Том 2 выпуск 2 Апрель 2005

DABiTS vs RABiTS

Как следует из представленных в статье результатов, на ранних стадиях деформации, т.е. на больших толщинах кубическая текстура в DABiTS образуется легче (41% против 21% при толщинах 0,5мм). Однако на меньших толщинах (50-100 мкм), т.е. тех, которые нужны для производства сверхпроводящих лент второго поколения, степень текстуры в обоих способах получения близки к 100%.

По сути дела авторами работы (готовыми к производству и продаже текстурированных никелевых лент) руководит желание обойти окриджский патент, защищающий технологию RABiTS.

Ю.Метлин

1. 
   Physica C, 2004, 408-410, 906
   

ДИАГНОСТИКА ВТСП ЛЕНТ

Для изучения продольного и поперечного распределения критического тока в ВТСП лентах уже применяли магнитооптические и холловские методики, причем последние удалось масштабировать для непрерывного тестирования ВТСП лент длиной в несколько десятков метров. Авторы недавней работы [1] из Inst. Electromagnetics при Tampere Univ. Technol. и MSc Electronics Ltd. (Финляндия) описали новую экспериментальную установку, предназначенную для изучения однородности сверхпроводящих свойств ВТСП лент не только на постоянном (как это было ранее), но и на переменном токе. Основа стенда - холловский магнитометр с автоматизированной системой пространственного перемещения и прецизионного позиционирования датчика Холла. Используемый коммерческий датчик Холла на основе GaAs с размерами 20 х·20 мкм² и чувствительностью по полю 0,1 B/Тл позиционируется с точностью 5 мкм при максимальной площади сканирования 50·х 4 мм². Основная цель разработки - исследования именно на переменном токе, поэтому большое внимание авторы уделяли фазовой синхронизации напряжения на датчике и переменного транспортного тока, амплитуда которого могла изменяться в диапазоне от 20 до 300 А при частоте 20-400 Гц. Синхронизация требуется для измерения величин магнитного поля в различных фазах переменного тока.

В развитие работы авторы предполагают исследовать целый ряд эффектов, понимание которых необходимо для дальнейшего улучшения токонесущей способности ВТСП лент. Например, на постоянном токе можно изучать неоднородность протекания транспортного тока, определять такую важнейшую величину, как ток насыщения. Измерения же на переменном токе могут дать богатый материал по скин-эффекту, крипу магнитного потока, а также явлениям связанным с перераспределением токовых путей при различной частоте транспортного тока.

Работоспособность стенда была проверена на 55 жильной Bi2223 ленте с критическим током 145 А при Т=77 К (производство American Superconductor).

И.Руднев

1. 
   Measurement. Sci. Technol. 2005,16, 1092
   

В Korea Electrotechnology Research Institute (Changwon) cпроектирована, изготовлена и испытана магнитная система СПИН’а на 3 МДж из низкотемпературного сверхпроводника [1]. СПИН предназначен для улучшения качества электроэнергии в электрических сетях и состоит из собственно магнитной системы, системы криогенного обеспечения и преобразователя для связи с сетью. Параметры сверхпроводящего провода, из которого намотан магнит, приведены в таблице:

В совместной работе Tsinghua Univ. и Inst. Electrical Engineering (Chinese Academy of Science) [2] разработана и изготовлена комбинированная система, которая может работать и как СПИН, и как токоограничивающий реактор, а также проведено моделирование физических процессов в ней. Основная идея состоит в том, что и для того, и для другого режима основным элементом схемы может служить сверхпроводящая магнитная система без ферромагнитного сердечника (в других схемах токоограничивающих реакторов ВТСП кольцо или обмотка из сверхпроводника надеты на ферромагнитный сердечник). Магнитная система изготовлена из "обычного" сверхпроводящего кабеля на основе Nb-Ti, основные параметры СПИН - 150 кВА/0,3 МДж. Переход из одного режима работы (СПИН) в другой (токоограничитель) осуществляют при помощи коммутационной аппаратуры и преобразователя, который, когда система функционирует как СПИН, работает в режиме инвертора, а режиме реактора как выпрямитель. В схеме преобразователя, более сложной по сравнению с со схемами для обычных СПИН, используют транзисторы IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor – биполярный транзистор с изолированным затвором) и запираемые тиристоры GTO (gate-turn-off ). СПИН способен существенно ослабить или свести к минимуму такие нежелательные явления, как снижение или заброс (кратковременное увеличение амплитуды) напряжения, кратковременные перерывы в подаче напряжения, фликкер-эффект (медленные флуктуации тока и напряжения) и неравномерная нагрузка фаз в трехфазной системе. Так, при снижении напряжения в сети СПИН работает в режиме разряда, препятствуя этому, а если происходит заброс напряжения, то преобразователь заставляет СПИН работать в режиме заряда, и увеличение напряжения становится существенно меньшим или даже не происходит совсем.

