
J. G. Bednorz and K. A. Muller (Eds.), “Earlier and Recent Aspects of Superconductivity,” Springer-Verlag, Berlin, 1990;
D. Belitz, in “High Temperature Superconductivity” (J. W. Lynn, Ed.), Chap. 2, Springer- Verlag, Berlin, 1990;
S. J. L. Billinge, G. H. Kwei, and J. D. Thompson, in “Strongly Correlated Electronic Materials” (K. S. Bedell, Ed.) Addison-Wesley, New York, 1994;
I. Bonalde, B. D. Yanoff, D. J. Van Harlingen, M. B. Salamon, and Y. Maeno, Superconductivity and its Applications (Amsterdam) 341, 1695 (2000);
W. Buckel, “Superconductivity, Fundamentals and Applications,” VCH, Weinheim, Germany, (1991);
E. H. Brandt, Physica B 165–166, 1129 (1990); Int. Conf. Low Temperature Phys., Brighton, U. K., August 1990;
G. Burns and A. M. Glazer, “Space Groups for Solid State Scientists,” Academic Press, San Diego, 1990;
M. B. Brodsky, R. C. Dynes, K. Kitazawa, and H. L. Tuller (Eds.), “High Temperature Superconductors,” Vol. 99, Materials Research Society, Pittsburgh, (1988);
G. Burns, “High Temperature Superconductivity: An Introduction,” Academic Press, Boston, 1992;
H. B. Callen, “Thermodynamics and Introduction to Thermostatics,” Wiley, New York, 1964;
P. C. Canfield, Chap. 5, Section G in Handbook of Superconductivity, C. P. Poole, Jr., Editor, Academic Press, Boston, (2000);
Q. Y. Chen, in “Magnetic Susceptibility of Superconductors and other Spin Systems” (R. A.Hein, T. L. Francavilla, and D. H. Liebenberg, Eds.), Plenum, New York, (1992);
E. E. M. Chia, I. Bonalde, B. D. Yanoff, D. J. Van Harlingen, M. B. Salamon, S. I. Lee, and H. J. Kirn, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 226; 230 (2001);
C. W. Chu, “Unusual High Temperature Superconductors,” Proc. Symp. Quantum Theory of Real Materials, Berkeley, California, Aug. (1994);
Charles P. Poolejr, Horacio A. Farach, Richard J. Creswick, Ruslan Pozorov -Superconductivity, Academic Press is an imprint of Elsevier 84 Theobald’s Road, London WC1X 8RR, UK, Second edition 2007, ISBN: 978-0-12-088761-3 second edition;
http://www.acuz.net/html/Supraconductibilitate.html
http://cfn.physik.uni-saarland.de/supraleiter.php
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: Studiu Privind Materialele Supraconductoare. Aplicatie Echipamente de Putere (ID: 124246)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.