СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ
SUPERCONDUCTIVE SWITCH

Изобретение относится к области сверхпроводящей электротехники, в частности к сверхпроводящим выключателям (СПВ) постоянного тока многократного действия, и может быть использовано, например, для коммутации тока сверхпроводящих индуктивных накопителей энергии и сверхпроводящих магнитных систем, в системах защиты сверхпроводящих обмоток электрических машин, линий электропередачи и сверхпроводящих кабелей.
Известны сверхпроводящие выключатели, управляемые магнитным полем, в которых перевод сверхпроводника отключающей обмотки из сверхпроводящего состояния с нулевым сопротивлением в нормальное состояние с конечным сопротивлением осуществляется вследствие разряда предварительно заряженного 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; Куроедов Ю.Д. Мощные сверхпроводящие размыкатели. Обзор ГКАЗ СССР. - М.: ИАЭ, 1982, с.44]. СПВ, реализующие магнитный способ управления, позволяют получить время выключения до 10 микросекунд. Однако в процессе управления выключателем, когда появляется сопротивление отключающей обмотки и рабочий ток из ее цепи переходит в цепь нагрузки, возникает необходимость повышения управляющего поля с целью 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 схем 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, взятое за прототип, содержит сверхпроводящую отключающую обмотку, подсоединенную своими выводами к электрическим вводам 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 обмотка управления и вспомогательная обмотка управления располагаются 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 во 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.
О
Недостатком такого выключателя является то, что энергия системы управления затрачивается на создание управляющего магнитного поля во всем объеме отключающей обмотки. Энергия управляющего магнитного поля, сосредоточенная в объеме V отключающей обмотки СПВ (внутренний объем основной обмотки управления), будет равна [Б.М.Яворский, Ю.А.Селезнев. Справочное руководство по физике. - М.: «Наука», 1984, с.185]:
0
m
О
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 в СПВ прямо пропорциональны объему отключающей обмотки.
m
3
Кроме того, в конструкциях СПВ очень большое влияние на диффузию управляющего магнитного поля в объем отключающей обмотки и, соответственно, на переход сверхпроводника в нормальное состояние оказывает скин-эффект, который связан с использованием электропроводящих (обычно медных) токовводов и длинного сверхпроводника, уложенного в многослойный пакет бифилярным способом. Известно, что сверхпроводник в сверхпроводящем состоянии является идеальным экраном для магнитного поля, как собственного, так и внешнего. Скин-эффект проявляется более сильно в мощных СПВ, имеющих массивные отключающие обмотки с большим количеством сверхпроводящего материала. Поэтому 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 срыв сверхпроводящего состояния (образование нормальных зон) происходит не по всему объему отключающей обмотки, а в отдельных "слабых" участках, и сопротивление сверхпроводника на начальном этапе управления имеет 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]. В 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.
Техническим результатом является снижение энергии системы управления за счет уменьшения объема сверхпроводящего материала в части отключающей обмотки, на которую воздействует основное управляющее магнитное поле.
Для решения поставленной задачи 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, отличается от прототипа тем, что отключающая обмотка выполнена в виде N последовательных секций и вспомогательная обмотка управления выполнена в виде N последовательных секций, при этом основная обмотка управления расположена на первой секции отключающей обмотки, а каждая из секций вспомогательной обмотки управления расположена на одноименной секции 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 управляющую обмотку 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 последовательных 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 управляющей обмотки 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 управляющее 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 расположены на секциях K…K отключающей обмотки 1.
0
K
1
N
1
1
1
0
1
N
H
1
N
1
1
2
N
2
N
H
1
N
1
N
Устройство работает следующим образом. Первоначально ток I сверхпроводящего индуктивного накопителя энергии (выводы 2 и 3), являющийся в то же время рабочим током I выключателя, течет по секциям K…K отключающей обмотки 1. В требуемый для переключения момент времени в системе управления 4 замыкается прибор 7 и предварительно заряженный конденсатор 5 разряжается на основную обмотку управления 6, которая создает импульсное магнитное поле в области первой секции K отключающей обмотки 1. При подъеме магнитного поля выше его критического значения часть сверхпроводника секции K потеряет сверхпроводимость и возникшее сопротивление секции K приводит к уходу части тока I индуктивного накопителя из цепи отключающей обмотки 1 в цепь нагрузки 8 и секционированной вспомогательной обмотки управления 9. Появившийся в секциях L…L ток I возбуждает магнитные поля в областях одноименных секций K…K отключающей обмотки 1, на которых размещены секции вспомогательной обмотки управления. Магнитное поле, возникшее в секции L, складывается с магнитным полем основной обмотки управления 6 и увеличивает сопротивление секции K. В то же время магнитные поля каждой из обмоток L…L переводят в нормальное состояние часть сверхпроводника отключающих секций K…K, увеличивая тем самым сопротивление всей отключающей обмотки 1 и увеличивая соответственно ток I в цепи нагрузки 8. При этом рост управляющего магнитного поля, генерируемого всеми секциями L…L в объемах отключающих секций K…K, ведет к переходу в нормальное состояние дополнительных областей сверхпроводника, повышая его сопротивление, и так далее до полного перевода всей отключающей обмотки 1 в нормальное состояние.