Соответствующая коммутационная аппаратура может перевести схему в режим токоограничивающего реактора. При возникновении короткого замыкания в защищаемой цепи, силовая электронная схема автоматически включит сверхпроводящую обмотку в защищаемую цепь, что приведет к увеличению индуктивности и снижению аварийного тока. Необходимо отметить, что схема в качестве либо реактора, либо СПИН работает не с одной и той же цепью, а с двумя, питаемыми от разделенной (секционированной) обмотки силового трансформатора. И два ключа коммутационной аппаратуры позволяют использовать сверхпроводящую магнитную систему либо в качестве СПИН для одной из этих цепей, либо в качестве реактора для другой. Это связано с тем что требования к режиму СПИН и реактора различны. Так, в режиме СПИН энергия, запасенная в обмотке (то есть, ток в ней) должна иметь определенную величину, а если она будет ниже, то СПИН будет работать неэффективно. И наоборот, если при работе в режиме реактора энергия будет слишком велика, то система может не выдержать слишком большого аварийного тока.

Поэтому после срабатывания схемы в каком-либо из двух режимов, ток в сверхпроводящей обмотке должен быть доведен до величины, соответствующей нормальному ("доаварийному") режиму. То есть, если произойдет восстановление напряжения при помощи СПИН, то он должен быть повторно заряжен, а если произойдет ограничение аварийного тока в режиме реактора, то обмотка должна быть разряжена, что составляет несколько труднее.

Результаты компьютерного моделирования показали, что схема с данной сверхпроводящей обмоткой способна эффективно работать в том или ином качестве. Однако, наибольшую трудность составляет ситуация, когда в обеих цепях одновременно будут иметь место аварийные ситуации – например, в первой произойдет снижение напряжения, а во второй - короткое замыкание. Решение этой проблемы будет предметом дальнейших исследований.

Авторы особо подчеркивают, что магнитная система обязательно должна быть снабжена схемой защиты от перехода в нормальное состояние. Это особенно важно именно для такой схемы, так как в ней могут возникать значительные аварийные токи в отличие от обычного СПИН.

Дальнейшие исследования будут направлены на поиск оптимальной величины запасенной энергии магнитной системы и разработку оптимальных способов управления схемой при одновременной аварии в защищаемых цепях. Подчеркивается, что такая система перспективна, так как при использовании одной и той же магнитной системы для двух различных функций расходы на создание СПИН и реактора могут быть существенно снижены.

Сотрудники Tokyo University of Science и University of Tokyo (Япония) исследовали возможность эффективного использования СПИНа для выравнивания нагрузки в железнодорожных высокоскоростных транспортных системах. Таких систем в настоящее время существует довольно много, например, Shinkansen в Японии, TGV во Франции, ICE в Германии. Потребляемая этими системами мощность испытывает большие пульсации, а ее максимальная величина достигает 10 МВт на один поезд. Это нарушает работу сети и снижает качество электроэнергии. Железнодорожные компании вынуждены платить штрафы за пиковое потребление электроэнергии и снижение ее качества, что становится препятствием на пути распространения высокоскоростных транспортных систем.

Для решения этой проблемы предлагается использовать различные системы накопления электрической энергии. Среди них СПИН отличается высокой скоростью передачи мощности и способностью к подавлению колебаний нагрузки. Однако, объемная плотность энергии в СПИНе невелика, и поэтому использование только одного СПИНа привело бы к тому, что на соответствующей подстанции он занял бы слишком много места.

Авторы предлагают комбинированную схему, состоящую из СПИНа и буферной аккумуляторной батареи, причем СПИН компенсирует высокочастотные колебания нагрузки, а батарея – низкочастотные. Проведенное математическое моделирование показало эффективность работы предложенной схемы, причем особо подчеркивается, что при такой схеме можно снизить размеры СПИНа и, соответственно, расходы на криогенное обеспечение. В предлагаемой схеме магнитная система СПИНа будет изготовлена из НТСП проводника.

