СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ РАЗМЫКАТЕЛЬ
SUPERCONDUCTIVE QUICK-ACTING CIRCUIT BREAKER

Изобретение относится к электротехнике, в частности к сверхпроводящим размыкателям (СПР) постоянного тока многократного действия, и может быть использовано, например, для ввода и вывода энергии сверхпроводящих магнитных систем, в системах защиты сверхпроводящих обмоток электрических машин, сверхпроводящих кабелей и линий электропередачи.
Известен сверхпроводящий размыкатель, который содержит отключающий элемент, выполненный в виде двух последовательно соединенных секций из сверхпроводников, к выводам этих секций подсоединена схема управления, состоящая из двух последовательных и встречно заряженных конденсаторов, между точкой соединения конденсаторов и точкой соединения проводников секций отключающего элемента включен управляемый замыкающий прибор [Development of a Superconducting Switch for Magnetic Energy Storage Systems. IEEE Transactions on Magnetics, 1975, MAG-11, №2, pp.594-597. Auth.: Lindsay J.D.G., Blevins D.J., Laquer H.L., Miranda G.A., Rogers J.D., Swannack C.E., Weldon D.M.]. Достоинством такого СПР является то, что из-за встречного заряда последовательно соединенных конденсаторов и, соответственно, их встречного разряда на двухсекционный отключающий элемент управляющее напряжение, которое может превышать величину рабочего напряжения, не прикладывается к сильноточному источнику и нагрузке. При этом ограничивается также и разряд управляющих конденсаторов на нагрузку после срыва сверхпроводящего состояния отключающего элемента. Исключение влияния цепей управления СПР на сильноточный источник (например, сверхпроводящую магнитную систему) и нагрузку является очень важным положительным фактором для практического применения таких СПР. Кроме того, требуемая величина управляющего напряжения в схеме СПР снижается в два раза, а это позволяет использовать более распространенные низковольтные конденсаторы.
Существенным недостатком такого СПР является большая величина энергии управления. Это обусловлено тем, что в данном размыкателе управляющий ток в проводнике одной из двух секций отключающего элемента имеет встречное направление с рабочим током, что требует значительного увеличения энергии схемы управления размыкателем.
Наиболее близким по техническому решению является сверхпроводящий размыкатель, содержащий отключающий элемент, выполненный в виде двух последовательно соединенных фольговых проводников из сверхпроводящего материала, к выводам которых подключены выводы двух последовательно соединенных и заряженных разнополярно конденсаторов, между точкой соединения конденсаторов и точкой соединения проводников отключающего элемента включен замыкающий прибор, причем проводники отключающего элемента сложены между собой через изоляционный материал бифилярно, а совместно проводники отключающего элемента уложены в индуктивную обмотку [RU 2487439].
Здесь токовое управление размыкателем осуществляется с дополнительным воздействием на сверхпроводник управляющего магнитного поля и поэтому токонесущая способность сверхпроводника в процессе управления снижается, а интенсивность его перевода в нормальное состояние увеличивается по сравнению с управлением только импульсом тока. Это снижает расход энергии схемы управления. Кроме того, в таком СПР для создания управляющего магнитного поля используются проводники самого отключающего элемента, уложенные вместе в индуктивную обмотку, которая только в период управления, то есть разряда управляющих конденсаторов на эти проводники, создает магнитное поле в объеме отключающего элемента. При этом в размыкателе нет отдельной управляющей обмотки, что снижает расходы на его изготовление.
В конструкции отключающего элемента такого размыкателя всегда имеется некоторый внутренний объем цилиндрической формы, не заполненный сверхпроводником. Это обусловлено, во-первых, технологией намотки индуктивной обмотки с использованием жесткого каркаса, требующей свободного пространства в центральной области, и, во-вторых, необходимостью размещения внутри обмотки одного из токовводов схемы управления, подсоединяемого к средней точке двух сверхпроводников, расположенной на внутренней поверхности обмотки. Токоввод должен быть достаточно массивным, чтобы иметь механическую прочность, ограничивающую его колебания в среде хладагента при импульсном микросекундном вводе управляющего тока величиной до 10 кА. А место подсоединения токоввода к сверхпроводящей фольге должно осуществляться пайкой на большой площади, чтобы уменьшить сопротивление контакта. Это связано с тем, что уровень механических колебаний и контактное сопротивление протеканию большого тока определяют количество тепла, выделившегося в низкотемпературном объеме в процессе управления и, тем самым, интенсивность испарения хладагента, стабильность и ресурс работы размыкателя. Поэтому в конструкции такого размыкателя внутренняя область, свободная от сверхпроводника, с учетом указанных факторов, должна иметь значительные размеры относительно общих габаритов устройства.
