Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  

Загрузка...

Реферат - Сверхпроводящие кабельные линии связи - файл 1.doc


Реферат - Сверхпроводящие кабельные линии связи
скачать (97.5 kb.)

Доступные файлы (1):

1.doc98kb.29.11.2011 06:42скачать

содержание
Загрузка...

1.doc

Реклама MarketGid:
Загрузка...
Сверхпроводящие кабельные линии связи

Ряд металлов и сплавов обладают особыми свойствами - сверхпроводимостью при температурах, близких к абсолютному нулю (-273). Это явление открывает широкие возможности создания линий передачи электромагнитной энергии с весьма малым затуханием. Достаточно сказать, что сопротивление проводников при сверхнизких температурах может быть меньше 10-23 Ом/см, что в 1017 раз меньше, чем сопротивление меди при температуре 20C. Затухание кабеля в режиме сверхпроводимости меньше, чем затухание в обычных условиях в 106/108 раз.

Наряду с малыми сопротивлением и затуханием сверхпроводники при низких температурах обладают еще таким замечательным свойством, как полное экранирование ЭМП. Это обусловлено тем, что в режиме сверхпроводимости поле в толщу металла почти не проникает. Кроме того, при низких температурах существенно снижаются потери в диэлектрике, в силу чего ЭМ энергия по такому кабелю проходит с весьма малыми потерями и затуханием.

Эффект сверхпроводимости объясняется следующим образом. Электрический ток в металле – это поток электронов через кристаллическую решетку проводника. С увеличением температуры возрастает хаотическое движение атомов решетки, происходит столкновение электронов с ними и увеличивается сопротивление проводника. При уменьшении температуры наоборот, колебание атомов решетки уменьшается, и создаются более благоприятные условия прохождения потока электронов и, наконец, при температурах, близких к абсолютному нулю, колебания практически прекращаются и проявляется эффект сверхпроводимости. Для каждого металла и сплава существует своя критическая температура перехода ТК, при которой возникает явление сверхпроводимости. Причем сверхпроводимость проявляется и исчезает довольно резко скачком при достижении критической температуры.

Однако свойством сверхпроводимости обладают далеко не все металлы. Например, такие лучшие электрические проводники, как медь, серебро, золото, не становятся сверхпроводниками и во всем диапазоне температур не наблюдается резкого скачка изменения сопротивления. На рис.1 изображены характерные зависимости

Рис.
1


Изменения электрического сопротивления от температуры для проводников, не обладающих свойствами сверхпроводимости, - 1 и для сверхпроводящих проводников – 2.

Таблица 3.12

КРИТИЧЕСКИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ПЕРЕХОДА Тк СВЕРХПРОВОДЯЩИХ МЕТАЛЛОВ

Элемент

Ниобий

Свинец

Тантал

Ртуть

Олово

Алюминий

Молибден

Цинк

Уран

Тк, К

9,28

7,19

4,46

4,15

3,73

1,19

0,95

0,88

0,80


Значение критических температур перехода для некоторых сверхпроводящих металлов приведена в табл. 3.12. Показания приведены по шкале Кельвина (К), которая обычно используется для оценки сверхпроводящих металлов. По Кельвину отсчет ведется от абсолютного нуля (-273). Между показаниями по Кельвину и Цельсию существуют следующие соотношения: tс = Тк-273; Tk = tc+273, т.е. нулевая температура по Цельсию соответствует 273° по Кельвину, а нуль К = -273°С.

Из таблицы видно, что температура перехода Тк из обычных условий к условиям сверхпроводимости у различных металлов различна и равна примерно (1-9)К, что составляет минус 272-264° С. Из таблицы также следует, что наибольшую величину критической температуры перехода имеет ниобий, затем идет свинец. Близки к абсолютному нулю – алюминий и цинк.

Приведенные данные сверхпроводимости характерны для постоянного тока. При очень высоких частотах сопротивление сверхпроводимости возрастает и имеет конечное значение. Так, в области частот инфракрасного и оптического диапазонов 1012-1014 гц сопротивление сверхпроводимости становится равным сопротивлению проводника в нормальном состоянии. Т.о., если при постоянном токе сопротивление сверхпроводника равно нулю, то при высоких частотах сопротивление достигает значительной величины.

