ИССЛЕДОВАНИЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СВЕРХПРОВОДЯЩИХ (ВТСП) МАТЕРИАЛОВ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВАХ

Разработана конструкция сильноточных высоковольтных ВТСП токовводов переменного тока, исследованы теплофизические процессы в них, алгоритмы расчёта основных параметров. Показана их связь со степенью чистоты используемых нормальных металлов, а также то, что для найденных оптимальных конфигураций теплоприток по токовводам слабо зависит от нее, что может улучшить технико-экономических показатели при дальнейшей разработке конструкций токовводов. Исследованы характеристики трехфазных кабелей с экранированными фазами. Показано снижение их преимуществ перед триаксиальными кабелями по габаритам, расходу сверхпроводника и величине потерь при толщинах изоляции менее 6 мм. Однако, при больших толщинах изоляции для высокого класса напряжений преимущества триаксиальных кабелей по расходу сверхпроводника нивелируются и более целесообразно использовать кабели с экранированными фазами, хотя точный выбор конструкции зависит от конкретных параметров проектируемой линии и характеристик изоляции. По мере их совершенствования использование триаксиальных и плоских кабелей становится предпочтительнее. Секционирование кабелей с экранированными фазами - разделение каждой фазы на секции с экраном, уменьшает потери приблизительно в n - n2 раз, где n - число секций в фазе, но и ведет к перерасходу сверхпроводника и увеличению объема. Поэтому, эффективнее просто увеличить диаметр фазы, что даёт большую степень снижения потерь при меньших расходе сверхпроводника и изменении объема кабеля. Однако в этом случае уменьшается длина секции с увеличением числа соединительных муфт и суммарных потерь в них, поэтому выбор между этими вариантами не однозначен и также зависит от параметров проектируемой линии. Показано, что условия устойчивости большинства ВТСП-линий к перегреву в режиме КЗ противоположны таковым для коротких образцов - минимизация количества меди в составе кабеля (как и иных материалов с высоким отношением теплоемкости к удельному электрическому сопротивлению) не уменьшает, а увеличивает устойчивость кабеля к перегреву в случае КЗ. Оптимальными являются материалы с максимальными значениями произведения этих величин, и замена меди на них может значительно улучшить и другие важные характеристики режима КЗ - ударный ток, амплитуду тока в момент срабатывания отключающих устройств, потери азота. Минимизация количества меди уменьшает и величину электромагнитных потерь в кабеле в номинальном режиме. Разумеется, вопрос о допустимых пределах уменьшения количества меди зависит и от условий устойчивости кабеля в номинальном режиме к локальным нарушениям его сверхпроводящих свойств. Получены и исследованы образцы ВТСП лент 2-го поколения с конструктивной плотностью тока, приемлемой для работы в электротехнических ВТСП устройствах, и толщинами хастеллоевых подложек 60 мкм и 40 мкм. Подбором режимов нанесения Ag и Cu покрытий удалось получить надежные результаты при суммарной толщине в 5,7 -12,3 раза меньше, чем у ВТСП-лент стандартной конфигурации, что не только увеличивает конструктивную плотность тока, но и существенно снижает потери на вихревые токи. Замена силовых паяных контактов на прижимные снизила негативное термическое воздействие на образцы лент, ни один из образцов не сгорел, a при длительной выдержке - от недели до нескольких месяцев критический ток не снизился. Отобрано 6 образцов для будущих экспериментов в условиях, более близких к таковым в реальных электротехнических устройствах. Изучено влияние облучения ионами Xe различной энергии (0,13 - 0,76 МэВ/нуклон) на микроструктуру ВТСП материалов, исследовано воздействие внешних магнитных полей на критическую плотность тока в ВТСП лентах 2-го поколения до 8 Тл при температурах от 77 до 4,2К. Показано, что для каждой энергии ионов тока наблюдается увеличение критической плотности, а ее наибольшая величина наблюдается в образцах с самой низкой энергией облучения, что соответствует наибольшему числу центров пиннинга вдоль разрывных треков. Эти многочисленные центры пиннинга увеличивают критическую плотность тока в низких и средних магнитных полях, например, при энергии ионов Xe 46 МэВ, при 4,2 и 77К. Для провода без покрытия YBCO энергию ионов можно уменьшить до 17,4 МэВ. Расчетными и экспериментальными методами исследована стабилизация реальных токоограничивающих ВТСП-элементов нержавеющей сталью; показано, что разработанная модель позволяет описывать их поведение с точностью около 2% при времени импульса тока 200 - 400 мс, а увеличение стабилизации этих элементов нержавеющей сталью не уменьшает нагрев при воздействии такого же напряжения; температуру элемента в режиме токоограничения можно значительно снизить при достаточно большой площади эффективного теплоотвода без перехода к пленочному режиму кипения.