СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ РАЗМЫКАТЕЛЬ
SUPERCONDUCTIVE CIRCUIT BREAKER

Изобретение относится к электротехнике, в частности к сверхпроводящим размыкателям (СПР) постоянного тока многократного действия, и может быть использовано, например, для вывода энергии из сверхпроводящих магнитных систем, в системах защиты сверхпроводящих обмоток электрических машин, сверхпроводящих кабелей и линий электропередачи, а также для коммутации токов в цепях с сильноточными источниками.
Известен сверхпроводящий размыкатель, содержащий отключающий элемент, выполненный из сверхпроводящего материала, и цепь управления из последовательно соединенных между собой управляющего конденсатора с зарядным устройством, управляющей обмотки и замыкающего прибора [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]. Перевод размыкателя в нормальное состояние осуществляется импульсом магнитного поля, которое создается управляющей обмоткой и является критическим для сверхпроводящего материала. При управлении магнитным полем сильно проявляется экранирующий эффект сверхпроводника и массивных медных токовводов, который снижает скорость проникновения внешнего магнитного поля внутрь отключающего элемента тем больше, чем больше габариты СПР, и тем самым ведет к требованию ограничения размеров отключающего элемента и, соответственно, к ограничению мощности, коммутируемой единичным размыкателем. Кроме того, из-за экранирования управляющего магнитного поля переход сверхпроводника в нормальное состояние происходит первоначально в «слабых» местах, где плотность рабочего тока и магнитного поля достигают наибольшего (критического) значения. Более полный перевод всей массы сверхпроводника в нормальное состояние и за меньшее время требует повышения величины магнитного поля, т.е. повышается расход энергии управляющего устройства. Использование в конструкции СПР отдельной управляющей обмотки, генерирующей внешнее для сверхпроводника магнитное поле, увеличивает также и расходы на размыкатель.
Более простым способом управления сверхпроводящим размыкателем при времени выключения около 10 мкс, т.е. с большим быстродействием, является перевод отключающего элемента в нормальное состояние импульсом тока, величина которого является критической для сверхпроводящего материала [X.Менке, Ю.А.Шишов. Модель сильноточного и высоковольтного сверхпроводящего выключателя. - Препринт Р8-7855. - Дубна, ОИЯИ, 1974, с.5]. При этом управляющее напряжение прикладывается непосредственно к отключающему элементу. На скорость подъема тока в проводнике экранирующий эффект не оказывает влияние. В то же время при срыве сверхпроводимости сверхкритической плотностью тока происходит образование нормальных зон по всей длине сверхпроводника, что способствует более равномерному и быстрому его переходу в нормальное состояние. Однако воздействие высокого управляющего напряжения, которое может даже превышать величину рабочего напряжения, является нежелательным как для сильноточного источника, например сверхпроводящей магнитной системы, так и для нагрузки. Кроме того, при непосредственном включении управляющего конденсатора на отключающий элемент СПР после срыва сверхпроводящего состояния будет происходить его быстрый разряд на более низкоомное, чем отключающий элемент, сопротивление нагрузки, что также является большим недостатком устройства.
Наиболее близкой по технической сущности является конструкция сверхпроводящего размыкателя, широко используемая в экспериментах по коммутации постоянного тока [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.]. Данное устройство, выбранное за прототип, 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 которых и точкой соединения проводников секций отключающего элемента включен управляемый замыкающий прибор. Достоинством такого СПР является то, что из-за встречного заряда последовательно соединенных конденсаторов и, соответственно, их встречного разряда на двухсекционный отключающий элемент управляющее напряжение 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 прототипа является большая величина энергии управления. Это обусловлено тем, что в данном схемно-конструктивном решении рабочий ток в проводнике одной из двух секций отключающего элемента имеет встречное направление с управляющим напряжением. При этом основной прирост сопротивления этой секции происходит на второй полуволне управляющего тока, после перезаряда соответствующего конденсатора, что и является фактором, требующим значительного увеличения энергии схемы управления размыкателем.
Задачей предлагаемого изобретения является создание СПР с уменьшенными затратами энергии схемы управления.
Технический результат заключается в снижении энергии схемы управления размыкателем путем повышения величины собственного магнитного поля отключающего элемента в интервале времени процесса управления.