На рис.2 показана частотная зависимость сопротивления обычного проводника (медь) и проводника, обладающего сверхпроводимостью (ниобий). Сопротивление медного проводника плавно возрастает с увеличением частоты по закону корня из частоты. Сопротивление сверхпроводящего проводника в области температур меньше критических (Т < Тк), имеет нулевые значения при постоянном токе и весьма низкие значения до 1 ГГц, затем резко возрастает по квадратичному закону (f2) и достигает значительной величины. Причем чем ниже температура и выше Тк, тем меньше сопротивление сверхпроводника переменному току. Установлено, что при температуре абсолютного нуля все сверхпроводники имеют почти нулевые сопротивления во всем широком диапазоне частот (примерно до 76 ГГц).

Аномальный характер частотной зависимости сопротивления сверхпроводников (f2) обусловлен тем, что проникновение ЭМП в металл не подчиняется закону классической электродинамики и поверхностный эффект проявляется по-другому. ЭМП проникает в толщу сверхпроводника на очень малую величину. Причем закон проникновения поля в металл различен. Если в обычных условиях глубина проникновения с ростом частоты уменьшается по закону форм, то в сверхпроводниках проникновение поля в металл ничтожно и имеет тенденцию несколько расти с увеличением частоты. Глубина проникновения в сверхпроводник в 100 раз меньше, чем в обычный металл. Так, для меди, не обладающей сверхпроводимостью  = 2,1*10-3мм при 1ГГц, а для ниобия в режиме сверхпроводимости  = (3-5)*10-8мм.

Глубина проникновения поля в сверхпроводник зависит от температуры охлаждения и может быть определена из выражения:





Сверхпроводники, наряду с отсутствием сопротивления, обладают также свойством экранирования ЭМП. Это объясняется следующим образом. В обычном проводнике, находящемся в переменном ЭМП, в наружном слое металла на относительно большой глубине возбуждаются вихревые токи, которые затухают в толще металла, выделяя тепло на сопротивление проводника. В сверхпроводнике вихревые токи ограничены очень тонким слоем поверхности и не затухают, т.к. сопротивление сверхпроводника равно нулю. Вихревые токи создают отраженное поле, направленное навстречу влияющему полю и компенсирующее его. Т.о. сверхпроводник может выполнять роль ЭМ экрана.

Достоинством сверхпроводников является также практическое отсутствие собственных тепловых шумов, свойственных обычным проводникам.

Процесс охлаждения влияет также на диэлектрики, пластмассы, меняя их электрические и физико-механические свойства. Диэлектрические потери (tg) таких наиболее распространенных кабельных материалов, как полиэтилен, полистирол, фторопласт, при глубоком охлаждении (t = -260 до –269 °С) примерно в 100 раз меньше, чем при комнатных температурах (t = +20°С). Причем чем ниже температура, тем меньше tg. Так для фторопласта tg составляет 2*10-4 (20°С), 4*10-5 (216°С) и 3*10-6 (-269°С). Частотная зависимость tg охлажденного диэлектрика не имеет резко выраженной зависимости.

Величина диэлектрической проницаемости  мало зависит от охлаждения диэлектрика и практически постоянна в широком диапазоне частот до 1010 Гц. Например, полиэтилен имеет стабильно  = 2.3 практически при всех частотах и температурах. Для фторопласта  = 2.

Электрическая прочность диэлектриков увеличивается с понижением температуры. Вероятность теплового пробоя уменьшается, т.к. при низких температурах электрические потери малы.

^

Электрический расчет сверхпроводящих кабелей


Сверхпроводящий кабель связи обычно имеет коаксиальную конструкцию. В качестве материала для проводников применяется ниобий, свинец, цинк. Изоляция – из фторопласта или полиэтилена. Кабель имеет весьма малые размеры и относится к группе микрокоаксиальных кабелей.

Исходя из назначения и особенностей сверхпроводящего кабеля, специфическим параметром его является активное сопротивление R. Остальные первичные (L,C,G) и вторичные (, , Zв, ) могут рассчитываться по обычным формулам.

Расчет R сверхпроводящего коаксиального кабеля может проводиться следующим образом:





, где Rsd и RsD - поверхностное сопротивление внутреннего и внешнего проводников;

d и D - диаметры внутреннего и внешнего проводников

f - расчетная частота;

f0 - критическая частота.