Наличие объема внутри обмотки отключающего элемента, через который замыкается магнитный поток, создаваемый управляющим током, и не воздействующий на сверхпроводник, ведет к дополнительному расходу энергии схемы управления, что является недостатком известного СПР.
Кроме того, не выгодная энергетически для разрушения сверхпроводящего состояния параллельная ориентация управляющего магнитного поля относительно плоскости ленточного сверхпроводника (фольги) отключающего элемента снижает эффективность его перевода в нормальное состояние и увеличивает время выключения СПР.
Задачей предлагаемого изобретения является создание сверхпроводящего размыкателя с повышенной эффективностью управления и увеличенным быстродействием.
Техническим результатом является повышение эффективности управления размыкателем и увеличение его быстродействия путем повышения объемной плотности энергии управляющего магнитного поля и путем увеличения ее радиальной компоненты в области фольгового сверхпроводника отключающего элемента.
Указанный технический результат достигается тем, что в сверхпроводящем быстродействующем размыкателе, содержащем, как и прототип, отключающий элемент, выполненный в виде двух последовательно соединенных фольговых проводников из сверхпроводящего материала, к выводам которых подключены выводы двух последовательно соединенных и заряженных разнополярно конденсаторов, между точкой соединения конденсаторов и точкой соединения проводников отключающего элемента включен замыкающий прибор, проводники отключающего элемента сложены между собой через изоляционный материал бифилярно, а вместе эти проводники уложены в индуктивную обмотку, в отличие от прототипа, в центральную область отключающего элемента помещен медный стержень круглого сечения, с ровной или волнообразной в осевом направлении боковой поверхностью.
Для уменьшения количества материала и снижения веса целесообразно, чтобы стержень имел замкнутую полость, при этом толщина его стенки должна превышать глубину проникновения магнитного поля на частоте управления.
Целесообразно стержень подключать к точке соединения проводников отключающего элемента с замыкающим прибором, при этом он будет дополнительно выполнять функции токоввода схемы управления.
Изобретение иллюстрируется графическим материалом, где изображено:
Р
У
У2
У3
У2
У3
У
Чертеж - Схема сверхпроводящего быстродействующего размыкателя, где обозначено: 1 - отключающий элемент, содержащий два фольговых проводника 2 и 3 из сверхпроводящего материала; 4 и 5 - конденсаторы схемы управления, 6 - управляемый замыкающий прибор; 7 - изоляционный материал; 8 - медный стержень круглого сечения. I - рабочий ток размыкателя; I=I+I - суммарный ток управляющих конденсаторов 4 и 5; I - ток управляющего конденсатора 4, протекающий по проводнику 2; I - ток управляющего конденсатора 5, протекающий по проводнику 3; H - вектор напряженности управляющего магнитного поля. Направления токов и силовых линий магнитного поля показаны для случая выбранной полярности конденсаторов 4 и 5.
Устройство содержит отключающий элемент 1, выполненный в виде двух фольговых проводников 2 и 3 из сверхпроводящего материала и соединенных последовательно. Параллельно выводам проводников 2 и 3 отключающего элемента 1 подключены выводы двух конденсаторов 4 и 5, соединенных последовательно и заряженных разнополярно. Точка соединения проводников 2 и 3 отключающего элемента 1 подключена к точке соединения конденсаторов 4 и 5 через замыкающий прибор 6. Проводники 2 и 3 отключающего элемента 1 сложены через изоляционный материал 7 бифилярно между собой. В то же время проводники 2 и 3, сложенные в бифиляр, совместно конструктивно уложены в индуктивную обмотку отключающего элемента 1. В центральную область отключающего элемента 1 помещен медный стержень 8, с боковой поверхностью, выполненной ровной или волнообразной в осевом направлении, и с замкнутой полостью, при этом толщина его стенки превышает глубину проникновения магнитного поля на частоте управления. Стержень 8 подсоединен к средней точке бифилярно уложенных проводников 2 и 3 и дополнительно выполняет функцию токоввода схемы управления.
