Yüksek sıcaklık üstüniletken güç iletim kablolarının elekromanyetik analizi ve alternatif akım kayıplarının hesaplanması

Abstract

Üstüniletken güç iletim kablosu, üstüniletken şeritlerin ?tapes? farklı şekillerde dizilmesi veya sarılması ile oluşan yapılardır. Kabloların akım taşıma performansını etkileyen başlıca faktörler şunlardır: şeritlerin boyutları ve sayısı, kablonun kesit alanında şeritlerin geometrik düzenlemesi, üstüniletkeni kaplama malzemesinin elektronik ve manyetik özellikleri, sarılma açısı vb. Kablonun üretim aşamasında, akım taşıma kapasitesi arttırmak ve dolayısıyla kayıpları azaltmak için kabloyu oluşturan üstüniletken şeritlerin farklı kombinasyonlarda dizilimlerini denemek ve test etmek çok önemlidir. Ancak denemeler çok zaman ve para kaybına neden olmaktadır. Daha da önemlisi, bu testler kablodaki kayıp mekanizmasının fiziğinin anlaşılmasına çok az katkı sağlamaktadır. En verimli (düşük alternatif akım (aa) kaybın olduğu) elektromanyetik tasarımı gerçekleştirmek ve kayıp mekanizmasını iyi anlayabilmek için hem üretim aşamasından önce hem de test aşamasından sonra üstüniletken tel ve kabloya akı, akım nüfuzunun doğru bir şekilde anlaşılması ve aa kayıplarının hesaplanması gerekmektedir. Bu kablo üretiminde zaman ve para israfını önemli ölçüde düşürecektir. Bu projede ticari bir sonlu elemanlar yazılımı kullanılarak, farklı çalışma şartları altında ikinci kuşak kaplı üstüniletken tellerden yapılmış ?2G-coated conductors? iki tabakalı kablolara akı ve akım nüfuzunu simüle edecek ve kayıpları hesaplayacak yeni iki metot geliştirildi. Geliştirilen metodun literatürde halihazırda kullanılan metotlara göre güç iletim kablolarına uygulanması daha kolay ve hesaplama süresini de daha kısaltmaktadır. Tez üç aşamadan oluşmaktadır: birinci aşamada çok basit şerit yerleşimine sahip ve aa akıma maruz bırakılan kablo yapısı için şeritlerde taşınan akımı eşit şekilde paylaşacak metodun geliştirildi. İkinci aşamada, metot daha gerçekçi fiziksel modellere uygulanacak ve farklı çalışma şartları için hesaplamalar gerçekleştirildi. Üçüncü aşamada, geliştirilen metot ferromanyetik malzeme ile kaplanmış şeritlerden oluşan kablolar için akı, akım ve aa kayıplarının hesaplanmasına uygulandı. Üstüniletken kablo teknolojisinin ülkemize kazandırılması bakımından öncü bir tez özelliği taşımaktadır. Tez sonucunda geliştirilen metodun ve bu metoda dayanan bilgisayar programının ülkemizde üstüniletken teller ve kablolar üzerine çalışan deneysel gruplara ve şirketlere üretim aşamasından önce çok önemli öngörüler sağlayacağı düşünülmektedir. Bu proje TÜBİTAK 110T876 nolu proje ile desteklenmiştir.

Superconducting power transmission cable is a structure created by arranging or wrapping superconducting tapes in different ways. The main factors affecting current transmission capacity are: size and number of tapes, their geometrical arrangement in the cross-section of the conductors, electronic and magnetic properties of coating material, wrapping angle, etc. In the cable manufacturing process, to increase current carrying capacity and so to lessen the loss, trying and testing different arrangement of superconducting wire inside cables is very important. However, the testing causes very large of time and money consuming. More importantly, this kind of testing can provide very little contribution understanding to physics of loss mechanism. Performing most efficient (low alternative current (ac) loss) electromagnetic design and to be able to find out loss mechanism the flux and current penetration into superconducting wire and cable should correctly be understood both before production stage and after testing. This will reduce significantly waste of time and money in cable production. In this project, using a commercial finite element software a new method will be developed that will simulate flux and current penetration into two layer cables produced from second generation coated conductors and calculate the loss. Developed method to implement to power transmission cables will be easier than the methods used currently and also intended to further shorten the calculation time. The projects consist of three stages: in the first stage, we have aimed to develop a toy method that will share equally currents carried by tape layers for a cable structure having very simple tape arrangement and subjecting alternative current. In the second stage, the method was implemented more realistic physical models and carried out calculations for various working conditions. In the third stage, the developed method was be adapted to evaluate flux, current and ac loss for the cables coated ferromagnetic substance. This project has characteristic of a pioneering project for acquiring superconducting cable technology to our country. We expect that the method developed as a result of thesis and computer program based on this method will provide an important insight to the teams working experimentally on superconducting wires and cables and companies. This project was supported by TUBİTAK project number: 110T876