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Analisi teorica e sperimentale degli sforzi termomeccanici in nastri superconduttori per dispositivi per la rete elettrica in configurazioni di prova

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Analisi teorica e sperimentale degli sforzi termomeccanici in nastri superconduttori per dispositivi per la rete elettrica in configurazioni di prova

Si riportano qui i risultati delle attività sperimentali di misura e dell’analisi teorica degli sforzi meccanici indotti in nastri superconduttori in configurazioni di test lineari. I risultati delle misure sperimentali, eseguite mediante estensimetria e delle simulazioni numeriche, condotte tramite COMSOL Multiphysics, non sono ancora sufficientemente confrontabili tra loro per la complessità sia configurazioni geometriche sia della struttura multistrato del nastro superconduttore. Un approfondimento delle condizioni al contorno numeriche e un ulteriore affinamento della metodologia sperimentale potranno portare migliore accordo tra i rispettivi risultati.

ll presente documento riporta i risultati di misure sperimentali e di studi numerici di deformazioni e stress che insorgono in nastri superconduttori 2G REBCO CC (Second Generation Rare-earth Barium Copper Oxide Coated Conductors), il cui utilizzo è proposto in ambito internazionale per dispositivi per le reti elettriche come limitatori della corrente di corto circuito (SFCL, Superconducting Fault Current Limiters) e cavi superconduttori. Tali nastri sono sistemi multistrato costituiti da materiali con diverse proprietà fisiche e meccaniche.

 

Portati a temperature criogeniche nelle configurazioni di prova e di utilizzo, tali nastri sono soggetti a sforzi e deformazioni termomeccanici che, se superiori a determinati valori limite, possono causare un degrado irreversibile delle prestazioni sia elettriche sia meccaniche del nastro tale da renderlo inutilizzabile.

 

Nel presente rapporto è descritto lo studio del comportamento di una nuova tipologia di nastro superconduttore. Le misure sperimentali di deformazione, da cui si sono calcolati i relativi sforzi, sono state eseguite mediante tecniche estensimetriche. Sono state apportate migliorie nell’applicazione di tali tecniche, ad esempio riguardo alla metodologia di installazione degli estensimetri e al controllo della temperatura durante le misure, si sono utilizzati estensimetri di dimensioni inferiori per l’ottenimento di misure più puntuali e si sono sperimentate configurazioni lineari con geometria volta a minimizzare gli sforzi termo-meccanici insorgenti nei nastri nei punti di maggiore concentrazione.

 

Gli sforzi derivanti da tali misure risultano ampiamente inferiori ai limiti di snervamento e di irreversibilità del nastro in esame e di nastri di analoga architettura. Mediante estensimetria, si sono anche calcolati i coefficienti di dilatazione termica di alcuni componenti del sistema nastro-vincolo a temperature criogeniche, quali i morsetti in rame e la vetroresina G10 che compongono il vincolo, oltre a quello del nastro stesso.

Inoltre, sono riportate le attività di simulazioni numeriche del comportamento termoelastico del nastro eseguite considerandone la struttura multistrato e utilizzando il software commerciale COMSOL Multiphysics. In particolare, si è determinato l’andamento dello sforzo lungo lo spessore del nastro. Sono stati sviluppati studi per la scelta di condizioni al contorno più opportune e realistiche da utilizzarsi nelle simulazioni.

 

Le sperimentazioni e le simulazioni numeriche qui condotte, suscettibili di ulteriori approfondimenti e sviluppi hanno fornito un incremento delle conoscenze sull’argomento, non ancora reperibili, a conoscenza degli autori, nella letteratura scientifica a riguardo.

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