Р
Р
У2
P
У3
Р
У2
У3
У
Сверхпроводящий быстродействующий размыкатель работает следующим образом. В установившемся режиме по проводникам 2 и 3 отключающего элемента 1, находящимся в сверхпроводящем состоянии с нулевым сопротивлением, течет рабочий ток размыкателя I. Поскольку проводники 2 и 3 сложены между собой бифилярно, то из-за встречного направления рабочего тока I в этих проводниках происходит хорошая компенсация их собственных магнитных полей в обмотке отключающего элемента 1. Токонесущая способность отключающего элемента 1 при этом близка к критическому току короткого образца используемого сверхпроводника. Срабатывание размыкателя производится подачей запускающего импульса на замыкающий прибор 6. Предварительно заряженные разнополярно конденсаторы 4 и 5 схемы управления, разряжаются на проводники 2 и 3, находящиеся в сверхпроводящем состоянии. Конденсатор 4 разряжается на проводник 2 током I согласно с протекающим здесь рабочим током I, а конденсатор 5 разряжается на проводник 3 током I встречно с рабочим током I. В это же время токами I и I, текущими в одном пространственном направлении по проводникам 2 и 3, уложенным совместно в виде индуктивной обмотки, создается управляющее магнитное поле H, перпендикулярное направлению суммарных токов в проводниках 2 и 3.
У
Изменение управляющего магнитного поля H в микросекундном диапазоне времени ведет к тому, что магнитный поток за счет поверхностного эффекта [Л.Р. Нейман и К.С. Демирчан. Теоретические основы электротехники. Том второй. «Энергия». 1967, с.366] экранируется медным стержнем 8 от внутренней области и концентрируется между наружной поверхностью этого стержня и поверхностью внутренних витков обмотки отключающего элемента 1. При равных с устройством прототипом схемно-конструктивных параметрах в предлагаемом устройстве происходит увеличение объемной плотности энергии управляющего магнитного поля пропорционально уменьшению центрального объема отключающего элемента 1 после размещения в нем медного стержня 8. Использование дополнительной энергии позволяет повысить эффективность управления размыкателем либо уменьшить первоначальную энергию схемы управления по сравнению с прототипом на аналогичные параметры по времени выключения.
У
R
R
У
У
При выполнении боковой поверхности стержня 8 волнообразной силовые линии магнитного поля, повторяя конфигурацию поверхности стержня, приобретают волнообразный характер. Волнообразное распределение силовых линий управляющего магнитного поля Н увеличивает его радиальную компоненту H, перпендикулярную плоскости фольговых проводников 2 и 3. Известно, что критическая плотность тока сверхпроводящей фольги сильно снижается в зависимости от роста радиальной компоненты магнитного поля, перпендикулярной току и плоскости фольги [Глухих В.А. и др. Сверхпроводящая сильноточная коммутационная аппаратура. - В кн.: Сверхпроводимость. Тр. конф. по техническому использованию сверхпроводимости. - М.: Атомиздат, 1977, т.2, с.10-13]. Поэтому те участки сверхпроводников 2 и 3, на которые воздействует магнитное поле с наибольшим значением радиальной компоненты H, первыми переходят в нормальное состояние. Через эти нормальные зоны управляющее магнитное поле Н проникает к следующим слоям сверхпроводника в отключающем элементе 1 и также переводит их в нормальное состояние. Интенсивность разрушения сверхпроводимости увеличивается, так как перевод в нормальное состояние будет происходить при меньшей величине напряженности управляющего магнитного поля H, чем в устройстве-прототипе. Подъем магнитного поля до меньшего критического значения будет происходить за меньшее время, что позволяет увеличить быстродействие размыкателя и дополнительно снизить затраты энергии управления.
R
Таким образом, в предлагаемом размыкателе за счет более высокой концентрации управляющего магнитного поля во внутренних слоях отключающего элемента 1 и большей радиальной компоненты управляющего магнитного поля H быстрее достигаются критические характеристики сверхпроводящего материала, что ведет к его переводу в нормальное состояние при меньшей энергии управления и за меньшее время, чем в устройстве прототипе. При таком механизме воздействия интенсивность разрушения сверхпроводимости увеличивается и, вследствие этого, эффективность использования энергии схемы управления значительно возрастает.