В предлагаемом устройстве достижение положительного эффекта основывается на следующем:
C
- полный перевод сверхпроводника в нормальное состояние происходит только при подъеме внешнего магнитного поля выше критической величины B во всем объеме сверхпроводящего материала;
C
- в конструкциях СПВ скин-эффект не позволяет осуществить быстрый подъем внешнего магнитного поля выше его критического значения B во всем объеме сверхпроводящего материала. С увеличением объема отключающей обмотки увеличивается влияние скин-эффекта на проникновение управляющего магнитного поля в сверхпроводящий материал отключающей обмотки.
Вследствие этого в предлагаемом выключателе и в выключателе-прототипе сопротивление сверхпроводника, развитое на начальном этапе управления, будет иметь малую величину независимо от количества сверхпроводящего материала (объема) отключающей обмотки. Однако появление этого сопротивления в цепи отключающей обмотки является достаточным фактором для перехода части тока источника энергии в цепь нагрузки и вспомогательной обмотки управления.
m
C
Для компенсации действия скин-эффекта необходимо повышать индукцию B магнитного поля намного выше критического значения B, т.е. с ростом размеров отключающей обмотки растет объемная плотность энергии управляющего магнитного поля (ф.1):
O
m
2
Таким образом, из выражения (1) следует, что энергия магнитного поля, необходимая для управления СПВ, возрастает пропорционально объему (V) отключающей обмотки и пропорционально квадрату индукции (B ) магнитного поля.
1
1
1
С учетом этих условий целесообразно СПВ выполнить секционированным и на начальном этапе переключения воздействовать внешним магнитным полем, создаваемым системой управления, только на часть сверхпроводника, на одну из секций (например, K) отключающей обмотки. Это облегчает условия для перевода сверхпроводника в нормальное состояние в малом объеме и сокращает расход энергии системы управления по сравнению с массивной отключающей обмоткой, а появившееся сопротивление секции K способствует использованию тока индуктивного накопителя энергии для полного перевода в нормальное состояние всех секций отключающей обмотки. Объем секции K может быть в N раз меньше (где N - число секций в отключающей обмотке предлагаемого СПВ), чем объем отключающей обмотки СПВ прототипа при равной коммутируемой мощности выключателей. Количество N отключающих секций более 10 является, по-видимому, нецелесообразным, так как при этом увеличивается суммарная индуктивность в цепи нагрузки, что может быть неприемлемым по техническим условиям.
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 последовательным соединением секций будет в N раз больше, чем у прототипа.
9
8
Эффективность использования предлагаемого схемно-конструктивного решения увеличивается в случае, если требуется построить высоковольтный СПВ мощностью порядка 10 Вт и более на основе модулей мощностью ~10 Вт путем их последовательного 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 управляющих обмоток) будут в N раз меньше, чем у высоковольтного СПВ на основе модулей прототипа. Это упрощает схему системы управления, повышает надежность работы, облегчает условия эксплуатации и обслуживания, снижает стоимость СПВ.
1
N
1
N
В случае самопроизвольного нарушения сверхпроводимости любой из секций K…K отключающей обмотки 1 происходит автоматический перевод в нормальное состояние всех секций K…K и, соответственно, обеспечивается контролируемый безаварийный вывод энергии из индуктивного накопителя в нагрузку 8, что повышает надежность выключателя.
1
5
1
5
1
5
8
Пример реализации устройства. СПВ содержит отключающую обмотку 1, систему управления 4 и вспомогательную управляющую обмотку 9. Отключающая обмотка 1 состоит из пяти (N=5) последовательных секций K…K, токонесущим элементом является сверхпроводящая ниобий-титановая фольга НТ-50 толщиной ~18 мкм и шириной 80 мм. Каждая секция K…K выполнена в виде пакета из уложенной меандром фольги, с изоляцией между слоями и по разработанной технологии [Амелин Г.П., Блудов А.И., Гусельников В.И., Мащенко А.И. Быстродействующие сверхпроводящие фольговые выключатели. - ПТЭ, 1986, №5, с.193-195]. 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 14 Ом.
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 80×90×45 мм, близкими к размерам секции K. Обмотка 6 выполнена из медного провода ⌀2,5 мм в тефлоновой изоляции и имеет 9 витков.
