Сверхпроводящий быстродействующий выключатель



Сверхпроводящий быстродействующий выключатель
Сверхпроводящий быстродействующий выключатель

 


Владельцы патента RU 2602767:

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" (RU)

Использование: для создания сверхпроводящего быстродействующего выключателя. Сущность изобретения заключается в том, что сверхпроводящий быстродействующий выключатель, 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, проводники отключающего элемента сложены между собой через изоляционный материал бифилярно, а вместе эти проводники уложены в индуктивную обмотку, в центральной области отключающего элемента расположен медный стержень круглого сечения с волнообразной в осевом направлении боковой поверхностью, имеющий замкнутую полость, толщина стенки стержня превышает глубину проникновения магнитного поля на частоте управления, стержень подключен к точке соединения проводников отключающего элемента с замыкающим прибором, снаружи отключающего элемента и концентрично с ним размещен полый цилиндр из металла с высокой электропроводностью, который имеет волнообразную в осевом направлении внутреннюю поверхность, при этом толщина его стенки превышает глубину проникновения магнитного поля на частоте управления. Технический результат: обеспечение возможности снижения энергии управления сверхпроводящим выключателем. 2 ил.

 

Изобретение относится к криогенной электротехнике, в частности к сверхпроводящим выключателям (СПВ) постоянного тока многократного действия, и может быть использовано, например, для ввода, хранения и вывода энергии сверхпроводящих магнитных систем, в системах защиты сверхпроводящих обмоток электрических машин, сверхпроводящих кабелей и линий электропередачи.

Известен сверхпроводящий выключатель, 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.]. Управление выключателем осуществляется импульсом сверхкритического тока. Достоинством такого СПВ 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 СПВ на сильноточный источник (например, сверхпроводящую магнитную систему) и нагрузку является очень важным положительным свойством для практического применения таких СПВ. Кроме того, требуемая величина управляющего напряжения в такой схеме СПВ снижается в два раза, а это позволяет использовать более распространенные низковольтные конденсаторы.

Существенным недостатком такого СПВ является большая величина энергии управления. Это обусловлено тем, что в данном выключателе управляющий ток в проводнике одной из двух секций отключающего элемента имеет встречное направление с рабочим током, что требует значительного увеличения энергии схемы управления выключателем для полного перевода этой секции в нормальное состояние.

Известен также сверхпроводящий выключатель, имеющий электрическую схему управления, подобную вышеуказанному аналогу, но отличающийся конструктивным решением отключающего элемента [Мащенко А.И. Сверхпроводящий размыкатель. Патент РФ №2487439, дата приоритета 26.12.2011 г., опубликовано 10.07.2013 г., бюл. №19]. СПВ содержит отключающий элемент, выполненный в виде двух последовательно соединенных фольговых проводников из сверхпроводящего материала. Проводники отключающего элемента сложены между собой через изоляционный материал бифилярно, а совместно проводники отключающего элемента образуют индуктивную обмотку. К выводам проводников подключены выводы двух последовательно соединенных и заряженных разнополярно конденсаторов. Между точкой соединения конденсаторов и точкой соединения проводников отключающего элемента включен замыкающий прибор.

В таком СПВ для создания управляющего магнитного поля используются проводники самого отключающего элемента, уложенные вместе в спиральную индуктивную обмотку, которая только в период управления, то есть разряда управляющих конденсаторов на эти проводники, создает магнитное поле в объеме отключающего элемента. Здесь токовое управление коммутатором осуществляется с дополнительным воздействием на сверхпроводник управляющего магнитного поля, создаваемого обмоткой отключающего элемента, 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 по сравнению с аналогом. При этом в выключателе нет отдельной управляющей обмотки, что снижает расходы на его изготовление.

В конструкции отключающего элемента такого выключателя всегда имеется некоторый внутренний объем цилиндрической формы, незаполненный 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.