Указанный технический результат достигается тем, что в сверхпроводящем размыкателе, содержащем, как и прототип, отключающий элемент, выполненный в виде двух последовательно соединенных 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, в отличие от прототипа проводники отключающего элемента сложены между собой через изоляционный материал бифилярно, а вместе эти проводники уложены в индуктивную обмотку.
0
У
У2
У3
У2
У3
У
Изобретение иллюстрируется графическими материалами. Фиг.1 - схема примера выполнения устройства, где обозначено: 1 - отключающий элемент, содержащий два проводника 2 и 3 из сверхпроводящего материала; 4 и 5 - конденсаторы схемы управления, заряженные разнополярно; 6 - замыкающий прибор; 7 - изоляционный материал; 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; Н - напряженность управляющего магнитного поля.
0
C
4
5
2
0
У2
3
0
У3
0
У2
У3
У
У2
У3
У2
У3
2
3
К
0
2
У
1
2
2
3
3
4
У3
У3
5
У
6
Фиг.2 - качественные временные зависимости напряжений U, токов I, напряженности магнитного поля H и сопротивления R в СПР. I и I - рабочий и критический токи размыкателя; U и U - напряжения управляющих конденсаторов 4 и 5; I=I+|I| и I=I+|I| - токи в проводниках 2 и 3 отключающего элемента 1, равные алгебраической сумме рабочего тока I и токов управления I и I; Н - напряженность управляющего магнитного поля, воздействующего на сверхпроводники 2 и 3 и создаваемого управляющим током, протекающим в обмотке отключающего элемента 1 в процессе управления; Н и Н - напряженности магнитных полей, возникающих при протекании управляющих токов I и I соответственно по проводникам 2 и 3; R, R и R - сопротивления проводников 2 и 3 и суммарное сопротивление отключающего элемента 1, развитое за время управления; t - время начала процесса управления размыкателем, соответствующее началу роста тока I и напряженности (+)Н управляющего магнитного поля, создаваемого управляющим током, протекающим в проводниках отключающего элемента 1; t - время срыва сверхпроводящего состояния и появления резистивного сопротивления R проводника 2; t - время срыва сверхпроводящего состояния и появления сопротивления R проводника 3; t - время начала перезаряда конденсатора 5; t - время изменения направления тока I в проводнике 3 на противоположное и начала роста напряженности (-)Н; t - время начала роста напряженности (-)Н управляющего магнитного поля, создаваемого управляющим током, протекающим в проводниках 2 и 3 отключающего элемента 1; t - время окончания процесса управления СПР.
Устройство содержит отключающий элемент 1, выполненный в виде двух проводников 2 и 3 из сверхпроводящего материала, и соединенных последовательно. Параллельно выводам проводников 2 и 3 отключающего элемента 1 подключены выводы двух последовательно соединенных и заряженных разнополярно конденсаторов 4 и 5. 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 расположены относительно друг друга бифилярно с изоляцией 7 между ними. В то же время проводники 2 и 3, сложенные в бифиляр, совместно конструктивно образуют индуктивную обмотку отключающего элемента 1. Индуктивная обмотка в зависимости от типа используемого сверхпроводника (например, фольга, провод или шина) конструктивно может быть выполнена в виде любой катушки, создающей магнитное поле, например в виде плоской спирали и соленоидов различной конфигурации.
