СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ
SUPERCONDUCTIVE CIRCUIT BREAKER

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано как коммутирующее устройство в сверхпроводящих магнитных системах, в системах защиты сверхпроводящих обмоток электрических машин, сверхпроводящих кабелей и линий электропередачи.
Известны сверхпроводящие выключатели (СПВ), отключающий элемент которых выполнен из сверхпроводящего кабеля, намотанного на каркас малоиндуктивным способом, с изоляцией между витками [Laquer H.L. Superconducting devices for energy storage and switching. - Proc. Appl. Sc. Conf., Anapolis, 1972, p. 98-101].
Недостатком СПВ, использующих в качестве отключающего элемента проводник в виде кабеля, является малый коэффициент заполнения конструкции по сверхпроводящему материалу, что увеличивает необходимый размер криостата и общую стоимость СПВ.
Известен сверхпроводящий выключатель, содержащий отключающий элемент, изготовленный из сверхпроводящей ленты, уложенной зигзагообразно в пакет с изоляцией между слоями [Глухих В.А. и др. Сверхпроводящая сильноточная коммутационная аппаратура. - В кн: Сверхпроводимость. Труды конф. по техническому использованию сверхпроводимости. - М.: Атомиздат, 1977, т. 2, с. 10-13].
Высокий коэффициент заполнения по сверхпроводнику отключающего элемента такой конструкции позволяет получить разрывную мощность СПВ, отнесенную к единице общего объема обмотки, примерно в 20 раз большую, чем у СПВ с кабельными отключающими элементами. Вследствие зигзагообразной укладки сверхпроводящей ленты отключающие элементы таких СПВ 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]. При управлении выключателем импульсом электрического тока это увеличивает его быстродействие и снижает расход энергии на переключение.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному, выбранным за прототип, является сверхпроводящий выключатель, содержащий отключающий элемент, изготовленный из сверхпроводящей ленты (фольги), уложенной зигзагообразно (бифилярно по слоям ленты) в пакет с изоляцией между слоями [Амелин Г.П., Блудов А.И., Гусельников В.И., Мащенко А.И. Мощный сверхпроводящий выключатель. - ПТЭ, 1990, №4, с. 245].
Недостатком СПВ такой конструкции является ограничение рабочего тока выключателя собственным магнитным полем, концентрация которого является максимальной внутри сгибов сверхпроводящей ленты отключающего элемента.
Задачей предлагаемого изобретения является создание сверхпроводящего выключателя с повышенным рабочим током.
Техническим результатом является повышение рабочего тока сверхпроводящего выключателя путем снижения величины собственного магнитного поля у внутренней поверхности сверхпроводящей ленты отключающего элемента на сгибах.
Указанный технический результат достигается тем, что в сверхпроводящем выключателе, содержащем, как и прототип, отключающий элемент, выполненный из сверхпроводящей ленты, уложенной зигзагообразно в пакет с изоляцией между слоями, в отличие от прототипа внутри сгибов ленты расположены прокладки из материала с высокой относительной магнитной проницаемостью, отделенные от ленты изоляцией.
Для снижения поперечной составляющей магнитного поля у краев ленты на сгибе целесообразно, чтобы прокладки выступали за края сверхпроводящей ленты.
Изобретение иллюстрируется графическими материалами.
На фиг. 1 схематично изображено продольное сечение отключающего элемента предлагаемого сверхпроводящего выключателя; на фиг. 2 - сечение части отключающего элемента на участке сгиба сверхпроводящей ленты. Здесь обозначено: 1 - сверхпроводящая лента отключающего элемента; 2 - изоляционный материал; 3 - прокладки из материала с высокой относительной магнитной проницаемостью; I - ток в сверхпроводящей ленте 1 выключателя; Β(μ=1) и В(μ>>1) - индукция магнитного поля в изоляции 2 и прокладках 3 соответственно, созданного током I, протекающим в каждом слое ленты 1 отключающего элемента; μ - относительная магнитная проницаемость материала.
