کابل ابر رسانا

کابل‌ ابر رسانا بر اساس مواد ابررسانایی خاصی هستند که با استفاده از نیتروژن مایع (یا هلیوم مایع برای MgB2) تا دماهای بسیار پایین (مثلاً 180-  درجه سانتی‌گراد) خنک می‌شوند تا پدیده ابررسانایی (مقاومت بسیار کم) را فعال کنند. این هادی‌ها در لوله‌ای با خلاء (کرایوژن) قرار می‌گیرند که کابل‌ ابر رسانا را از محیط باقیمانده از نظر حرارتی جدا میکند. آنها پنج برابر یک سیستم کابل برق معمولی با همان ابعاد بیرونی جریان دارند و هیچ گرمایی به محیط منتشر نمی‌کنند. هنگام مقایسه فایده هزینه HTS با هادی های معمولی، تلفات کابل‌ ابر رسانا معادل انرژی مورد نیاز برای حفظ دمای پایین نیتروژن و گردش آن است.

این فناوری به اتصالات کابل ویژه و انتهای کابل خاص برای اختلاف دمای شدید و خنک کننده دائمی برای نگهداری کرایواستات نیاز دارد. این برگه اطلاعات روی سطوح ولتاژ بالاتر از 110 کیلو ولت تمرکز دارد، اگرچه ویژگی‌های عملیاتی HTS اجازه می‌دهد تا ولتاژهای عملیاتی در سطوح پایین‌تر وجود داشته باشد. کابل برق ابررسانا با دمای بالا (HTS) یک دستگاه مبتنی بر سیم است که مقدار زیادی جریان الکتریکی را حمل می‌کند. 

سه نوع ابررسانا به صورت تجاری برای کابل های برق AC یا DC موجود است: Bi2Sr2Ca2Cu3O10 (BSCCO) با دمای بحرانی 160- درجه سانتی گراد، YBa2Cu3O7 (YBCO) با دمای بحرانی 180- درجه سانتی گراد، MgB2 با دمای بحرانی 235- درجه سانتی گراد. اجزای اصلی عبارتند کابل ابر رسانا شامل،  نوار یا سیم HTS، مواد عایق ولتاژ بالا (دی الکتریک)، دیوار کرایوستات، نیتروژن مایع (برای BSCCO و YBCO)، مسی و توخالی، غلاف پلی اتیلن، سیستم خنک کننده می‌باشد.

اتصالات و پایانه های کابل ابر رسانا

دو نوع اصلی از کابل های قدرت ابررسانا با توجه به نوع دی الکتریک مورد استفاده وجود دارد، "طراحی دی الکتریک گرم" بر اساس یک رسانا است که توسط جریان نیتروژن مایع که توسط یک پوشش برودتی احاطه شده است با استفاده از دو لوله فولادی ضد زنگ انعطاف پذیر متحدالمرکز با خلاء و سوپر عایق خنک می‌شود. عایق دی الکتریک بیرونی، صفحه کابل و غلاف کابل خارجی در دمای اتاق هستند. در طراحی دی الکتریک سرد، نیتروژن مایع به عنوان بخشی از سیستم دی الکتریک استفاده می شود. اگرچه ساخت بلندپروازانه تر است، اما پیکربندی سرد دارای مزیتی است که میدان الکترومغناطیسی را در داخل صفحه ابررسانا دارد، که به طور قابل توجهی اندوکتانس کابل ابر رسانا را کاهش می دهد. طراحی کابل‌های برق HVDC ابررسانا بسیار شبیه به طراحی کابل های برق HVAC ابررسانا است. لایه های داخلی HTS از طریق دی الکتریک از صفحه‌ای جدا می‌شوند که فقط از سیم‌های مسی تشکیل شده است.

کابل های انتقال ابررسانا با دمای بالا

کابل دی الکتریک گرم

پیکربندی کابل ابر رسانا دی الکتریک گرم دارای یک هادی ساخته شده از سیم های HTS است که در اطراف یک هسته توخالی انعطاف پذیر پیچیده شده است (شکل 1). نیتروژن مایع از طریق هسته جریان می یابد و سیم HTS را تا حالت مقاومت صفر خنک می کند. هادی توسط عایق دی الکتریک معمولی احاطه شده است. کارایی این طرح باعث کاهش تلفات می شود. 