Наличие магнитного потока, создаваемого управляющим током во внутреннем объеме обмотки отключающего элемента и не воздействующего на сверхпроводник, ведет к дополнительному расходу энергии схемы управления, что является недостатком такого СПВ. Кроме того, невыгодная 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 СПВ.

Наиболее близким по техническому решению является сверхпроводящий выключатель [Мащенко А.И. Сверхпроводящий быстродействующий размыкатель. Патент РФ №2544872, дата приоритета 08.08.2013 г, опубликовано 20.03.2015 г., бюлл. №8], который содержит отключающий элемент, выполненный в виде двух последовательно соединенных фольговых проводников из сверхпроводящего материала. Фольговые проводники отключающего элемента сложены между собой через изоляционный материал бифилярно совместно уложены в индуктивную обмотку в виде плоской спирали. К выводам проводников подключены выводы двух последовательно соединенных и заряженных разнополярно конденсаторов. Между точкой соединения конденсаторов и точкой соединения проводников отключающего элемента включен замыкающий прибор. В центральной области отключающего элемента расположен медный стержень круглого сечения с ровной или волнообразной в осевом направлении боковой поверхностью. Стержень имеет замкнутую полость, при этом толщина его стенки превышает глубину проникновения магнитного поля на частоте управления. Стержень подключен к точке соединения проводников отключающего элемента с замыкающим прибором.

Размещение в центральной области отключающего элемента известного СПВ медного стержня с высокой электрической проводимостью ведет к экранированию и вытеснению за счет скин-эффекта управляющего магнитного поля из центрального объема отключающего элемента к сверхпроводнику и, как следствие, к повышению объемной плотности энергии управляющего магнитного поля. А за счет волнообразной в осевом направлении боковой поверхности стержня осуществляется увеличение перпендикулярной плоскости сверхпроводящей фольги и току в ней компоненты управляющего магнитного поля во внутренних витках обмотки отключающего элемента, что снижает токонесущую способность сверхпроводника, расположенного в этой области. Эффективность управления и быстродействие этого СПВ выше, чем у аналога.

Однако известный СПВ имеет определенные недостатки. Прежде всего, магнитное поле, создаваемое спиральной обмоткой отключающего элемента в процессе управления выключателем, имеет значительное рассеяние, поскольку его силовые линии замыкаются в свободном пространстве. Это ведет к дополнительному «бесполезному» расходу энергии конденсаторов схемы управления.

Кроме того, импульсное магнитное поле, создаваемое спиральной обмоткой, имеющей прямоугольное сечение, неравномерно распределено по площади сечения самой обмотки. Например, для обмотки с геометрией известного СПВ осевая компонента поля HZ в точке на внутренней поверхности обмотки по центру будет составлять ~101% от поля Н0 в центре на оси, в центре сечения обмотки 40-44%, а на наружной поверхности обмотки 13-18% [Д. Монтгомери. Получение сильных магнитных полей с помощью соленоидов. - М.: Мир, 1971. С. 270]. Такое распределение управляющего магнитного поля с убыванием от центра к периферии ведет к запаздыванию перехода в нормальное состояние наружных витков сверхпроводника обмотки от перехода внутренних витков и растягиванию процесса выключения во времени.

Задачей предлагаемого изобретения является создание сверхпроводящего быстродействующего выключателя с уменьшенными энергией управления и временем выключения.

Техническим результатом является снижение энергии управления сверхпроводящим выключателем и его времени выключения путем уменьшения потока рассеяния с соответствующим увеличением объемной плотности энергии и увеличения радиальной компоненты управляющего магнитного поля в наружной области обмотки отключающего элемента.

Указанный технический результат достигается тем, что в сверхпроводящем быстродействующем выключателе, 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 центральной области отключающего элемента расположен медный стержень круглого сечения с волнообразной в осевом направлении боковой поверхностью, имеющий замкнутую полость, толщина стенки стержня превышает глубину проникновения магнитного поля на частоте управления, стержень подключен к точке соединения проводников отключающего элемента с замыкающим прибором, в отличие от прототипа, снаружи отключающего элемента и концентрично с ним размещен полый цилиндр из металла с высокой электропроводностью, который имеет волнообразную в осевом направлении внутреннюю поверхность, при этом толщина его стенки превышает глубину проникновения магнитного поля на частоте управления.