Сверхпроводящий выключатель содержит отключающий элемент, выполненный из сверхпроводящей ленты 1, которая для снижения собственной индуктивности уложена в пакет зигзагообразно с изоляцией 2 между слоями. Внутри сгибов сверхпроводящей ленты 1 расположены прокладки 3 из материала с высокой относительной магнитной проницаемостью μ, отделенные от ленты 1 изоляцией 2. Прокладки 3 могут быть выполнены в виде, например, лент того или иного сечения или проволок круглого сечения. При этом эффективность снижения величины индукции собственного магнитного поля у поверхности ленты 1 внутри ее сгиба будет тем выше, чем точнее будут совпадать контуры поверхностей прокладки 3 и ленты 1 и меньше реальный изоляционный зазор между ними на участке сгиба.
1
Сверхпроводящий выключатель работает следующим образом. В СПВ протекающий по сверхпроводящей ленте 1 ток I создает магнитное поле с индукцией В, распределение которого в пространстве зависит от геометрии сверхпроводника в пакете отключающего элемента выключателя. Так, индукция В магнитного поля тонкой пластины с током, которой является сверхпроводящая лента 1 в одном слое пакета, определяется уравнением
где: I - сила тока в сверхпроводящей ленте 1;
- ширина ленты 1;
0
μ - магнитная постоянная.
2
Тогда, по принципу суперпозиции, индукция В магнитного поля между параллельными слоями сверхпроводящей ленты 1 (прямолинейный участок укладки ленты 1 на фиг. 1), по которым ток I течет в противоположных направлениях, будет равна
3
Аналогично, в пространстве внутри участка сгиба ленты 1, где суммируются магнитные поля от трех взаимно «перпендикулярных» проводников (часть пространства, ограниченная параллельными слоями и сгибом ленты 1 - фиг 2), магнитная индукция В будет равна
3
2
C
P
C
3
2
Из уравнений (1)-(3) видно, что во внутренней области, ограниченной сгибом и частью параллельных участков ленты 1, максимальная величина индукции В магнитного поля в ~1,5 раза превышает индукцию поля В между параллельными слоями ленты 1 на прямолинейных участках. Кроме того, на участке сгиба у краев ленты 1 магнитное поле имеет поперечную плоскости ленты 1 составляющую поля, которая нескомпенсирована из-за отсутствия обратного проводника с током I. Эти факторы снижают критический ток I на участке сгиба ленты 1 и, как следствие, снижается рабочий ток СПВ, величина которого выбирается с учетом стабильной работы каждого конкретного выключателя и, в зависимости от конструкции, составляет I=0,8-0,9 I [Менке X., Шишов Ю.А. Модель сильноточного и высоковольтного сверхпроводящего выключателя. - Препринт Р8-7855. - Дубна, ОИЯИ, 1974, с. 16-18; 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.]. Следует отметить, что в реальных устройствах локальные области внутри сгибов ленты 1 с повышенной величиной индукции В магнитного поля составляют менее 1/1000 от внутреннего объема пакета отключающего элемента и снижение здесь, в столь малых областях, индукции магнитного поля до уровня или ниже индукции поля В между параллельными слоями ленты 1 на прямолинейных участках позволит решить проблему повышения токонесущей способности СПВ с ленточным сверхпроводником различной ширины.