1
5
1
1
5
2
5
1
2
3
На всех секциях K…K отключающей обмотки 1, включая и первую секцию K, размещены секции L…L вспомогательной обмотки управления 9, выполненные из медной шинки с сечением 3,5×8 мм, число витков равно 12. Внутренние размеры обмоток L…L аналогичны размерам основной управляющей обмотки 6, размеры обмотки L равны 95×105×60 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. Управляемый перевод выключателя из сверхпроводящего в нормальное состояние выполняется под действием внешнего магнитного поля.
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 2500 А величина индукции В магнитного поля в области сверхпроводника 1-й секции K отключающей обмотки 1 определяется из выражения
0
-7
где I=2500 А - ток в основной управляющей обмотке системы управления, w=9 - число витков основной управляющей обмотки, l=0,08 м - аксиальная длина обмотки, µ=4π·10 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
1
1
5
-3
3
где V=0,08·0,09·0,045=0,324·10 м - объем апертуры основного управляющего соленоида 6, расположенного на первой секции K отключающей обмотки 1. Такое значение управляющего магнитного поля является достаточным для частичного перевода в нормальное состояние (вначале "слабых" участков сверхпроводника) секции K, появления сопротивления этой секции и перехода части тока сверхпроводящего индуктивного накопителя энергии в цепь вспомогательных обмоток управления L…L и нагрузки 8.
1
О
1
5
1
5
1
1
1
2
5
H
1
5
1
5
О
1
5
1
5
При переводе в нормальное состояние половины сверхпроводника 1-й секции K отключающей обмотки 1 его сопротивление составит ~7 Ом и ток I индуктивного накопителя поделится по 3000 А по цепям отключающей обмотки 1 и нагрузки 8. Величина индукции В магнитного поля, создаваемого секциями L…L вспомогательной обмотки управления 9 в области отключающих секций K…K, будет составлять при этом (ф.3) 0,57 Т. В 1-й секции K вспомогательное управляющее магнитное поле от L складывается с основным управляющим магнитным полем от 6 и переводит в нормальное состояние основную часть секции K, а в секциях K…K происходит срыв сверхпроводимости в "слабых" зонах и рост общего сопротивления отключающей обмотки 1 увеличивает ток I в цепи нагрузки 8 и вспомогательных управляющих обмоток L…L. Происходит рост магнитного поля в секциях L…L вспомогательной управляющей обмотки 9, рост сопротивления сверхпроводника отключающей обмотки 1 и так далее до полного перевода отключающей обмотки 1 СПВ в нормальное состояние. При этом ток индуктивного накопителя энергии I поделится по цепи нагрузки 8 с вспомогательной управляющей обмоткой 9 и цепи отключающей обмотки 1 обратно пропорционально их сопротивлениям: ~5450 А - в цепи нагрузки 8 и вспомогательной обмотки управления 9 и ~550 А - в цепи отключающей обмотки 1. При токе 5450 А секции L…L вспомогательной обмотки 9 создают внешнее магнитное поле в области секций K…K отключающей обмотки 1 с индукцией, равной 1,0 Т.
1
Таким образом, в предлагаемом СПВ 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 9. Для нарушения сверхпроводимости отключающей обмотки, с целью инициирования процесса перехода тока накопителя в цепь нагрузки, необходим подъем управляющего магнитного поля во всем объеме отключающей обмотки до той же величины (0,353 Т), что 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:
О
-7
3
здесь V=0,08·0,15·0,115=1,38·10 м - объем апертуры основного управляющего соленоида, расположенного на отключающей обмотке СПВ прототипа.
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 ~4,3 раза. Меньшая кратность снижения энергии управления, чем число секций N, обусловлена тем, что размеры изоляционных промежутков между отключающими и управляющими обмотками в предлагаемом СПВ выбраны равными с прототипом. Однако снижение требуемой максимальной индукции B управляющего магнитного поля по сравнению с прототипом 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 будет даже больше, чем в N=5 раз.
8
9
10
Если использовать однотипные модули СПВ с единичной коммутируемой мощностью, например, 4,8·10 Вт (как в примере прототипа) для создания высоковольтных СПВ мощностью порядка 10-10 Вт путем последовательного соединения модулей, то в СПВ по прототипу энергия системы управления затрачивается на управление каждым модулем выключателя, а в СПВ по предлагаемому схемно-конструктивному решению, независимо от количества модулей, энергия системы управления расходуется на управление только одним модулем, то есть в N раз меньше. Влияние скин-эффекта при таком построении мощного СПВ является одинаковым для обоих вариантов.
Таким образом, в предлагаемом сверхпроводящем выключателе, управляемом импульсным магнитным полем, осуществляется снижение энергии системы управления путем воздействия основного управляющего магнитного поля на уменьшенный объем сверхпроводника в отключающей обмотке, что достигается секционированием выключателя и подключением системы управления только к одной, первой, секции отключающей обмотки.