کابل دی الکتریک کرایوژنیک

کابل ابر رسانا دی الکتریک برودتی یک پیکربندی کواکسیال است که شامل یک رسانای HTS است که توسط نیتروژن مایع خنک می‌شود که از طریق یک هسته توخالی انعطاف پذیر جریان می‌یابد و یک هادی برگشتی HTS که با گردش نیتروژن مایع خنک می‌شود. این نشان‌دهنده بهبود طراحی دی‌الکتریک گرم است، که فضای بیشتری را فراهم می‌کند، تلفات را کاهش می‌دهد و به طور کامل نیاز به مایعات دی الکتریک را از بین می‌برد.

فواید و استفاده از کابل ابر رسانا 

کابل ابر رسانا یا انتقال HTS برای انتقال و توزیع برق در مناطق شهری در سراسر ایالات متحده و جهان استفاده می شود. فواید کابل ابر رسانا چیست، کابل ابر رسانا می‌تواند نیازهای روزافزون برق در مناطق شهری را از طریق برنامه‌های مقاوم سازی که دو تا پنج برابر بیشتر از کابل‌های معمولی برق حمل می‌کند، برآورده کند. نیاز به کسب حقوق جدید راه را از بین می برد و خطوط انتقال هوایی را در مواقعی که نگرانی های محیطی و سایر موارد نصب آنها را ممنوع می‌کند جایگزین می‌کند. افزایش بهره وری کلی سیستم به دلیل تلفات بسیار کم را دارا می‌باشد. همچنین کابل ابر رسانا باعث افزایش انعطاف پذیری عملیاتی سیستم ابزار می شود. هزینه‌های برق را کاهش می‌دهد.

با تخمینی 80000 مایل کابل زیرزمینی موجود در سرتاسر جهان، کابل ابر رسانا با دمای بالا (HTS) مزایای عظیمی را برای صنعت برقی که آماده رشد است و با تقاضای روزافزون برای برق مواجه است و با تقاضای روزافزون مواجه می‌شود، فراهم می‌کند. الکتریسیته و محدودیت‌های سخت‌تر در انعطاف‌پذیری مکان. کابل‌های معمولی انتقال برق زیرزمینی برای انتقال مقادیر زیادی نیرو به مناطق شهری مورد استفاده قرار می‌گیرند. کابل‌های معمولی (مبتنی بر مس) قادر به انتقال توان (40 تا 600 مگاولت آمپر) در ولتاژ بالا (40 تا 345 کیلوولت) از طریق سیستم های کانال زیرزمینی یکپارچه هستند. سیستم‌های مجرای موجود، اندازه کابل‌های معمولی و میزان توانی را که می‌توان از طریق آن‌ها منتقل کرد، محدود می‌کند.

اطلاعات بیشتر در مورد کابل های HTS

کابل ابر رسانا می‌تواند 2 تا 5 برابر بیشتر از کابل‌های معمولی هم‌اندازه برق تولید کنند. با استفاده از سیستم مجرای «حق تقدم» موجود در مناطق شهری پرجمعیت، توان بسیار بیشتری می‌توان انتقال داد. نیازی به حفاری و ساخت و ساز گران قیمت و مخرب نیست. یک کاربرد امیدوارکننده برای کابل‌های HTS یا کابل ابر رسانا، ارائه راه‌حل «بزرگراه» الکتریکی با ظرفیت بالا برای شبکه‌های انتقال بیش از حد استرس خواهد بود. با باز شدن بازارهای عرضه برق بیشتر به دلیل مقررات زدایی خدمات شهری، همراه با تقاضای روزافزون برای برق، بزرگراه‌های الکتریکی بهتری را می‌توان برای ساده سازی حمل و نقل برق از تامین کنندگان تولید کم هزینه به شهرهای پرجمعیت با استفاده از کابل‌های کوچکتر و ظرفیت بالاتر ساخت.