Другие первичные параметры рассчитываются по формулам:



В
торичные параметры


^ ПАРАМЕТРЫ СВЕРХПРОВОДЯЩЕГО КОАКСИАЛЬНОГО КАБЕЛЯ ПРИ T=4,2K (ИЛИ t=-268,8C)

, Гц

103

104

105

106

107

108

109

1010

R, Ом/км

3,9*10-12

3,9*10-10

3,9*10-12

3,9*10-12

3,9*10-12

3,9*10-12

3,9*10-12

3,9*10-12

L, Г/км

0,225*10-3

0,225*10-3

0,225*10-3

0,225*10-3

0,225*10-3

0,225*10-3

0,225*10-3

0,225*10-3

C, Ф/км

1*10-7

1*10-7

1*10-7

1*10-7

1*10-7

1*10-7

1*10-7

1*10-7

G, См/км

6,3*10-10

6,3*10-9

6,3*10-8

6,3*10-7

6,3*10-6

6,3*10-5

6,3*10-4

6,3*10-3

, дБ/км

12,8*10-8

12,8*10-7

12,8*10-6

12,8*10-5

12,8*10-4

12,8*10-3

0,45

33,6

Zв, Ом

47,5

47,5

47,5

47,5

47,5

47,5

47,5

47,5



^ ПАРАМЕТРЫ КОАКСИАЛЬНОГО КАБЕЛЯ ПРИ T=293K (ИЛИ t=+20C)

, Гц

103

104

105

106

107

108

109

1010

1011

R, Ом/км

40

127

400

1270

4000

12700

40000

127000

400000

L, Г/км

6,56*10-3

2,225*10-3

0,76*10-3

0,425*10-3

0,285*10-3

0,245*10-3

0,23*10-3

0,225*10-3

0,225*10-3

C, Ф/км

1*10-7

1*10-7

1*10-7

1*10-7

1*10-7

1*10-7

1*10-7

1*10-7

1*10-7

G, См/км

12,56*10-8

12,56*10-7

12,56*10-6

12,56*10-5

12,56*10-4

12,56*10-3

12,56*10-2

12,56*10-1

12.56

, дБ/км

3,6

11,4

36

114

360

1140

3600

11650

38560

Zв, Ом

312

178

106

69,6

53,9

47,5

47,5

47,5

47,5


Анализируя приведенные данные, можно отметить следующее. Активное сопротивление кабеля в режиме низких температур существенно меньше, чем при обычных температурах. Так, при частоте в 1 МГц соотношение составляет 108 раз. С ростом частоты это соотношение уменьшается и составляет 104 раз при 1 ГГц. Можно считать, что сверхпроводящий кабель в диапазоне до 108 Гц лишен активного сопротивления. С ростом частоты сопротивление возрастает. Емкость и индуктивность практически одинаковы. Проводимость изоляции в сверхпроводящем режиме на 2-3 порядка меньше чем в обычном.

Основным достоинством сверхпроводящего кабеля является его малое затухание. Так, затухание охлажденного кабеля по сравнению с обычным меньше в 108 раз при 1 кГц, в 106 раз при 1 МГц и 104 раз при 1 ГГц.
^ Конструкции сверхпроводящих кабелей

Сверхпроводящая кабельная система состоит из непосредственно сверхпроводящего кабеля (электрическая часть) и криогенных устройств, обеспечивающих создание и поддержание требуемых низких температур (криогенная часть).

Выше было показано, что активное сопротивление сверхпроводников в широком диапазоне частот ничтожно мало и потери в диэлектрике также во много раз меньше, чем при обычных температурах. В результате сверхпроводящий кабель имеет затухание в сотни и тысячи раз меньше по сравнению с обычными кабелями и позволяет осуществить связь без дополнительных устройств на очень большие расстояния. Это дает возможность выбирать размеры сверхпроводящих кабелей не из соображений снижения затухания, а только из конструктивных требований и условий производства. Необходимо лишь обеспечить определенную механическую прочность кабеля, поэтому габариты сверхпроводящих кабелей могут быть значительно меньше существующих.

Из конструктивных соображений и обеспечения экранирования от внешних эмп сверхпроводящие кабели делают коаксиальными. В известных конструкциях сверхпроводящих коаксиальных кабелей внутренний проводник имеет диаметр порядка 0,25 мм, а внешний – 2,5 мм. Внутренний проводник чаще всего делается из ниобия, тантала, сплава ниобия с оловом, а внешний – из свинца, алюминия. В качестве изоляции применяются фторопласт, полиэтилен и другие высокомолекулярные соединения в сплошном или пористом выполнении.

