СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ
SUPERCONDUCTIVE CIRCUIT BREAKER

Изобретение относится к области сверхпроводящей электротехники, в частности к сверхпроводящим выключателям (СПВ) постоянного тока, и может быть использовано, например, для коммутации тока сверхпроводящих магнитных систем и сверхпроводящих индуктивных накопителей энергии, в системах защиты сверхпроводящих обмоток электрических машин, сверхпроводящих кабелей и линий электропередачи.
Известны сверхпроводящие выключатели, управляемые импульсным магнитным полем, в которых перевод сверхпроводника отключающей обмотки в нормальное состояние осуществляется путем разряда конденсатора на обмотку управления [Глухих В.А. и др. Сверхпроводящая сильноточная коммутационная аппаратура. - В кн: Сверхпроводимость. Труды конференции по техническому использованию сверхпроводимости. - М.: Атомиздат, 1977, т.2, с.10-13]. СПВ, использующие магнитный способ управления, позволяют получить время выключения до 10 микросекунд. Однако при управлении выключателем, когда появляется сопротивление отключающей обмотки и часть рабочего тока выключателя переходит в цепь нагрузки, возникает необходимость повышения управляющего магнитного поля для более полного перевода отключающей обмотки СПВ в нормальное состояние, что ведет к увеличению мощности управляющего источника. С учетом малых времен ввода энергии управляющего импульса в отключающую обмотку мощность систем управления больших СПВ составляет десятки и сотни мегаватт. При этом энергия управления составляет большую величину.
Наиболее близким техническим решением является конструкция сверхпроводящего выключателя [Куроедов Ю.Д. Сверхпроводящий ключ с автоматической защитой. Авт. свид. №1189306. Заявл. 1984 г.]. Данное устройство содержит сверхпроводящую отключающую обмотку, подсоединенную своими выводами к выводам источника энергии, систему управления выключателем, состоящую из конденсатора, управляемого разрядника и основной обмотки управления, к выводам отключающей обмотки параллельно подключена цепь из нагрузки и дополнительной вспомогательной обмотки управления. При этом основная и вспомогательная обмотки управления размещаются на сверхпроводящей отключающей обмотке.
В таком СПВ при подаче запускающего импульса разрядник замыкается и конденсатор разряжается на основную обмотку управления. Возникшее при этом магнитное поле переведет в нормальное состояние часть сверхпроводящей отключающей обмотки, ток источника энергии перераспределится в цепь нагрузки, в которой включена вспомогательная обмотка управления. Возникающее при этом магнитное поле в вспомогательной обмотке управления складывается с магнитным полем основной обмотки управления и переводит большую часть отключающей обмотки в нормальное состояние. Наличие вспомогательной управляющей обмотки, в отличие от аналогов, позволяет уменьшить энергию, подводимую от системы управления.
Дополнительным положительным свойством выключателя является автоматический перевод отключающей обмотки в нормальное состояние при самопроизвольном нарушении ее сверхпроводимости, что повышает ресурс работы.
Y
O
Недостатком такого выключателя является то, что энергия системы управления затрачивается на создание управляющего магнитного поля во всем объеме отключающей обмотки. Энергия управляющего магнитного поля W, сосредоточенная в объеме V отключающей обмотки (внутренний объем основной обмотки управления), будет равна [Б.М.Яворский, Ю.А.Селезнев. Справочное руководство по физике. - М.: «Наука», 1984, с.185]:
0
m
O
где µ - магнитная постоянная; µ=1 - относительная магнитная проницаемость среды; B - максимальная индукция управляющего поля; V - объем отключающей обмотки, близкий к объему основной обмотки управления. Из выражения (1) следует, что затраты энергии управления прямо пропорциональны объему отключающей обмотки.