0
0
0
У2
0
У3
0
У2
У3
У2
У3
2
У
У2
0
У2
2
1
3
0
У3
У2
У2
У
3
2
У
3
4
У3
У3
4
4
У2
У2
У
У2
У3
У3
3
У
K
5
6
Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии через отключающий элемент 1 по проводникам 2 и 3 течет рабочий ток I. Поскольку проводники 2 и 3 уложены в бифиляр, то хорошая компенсация собственного магнитного поля способствует установлению величины рабочего тока I отключающего элемента 1, близкой к критическому току отдельного сверхпроводника. В требуемый для переключения момент времени t подается запускающий импульс на срабатывание замыкающего прибора 6 и конденсаторы 4 и 5 схемы управления, предварительно заряженные разнополярно, начинают разряжаться на проводники 2 и 3, находящиеся в сверхпроводящем состоянии. Конденсатор 4 разряжается на проводник 2 током I согласно с 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 направлении по проводникам 2 и 3, уложенным вместе в виде индуктивной обмотки, создаются магнитные поля с напряженностью Н и Н, пропорциональной величине этих токов. Одновременный подъем тока I в проводнике 2 и внешнего магнитного поля Н=Н в области проводников 2 и 3 ведет к срыву сверхпроводящего состояния проводника 2 с согласным направлением рабочего I и управляющего I токов и появлению резистивного сопротивления R (время t). В проводнике 3 суммарный ток I падает из-за встречного направления рабочего I и управляющего I токов, но создаваемое управляющим током I магнитное поле Н=Н в области проводника 3 нарастает и под одновременным воздействием тока и магнитного поля, достигающим критических значений, проводник 3 также начинает переходить в нормальное состояние с появлением резистивного сопротивления R (время t). Здесь токовое управление осуществляется с дополнительным воздействием управляющего магнитного поля и поэтому токонесущая способность сверхпроводника снижается, а интенсивность его перевода в нормальное состояние резко увеличивается по сравнению с управлением только импульсом тока. Это не зависит от того, является магнитное поле собственным полем сверхпроводника или генерируется внешним источником. В предлагаемом СПР для создания управляющего магнитного поля используются проводники 2 и 3 самого отключающего элемента 1, уложенные вместе в индуктивную обмотку, которая только в период управления, т.е. разряда управляющих конденсаторов 4 и 5 на эти проводники, создает магнитное поле с напряженностью Н в объеме отключающего элемента 1. После перезаряда конденсатора 5 (время t-t) происходит изменение направления управляющего тока I и с его ростом начинается рост сопутствующего ему магнитного поля (-)Н (время t). В это же время t магнитное поле Н, созданное током I, падает почти до нуля. Результирующее магнитное поле Н по суперпозиции полей (+)H и (-)Н будет иметь величину, близкую к величине магнитного поля Н. Нарастание тока I в проводнике 3 и управляющего магнитного поля Н во всем объеме отключающего элемента 1 ведет к его полному переводу в нормальное состояние с сопротивлением R (время t-t).
У
При срыве сверхпроводящего состояния отключающего элемента 1 сверхкритическим током по всей длине сверхпроводников 2 и 3 создаются нормальные зоны, через которые, не испытывая экранирующего противодействия со стороны сверхпроводящего материала и элементов конструкции, управляющее магнитное поле Н, генерируемое этими же проводниками 2 и 3, проникает во внутренние области отключающего элемента 1 и также переводит их в нормальное состояние. При таком механизме воздействия интенсивность разрушения сверхпроводимости увеличивается и вследствие этого эффективность использования энергии схемы управления значительно возрастает.
0
5
0
3
Кроме того, в предлагаемом устройстве процесс воздействия схемы управления на сверхпроводник 3 со встречным направлением рабочего тока I и управляющего напряжения U осуществляется, в отличие от устройства прототипа, с момента начала управления (время t), а не после перезаряда конденсатора 5 (время t), что также повышает эффективность управления размыкателем.
Таким образом, в предлагаемом СПР из-за дополнительного воздействия на токонесущий сверхпроводник управляющего магнитного поля, которое эффективно проникает через нормальные зоны внутрь отключающего элемента 1, быстрее достигаются критические характеристики сверхпроводника, что ведет к возрастанию интенсивности перехода сверхпроводящего материала проводника в нормальное состояние и снижению энергии управления по сравнению с устройством прототипа.
0
Пример реализации устройства. СПР содержал отключающий элемент 1, управляющие конденсаторы 4 и 5 и замыкающий прибор 6. Отключающий элемент 1 состоял из двух соединенных последовательно проводников 2 и 3, представляющих собой сверхпроводящую ниобий-титановую фольгу НТ-50 толщиной 18 мкм и шириной 80 мм. Проводники 2 и 3 были сложены между собой через изоляцию 7 из синтофлекса бифилярно, что обеспечивало весьма малую индуктивность пары и хорошую компенсацию магнитного поля. Но вместе эти проводники были уложены в индуктивную обмотку в виде плоской спирали. Такое выполнение отключающего элемента 1 позволило в режиме постоянного тока пропускать рабочий ток I, близкий к критическому току короткого образца, а в период управления отключающий элемент 1 создавал в своем объеме управляющее магнитное поле, воздействующее на собственный сверхпроводник 2 и 3.