Р
У
Пример выполнения сверхпроводящего быстродействующего размыкателя. Размыкатель содержит отключающий элемент 1, управляющие конденсаторы 4 и 5, замыкающий прибор 6 и медный стержень 8. Отключающий элемент 1 состоит из двух, соединенных последовательно, проводников 2 и 3, которые представляют собой сверхпроводящую ниобий-титановую фольгу НТ-50 без медного стабилизирующего покрытия, толщиной ~18 мкм и шириной 80 мм. Проводники 2 и 3 сложены бифилярно между собой через трехслойную изоляцию 7 из синтофлекса марки 616 Ф, что обеспечивает весьма малую индуктивность пары вследствие хорошей компенсации собственных магнитных полей и высокую электрическую прочность. Но вместе эти проводники уложены в индуктивную обмотку в виде плоской спирали. Такое выполнение отключающего элемента 1 позволяет в режиме постоянного тока пропускать рабочий ток I, близкий к критическому току короткого образца, а в период управления отключающий элемент 1 создает в своем объеме управляющее магнитное поле с напряженностью H, воздействующее на собственный сверхпроводник 2 и 3.
Р
Р
К
Параметры сверхпроводящего быстродействующего размыкателя: рабочий ток I=6кА, рабочее напряжение U=5кВ, сопротивление R отключающего элемента 1 в нормальном состоянии при температуре Т=10К составляет 5 Ом. Геометрические размеры отключающего элемента 1, выполненного в виде плоской спиральной обмотки: d=80 мм - средний диаметр обмотки, a=80 мм и r=40 мм - длина (ширина фольги) и радиальная толщина обмотки. N=22 - число витков обмотки отключающего элемента 1. Средний диаметр медного сплошного и полого внутри стержня 8 с волнообразной боковой поверхностью равен 30 мм, длина - 80 мм. Генератор управляющих импульсов выполнен на конденсаторах 4 и 5 типа ИК-100-01У4 с емкостью 0,15 мкФ. Индуктивность разрядного контура управления составляет 15 мкГн. Замыкающий прибор 6 состоит из двух игнитронных разрядников ИРТ-6 (25 кВ, 100 кА).
Оценим затраты энергии управления таким размыкателем при одинаковой объемной плотности энергии управляющего магнитного поля в центральной области отключающего элемента 1 до (по прототипу) и после размещения в ней стержня 8 (по заявляемому устройству).
Энергия управляющего магнитного поля, сосредоточенная во внутреннем объеме отключающего элемента 1 после размещения стержня 8 будет равна [Б.М. Яворский, Ю.А. Селезнев. Справочное руководство по физике. - М.: «Наука», 1984, с.185]
М
М
3
где H=495·10 А/м - максимальная напряженность управляющего магнитного поля в центре объема (индукция В=0,62 Т);
0
µ - магнитная постоянная;
µ=1 - относительная магнитная проницаемость среды;
Х
V - внутренний объем отключающего элемента 1 после размещения медного стержня 8;
0
С
V - внутренний объем отключающего элемента 1 без медного стержня 8; V - объем медного стержня 8.
0
С
Поскольку объем V уменьшился после размещения в центральной области отключающего элемента 1 металлического стержня 8 с объемом V, то требуемая величина энергии схемы управления в предлагаемом размыкателе также пропорционально уменьшится. Для геометрических параметров размыкателя, аналогичных прототипу, объем внутренней области с магнитным потоком уменьшится примерно в 2, 3 раза, во столько же раз, согласно уравнению (1), уменьшится энергия магнитного поля, сосредоточенная в этом объеме при равной с прототипом плотности магнитного потока. С учетом того, что для данной конструкции отключающего элемента 1 около половины энергии схемы управления расходуется на рассеянное магнитное поле, включая магнитное поле в объеме сверхпроводника 2 и 3 отключающего элемента 1, общая энергия управления снижается в ~1,4 раза. Если в прототипе для переключения размыкателя необходимо было затратить энергию от схемы управления 30 Дж при напряжении управляющих конденсаторов, равном 20 кВ, то в предлагаемом устройстве с такими же коммутационными характеристиками требуется энергия управления 21,5 Дж при напряжении конденсаторов 4 и 5 около 17 кВ.