ساخت کابل ابر سانا HTS

در ساخت کابل HTS از تکنیک‌ها و تجهیزات سنتی برای پیچیدن سیم‌های HTS در اطراف یک هسته توخالی استفاده می‌شود. هنگامی که نیتروژن مایع از طریق هسته توخالی عبور می‌کند تا مواد HTS خنک شود، با ظرفیت انتقال جریان به میزان قابل توجهی نسبت به کابل‌های مبتنی بر مس معمولی، ابررسانا می‌شود.

توزیع توان بالا یکی دیگر از برنامه های آینده امیدوارکننده برای کابل های HTS است، امروزه، برای افزایش منبع تغذیه در یک منطقه شهری، شرکت‌های برق مجبور به نصب کابل‌های ولتاژ سطح انتقال و استفاده از ترانسفورماتورهای افزایش (پایین) در پست‌های جدید هستند. با الزامات مکان یابی دقیق و دید نامطلوب پست های جدید در مناطق شهری، یک کابل HTS قادر خواهد بود همان مقدار توان را در ولتاژهای سطح توزیع منتقل کند و نیاز به پست های جدید را برطرف کند.

مزایای کابل ابر رسانا در مقایسه با کابل‌ معمولی

زمان نصب آسان تر و کوتاه تر، اپراتورهای شبکه می‌توانند از زمان نصب کوتاه‌تر بهره ببرند، زیرا کابل‌های HTS فشرده هستند و می‌توانند از طریق راهروهای گاز، نفت، آب یا برق موجود یا در امتداد بزرگراه‌ها یا خطوط راه‌آهن به زیر زمین هدایت شوند. علاوه بر این، کابل ابر رسانا به طور فعال خنک می‌شوند و از نظر حرارتی مستقل از محیط اطراف هستند و نصب آنها را آسان‌تر می کند. این جنبه‌ها راه را برای کریدورهای انتقال با ظرفیت بالاتر هموار می‌کند. با این حال، یک تجزیه و تحلیل دقیق از تاثیر میدان مغناطیسی بر روی زیرساخت‌هایی که دارای راهروهای مشابه هستند انجام خواهد شد.

تاثیر کم بر محیط زیست، رسیدن به سطوح بسیار بالاتری از چگالی جریان که باعث فشرده‌بودن و انتقال توان بالاتر از کابل‌ها نسبت به کابل‌های معمولی می‌شود، یک مزیت کلیدی برای اپراتورها و محیط زیست است. یک سیستم ابررسانا همچنین در یک تاسیسات زیرزمینی به دلیل عدم نیاز به جداسازی زیاد بین کابل ها، ردپای کوچکتری دارد. ظرفیت حمل با قدرت بالا دستیابی به سطوح بالاتر چگالی جریان به این معنی است که ولتاژهای عملیاتی را می توان کاهش داد و در عین حال انتقال توان عمده را در ظرفیت های بالا تسهیل کرد. ولتاژهای عملیاتی کمتر، اندازه و حجم تجهیزات الکتریکی مورد نیاز در دو سر کابل را کاهش می‌دهد. به دلیل میدان های الکترومغناطیسی کم تولید شده توسط کابل های HTS، تاثیر آن بر روی ناحیه اطراف به طور قابل توجهی کاهش می یابد.

تصمیم برای انتخاب یک کابل انتقال زیرزمینی به جای یک سیستم خط هوایی ممکن است شامل عوامل زیادی باشد مانند: نزدیکی به مناطق مسکونی سنگین، اندازه برج ها، ترس از فرکانس های الکترومغناطیسی (EMF) و محدودیت در زیرساخت های موجود. با سیستم های مجرای جدید، یک سیستم کابل کواکسیال (شامل یک هادی HTS تامینی که یک هسته توخالی انعطاف پذیر را احاطه کرده است و یک هادی HTS بازگشتی که یک عایق دی الکتریک برودتی را احاطه کرده است بهترین گزینه را با قدرت بیشتر و کاهش تلفات فراهم می کند. 

منبع