0
0
K
Параметры СПР: рабочий ток I=6 кА, рабочее напряжение U=5 кВ, сопротивление R отключающего элемента 1 в нормальном состоянии при температуре Т=10 K составляло 5 Ом. Геометрические размеры отключающего элемента 1, выполненного в виде плоской спиральной обмотки: средний диаметр обмотки - 80 мм, длина (ширина фольги) - 80 мм и радиальная толщина обмотки - 40 мм. Генератор управляющих импульсов был выполнен на конденсаторах 4 и 5 типа ИК-100-01У4 с емкостью по 0,15 мкФ. Коммутатор был выполнен на двух игнитронных разрядниках ИРТ-6 (25 кВ, 100 кА).
Напряженность магнитного поля, создаваемого управляющим током в центре обмотки отключающего элемента 1, рассчитывается по уравнению [Д.Монтгомери. Получение сильных магнитных полей с помощью соленоидов. - М.: Мир, 1971. с.26, 270-273]:
<mrow><msub><mi>H</mi><mn>0</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>N</mi><mi>I</mi></mrow><mrow><msub><mi>a</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac><mfrac><mn>1</mn><mrow><mn>2</mn><mi>β</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>α</mi><mo>-</mo><mtext>1</mtext></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac><mi>F</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>α</mi><mo>,</mo><mi></mi><mi>β</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mn>4</mn><mn>9</mn><mn>5</mn><mo>⋅</mo><mn>1</mn><msup><mn>0</mn><mn>3</mn></msup><mtext> </mtext><mi>A</mi><mo>/</mo><mi>м</mi><mtext></mtext><mo>,</mo><mi></mi><mi></mi><mtext>          (1)</mtext></mrow>
1
2
2
1
1
где N=22 - число витков обмотки отключающего элемента 1; I=2000 А - суммарный ток схемы управления в проводниках 2 и 3; a=20 мм - внутренний радиус обмотки отключающего элемента 1; a=60 мм - внешний радиус обмотки отключающего элемента 1; α=a/a=3 - отношение внешнего радиуса обмотки отключающего элемента 1 к внутреннему; β=в/a=2 - отношение полудлины обмотки в=40 мм отключающего элемента 1 к внутреннему радиусу; F=1,8 - коэффициент поля.
0
Затем, с учетом полученного значения H и с помощью графиков и таблиц, можно определить величину напряженности управляющего магнитного поля в различных точках поперечного сечения обмотки отключающего элемента 1.
У
У
0
У
3
В предлагаемом СПР при напряжении управляющих конденсаторов 20 кВ и индуктивности контура разряда 15 мкГн напряженность управляющего магнитного поля в объеме отключающего элемента 1 возрастала в процессе управления до величины Н=501·10 А/м (индукция В=µ·Н=0,63 Т). При этом за период управления осуществлялся полный перевод сверхпроводника отключающего элемента 1 в нормальное состояние и затрачивалась энергия управления 30 Дж. В устройстве-прототипе полный перевод отключающего элемента 1 в нормальное состояние осуществляется при требуемом повышении напряжения конденсаторов до 30 кВ, энергии управления расходуется при этом 67,5 Дж. Сравнение результатов показывает, что в предлагаемом сверхпроводящем размыкателе энергии управления затрачивается примерно в два раза меньше, чем в устройстве-прототипе.
Достоинством размыкателя является также его компактность, как следствие многофункциональности элементов конструкции, и технологичность. Это снижает стоимость изготовления СПР.
По предложенному схемно-конструктивному решению могут быть созданы и высоковольтные СПР с большим количеством последовательно соединенных модулей.
Таким образом, в предлагаемом сверхпроводящем размыкателе осуществляется уменьшение энергии управления путем повышения магнитного поля в объеме отключающего элемента одновременно с повышением плотности тока в его проводниках, что достигается расположением проводников отключающего элемента между собой бифилярно, а вместе в виде индуктивной обмотки, создающей собственное управляющее магнитное поле за время управления.