Н.Балашов

1. 
   IEEE Trans. Appl. Supercond., 2004, 14, 2, p. 693
   
2. 
   IEEE Trans. Appl. Supercond., 2004, 14, 2, р. 778
   
3. 
   IEEE Trans. Appl. Supercond., 2004, 14, 2, р. 713
   

ФИНАНСИРОВАНИЕ И РЫНОК

Большие преимущества компенсируют
небольшие недостатки ВТСП кабелей

С 2000 года в США установлено 8000 км высоковольтных (> 69 кВ) подземных кабелей, в основном в черте городов. Поставщики электроэнергии могут увеличить пропускную способность этих подземных сетей в 5-7 раз, заменив сегодняшние медные кабели на сверхпроводящие [1].

Р
ис. Потери в кабельных системах при передаче электроэнергии

В настоящее время промышленность США уже имеет коммерческие ВТСП изделия - трансформаторы, электрические моторы, токоограничители и силовые кабели. С ростом производства изготовители ВТСП кабелей будут способны установить их во всех электросетях США.

ВТСП кабели имеют целый ряд преимуществ в сравнении с традиционными, включая более низкие потери, меньший вес, более компактные размеры. ВТСП кабели не воздействуют на окружающую среду – они не излучают электромагнитные поля, в них не используют для охлаждения при подземной прокладке технические масла, как в случае традиционных кабелей. Исключение приведенной выше суммы потерь (4 млрд. долл. ежегодно) может компенсировать относительно высокую на данное время стоимость ВТСП кабеля. На рис. показаны потери в ВТСП и традиционных кабельных сетях при
50 МВА и 132 кВ.

Примеры использования ВТСП кабелей.

• 
  Локальные городские сети, в которых на том же пространстве необходимо обеспечивать большие передаваемые мощности.
  
• 
  Электрические подстанции, в которых ВТСП кабели могут поставлять больший ток при более низком напряжении. Это позволит исключить необходимость строительства дополнительных подстанций ближе к нагрузке.
  
• 
  Синхронные генераторы, использующие сверхпроводящий провод вместо железных магнитов, имеют меньший размер и вес. Синхронные конденсоры используют ВТСП для динамической генерации или поглощения реактивной мощности в зависимости от уровня напряжения в линии электропередачи.
  
• 
  Эффективные сверхпроводящие генераторы
  
• 
  Сверхпроводящие магнитные накопители электроэнергии (СПИНы) обеспечивают запасенную энергию до 3 МВт. Одна из первых разработок СПИНа была сделана в 2000 году для 115 кВ линии электропередач на севере шт. Висконсин (Wisconsin Public Service).
  

Одна из проблем – узкий рабочий диапазон температур 70-80 К, обеспечение которого дорого и трудоемко. Необходим также прецизионный контроль микроструктуры ВТСП, любые несовершенства приводят к снижению рабочих токов. Малейшее повреждение кабеля могут привести к потерям энергии. Тепловые и химические воздействия, а также воздействие влаги может привести к нарушению изоляции. К нарушениям может привести и воздействие внешних магнитных полей.

Эти факты настораживают возможных потребителей сверхпроводящих кабелей, но очевидные экономические выгоды их использования и быстро растущие успехи в разработках внушают оптимизм относительно жизнеспособности новой технологии - единственной альтернативе сегодняшней угрожающей ситуации. По оценкам, рост рынка сверхпроводящей продукции составит почти до 5 млрд. долл. к 2010 году и до 38 млрд. долл. к 2020 году. С учетом этих прогнозов игрокам на рынке электроэнергетики опасно игнорировать появляющуюся новую технологию, чтобы не оказаться вне столь емкого рынка.

1. 
   http://www.boulder.nist.gov/div818/81803/publications/ekin/GDX(2004).pdf
   

2. IEEE Power & Energy Mag.. 2005, 3, no 2, p. 17

В 2005 году Роснаука проводила конкурсы в рамках ФЦНТП "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники" на 2002-2006 годы. По приоритетному направлению "Индустрия наносистем и материалы" (I очередь) ЛОТ 7 «Разработка перспективных технологий получения высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) - материалов второго поколения» победителем конкурса объявлен РНЦ «Курчатовский институт». Редакция бюллетеня искренне рада этой победе, выражает сожаления по поводу скромного финансирования столь объемной задачи (всего 2005-2006 годы - 10,0 млн. руб.), но, зная опыт и запас энергии исполнителей, не сомневается в успехе мероприятия.

Желаем победителям только безусловных удач на сем многотрудном пути!