Изобретение иллюстрируется графическим материалом.

Фиг. 1, 2 - Схема сверхпроводящего быстродействующего выключателя, где обозначено: 1 - отключающий элемент, содержащий два фольговых проводника 2 и 3 из сверхпроводящего материала; 4 и 5 - управляющие конденсаторы, заряженные разнополярно; 6 - управляемый замыкающий прибор; 7 - изоляционный материал; 8 - медный стержень круглого сечения; 9 - полый цилиндр из металла с высокой электрической проводимостью; IР - рабочий ток выключателя; IУ=IУ2+IУ3 - суммарный ток управляющих конденсаторов 4 и 5; IУ2 - ток управляющего конденсатора 4, протекающий по проводнику 2; IУ3 - ток управляющего конденсатора 5, протекающий по проводнику 3; НУ - вектор напряженности управляющего магнитного поля. Направления токов и силовых линий управляющего 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 управляющих конденсаторов 4 и 5, которые соединены последовательно и заряжены 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 уложены в индуктивную обмотку отключающего элемента 1. В центральной области обмотки отключающего элемента 1 расположен медный стержень 8 круглого сечения с волнообразной в осевом направлении боковой поверхностью. Стержень 8 имеет замкнутую полость, 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. Снаружи отключающего элемента 1 и концентрично с ним размещен полый цилиндр 9 из металла с высокой электропроводностью, который имеет волнообразную в осевом направлении внутреннюю поверхность. Наружная поверхность цилиндра 9 может повторять конфигурацию внутренней волнообразной поверхности, быть ровной или любой другой, что не оказывает принципиального значения на работоспособность устройства. Минимальная толщина стенки цилиндра 9 превышает глубину проникновения магнитного поля на частоте управления

Сверхпроводящий быстродействующий выключатель работает следующим образом. В установившемся режиме по проводникам 2 и 3 отключающего элемента 1, находящимся в сверхпроводящем состоянии с нулевым электрическим сопротивлением, протекает рабочий ток выключателя IР. Поскольку проводники 2 и 3 сложены между собой малоиндуктивным способом бифилярно, то из-за встречного направления рабочего тока IР 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 выключателя производится подачей запускающего импульса на замыкающий прибор 6. Предварительно заряженные разнополярно конденсаторы 4 и 5 схемы управления разряжаются через проводники 2 и 3, находящиеся в сверхпроводящем состоянии. Конденсатор 4 разряжается через проводник 2 током IУ2 согласно с протекающим по нему рабочим током IР, а конденсатор 5 разряжается через проводник 3 током IУ3 встречно с рабочим током IР. Токи IУ2 и IУ3, текущие в одном пространственном направлении по проводникам 2 и 3, уложенным совместно в индуктивную обмотку в виде плоской спирали, создают магнитное поле НУ, воздействующее на состояние собственного сверхпроводника 2 и 3 отключающего элемента 1 в процессе управления. В микросекундном диапазоне времени управления медный стержень 8 за счет скин-эффекта [Л.Р. Нейман и К.С. Демирчан. Теоретические основы электротехники. Том второй. «Энергия». 1967, с. 366] вытесняет управляющее магнитное поле к внутренним виткам обмотки отключающего элемента 1, увеличивая здесь концентрацию магнитного потока, и повышает компоненту поля, перпендикулярную плоскости сверхпроводящей фольги в этих витках обмотки.

Поскольку полый металлический цилиндр 9, изготовленный из материала с высокой электропроводностью, например, меди или алюминия, охватывает своей поверхностью отключающий элемент 1, спиральная обмотка которого является источником импульсного магнитного поля, то на частоте управления за счет скин-эффекта цилиндр 9 экранирует магнитное поле НУ от свободного пространства (наружной области) [А.Е. Каплянский и др. Теоретические основы электротехники. М.-Л., Госэнергоиздат, 1961, с. 502], снижая его рассеяние и увеличивая этим концентрацию магнитного потока в обмотке отключающего элемента 1, особенно у наружных витков проводников 2 и 3. При равных с устройством-прототипом схемно-конструктивных параметрах в заявляемом устройстве происходит увеличение плотности энергии управляющего магнитного поля во всем объеме отключающего элемента 1 за счет уменьшения потока рассеяния его спиральной обмотки после размещения цилиндра 9.

Если внутренняя поверхность полого цилиндра 9 будет выполнена волнообразной в осевом направлении, то силовые линии управляющего магнитного поля, повторяя конфигурацию этой поверхности, также приобретают волнообразный характер. Такое распределение силовых линий управляющего магнитного поля НУ увеличивает его радиальную компоненту HR, перпендикулярную плоскости фольговых проводников 2 и 3 и направлению тока в них в наружной области, что ведет к снижению критической плотности тока сверхпроводящей фольги в наружных витках отключающего элемента 1 [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 наружных витков сверхпроводников 2 и 3, на которые воздействует магнитное поле с наибольшим значением радиальной компоненты HR, первыми переходят в нормальное состояние. Через эти нормальные зоны управляющее магнитное поле НУ проникает внутрь к следующим виткам сверхпроводника в спиральной обмотке отключающего элемента 1 и также переводит их в нормальное состояние. Следует отметить, что участки сверхпроводника, перешедшие в резистивное (т.е. смешанное - частично нормальное и сверхпроводящее) состояние, имеют продольное проводнику направление и не вносят вклад в общее сопротивление отключающего элемента 1, так как зашунтированы сверхпроводящими участками. Это ведет к перераспределению транспортного (рабочий + управляющий) тока в сверхпроводящие участки, увеличивая во много раз (обратно пропорционально сокращению площади сечения сверхпроводящих участков) плотность тока в них и снижая токонесущую способность сверхпроводника. Интенсивность разрушения сверхпроводимости при этом значительно увеличивается, так как перевод в нормальное состояние будет происходить при меньшей величине напряженности управляющего магнитного поля НУ.

Таким образом, применение наружного экрана в виде полого цилиндра 9 из металла с высокой электрической проводимостью и волнообразной в осевом направлении внутренней поверхностью позволяет уменьшить рассеяние управляющего магнитного поля, увеличить его концентрацию в теле обмотки отключающего элемента 1, особенно у наружных витков проводника 2 и 3, и переориентировать магнитное поле в поперечном плоскости сверхпроводника направлении. При этом проникновение импульсного магнитного поля в композит (сверхпроводник + изоляция) обмотки отключающего элемента 1 будет осуществляться более интенсивно с двух сторон - с внутренней и наружной, а в устройстве-прототипе - только с внутренней. Поэтому в предлагаемом выключателе процесс управления будет происходить более интенсивно, чем у прототипа с равными схемно-конструктивными параметрами, а это позволяет либо уменьшить энергию схемы управления СПВ при равном времени выключения, либо уменьшить его время выключения при равной, запасенной в конденсаторах 4 и 5, энергии схемы управления.

Пример выполнения сверхпроводящего быстродействующего выключателя. Выключатель содержит отключающий элемент 1, управляющие конденсаторы 4 и 5, замыкающий прибор 6, медный полый стержень 8, алюминиевый полый цилиндр 9. 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 стеклоткани марки СКТФ-5Э, что обеспечивает высокую электрическую прочность и весьма малую индуктивность пары вследствие хорошей компенсации собственных магнитных полей. Но вместе эти проводники уложены в индуктивную обмотку в виде плоской спирали с прямоугольным поперечным сечением. Такое выполнение отключающего элемента 1 позволяет в режиме постоянного тока пропускать рабочий ток IР, близкий к критическому току короткого образца, а в период управления отключающий элемент 1 создает в своем объеме импульсное магнитное поле с напряженностью НУ, воздействующее на собственный сверхпроводник 2 и 3. Геометрические размеры отключающего элемента 1, выполненного в виде плоской спиральной обмотки: d=80 мм - средний диаметр обмотки, а=80 мм и r=40 мм - длина (ширина фольги) и радиальная толщина обмотки. N=22 - число витков обмотки отключающего элемента 1. Средний диаметр медного полого стержня 8 с волнообразной наружной поверхностью равен 30 мм, длина - 80 мм. Средний диаметр алюминиевого полого цилиндра 9 с волнообразной внутренней поверхностью равен 130 мм, длина 100 мм. Минимальная толщина стенки цилиндра 9 составляет 2 мм. С целью экономии металла стенка цилиндра 9 может быть выполнена в виде гофры.

Параметры сверхпроводящего быстродействующего выключателя: рабочий ток IР=6 кА, рабочее напряжение UР=5 кВ, сопротивление RК отключающего элемента 1 в нормальном состоянии при температуре Т=10 К составляет 5 Ом. 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).

Оценку эффективности использования энергии в процессе управления выполним для прототипа и заявляемого устройства с равными геометрическими параметрами, представленными выше, и равной энергии схемы управления.

Напряженность управляющего магнитного поля Н0 в центре на оси обмотки отключающего элемента 1 без стержня 8 и цилиндра 9 рассчитывается по уравнению [Д. Монтгомери. Получение сильных магнитных полей с помощью соленоидов. - М.: Мир, 1971. С. 26, 268-273]:

где: I=2000 А - суммарный ток схемы управления в проводниках 2 и 3;

F=1,8 - коэффициент поля;

α=а21=3 - отношение внешнего радиуса обмотки отключающего элемента 1 к внутреннему;

β=в/а1=2 - отношение полудлины обмотки отключающего элемента 1 к внутреннему радиусу;

а1=20 мм - внутренний радиус обмотки отключающего элемента 1;

а2=60 мм - внешний радиус обмотки отключающего элемента 1;

в=40 мм - полудлина обмотки (половина ширины фольги).

Затем с помощью уравнений, графиков и таблиц можно определить величину напряженности управляющего магнитного поля в различных точках поперечного сечения обмотки отключающего элемента 1, а также в пространстве вне обмотки, превышающем ее радиус.

С учетом [Д. Монтгомери. Получение сильных магнитных полей с помощью соленоидов. - М.: Мир, 1971. таблица 16, с. 270] в устройстве-прототипе средняя напряженность НC0 управляющего магнитного поля в объеме V0, включающем обмотку отключающего элемента 1 и область между обмоткой и стержнем 8, будет примерно равна НC0=0,4 Н0=0,4·495·103=198·103 А/м (средняя индукция ВC0=0,248 Т).

При этом энергия управляющего магнитного поля, сосредоточенная в объеме V0, определяется выражением [Б.М. Яворский, Ю.А. Селезнев. Справочное руководство по физике. - М.: «Наука», 1984, с. 185]:

где НCO=198·103 А/м - средняя напряженность управляющего магнитного поля в объеме V0;

µ0 - магнитная постоянная;

µ=1 - относительная магнитная проницаемость среды;

V0 - объем обмотки отключающего элемента 1 и области между обмоткой и стержнем 8.

Кроме того, в прототипе энергия управляющего магнитного поля, в отличие от заявляемого устройства, дополнительно расходуется на создание рассеянного магнитного поля в свободном пространстве. Для оценки этих потерь ограничим в прототипе рассеяние поля областью VP в виде тороида прямоугольного сечения с размерами: внешний радиус 140 мм, внутренний радиус (равен внешнему радиусу обмотки отключающего элемента 1) 60 мм, ширина 80 мм. При этом средняя напряженность поля НСР в объеме VР составит около НСР=0,07 Н0=34650 А/м (ВСР=0,0435 Т).

Тогда энергия рассеянного магнитного поля, сосредоточенная в объеме VР, будет равна:

что составляет ~15% от полезно используемой энергии W0. Такое количество энергии расходуется на создание рассеянного магнитного поля, не воздействующего на сверхпроводник в устройстве прототипа.

В заявляемом устройстве размещение полого цилиндра 9 из металла с высокой электропроводностью, в примере из алюминия, снаружи обмотки отключающего элемента 1 ведет к экранированию большей части поля рассеяния и концентрации магнитного потока в объеме V′0=V0+V3, где V3 - объем в зазоре между обмоткой отключающего элемента 1 и цилиндром 9. Определим увеличение напряженности управляющего магнитного поля в области сверхпроводника после перераспределения энергии поля WР из объема VР в объем V′0. При этом объемная плотность энергии Wp=ΔWР/ΔVР магнитного поля со средней напряженностью НСР, перераспределенного в объем V′0 с обмоткой отключающего элемента 1, увеличится пропорционально коэффициенту k=VР/V′0=4 и средняя напряженность поля НС0 в объеме V′0 возрастет до величины (В′С0=0,336 Т), что на ~35% больше, чем без цилиндра 9. Воздействие на сверхпроводник повышенного по сравнению с прототипом в 1,3-1,4 раза значения напряженности управляющего магнитного поля увеличивает эффективность управления выключателем. Кроме того, наружное расположение цилиндра 9 ведет к более равномерному, чем в прототипе, распределению управляющего магнитного поля по площади сечения обмотки отключающего элемента 1. При этом критические параметры сверхпроводника внутренних и наружных витков достигаются с меньшим временным разбросом, что сближает время их перехода в нормальное состояние, уменьшая, соответственно, время выключения устройства.

Следует отметить, что приведенные выше расчеты выполнены для устройства, в котором полый цилиндр 9 имеет ровную поверхность, а не волнообразную. Положительный эффект достигается здесь только экранированием управляющего магнитного поля НУ от свободного пространства, снижением его рассеяния и повышением тем самым концентрации поля у витков сверхпроводника выключателя, то есть повышением объемной плотности энергии управляющего магнитного поля, воздействующего на сверхпроводник.

Волнообразная в осевом направлении внутренняя поверхность цилиндра 9 ориентирует магнитное поле под большим углом к наружным виткам обмотки отключающего элемента 1, увеличивая поперечную плоскости фольги компоненту управляющего поля. Известно [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], что величина критической плотности тока фольги из ниобий-титанового сплава НТ-50 толщиной ~18 мкм 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, no. 2, 1975, p. 587]. При указанных выше электрических параметрах контура схемы управления выключателем подъем управляющего магнитного поля НУ до максимального значения будет происходить, как и в прототипе, за 2,4 мкс, а величина радиальной компоненты HR магнитного поля при ориентации вектора НУ относительно плоскости наружных витков фольги под углом, например, 45 градусов будет составлять 0,45 Т. Тогда подъем магнитного поля до критического значения 0,1 Т в области наружных витков обмотки отключающего элемента 1 будет осуществляться за время менее 1 микросекунды. Это уменьшает по сравнению с прототипом время перевода в нормальное состояние тех продольных участков наружных витков сверхпроводника, на которые воздействует перпендикулярная компонента магнитного поля HR. При этом транспортный ток, равный сумме рабочего тока IР и управляющего тока IУ, перераспределяется в сверхпроводящие участки фольги, не имеющие сопротивления, увеличивая в них плотность тока, на которые воздействует и проникающее через нормальные зоны управляющее 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 выключателя при равной энергии схемы управления может быть выше, чем у прототипа примерно в 1,5 раза.

Таким образом, в предлагаемом сверхпроводящем выключателе осуществляется повышение эффективности управления и быстродействия путем экранирования рассеянного магнитного поля, создаваемого обмоткой отключающего элемента, концентрации энергии этого поля в объеме отключающего элемента и увеличения его радиальной компоненты в области наружных витков отключающего элемента, что достигается за счет размещения снаружи отключающего элемента полого цилиндра из металла с высокой электрической проводимостью и волнообразной в осевом направлении внутренней поверхностью.

На базе заявляемого выключателя могут быть созданы более мощные быстродействующие СПВ, в которых отдельные модули, соединенные по току последовательно или параллельно, будут иметь общие внутренний стержень и наружный цилиндр.

Сверхпроводящий быстродействующий выключатель, 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, проводники отключающего элемента сложены между собой через изоляционный материал бифилярно, а вместе эти проводники уложены в индуктивную обмотку, в центральной области отключающего элемента расположен медный стержень круглого сечения с волнообразной в осевом направлении боковой поверхностью, имеющий замкнутую полость, толщина стенки стержня превышает глубину проникновения магнитного поля на частоте управления, стержень подключен к точке соединения проводников отключающего элемента с замыкающим прибором, отличающийся тем, что снаружи отключающего элемента и концентрично с ним размещен полый цилиндр из металла с высокой электропроводностью, который имеет волнообразную в осевом направлении внутреннюю поверхность, при этом толщина его стенки превышает глубину проникновения магнитного поля на частоте управления.



 

Похожие патенты:

Использование: для криостатирования сверхпроводящей обмотки индукционного накопителя. Сущность изобретения заключается в том, что способ криостатирования и запитки сверхпроводящей обмотки индукционного накопителя включает режим захолаживания, ввод тока в сверхпроводящую обмотку и удержание магнитного поля, где захолаживание сверхпроводящей обмотки индукционного накопителя осуществляют за счет принудительного протока жидкого гелия, а ввод тока и удержание магнитного поля обеспечивают с помощью сверхпроводящего преобразователя тока, который располагают между накопительной емкостью с жидким гелием и сверхпроводящей обмоткой индукционного накопителя, при этом накопительную емкость с жидким гелием, сверхпроводящий преобразователь тока и сверхпроводящую обмотку индукционного накопителя располагают в разных криостатах и соединяют между собой при помощи коаксиальных каналов, внутри которых располагают гелиевые магистрали и токоподводы.

Сверхпроводящий выключатель может быть использован для коммутации электрических цепей постоянного тока, в системах вывода энергии из индуктивных сверхпроводящих накопителей, для защиты крупных магнитных сверхпроводящих систем, работающих в режиме «замороженного» магнитного поля, сверхпроводящих обмоток электрических машин и в качестве токоограничителей в экспериментальных сверхпроводящих линиях электропередачи.

Изобретение относиться к области измерения параметров слабых потоков излучения и касается способа измерения параметров однофотонных источников излучения. Параметры источника излучения измеряются с помощью однофотонного сверхпроводникового детектора.

Изобретение относится к электротехнике, к средствам для использования эффекта сверхпроводимости, и может быть использовано в установках для активации высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП).

Изобретение относится к электротехнике, в частности к сверхпроводящим размыкателям постоянного тока многократного действия. .

Изобретение относится к области сверхпроводниковой электротехники и может быть использовано для коммутации тока сверхпроводящих магнитных систем и сверхпроводящих индуктивных накопителей энергии, в системах защиты сверхпроводящих обмоток электрических машин, сверхпроводящих кабелей и линий электропередачи.

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.

Изобретение относится к области сверхпроводящей электротехники и может быть использовано для коммутации электрических цепей постоянного тока. .

Изобретение относится к области криоэлектроники, в частности к области создания тонкопленочных криогенных устройств на сверхпроводниках. .

Изобретение относится к электротехнике, к криоэлектронике и может быть использовано для защиты электрических машин от токовых перегрузок. .
Наверх