m
3
Известно, что сверхпроводник в сверхпроводящем состоянии является идеальным экраном для магнитного поля как собственного, так и внешнего. Поэтому в конструкциях СПВ очень большое влияние на диффузию управляющего магнитного поля в объем отключающей обмотки и, соответственно, на скорость перехода сверхпроводника в нормальное состояние оказывает скин-эффект, который связан с использованием электропроводящих (медных) токовводов и длинного сверхпроводника, уложенного в многослойный пакет бифилярным способом. Скин-эффект проявляется сильнее в мощных СПВ, имеющих массивные отключающие обмотки с большим количеством сверхпроводящего материала, что значительно ограничивает быстродействие таких выключателей. Для повышения скорости проникновения управляющего магнитного поля в композит (сверхпроводник + изоляция) массивной отключающей обмотки необходимо увеличивать максимальную индукцию B магнитного поля значительно выше ее значения для малой отключающей обмотки, что ведет к увеличению согласно (1) удельной энергии управления (Дж/м), т.е. к дополнительным затратам энергии управляющего устройства.
Независимо от величины сверхкритического магнитного поля нарушение сверхпроводящего состояния (образование нормальных зон) первоначально происходит не во всем объеме отключающей обмотки, а в его "слабых" участках, и сопротивление сверхпроводника на начальном этапе управления будет иметь малую величину.
9
10
9
10
8
Скин-эффект снижает эффективность магнитного способа управления, это препятствует разработке СПВ требуемой мощности 10-10 Вт с заданными характеристиками. Поэтому при построении крупных СПВ с рабочим напряжением сотни киловольт и коммутируемой мощностью 10-10 Вт целесообразно использовать принципы сложения мощностей отдельных модулей СПВ с единичной коммутируемой мощностью ~10 Вт путем их последовательно-параллельного соединения [Ларионов Б.А., Спевакова Ф.М., Столов A.M. Принципы сложения мощностей коммутирующих устройств при выводе энергии из индуктивного накопителя. - В кн.: Тез. докл. 1 Всесоюзн. конф. по импульсным источникам энергии. - М.: ИАЭ, 1983, с.157]. B случае использования СПВ прототипа в качестве отдельных модулей (секций) для создания, например, мощного СПВ общая энергия системы управления увеличивается пропорционально количеству модулей (секций) и достигает большой величины.
Задачей предлагаемого изобретения является создание СПВ с уменьшенными затратами энергии системы управления и увеличенным быстродействием.
Техническим результатом является снижение энергии системы управления выключателем и увеличение его быстродействия за счет воздействия основного управляющего магнитного поля на уменьшенный объем сверхпроводника в отключающей обмотке и последующего повышения величины рабочего тока во всем объеме сверхпроводника до сверхкритического значения.
Для решения данной задачи предлагается сверхпроводящий выключатель, содержащий, как и прототип, сверхпроводящую отключающую обмотку, выводы которой подсоединены к выводам источника энергии, систему управления, состоящую из соединенных последовательно конденсатора, основной обмотки управления и замыкающего прибора, к выводам отключающей обмотки параллельно подключена цепь из нагрузки и вспомогательной обмотки управления, в отличие от прототипа отключающая обмотка и вспомогательная обмотка управления состоят из равного числа N секций, причем секции отключающей обмотки соединены параллельно, а секции вспомогательной обмотки управления соединены последовательно, при этом основная обмотка управления расположена на первой секции отключающей обмотки, а секции вспомогательной обмотки управления расположены на одноименных секциях отключающей обмотки.
Изобретение иллюстрируется графическим материалом, где изображено:
1
N
1
N
Фиг.1 - Принципиальная электрическая схема устройства, где обозначено: 1 - сверхпроводящая отключающая обмотка, состоящая из секций K…K, где N - число секций выключателя, 2 и 3 - выводы источника энергии, 4 - система управления выключателем, содержащая конденсатор 5, основную обмотку управления 6 и замыкающий прибор 7, 8 - нагрузка, в которую передается энергия источника питания, 9 - вспомогательная обмотка управления, состоящая из секций L…L.
