Температурное состояние слоя электроизоляции сверхпроводящего кабеля постоянного тока при двустороннем охлаждении

Для надежного функционирования высоковольтного кабеля постоянного тока с высокотемпературными сверхпроводящими токонесущими проводниками при достаточно высокой разности электрических потенциалов необходимо поддержание фиксированного температурного состояния не только проводников, но и остальных элементов кабеля, в том числе и слоя электроизоляции. В этом слое, несмотря на высокое удельное электросопротивление его материала, в качестве которого могут быть использованы полимерные диэлектрики, происходит выделение джоулевой теплоты. В работе построена математическая модель, описывающая температурное состояние слоя электроизоляции, выполненного в виде длинного полого кругового цилиндра, на поверхностях которого задана постоянная разность потенциалов электрического поля. Рассмотрен вариант конструкции кабеля с центральным и внешним кольцевым каналами для охлаждающего жидкого азота. С использованием математической модели получены интегральные соотношения, связывающие параметры температурного состояния этого слоя, условия теплообмена на его поверхностях и зависящие от температуры коэффициент теплопроводности и удельное электросопротивление электроизоляционного материала с заданной разностью электрических потенциалов. Проведен количественный анализ интегральных соотношений применительно к слою электроизоляции сверхпроводящего кабеля. Результаты анализа позволяют оценить возможности использования в проектируемых охлаждаемых высоковольтных кабелях постоянного тока конкретных электроизоляционных материалов, в том числе в сверхпроводящих кабелях, охлаждаемых жидким азотом

Работа выполнена в рамках государственного задания Минобрнауки России (проект № 0705-2020-0047)

Литература

[1] Фастовский В.Г., Петровский Ю.В., Ровинский А.Е. Криогенная техника. М., Энергия, 1974.

[2] Высоцкий В.С., Сытников В.E., Илюшин К.В. и др. Сверхпроводимость в электромеханике и электроэнергетике. Электричество, 2005, № 7, c. 31--40.

[3] Высоцкий В.С., Носов А.А., Рычагов А.В. и др. Создание силового сверхпроводящего кабеля на базе ВТСП-технологий. Кабели и провода, 2010, № 2, c. 3--10.

[4] Nosov A.А., Fetisov S.S., Zubko V.V., et al. Overload and high voltage tests of witness samples of 200 m HTS power cable. Phys. Procedia, 2012, vol. 36, pp. 1127--1130. DOI: https://doi.org/10.1016/j.phpro.2012.06.188

[5] Fetisov S.S., Zubko V.V., Zanegin S.Yu., et al. Study of first Russian triaxial HTS cables prototypes. IEEE Trans. Appl. Supercond., 2017, vol. 27, iss. 4, art. 5400305. DOI: https://doi.org/10.1109/TASC.2017.2652854

[6] Волков Э.П., Костюк В.В., Карпышев А.В. и др. Комплексная транспортировка больших потоков энергии по сверхпроводящей транспортной магистрали. Изв. РАН. Энергетика, 2011, № 1, c. 3--6.

[7] Kostyuk V.V., Antyukhov I.V., Blagov E.V., et al. Experimental hybrid power transmission line with liquid hydrogen and MgB₂-based superconducting cable. Tech. Phys. Lett., 2012, vol. 38, no. 3, pp. 279--282. DOI: https://doi.org/10.1134/S106378501203025X

[8] Высоцкий В.С., Занегин С.Ю., Зубко В.В. и др. Первые модели токонесущих жил сверхпроводящих кабелей, изготовленные из российских ВТСП-лент второго поколения и результаты их испытаний. Кабели и провода, 2013, № 6, c. 26--29.

[9] Зарубин В.С. Инженерные методы решения задач теплопроводности. М., Энергоатомиздат, 1983.

[10] Фок В.А. К тепловой теории электрического пробоя. Труды Ленинградской физико-технической лаборатории, 1928, № 5, с. 52--64.

[11] Вальтер А.Ф., ред. Физика диэлектриков. Л., М., ГТТИ, 1932.

[12] Новиченок Л.Н., Шульман З.П. Теплофизические свойства полимеров. Минск, Наука и техника, 1971.

[13] Schramm R.E., Clark A.F., Reed R.P. A compilation and evaluation of mechanical, thermal and electrical properties of selected polymers. Boulder, National Bureau of Standards, 1973.

[14] Сажин Б.И., ред. Электрические свойства полимеров. Л., Химия, 1986.

[15] Жубанов Б.А., Кравцова В.Д., Мухамедова Р.Ф. Новые полимерные системы на основе алициклических полиимидов. Журнал прикладной химии, 2006, т. 79, № 11, с. 1890--1895.

[16] Rule D.L., Smith D.R., Sparks L.L. Thermal conductivity of a polyimide film between 4.2 and 300 K, with alumina particles as filler. Boulder, NIST, 1990.

[17] Тареев Б.М. Физика диэлектрических материалов. М., Энергоатомиздат, 1982.

[18] Mark J.E., eds. Physical properties of polymers. New York, NY, Springer, 2007. DOI: https://doi.org/10.1007/978-0-387-69002-5

[19] Аттетков А.В., Зарубин В.С., Канатников А.Н. Введение в методы оптимизации. М., Финансы и статистика, Инфра-М, 2008.

[20] Аттетков А.В., Зарубин В.С., Канатников А.Н. Методы оптимизации. М., РИОР, 2012.