S
CC
СП
C
В предлагаемом сверхпроводящем выключателе внутри сгиба сверхпроводящей ленты 1 отключающего элемента размещены прокладки 3 из материала с высокой магнитной проницаемостью μ>>1. При этом магнитный поток, вызванный протекающим по сверхпроводящей ленте 1 током I, концентрируется в толще прокладок 3 с μ>>1 и ослабляется в изоляции с μ=1 вокруг прокладок и, что особенно важно, у поверхности сверхпроводящей ленты 1 внутри сгибов [Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Изд. 6-е. М., «Высш. школа, 1973, с. 623, 624]. Степень ослабления и картина индукции магнитного поля у поверхности и краев сверхпроводящей ленты 1 и во всем зазоре с изоляцией 2 на сгибах зависят от параметров ферромагнитного материала прокладок: относительной магнитной проницаемости μ, индукции насыщения B, толщины h, ширины b и длины d. Для большего снижения влияния краевого эффекта прокладки 3 должны выступать за края сверхпроводящей ленты 1, то есть длина d прокладок 3 должна быть больше ширины  ленты 1. Ослабление индукции магнитного поля у внутренней поверхности ленты 1 на сгибах, например, в ~1,5 раза и соответствующее снижение поперечной плоскости ленты 1 составляющей индукции магнитного поля сближают электромагнитные условия для сверхпроводящей ленты 1 на сгибах и прямолинейных участках. При этом критический ток I сверхпроводящей ленты 1 на сгибах увеличивается на ~50% и приближается к критическому току I ленты 1 на прямолинейных участках. Следует отметить, что даже при большем, чем в 1,5 раза, ослаблении поля внутри сгибов сверхпроводящей ленты 1 максимальное увеличение критического тока I всего отключающего элемента будет определяться теперь в основном соотношением тока и магнитного поля на прямолинейных участках между параллельными слоями ленты 1 и составит не более 50%. Это позволяет соответственно на ~50% увеличить и рабочий ток СПВ по сравнению с прототипом.
Заявляемое техническое решение конструкции СПВ позволяет с помощью прокладок 3 с высокой магнитной проницаемостью μ>>1 снизить магнитный поток у поверхности сверхпроводящей ленты 1 внутри сгиба до уровня либо ниже магнитного потока между параллельными слоями ленты 1 на прямолинейных участках проводника и повысить тем самым токонесущую способность отключающего элемента в целом.
В примере реализации устройства были использованы основные конструктивные характеристики известного СПВ [Амелин Г.П., Блудов А.И., Гусельников В.И., Мащенко А.И. Мощный сверхпроводящий выключатель. - ПТЭ, 1990, №4, с. 245], выбранного за прототип. Общим для выключателей является то, что отключающий элемент выполнен из сверхпроводящей ниобий-титановой ленты (фольги) 1 типа НТ-50 без медного стабилизирующего покрытия толщиной ~18 мкм и шириной =80 мм. Длина ленты 1 составляет 160 м, сопротивление в нормальном состоянии при температуре 10 К равно 70 Ом. Для снижения индуктивности отключающего элемента лента 1 уложена в пакет зигзагообразным способом и с изоляцией 2 между слоями. Длина прямолинейного участка в слоях ленты 1 равна 140 мм, число слоев 1143 (по схеме на фиг. 1). Рабочее напряжение СПВ до 80 кВ. В отличие от известного выключателя в предлагаемом СПВ внутри сгибов сверхпроводящей ленты 1 размещены прокладки 3, отделенные от ленты 1 изоляцией 2. На фиг. 2 в увеличенном масштабе показан пример конкретного выполнения участка сгиба сверхпроводящей ленты 1. Прокладки 3 выполнены из магнитомягкого железоникелевого сплава марки 50НП (пермаллой) в виде отрезков ленты с овальными краями толщиной h=80 мкм, шириной b=300 мкм и длиной d=90 мм (по каждой стороне длина d прокладки 3 на 5 мм больше, чем ширина  сверхпроводящей ленты 1). Для изоляции 2 была использована стеклоткань СКТФ-5Э толщиной 100 мкм - между слоями сверхпроводника 1, и толщиной 10 мкм - между прокладками 3 и сверхпроводником 1, пропитанная эпоксикремнийорганическим связующим.
Оценку эффективности предъявляемого решения выполним для прототипа и заявляемого сверхпроводящего выключателя с равными основными конструктивными параметрами, представленными выше.
