Сверхпроводящие кабели

Содержание 

    Вступление…………………………………………………………….…...…...2

Конструкция сверхпроводящих  пар……………………………………………16

Сверхпроводящие кабели для линий связи…………………………………….18

      Сверхпроводящий энергетически-информационный кабель………..…18

      Специализированные  сверхпроводящие кабели связи………………....22

Перспективы дальнейшего развития и использования…………………….….27

      Передача  энергии……………………………………………………..…..28

      Применение  сверхпроводников на железных дорогах…………...…….33

    Заключение………………………………………………………………….....34

    Список использованной литературы…………………………………….…..35 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ВСТУПЛЕНИЕ 

     В последние годы происходит интенсивное  использование криогенных температур в различных областях техники. Криогеника позволяет поновому решать задачи в таких традиционных областях как связь и радиотехника. Глубокое охлаждение и явление сверхпроводимости являются чрезвычайно эффективными для дальнейшего улучшения характеристик кабельных линий связи и придания им новых свойств, таких как низкое затухание, полная электромагнитная защищенность, экстремально низкие тепловые шумы.

     Сверхпроводящие коаксиальные миниатюрные линии  исследовались с 1960 г. Вначале рассматривалось их применение в широкополосных линиях задержки, запоминающих устройствах ЭВМ, рециркуляторах импульсов. И лишь с 1970 г. началось изучение возможностей использования сверхпроводящих линий в системах связи. Работы начались примерно одновременно в СССР и Японии, а затем — в ФРГ и Франции. В двух последних странах проводились только расчетно-теоретические исследования.

     Разработки  в промышленно развитых странах  сверхпроводящих линий электропередачи (СП ЛЭП) до недавнего времени затрагивали только вопросы передачи энергии. Большая техническая сложность СП ЛЭП заключается в том, что помимо передачи электрической энергии необходимо обеспечить прокачку хладоагента, поддержание высокого вакуума на всем протяжении линии, передачу больших потоков информации для управления, при одновременном повышении надежности энергосистемы в целом.

     Есть  два пути передачи информации: либо на каждом небольшом участке выводить данные из криогенной оболочки наружу, в теплую зону, и уже затем передавать их по отдельной линии связи, либо передавать ее внутри криогенной оболочки. Для кабеля связи, размещаемого в криогенной оболочке, могут быть использованы миниатюрные сверхпроводящие коаксиальные пары, позволяющие передавать мощные сигнальные потоки в СП ЛЭП.

     Кроме передачи «собственной» информации, необходимой для нормального  функционирования энергосистемы, сверхпроводящие  пары, проложенные внутри криогенной оболочки, могут быть использованы для образования огромного числа каналов связи общего назначения. В результате СП ЛЭП может быть превращена в комплексную энергетически-информационную линию передачи. Представляет интерес и промежуточное решение, когда сверхпроводящий кабель связи прокладывается рядом, в одной траншее с силовым сверхпроводящим кабелем, и оба они «питаются» от общих криогенных станций.

     До  сих пор ведутся работы по созданию и внедрению сверхпроводящего энергетически-информационного кабеля, состоящего из силового и связного кабелей, находящихся в общей криогенной оболочке. В 1974 г. была испытана первая модель сверхпроводящей коаксиальной линии связи, предназначенной для размещения сверхпроводящей ЛЭП в криогенной оболочке. В 1975—1977 гг. изготовлен первый опытный образец энергетически-информационного сверхпроводящего кабеля (ГСПК-50) длиной 50 м и в 1978—1980 гг. проведены его комплексные испытания. А к 1988 разработана, изготовлена и исследована модель линии связи для опытного участка сверхпроводящей ЛЭП длиной 1 км. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

КОНСТРУКЦИЯ СВЕРХПРОВОДЯЩИХ ПАР 

     В табл. 4 представлены данные о конструктивных элементах сверхпроводящих коаксиальных пар, описанных вначале. Наибольшее разнообразие конструкций имеется у пар типа 1 (табл. 4). К этому типу относятся коаксиальные пары с волн новым сопротивлением 50 и 75 Ом, диаметром по изоляции 0,87—1,5 мм и изоляцией из фторопластов различных типов. Внешний проводник может быть выполнен в виде монолитной свинцовой трубки, сформован из свинцового листа или получен напылением в вакууме; внутренний проводник— проволока из ниобия. В основном это опытные образцы, предназначенные для различных криоэлектронных устройств.

