VedecIng., PhD. Michal Vojenčiak
Názov projektuTepelno-elektrická stabilita supravodičov pri nekonvenčných spôsoboch chladenia
Hostiteľská organizáciaElektrotechnický ústav SAV
Dĺžka projektu02.04.2015 - 01.10.2018

Abstrakt
Supravodiče sú materiály so silne nelineárnou volt-ampérovou charakteristikou. Ak prenášajú elektrický prúd nižší ako kritický prúd, ich elektrický odpor je nulový. Pri vyšších prúdoch je však elektrický odpor vysoký. Druhý spomínaný režim je spojený s disipáciou energie a nárastom teploty, to môže viesť až k poškodeniu supravodivého materiálu. Stabilita supravodivých vodičov popisuje veľkosť rezervy proti prechodu vodiča do nesupravodivého stavu a či takýto prechod spôsobí nevratné poškodenie supravodivého materiálu. V rámci tohto projektu skúmame stabilitu v podmienkach typických pre dve aplikácie: obmedzovač skratových prúdov a kábel pre vinutie cievky. Tento projekt je založený na dvoch nových myšlienkach: 1. Nehomogenita vlastností materiálu a rozloženia elektrických prúdov je považovaná za prirodzenú vlastnosť a musí byť zohľadnená pri štúdiu stability 2. Skúmanie stability supravodičov pri nekonvenčnom spôsobe chladenia má viesť k objaveniu oblastí s dostatočnou stabilitou a lepšími výkonovými charakteristikami. Obmedzovaču skratových prúdov môže nehomogenita samotného supravodivého materiálu alebo nehomogenita rozloženia teploty spôsobiť značné problémy. Obidva efekty totiž spôsobujú lokálny prechod materiálu do nesupravodivého stavu a jeho lokálne prehriatie. Tieto efekty budú skúmané experimentálne aj pomocou numerických modelov. V supravodivom kábli je rozdelenie elektrického prúdu do jednotlivých paralelných vodičov často nerovnomerné. Príčinou sú rozdielne kontaktné odpory medzi prúdovým prívodom a jednotlivými vodičmi. V rámci projektu budeme skúmať možnosti úpravy kábla, aby sme dosiahli rovnomernejšie rozloženie prúdu a tým aj vyššiu celkovú stabilitu. V súčasnosti je otázne, či môže byť dostatočná stabilita dosiahnutá aj bez kvapalného chladiaceho média. Cieľom tohto projektu je demonštrácia toho, že model supravodivého obmedzovača skratových prúdov môže pracovať aj v takýchto podmienkach.

Zhrnutie projektu s priebežnými výsledkami

Supravodiče sú materiály so silne nelineárnou volt-ampérovou charakteristikou. Pri prúde nižšom ako kritický prúd je ich elektrický odpor nulový avšak pri prúde vyššom ako kritický prúd je ich odpor vysoký. Pri takomto prúde sa v nich preto vytvára teplo a aj ich teplota stúpa. Tento proces môže v extrémnom prípade viesť až ku poškodeniu supravodivého materiálu.

Stabilita supravodivého vodiča hovorí o tom, aká časť teoretického prúdového zaťaženia môže byť bezpečne použitá v praktickej aplikácii a či vodič znesie prechod do nesupravodivého stavu bez poškodenia. V tomto projekte skúmame stabilitu supravodičov pri ich použití v dvoch aplikáciách: obmedzovač skratových prúdov a kábel pre vinutie cievky.

Prvou úlohou projektu bolo zostavenie novej experimentálnej aparatúry pre impulzné meranie charakteristík supravodiča počas obmedzovania elektrického prúdu. Vďaka tomuto zariadeniu sme zistili pozitívny vplyv tepelne vodivých keramických platničiek priložených ku supravodivej páske. Maximálna teplota supravodivej pásky počas obmedzovania prúdu sa pri použití keramických platničiek, fungujúcich ako tepelný rezervoár, výrazne znížila.

Našou úlohou v druhej časti projektu je výroba a charakterizácia supravodivého kábla. Zamerali sme sa na supravodivý kábel typu CORC, ktorý pozostáva zo supravodivých pások špirálovito navinutých na okrúhle jadro. V tejto fáze projektu sme vyrobili 1 m dlhú vzorku kábla. Pre tento kábel sme navrhli nový typ prúdových terminálov. Vo finálnom návrhu sme pužili optimalizovanú dĺžku spájkovaných kontaktov. Napokon sme zmerali vlastnosti tohto kábla pri prenose jednosmerného aj striedavého elektrického prúdu. Táto vzorka kábla je prvým káblom typu CORC s detailne zmapovanými vlastnosťami na svete a výsledky budú slúžiť ako referencia pre budúce káble.


Kábel typu CORC počas výroby - navíjanie poslednej supravodivej pásky (obrázok a) a usporiadanie optimalizovaného prúdového terminálu (obrázok b).