Х
Х
0
У
Х
Если напряжение управляющих конденсаторов поднять до 20 кВ, то плотность энергии управляющего магнитного поля в объеме V увеличится в 2, 3 раза, обратно пропорционально отношению объемов V и V. В динамическом процессе управления в микросекундном диапазоне времени картина распределения поля H будет не равномерной по объему V и объему, занятому сверхпроводником 2 и 3, а с наибольшей концентрацией силовых линий на внутренних витках обмотки отключающего элемента 1. С этой области и начинается процесс разрушения сверхпроводимости и перевода размыкателя в нормальное состояние. Воздействие на сверхпроводник повышенного, по сравнению с прототипом, значения управляющего магнитного поля увеличивает эффективность управления размыкателем.
У
Следует отметить, что в приведенном выше примере медный стержень 8 имеет ровную боковую поверхность, а не волнообразную. Положительный эффект достигается здесь только экранированием и вытеснением управляющего магнитного поля Н из центральной области отключающего элемента 1 и его повышенной концентрацией у витков сверхпроводника размыкателя, то есть повышенной объемной плотностью энергии управляющего магнитного поля.
У
У
У
R
Р
У
Оценку влияния управления импульсами тока и магнитного поля с компонентой, ориентированной перпендикулярно направлению тока в фольге и плоскости фольги, можно провести по опытным данным, опубликованным в литературе. Известно [Глухих В.А. и др. Сверхпроводящая сильноточная коммутационная аппаратура. - В кн.: Сверхпроводимость. Тр. конф. по техническому использованию сверхпроводимости. - М.: Атомиздат, 1977, т.2, с.10-13], что величина критической плотности тока фольги из ниобий-титанового сплава НТ-50 в приложенном магнитном поле индукцией (0,2-0,6) Т с ориентацией, перпендикулярной току и плоскости фольги, меньше в 4-5 раз величины плотности тока в поле, перпендикулярном току, но параллельном плоскости фольги. Известно также, что минимальное радиальное поле, при котором начинается переход в нормальное состояние, составляет около 1 кЭ (0,1 Т) [К. Grawatsch et al. Investigations for the Development of Superconducting Power Switches. IEEE Trans, on Magnetics, vol. MAG-11, №2, 1975, р.587]. При указанных выше электрических параметрах контура схемы управления размыкателем подъем управляющего магнитного поля Н до максимального значения будет происходить за 2,4 мкс, а величина радиальной компоненты H магнитного поля при ориентации вектора Н относительно плоскости фольги под углом, например, 45 градусов будет составлять 0,45 Т. Тогда подъем магнитного поля до критического значения 0,1 Т будет осуществляться за время менее 1 микросекунды. Это уменьшает по сравнению с прототипом время перевода в нормальное состояние тех продольных участков сверхпроводника, на которые воздействует перпендикулярная компонента магнитного поля H. При этом транспортный ток, равный сумме рабочего тока I и управляющего тока I, перераспределяется в сверхпроводящие участки фольги не имеющие сопротивления, увеличивая в них плотность тока, на которые воздействует и проникающее через нормальные области магнитное поле, и они также переводятся в нормальное состояние. Уменьшается время перехода из сверхпроводящего в нормальное состояние всего отключающего элемента 1. По проведенным оценкам быстродействие такого размыкателя может быть выше, чем у прототипа, в 1,5-2 раза.
Таким образом, в предлагаемом сверхпроводящем размыкателе осуществляется повышение эффективности управления и быстродействия путем экранирования и вытеснения управляющего магнитного поля из центрального объема отключающего элемента к сверхпроводнику, повышения объемной плотности энергии управляющего магнитного поля и увеличения перпендикулярной плоскости сверхпроводящей фольги и току в ней компоненты управляющего магнитного поля во внутренних слоях отключающего элемента, что достигается за счет размещения в центральной области отключающего элемента медного стержня с волнообразной в осевом направлении боковой поверхностью.
За счет выполнения стержня полым, но с замкнутой поверхностью уменьшается расход металла и вес устройства.
Подключением стержня к точке соединения сверхпроводников с замыкающим прибором осуществляется совмещение в одном элементе функций экрана магнитному полю и токового ввода схемы управления.
На базе предлагаемого размыкателя могут быть созданы высоковольтные и/или сильноточные СПР с требуемым числом последовательно-параллельно соединенных модулей.