1
N
1
1
N
1
N
1
N
Устройство содержит сверхпроводящую отключающую обмотку 1, выполненную из параллельных секций K…K и подсоединенную своими выводами к выводам 2 и 3 источника энергии (например, сверхпроводящего индуктивного накопителя), систему управления 4 выключателем, состоящую из конденсатора 5, основной обмотки управления 6 и замыкающего прибора 7. Основная обмотка управления 6 расположена на первой секции K отключающей обмотки 1, на которую в начальный момент процесса переключения будет воздействовать внешнее магнитное поле основной обмотки управления 6. Параллельно выводам отключающей обмотки 1 подключена цепь из нагрузки 8 и соединенных последовательно секций L…L вспомогательной обмотки управления 9. Секции L…L вспомогательной обмотки управления 9 конструктивно размещены на одноименных секциях K…K отключающей обмотки 1.
Устройство работает следующим образом. Первоначально через выключатель течет рабочий ток
K1
K2
KN
1
2
N
Kmax
где I, I, …, I - величина рабочего тока в секциях K, K, …, K отключающей обмотки 1. Предельная величина рабочего тока I определяется устойчивостью СПВ к срывам сверхпроводящего состояния. Обычно выбирают
C
1
1
O
1
1
где I - критический ток выключателя [Разработка и исследование сильноточной сверхпроводящей коммутационной аппаратуры. - В кн.: Докл. Всесоюзн. совещ. по инженерным проблемам управляемого термоядерного синтеза. - Л.: НИИЭФА, 1975, т.3, с.181-194. Авт.: Глухих В.А. и др.; Менке X., Шишов Ю.Д. Модель сильноточного и высоковольтного сверхпроводящего выключателя. - Препринт Р8-7855. - Дубна, ОИЯИ, 1974]. В требуемый для срабатывания выключателя момент времени в системе управления 4 замыкается прибор 7 и предварительно заряженный конденсатор 5 разряжается на основную обмотку управления 6, охватывающую своими витками небольшой объем первой секции K отключающей обмотки 1 и создающую в этой области внешнее магнитное поле. При подъеме магнитного поля выше критического значения часть сверхпроводника секции K перейдет в нормальное состояние. Затраты энергии системы управления, как следует из (1), снижаются пропорционально уменьшению объема (V) отключающей обмотки, в которой создается управляющее магнитное поле (объем одной секции K), и пропорционально снижению требуемой величины максимальной индукции  управляющего магнитного поля, которое обусловлено меньшим влиянием экранирующего эффекта в малых отключающих обмотках по сравнению с массивными обмотками. Соответственно, время подъема внешнего магнитного поля до сверхкритического значения, его проникновение внутрь обмотки и нарушение сверхпроводимости секции K будет происходить за меньшее время, чем нарушение сверхпроводимости отключающей обмотки в устройстве прототипе.
1
K1
1
2
N
2
N
Срыв сверхпроводимости секции K и появление в ней даже небольшого сопротивления ведет к переходу тока I из секции K в параллельные сверхпроводящие секции K…K, имеющие нулевое сопротивление. При условии равенства индуктивностей секций K…K ток в каждой из них вырастет на величину
1
N
2
N
Вследствие бифилярного исполнения обмоток секции K…K имеют очень малые собственные индуктивности, составляющие десятые доли - единицы мкГн [Амелин Г.П., Блудов А.И., Гусельников В.И., Мащенко А.И. Быстродействующие сверхпроводящие фольговые выключатели. - ПТЭ, 1986, №5, с.193-195]. Поэтому перераспределение и рост рабочего тока в параллельных секциях K…K до сверхкритического значения происходит за очень короткий интервал времени Δt (десятые доли мкс), который определяется из выражения:
2
N
2
N
где U - напряжение на выводах отключающей обмотки 1; L - суммарная индуктивность секций K…K; ΔI - приращение рабочего тока в секциях K…K за интервал времени Δt.
1
N
Отметим, что в реальных конструкциях из-за технологических трудностей практически невозможно изготовить секции K…K с равными индуктивностями, они могут отличаться на несколько процентов. Поэтому срыв сверхпроводящего состояния будет происходить сначала в секциях с наименьшей индуктивностью, где скорость роста плотности рабочего тока будет наибольшей. Последовательно срыв сверхпроводимости произойдет в секциях с большей индуктивностью. Этот процесс очень скоротечен, так как при уменьшении эквивалентного сечения проводника оставшихся сверхпроводящих секций увеличивается доля рабочего тока, перешедшего из предыдущей нормальнопроводящей секции.