Проблема обеспечения криогенных температур для сверхпроводящих кабельных линий большой протяженности является довольно сложной. Основная задача состоит в том, чтобы термоизолировать сверхпроводящий кабель от притока тепла из окружающей среды, нейтрализовать поступающее извне тепло и обеспечить постоянство температуры глубокого охлаждения кабеля. Для получения низких температур и глубокого охлаждения кабеля применяются такие хладоагенты, как азот, водород, гелий в жидком или газообразном виде.

Обычно сверхпроводящий кабель помещается в трубопроводе из нержавеющей стали, меди или алюминия с теплоизолирующим покрытием. С помощью жидкого или газообразного азота, гелия или водорода, прокачиваемого по трубе, в ней создается и поддерживается требуемая низкая температура. Обязательным условием обеспечения низкой температуры является надежная термоизоляция трубопровода от окружающей среды. В качестве термоизоляции применяются пористые материалы (пенополистирол, пенопласт и др.) или вакуумно-многослойная изоляция.

Для прокачки хладогентов вдоль трубопровода на большие расстояния и поддержания стабильной температуры необходимо иметь вдоль трассы кабеля через каждые 10-20 км компрессорные рефрижераторные станции. Известны две системы подачи хладогента в криогенном трубопроводе: открытый цикл и замкнутый цикл. При открытом цикле отработанный хладоагент выпускается наружу с другого конца трубы. При замкнутом цикле отработанный хладоагент возвращается по обратному каналу, расположенному под общей криогенной оболочкой. В этом случае происходит непрерывная циркуляция хладоагента соответственно по прямому и обратному каналам с охлаждением хладоагента до нужной температуры на криогенных станциях. Достоинство замкнутого цикла – отсутствие потери хладоагента.

Рассмотрим несколько подробней одну из характерных конструкций сверхпроводящего кабеля и криогенной оболочки (рис.3)

В центре располагается несколько коаксиальных кабелей 1, имеющих проводники: внутренний из ниобия и внешний из свинца. Изоляция – из фторопласта. Криогенная система состоит из гибкой изоляционной трубы 2 , двух стальных гофрированных труб – 3 и 4. Снаружи для теплоизоляции располагается изоляционная оболочка из пенопласта 5. В качестве хладоагента используется жидкий гелий (Т = 6,8К), циркулирующий в канале 6 между кабелем и изоляционной трубой. Отработанный гелий, имеющий Т = 13,7К, возвращается обратно по каналу 7, расположенному между изоляционной и стальной трубами.

Первичная термоизоляция осуществляется глубоким вакуумом, создаваемым между стальными трубами. Вакуум составляет 0,1мм.рт.ст. Вся эта трубопроводная криогенная система выполнена из гибких гофрированных труб, позволяющих наматывать их на барабаны. Трубопровод предполагается изготовлять в заводских условиях секциями по 30-300м с выводами по концам для подачи гелия и с герметичными концевыми заделками. На магистрали эти секции собираются в линию и с рефрижераторных станций подается гелий.

Технико-экономические исследования показывают, что в сверхпроводящей кабельной линии основные расходы связаны с созданием криогенной оболочки и рефрижераторных станций для поддержания глубокого охлаждения кабеля. Сам кабель стоит сравнительно дешево.

Сравнивая обычную кабельную магистраль и сверхпроводящую систему, можно отметить, что в первом случае для компенсации затухания кабеля необходимо иметь через каждые 6-20 км электронные усилители, а во втором – затухание ничтожно мало и можно организовать связь без усилителей на большие расстояния. Однако в этом случае для поддержания низких температур и прокачки хладоагента по трубопроводу необходимо иметь через каждые 10-20 км трассы рефрижераторные станции, стоимость которых довольна высока. Поэтому затраты на сооружения сверхпроводящей магистрали значительно превышают затраты на обычную кабельную магистраль.

Одним из целесообразных путей осуществления сверхпроводящей магистрали является размещение кабеля связи в общем, криогенном трубопроводе, создаваемом в интересах передачи высоковольтной энергии. Такое совмещение сверхпроводящих кабелей энергетического назначения и кабелей связи в общем, криогенном трубопроводе, под общей оболочкой весьма перспективно и выгодно в технико-экономическом отношении.

Явление сверхпроводимости позволяет не только создать ВЧ кабели связи и высоковольтные линии передачи ЭМ энергии, но и открывает широкие возможности эффективного применения данного явления в электронике. За счет сверхпроводимости в режиме низких температур можно создать запоминающие устройства большой емкости для ЭВМ, существенно снизить тепловые шумы в электронных устройствах и создать качественно новые радиоэлектронные устройства.


Скачать файл (97.5 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации