Устройство защиты сверхпроводящего соленоида

 

Изобретение относится к электроэнергетике, экспериментальной физике. Преимущественной областью использования является сверхпроводящие магнитные системы. Сущность изобретения заключается в том, что в известное устройство защиты введены нагревательный и сверхпроводящий элементы, плотно прилегающие друг к другу, находящиеся в тепловом контакте, усилитель, второй источник питания и регулируемый резистор, причем выводы нагревательного элемента присоединены к дифференциальному усилителю, второй источник питания через регулируемый резистор присоединен к сверхпроводящему элементу, выводы которого одновременно присоединены к сверхпроводящему элементу, выводы которого одновременно присоединены через усилитель к второму входу блока управления. 1 ил.

Изобретение относится к электроэнергетике, экспериментальной физике. Преимущественной областью использования являются сверхпроводящие магнитные системы в технике.

Известны устройства защиты, которые обеспечивают безаварийность работы сверхпроводящих магнитных систем. Например, для защиты сверхпроводящего соленоида может быть введена дополнительная сверхпроводящая катушка, включенная последовательно в силовую цепь сверхпроводящей обмотки соленоида [1]. Таким образом осуществляется сравнение сигналов от нормальной фазы в сверхпроводящей обмотке и в дополнительной катушке.

Основным недостатком такого устройства является малая надежность и чувствительность, вызванная сложностью выбора сверхпроводящего материала дополнительной катушки и полной компенсации сигналов.

Из известных способов защиты сверхпроводящих соленоидов наиболее близким по технической сущности является устройство, состоящее из сверхпроводящей обмотки соленоида с дополнительным выводом, часть обмотки подключена к компенсирующему усилителю, дифференциального усилителя, первый вход которого подключен к выходу компенсирующего усилителя, второй вход - ко всей сверхпроводящей обмотке соленоида [2]. Выход дифференциального усилителя через пороговое устройство и блок управления подключен к коммутирующему аппарату. Устройство защиты сверхпроводящих соленоидов не обладает достаточной надежностью. Это связано с тем, что в импульсных режимах работы, в режиме перегрузки и в специальных режимах возможны ложные отключения коммутирующего аппарата и возникновение аварийного режима в электромагнитной системе.

Целью изобретения является повышение надежности работы устройства защиты сверхпроводящих соленоидов. Это достигается тем, что в устройство защиты сверхпроводящего соленоида, состоящее из сверхпроводящей обмотки соленоида с дополнительным выводом, подключенного к одному из входов компенсирующего усилителя, второй вход которого соединен с первым выводом сверхпроводящей обмотки соленоида, второй вывод которой соединен с первым входом дифференциального усилителя, второй вход которого соединен с выходом компесирующего усилителя, выход дифференциального усилителя через пороговое устройство и блок управления подключен к коммутатору, один выход которого соединен с входом источника питания, а другой с - вторым выводом сверхпроводящей обмотки соленоида, вход источника питания соединен с первым вводом сверхпроводящей обмотки соленоида, дополнительно введены нагревательный и сверхпроводящий элементы, плотно прилегающие друг к другу и находящиеся в тепловом контакте, усилитель, второй источник питания и регулируемый резистор, причем нагревательный элемент одним выводом соединен с выходом дифференциального усилителя, а другим - с общей шиной, второй источник питания через регулируемый резистор соединен со сверхпроводящим элементом, выводы которого через усилитель соединены с вторым входом блока управления.

На чертеже изображена принципиальная схема устройства защиты.

Устройство содержит источник питания 1, подключенный через коммутирующий аппарат 2 к сверхпроводящей обмотке 3 с дополнительным выводом 4, компенсирующий усилитель 5, присоединенный к части сверхпроводящей обмотки 3, дифференциальный усилитель 6, входы которого присоединены ко всей сверхпроводящей обмотке 3 и к выходу компенсирующего усилителя 5. Вывод дифференциального усилителя 6 одновременно присоединен через пороговое устройство 7, блок управления 8 к коммутирующему аппарату 2 и к нагревательному элементу 9. Сверхпроводящий элемент 10 присоединен через регулируемый резистор 13 к источнику питания 12. Вводы усилителя 11 присоединены к сверхпроводящему элементу 10, а выход через второй вход блока управления 8 - к коммутирующему аппарату 2. Блок управления 8 включает в себя две обмотки управления в виде быстродействующих реле с контактами замыкания и размыкания, включенные в цепи питания обмотки управления коммутирующим аппаратом 2. Управляемые выпрямители включены последовательно в цепи питания обмоток управления. Выводы управления выпрямителей включены к первому и второму входам блока управления 8.

В режиме ввода-вывода тока и в рабочем режиме сверхпроводящего соленоида на первый и второй входы дифференциального усилителя 6 поступают сигналы от части сверхпроводящей обмотки 3 через компенсирующий усилитель 5 и от всей обмотки. С выхода дифференциального усилителя 6 сигнал одновременно поступает через пороговое устройство 7, блок управления 8 к коммутирующему аппарату 2 и к нагревательному элементу 9, который, нагреваясь до определенной температуры, воздействует на физическое состояние сверхпроводящего элемента 10. После перехода сверхпроводящего элемента 10 в нормальное состояние на его зажимах возникает разность потенциалов. Это происходит благодаря изменению сопротивления контура: последовательно соединенные второй источник питания 12 - регулируемый резистор 13 - сверхпроводящий элемент 10. Разность потенциалов с усилителя 11 поступает на второй вход блока управления 8 коммутирующего аппарата 2. Впоследствии происходит отключение силовой цепи магнитной системы от источника питания. При устойчивом появлении нормальной фазы в сверхпроводящей обмотке сигнал с дифференциального усилителя 6 одновременно поступает на пороговое устройство 7 и нагревательный элемент 9. После достижения напряжением определенного порогового значения пороговое устройство 7 с минимальной задержкой времени срабатывает, напряжение поступает на первый вход блока управления 8 и в результате задействует коммутирующий аппарат 2. Одновременно нагревается элемент 9 до критической температуры перехода сверхпроводящего элемента 10 в нормальное состояние. На выходе усилителя 11 и на втором входе блока управления 8 появляется напряжение для срабатывания коммутирующего аппарата 2. Защитные цепи сверхпроводящей обмотки 3 через пороговое устройство 7 и нагреватель 9 дополняют друг друга. Защита через пороговое устройство 7 является более быстродействующей, она действует в случае появления и распространения устойчивой нормальной фазы. Защита через нагревательный элемент 9 является предупреждающей. Она, например, препятствует включению коммутирующего аппарата 2 при разбалансе схемы сравнения, наличии напряжения на выходе дифференциального усилителя 6 или же при отсутствии жидкого хладагента в криостате, сверхпроводящий элемент 10 находится в нормальном состоянии. Кроме того, плотно прилегающие друг к другу нагреватель 9 и сверхпроводящий элемент 10 могут служить датчиком уровня жидкого гелия в криостате. При их правильном расположении по высоте сверхпроводящей обмотки можно получить полную информацию о наличии жидкого гелия, необходимого для охлаждения обмотки 4. В нагревателе 9 происходит преобразование сигнала напряжения с дифференциального усилителя 6 в ток. С увеличением нормальной фазы в сверхпроводящей обмотке соленоида 3 после соответствующего преобразования повышается температура нагревательного элемента 9, уменьшается время переключения сверхпроводящего элемента 10.

Время задержки защиты через нагревательный элемент 9 в основном определяется временем перехода сверхпроводящего элемента 10 в нормальное состояние. Оно определяется t= (T_кр-T_o), (1) где m, c - масса и теплоемкость сверхпроводящего элемента 10; T_кр - температура перехода в нормальное состояние; T_о - температура кипения жидкого гелия 4,2 К; U, I - напряжение и ток нагревателя.

Чем больше значение сигнала на нагревателе, тем быстрее будет происходить переход сверхпроводящего элемента 10 в нормальное состояние. На время срабатывания, кроме нагревателя, влияет материал сверхпроводящего элемента. Из имеющихся материалов наиболее приемлемыми могут быть сверхпроводник первого рода тантал или же сверхпроводник второго рода из ниобий-титанового сплава. Сверхпроводящие элементы можно выполнить в виде проводников или пленок.

Вывод энергии из магнитной системы осуществляется на нагрузочное сопротивление 9.

Предложенное устройство защиты сверхпроводящих соленоидов по сравнению с прототипом обладает повышенной надежностью, возможностью предупреждения аварийных режимов, а также обеспечивает контроль уровня жидкого гелия в криостате со сверхпроводящей обмоткой.

Устройство защиты может найти широкое применение в электромагнитных системах со сверхпроводящими элементами, что приведет к повышению КПД их применения.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ СВЕРХПРОВОДЯЩЕГО СОЛЕНОИДА, состоящее из сверхпроводящей обмотки соленоида с дополнительным выводом, подключенного к одному из входов компенсирующего усилителя, другой вход которого соединен с первым выводом сверхпроводящей обмотки соленоида, второй вывод которой соединен с первым входом дифференциального усилителя, второй вход которого соединен с выходом компенсирующего усилителя, выход дифференциального усилителя через пороговое устройство и блок управления подключен к коммутатору, один выход которого соединен с входом источника питания, а другой - с вторым выводом сверхпроводящей обмотки соленоида, вход источника питания соединен с первым вводом сверхпроводящей обмотки соленоида, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности, в устройство дополнительно введены нагревательный и сверхпроводящие элементы, плотно прилегающие друг к другу и находящиеся в тепловом контакте, усилитель, второй источник питания и регулируемый резистор, причем нагревательный элемент одним выводом соединен с выходом дифференциального усилителя, а другим - с общей шиной, второй источник питания через регулируемый резистор соединен со сверхпроводящим элементом, выводы которого через усилитель соединены с вторым входом блока управления.

РИСУНКИ

Рисунок 1