P
C
P
C
При рабочем токе в СПВ прототипе I=6000 А усредненное по конструкциям значение критического тока I=I/0,85≈7000 А. При критическом токе в сверхпроводящей ленте I=7000 А величина индукции собственного критического магнитного поля в области сгиба ленты 1, согласно уравнению (3), будет равна
При этом индукция магнитного поля между параллельными слоями сверхпроводящей ленты 1 по уравнению (2) будет равна
2
3С
здесь I=7000 А - величина тока, не являющаяся критической для сверхпроводящей ленты 1 на прямолинейном участке, так как величина магнитной индукции В=0,11 Τ на этом участке в 1,5 раза меньше ее критической величины В=0,165 Т.
макс
S
S
3C
макс
5
5
В заявляемом сверхпроводящем выключателе прокладки 3 из пермаллоя 50НП, размещенные внутри сгиба ленты 1, имеют характеристики: максимальная магнитная проницаемость μ≈10 [Б.М. Яворский, Ю.А. Селезнев. Справочное руководство по физике. - М.: «Наука», 1984, с. 190], индукция насыщения B=1,5 Τ [Л.А. Меерович и др. Магнитные генераторы импульсов. М.: «Сов. радио», 1968, с. 66]. Магнитное поле, созданное током I, протекающим в сверхпроводящей ленте 1, концентрируется в ферромагнитных прокладках 3 и доводит их магнитное состояние до насыщения с индукцией B=1,5 Τ, величина которой примерно в девять раз больше индукции В=0,165 Τ внутри сгиба ленты 1 без прокладок 3. При этом индукция магнитного поля в изоляционном пространстве между прокладкой 3 и поверхностью сверхпроводящей ленты 1, включая участок сгиба, снизится также примерно в 9 раз и составит при этом 0,018-0,02 Т. Чем меньше зазор с изоляцией 2 между прокладкой 3 и лентой 1, тем точнее будет соблюдаться обратная пропорция между усилением индукции поля в прокладке 3 с μ≈10 и ее ослаблением в зазоре с изоляцией 2 с μ=1. Поскольку в примере ширина изоляционного зазора 2 равна всего ~10 мкм, то магнитное поле в этой области будет близким к однородному. Кроме того, выступающие на 5 мм за края сверхпроводящей ленты 1 концы ферромагнитных прокладок 3 снижают величину поперечной компоненты магнитного поля, «вытягивая» силовые линии магнитной индукции в продольном плоскости ленты 1 направлении.
S
C
P
Применяя в СПВ прокладки 3 из ферромагнитного материала с еще большей индукцией насыщения B, можно еще больше ослабить индукцию магнитного поля в изоляционном зазоре 2 между прокладками 3 и сверхпроводящей лентой 1. В нашем примере индукция магнитного поля, воздействующего на внутреннюю поверхность сверхпроводящей ленты 1 на ее сгибах, снижается с 0,165 Τ до 0,018-0,02 Т, то есть примерно в 9 раз. Однако даже с учетом остаточного влияния краевого эффекта достаточным является снижение индукции магнитного поля у внутренней поверхности сверхпроводящей ленты 1 на сгибах примерно в два раза. Тогда токонесущая способность ленты 1 на сгибах будет близка к токонесущей способности ленты 1 на прямолинейных участках в параллельных слоях пакета отключающего элемента. При этом критический ток отключающего элемента СПВ увеличится примерно в 1,5 раза по сравнению с величиной критического тока устройства прототипа и будет равен I≈7000⋅1,5≈10500 А. Соответственно в ~1,5 раза увеличивается рабочий ток предлагаемого СПВ, величина которого составит I≈6000⋅1,5≈9000 А.
Таким образом, в предлагаемом сверхпроводящем выключателе осуществляется повышение на ~50% рабочего тока, что увеличивает на ~50% номинальную коммутируемую мощность прибора, за счет ослабления индукции собственного магнитного поля у поверхности сверхпроводящей ленты внутри ее сгибов и уменьшения поперечной компоненты магнитного поля у краев ленты, что достигается размещением внутри сгибов ленты прокладок из материала с высокой относительной магнитной проницаемостью, отделенных от ленты изоляцией.