2
N
Процесс перехода сверхпроводника в нормальное состояние при токовом управлении выключателем идет не в "слабых" участках, как при магнитном управлении, а по всему объему (длине) сверхпроводника. Из-за малой собственной индуктивности отключающей обмотки и отсутствия экранирующего эффекта время срыва сверхпроводимости при токовом управлении значительно меньше, чем при управлении внешним магнитным полем. В момент времени, когда суммарный ток в каждой из секций K…K превысит критическое значение
C2
CN
2
N
где I…I - критический ток для секций K…K; произойдет нарушение сверхпроводимости во всей отключающей обмотке 1.
1
N
H
1
N
1
N
1
N
Срыв сверхпроводимости во всех секциях K…K отключающей обмотки 1 приведет, с одной стороны, к появлению тока I в цепи нагрузки 8 и созданию секциями L…L вспомогательной обмотки управления 9 внешнего магнитного поля в области всех секций K…K отключающей обмотки 1, а с другой, к быстрому проникновению этого магнитного поля в центральную часть объема секций K…K через образовавшиеся в сверхпроводнике нормальные зоны и полному переводу СПВ в нормальное состояние за малый интервал времени.
Поскольку срыв сверхпроводящего состояния основного объема отключающей обмотки 1 предлагаемого выключателя осуществляется сверхкритическим током, рост которого в сверхпроводнике не ограничивается размерами обмотки, как это происходит при управлении магнитным полем, то быстродействие такого выключателя будет выше, чем у СПВ прототипа.
1
2
N
1
N
Таким образом, в предлагаемом схемно-конструктивном решении реализуется управление внешним магнитным полем и сверхкритическим током выключателя, что повышает эффективность управления по сравнению с их раздельным воздействием. Энергия системы управления затрачивается на срыв сверхпроводимости только в малом объеме одной секции K отключающей обмотки 1, а срыв сверхпроводимости остальных секций K…K и полный эффективный перевод всей массы сверхпроводящего материала секций K…K отключающей обмотки в нормальное состояние осуществляется с большим быстродействием сверхкритическим током и внешним магнитным полем от силового источника энергии, для коммутации электрической цепи которого используется СПВ.
1
N
2
2
N
1
N
2
В случае самопроизвольного нарушения сверхпроводимости любой из параллельных секций K…K отключающей обмотки 1, например секции K, ее сопротивление возрастает, ток из секции K перераспределяется в другие сверхпроводящие секции и, превысив сверхкритическое значение, переводит частично эти секции в нормальное состояние. Появившееся сопротивление отключающей обмотки 1 ведет к росту тока I в цепи нагрузки 8 и магнитное поле вспомогательной обмотки управления 9 производит полный перевод всех секций K…K отключающей обмотки 1 в нормальное состояние. При этом уменьшается величина удельных энерговыделений в секции K и обеспечивается контролируемый безаварийный вывод энергии из индуктивного накопителя в нагрузку 8, что повышает надежность выключателя.
1
1
N
1
2
N
Объем секции K может быть в N раз меньше, чем объем отключающей обмотки СПВ прототипа при равной коммутируемой мощности выключателей. Процесс переключения предлагаемого СПВ имеет высокую эффективность при использовании не более 10 секций (N≤10) отключающей обмотки 1. При большем числе секций K…K (N>10) приращение рабочего тока (менее 1/10 части номинального рабочего тока) после срыва сверхпроводимости первой секции K может быть недостаточным для превышения суммарным рабочим током критической величины во всех сверхпроводящих секциях (K…K) отключающей обмотки 1.
Анализ показывает, что при равной коммутируемой мощности выключателей в предлагаемом СПВ, по сравнению с прототипом, примерно в N раз снижается энергия, потребляемая от системы управления на переключение отключающей обмотки выключателя из сверхпроводящего в нормальное состояние, либо при равных затратах энергии системы управления общая коммутируемая мощность предлагаемого устройства с параллельным соединением секций будет в N раз больше, чем у прототипа.
