3.2. Электроизоляционные материалы

В качестве изоляции для крио- и сверхпроводящих кабелей может применяться либо жидкий хладагент, либо слоистая изоляция, пропитанная жидким хладагентом. Установлено, что жидкие хладагенты (азот, гелий) являются хорошими диэлектриками и могут быть использованы в сочетании с диэлектрическими распорками для изоляции, если кабель имеет жесткую конструкцию. Однако электрическая прочность жидких газов сильно зависит от давления и температуры. Кроме того, диэлектрические распорки также значительно снижают его электрическую прочность. Преимуществом жидких хладагентов при использовании их в качестве изоляции являются малые значения е_г и tg б (например, для жидкого гелия е_г=1,05, tg δ=10^-6).

Для гибких кабелей целесообразно в качестве изоляции использовать слоистую изоляцию, пропитанную жидким хладагентом. Наиболее дешевая изоляция, которая применяется для изоляции криогенных кабелей, – это кабельная бумага, пропитанная жидким азотом. Кроме бумаг, для изоляции крио- и сверхпроводящих кабелей предполагается использовать также пленки.

3.3. Конструкции криопроводящих и сверхпроводящих кабелей

Криопроводящие кабели. В криопроводящих кабелях увеличение передаваемой мощности достигается за счет охлаждения токопроводящих жил до 77 К, т. е. до температуры кипения жидкого азота. Токопроводящая жила таких кабелей изготавливается из сверхчистых меди и алюминия и имеет центральный канал для прокачки хладагента – жидкого азота. Жила может быть как жесткой (в виде трубы), так и гибкой, – скрученной из отдельных проволок. Безусловно, гибкая конструкция предпочтительнее, так как в этом случае увеличивается строительная длина кабеля, а, следовательно, уменьшается количество мест соединения на трассе. Использование для жилы криопроводящего кабеля алюминия по сравнению с медью более перспективно, так как алюминиевая жила будет примерно в два раза дешевле медной.

В качестве электрической изоляции для жидкоазотных кабелей наиболее дешевой и доступной является кабельная бумага, пропитанная жидким азотом. Однако существует принципиальная возможность использования для таких кабелей экструдированной полиэтиленовой изоляции (согласно исследованиям, проведенным в Японии).

Поверх изоляции криопроводящего кабеля обязательно накладывается металлическая оболочка. Если кабель имеет жесткую конструкцию, то оболочка выполняется в виде жесткой трубы. В этом случае часто три фазы имеют общую металлическую оболочку. Для гибкой конструкции используется гофрированная металлическая оболочка поверх каждой фазы. Металлическая оболочка выполняет, как правило, следующие функции: 1) является электромагнитным экраном; 2) предохраняет электрическую изоляцию от внешних воздействий и механических повреждений; 3) позволяет поддерживать в кабеле избыточное давление хладагента.

Электрическая изоляция и металлическая оболочка увеличивают количество теплоты, выделяемой в кабеле вследствие диэлектрических потерь и потерь от продольных и вихревых токов в оболочках.

Кроме всех перечисленных источников теплоты в кабеле, которые определяют нагрузку рефрижератора, существует еще один источник – приток теплоты в кабель извне. Для уменьшения последнего используют различные способы теплоизоляции кабеля. Наиболее эффективной, но и наиболее дорогой является вакуумная изоляция и ее разновидности: суперизоляция – изоляция, состоящая из неорганических волокон, или пористый синтетический материал, работающий в условиях глубокого вакуума; вакуум-порошковая изоляция.

Сверхпроводящие кабели. Рабочие температуры сверхпроводящих кабелей, должны составлять от 6 до 20 К, что возможно лишь при использовании в качестве хладагента жидкого гелия. При этом значительно возрастает приток теплоты в кабель извне. Поэтому отличительной особенностью конструкции почти всех сверхпроводящих кабелей является наличие двух ступеней охлаждения. На первой ступени используется жидкий азот, на второй – жидкий гелий.

Материалом токопроводящих жил в существующих конструкциях кабелей являются такие сверхпроводники как ниобий, станнид ниобия и германид ниобия.

Конструктивно в сверхпроводящих кабелях можно выделить два основных узла: изолированная жила и криостатирующая оболочка (тепловая изоляция). В зависимости от исполнения этих узлов различают три вида конструкций: жесткие, полугибкие и гибкие. Жесткие – это жесткая оболочка и жесткая жила. Полугибкие – это жесткая оболочка и гибкая жила. Гибкие – это гибкая оболочка (гофрированные трубы) и гибкая жила.