     Второй  тип пар представлен фактически одной конструкцией, но тщательно отработанной для серийного выпуска. Изоляция выполнена из полиэтилена или фторполимеров, а проводники — из освинцованных медных материалов. К третьему типу относятся пары с волновым сопротивлением 50 и 75 Ом и изоляцией из фторопласта Ф-4Д и Ф-4МБ. Для изготовления проводников применены проволока и фольга из ниобия. Были использованы серийно выпускаемые материалы, но они подвергались обработке, сделавшей их более пригодными для работы на СВЧ. В результате получены сверхпроводящие коаксиальные пары с проводниками из ниобия и исследованы их характеристики: регулярность волнового сопротивления по длине, затухание в частотной области 0,1—16 ГГц и в температурном диапазоне 4,2— 10 К. Исследования показали пригодность этих пар для линий связи. Ниже рассмотрены характеристики описанных пар. 
 
 
 
 
 
 
 

Таблица 4

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

СВЕРХПРОВОДЯЩИЕ КАБЕЛИ ДЛЯ ЛИНИЙ  СВЯЗИ 

     Первые  экспериментальные образцы сверхпроводящих кабелей для линий связи были изготовлены и исследованы в Японии и СССР. Но эти кабели принципиально отличались друг от друга. В Японии разрабатывался специализированный сверхпроводящий кабель (СПК), в СССР — комбинированный сверхпроводящий энергетически-информационный кабель  (СПЭИК).

     В главе дается обзор основных опубликованных результатов разработки и испытаний  образцов как комбинированных, так  и специализированных сверхпроводящих кабелей, рассматриваются перспективные направления работы в области сверхпроводящих линий связи. 

Сверхпроводящий энергетически-информационный кабель

     С целью проработки научно-технических  вопросов создания комбинированной  линии был разработан и изготовлен экспериментальный образец сверхпроводящего кабеля и проведены его всесторонние испытания .

     Идея  подобной линии состоит в том, что в единой криогенной оболочке размещаются как энергетическая (силовая), так и информационная (связная) сверхпроводящие направляющие системы. Преимущества такого объединения очевидны: для функционирования линии связи не требуется специальная дорогостоящая криогенная система, сверхпроводящая линия связи становится весьма выгодной экономически, а энергетическая система получает необходимую для ее нормальной работы линию связи.

     Изготовление экспериментального образца СПЭИК, получившего наименование ГСПК-50 (гибкий сверхпроводящий кабель длиной 50 м), началось в-1975 г. Он был сделан следующим образом (рис. 5.1). На сверхпроводящий силовой кабель были уложены три высокочастотные сверхпроводящие пары (кабель связи): две для связи и одна для телеметрии. Затем на комбинированный (силовой и связной) сверхпроводящий кабель наложили   криогенную   оболочку.

     Полученный  экспериментальный образец ГСПК-50 успешно прошел испытания на специально созданном стенде в 1978 г.

     Выбор образцов ВЧ пар определялся следующим. Кабели связи имеют, как правило, волновое сопротивление 75 Ом; первый образец соответствовал модели с изоляцией из плавкого фторопласта Ф-4МБ (табл. 5) и имел Z_B = 75 Ом. Второй образец имел волновое сопротивление 50 Ом, т. е. такое же, как коаксиальная пара, разработанная в Японии, но диаметр по изоляции почти в 2 раза меньший. 
 
 
 
 

Таблица 5

 

     Третий  образец — сверхпроводящий телеметрический  кабель (СПТК). С его помощью контролировался  температурный режим по всей длине  ГСПК-50 (7=9,2 К). Переход внешнего проводника СПТК в сверхпроводящее состояние при температуре 9,2 К приводит к резкому изменению волнового сопротивления кабеля в области перехода. Это позволяет с помощью импульсного рефлектометра определять, находится ли данный участок кабеля при температуре выше или ниже 9,2 К. Выводы ВЧ пар осуществлялись с помощью миниатюрных радиочастотных кабелей. В процессе монтажа все соединения контролировались по электрическим характеристикам импульсным рефлектометром. Измерительная аппаратура располагалась на расстоянии около 5 м от испытательного стенда ГСПК-50, приборы соединялись с ГСПК-50 радиочастотными кабелями длиной около б м.

     Комплект  приборов стенда позволял:

     а) наблюдать амплитудно-частотные  характеристики кабелей связи и  измерять затухание на частотах от 0,25 до 1500 МГц;

     б) наблюдать изменение волнового  сопротивления по длине и определять расстояния до неоднородностей и повреждений с разрешением 0,4 м;

     в) измерять параметры коротких импульсов, прошедших через кабели, с целью определить искажения таких сигналов. 

     Ход работы и результаты. В 1978 г. ГСПК-50 впервые был захоложен жидким азотом и затем жидким гелием. Образец пары № 1 (см. табл. 5) оказался единственным, выдержавшим все условия испытаний. 

Таблица 6