9
8
Эффективность использования предлагаемого схемно-конструктивного решения увеличивается в случае, если требуется построить сильноточный СПВ мощностью порядка 10 Вт на основе модулей мощностью ~10 Вт путем их параллельного соединения. Поскольку в предлагаемом устройстве имеется одна система управления, которая воздействует только на один, первый модуль (секцию) выключателя, соответственно и энергия управления и количество элементов системы управления (конденсаторов, их зарядных устройств, замыкающих приборов со схемами запуска, основных обмоток магнитного поля) будет в N раз меньше, чем у сильноточного СПВ на основе модулей прототипа. Это упрощает схему системы управления, повышает надежность работы, облегчает условия эксплуатации и обслуживания, снижает стоимость СПВ.
Пример реализации устройства.
1
5
1
5
1
5
K
C
K1
KN
C1
CN
8
СПВ содержит отключающую обмотку 1, систему управления 4 и вспомогательную управляющую обмотку 9. Отключающая обмотка 1 состоит из пяти (N=5) параллельных секций K…K, токонесущим элементом является сверхпроводящая ниобий-титановая фольга НТ-50, толщиной ~18 мкм и шириной 16 мм. Каждая секция K…K выполнена в виде пакета из уложенной бифилярно фольги, с изоляцией между слоями. Параметры выключателя: рабочий ток 6 кА, рабочее напряжение до 80 кВ (коммутируемая мощность 4,8·10 Вт), общее сопротивление отключающей обмотки 1 в нормальном состоянии при температуре Т=10 К составляет 70 Ом. Сопротивление каждой секции K…K при этом равно ~350 Ом. Критический ток выключателя по испытаниям, проведенным в НИИ ядерной физики, равен ~7,2 кА. Выбранное соотношение рабочего и критического токов I/I=0,83. Величина токов по секциям составит: рабочий ток I…I=1200 А, критический ток I…I=1440 А.
1
1
3
На 1-й секции K отключающей обмотки 1 расположена основная управляющая обмотка 6 системы управления 4, представляющая собой прямоугольный соленоид с размерами 16×150×115 мм, близкими к размерам секции K. Обмотка 6 выполнена из многожильного медного провода диаметром ⌀2,5 мм в тефлоновой изоляции и имеет четыре витка.
1
5
1
5
3
2
Отключающая обмотка 1 собрана в единый модуль с параллельным соединением секций K…K. Снаружи модуля, включая и основную обмотку управления 6, расположена вспомогательная обмотка управления 9, состоящая из последовательных секций L…L и представляющая собой прямоугольный соленоид с размерами 80×160×125 мм и общим числом витков, равным двенадцати. Проводником является медный провод прямоугольного сечения 3,5×8 мм.
Данный СПВ может применяться для эвакуации энергии, например, из сверхпроводящего индуктивного накопителя в нагрузку 8 с сопротивлением 7 Ом при КПД передачи 0,9. Переход выключателя из сверхпроводящего состояния в нормальное выполняется под действием внешнего магнитного поля и сверхкритического тока.
1
Процесс переключения СПВ начинается с замыкания прибора 7, разряда конденсатора 5 системы управления 4 на основную обмотку управления 6 и подъема управляющего магнитного поля выше его критического значения для сверхпроводника в объеме 1-й секции K отключающей обмотки 1.
1
При токе в основной обмотке управления 1200 А величина индукции В магнитного поля в области сверхпроводника 1-й секции K отключающей обмотки 1 определяется из выражения:
0
-7
где I=1200 A - ток в основной управляющей обмотке системы управления; w=4 - число витков основной управляющей обмотки; l=0,016 м - аксиальная длина обмотки; µ=4π10 Гн/м - магнитная постоянная.
1
Величина энергии магнитного поля, воздействующего на 1-ю секцию K отключающей обмотки 1, определяется с учетом объема, охваченного витками основного управляющего соленоида 6:
C
1
-3
3
где V=0,016·0,15·0,115=0,276·10 м - объем основного управляющего соленоида 6, расположенного на первой секции K отключающей обмотки 1.
1
2
5
K2
KN
K2
KN
K2
KN
C2
CN
H
H
1
5
1
5
Такая величина управляющего магнитного поля является достаточной для срыва сверхпроводящего состояния секции K, появления сопротивления этой секции и перехода ее рабочего тока в параллельные секции K…K. Приращение тока в каждой секции составит ΔI…ΔI=1200/4=300 А, а сумма I…I+ΔI…ΔI=1200+300=1500 А, что превышает критическое значение I…I=1440 А и вся отключающая обмотка 1 выходит из сверхпроводящего состояния. Появление сопротивления отключающей обмотки 1 способствует появлению и росту тока I в цепи нагрузки 8 и вспомогательной обмотки управления 9. При переходе 10% сверхпроводника отключающей обмотки 1 в нормальное состояние ее сопротивление составит ~7 Ом и в цепи нагрузки 8 величина тока I будет равна 3000 А. При таком токе секции L…L вспомогательной обмотки управления 9 создают магнитное поле с индукцией В=0,565 Т (7) в области отключающих секций K…K, которое, проникая через нормальные зоны в сверхпроводнике, переводит полностью отключающую обмотку 1 в нормальное состояние.
1
Таким образом, в предлагаемом устройстве энергоемкость системы управления 4 должна быть рассчитана на нарушение сверхпроводящего состояния только в одной, 1-й секции K, то есть в 1/5 части объема отключающей обмотки 1 выключателя.
8
3
В выключателе, выполненном как прототип, в виде единичного модуля с параметрами, аналогичными параметрам предлагаемого СПВ (6 кА, 80 кВ, 4,8·10 Вт), основная обмотка управления охватывает своими витками всю отключающую обмотку и имеет близкие к ней размеры, равные 80×150×115 мм. Число витков - двадцать. Для нарушения сверхпроводимости отключающей обмотки, с целью инициирования процесса перехода тока индуктивного накопителя в цепь нагрузки, необходим подъем управляющего магнитного поля во всем объеме отключающей обмотки до той же величины (0,377 Т), как и в предлагаемом устройстве. Здесь не учитывается требуемое увеличение магнитного поля в более массивной отключающей обмотке для компенсации влияния скин-эффекта из-за сложности его расчета. При этом величина энергии управляющего магнитного поля, воздействующего на всю отключающую обмотку, определяется с учетом объема основной обмотки управления СПВ прототипа:
O
-7
3
где V=0,08·0,15·0,115=1,38·10 м - объем апертуры основного управляющего соленоида, расположенного на отключающей обмотке СПВ прототипа.
Таким образом, в устройстве прототипе энергоемкость системы управления должна быть рассчитана на нарушение сверхпроводимости во всем объеме отключающей обмотки выключателя.
m
Величина энергии системы управления 4 сверхпроводящим выключателем предлагаемой конструкции в конкретном примере, с числом секций N=5, уменьшается по сравнению с прототипом в 5 раз. С учетом влияния экранирующего эффекта разница в затратах энергии управления будет еще больше, так как снижение требуемой максимальной индукции B управляющего магнитного поля в предлагаемом выключателе из-за меньшего влияния скин-эффекта, например на 40%, ведет к уменьшению энергии магнитного поля согласно (1) еще в 2 раза и снижение энергии системы управления при этом по сравнению с прототипом уже будет в ~10 раз.
Таким образом, в предлагаемом сверхпроводящем выключателе, управляемом импульсным магнитным полем, осуществляется уменьшение энергии системы управления при увеличении быстродействия путем воздействия основного управляющего магнитного поля на уменьшенный объем сверхпроводника в отключающей обмотке с последующим повышением величины рабочего тока во всей массе сверхпроводника до сверхкритического значения, что достигается секционированием выключателя и подключением системы управления только к одной, первой секции отключающей обмотки.