Результат интеллектуальной деятельности: СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ

Изобретение относится к области сверхпроводящей электротехники, в частности к сверхпроводящим выключателям (СПВ) постоянного тока, и может быть использовано, например, для коммутации тока сверхпроводящих магнитных систем и сверхпроводящих индуктивных накопителей энергии, в системах защиты сверхпроводящих обмоток электрических машин, сверхпроводящих кабелей и линий электропередачи.

Известны сверхпроводящие выключатели, управляемые импульсным магнитным полем, в которых перевод сверхпроводника отключающей обмотки в нормальное состояние осуществляется путем разряда 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]. СПВ, использующие магнитный способ управления, позволяют получить время выключения до 10 микросекунд. Однако при управлении выключателем, когда появляется сопротивление отключающей обмотки и часть рабочего тока выключателя переходит в цепь нагрузки, возникает необходимость повышения управляющего магнитного поля для 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 систем 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 содержит сверхпроводящую отключающую обмотку, подсоединенную своими выводами к выводам 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 и вспомогательная обмотки управления размещаются 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 в 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.

Недостатком такого выключателя является то, что энергия системы управления затрачивается на создание управляющего магнитного поля во всем объеме отключающей обмотки. Энергия управляющего магнитного поля W_Y, сосредоточенная в объеме V_O отключающей обмотки (внутренний объем основной обмотки управления), будет равна [Б.М.Яворский, Ю.А.Селезнев. Справочное руководство по физике. - М.: «Наука», 1984, с.185]:

где µ₀ - магнитная постоянная; µ=1 - относительная магнитная проницаемость среды; B_m - максимальная индукция управляющего поля; V_O - объем отключающей обмотки, близкий к объему основной обмотки управления. Из выражения (1) следует, что затраты энергии управления прямо пропорциональны объему отключающей обмотки.

Известно, что сверхпроводник в сверхпроводящем состоянии является идеальным экраном для магнитного поля как собственного, так и внешнего. Поэтому в конструкциях СПВ очень большое влияние на диффузию управляющего магнитного поля в объем отключающей обмотки и, соответственно, на скорость перехода сверхпроводника в нормальное состояние оказывает скин-эффект, который связан с использованием электропроводящих (медных) токовводов и длинного сверхпроводника, уложенного в многослойный пакет бифилярным способом. Скин-эффект проявляется сильнее в мощных СПВ, имеющих массивные отключающие обмотки с большим количеством сверхпроводящего материала, что значительно ограничивает быстродействие таких выключателей. Для повышения скорости проникновения управляющего магнитного поля в композит (сверхпроводник + изоляция) массивной отключающей обмотки необходимо увеличивать максимальную индукцию B_m магнитного поля значительно выше ее значения для малой отключающей обмотки, что ведет к увеличению согласно (1) удельной энергии управления (Дж/м³), т.е. к дополнительным затратам энергии управляющего устройства.

Независимо от величины сверхкритического магнитного поля нарушение сверхпроводящего состояния (образование нормальных зон) первоначально происходит не во всем объеме отключающей обмотки, а в его "слабых" участках, и сопротивление сверхпроводника на начальном этапе управления будет иметь малую величину.

Скин-эффект снижает эффективность магнитного способа управления, это препятствует разработке СПВ требуемой мощности 10⁹-10¹⁰ Вт с заданными характеристиками. Поэтому при построении крупных СПВ с рабочим напряжением сотни киловольт и коммутируемой мощностью 10⁹-10¹⁰ Вт целесообразно использовать принципы сложения мощностей отдельных модулей СПВ с единичной коммутируемой мощностью ~10⁸ 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]. B 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 и увеличенным быстродействием.

Техническим результатом является снижение энергии системы управления выключателем и увеличение его быстродействия за счет воздействия основного управляющего магнитного поля на уменьшенный объем сверхпроводника в отключающей обмотке и последующего повышения величины рабочего тока во всем объеме сверхпроводника до сверхкритического значения.

Для решения данной задачи предлагается 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, в отличие от прототипа отключающая обмотка и вспомогательная обмотка управления состоят из равного числа N секций, причем секции отключающей обмотки соединены параллельно, а секции вспомогательной обмотки управления соединены последовательно, при этом основная обмотка управления расположена на первой секции отключающей обмотки, а секции вспомогательной обмотки управления расположены на одноименных секциях отключающей обмотки.

Изобретение иллюстрируется графическим материалом, где изображено:

Фиг.1 - Принципиальная электрическая схема устройства, где обозначено: 1 - сверхпроводящая отключающая обмотка, состоящая из секций K₁…K_N, где N - число секций выключателя, 2 и 3 - выводы источника энергии, 4 - система управления выключателем, содержащая конденсатор 5, основную обмотку управления 6 и замыкающий прибор 7, 8 - нагрузка, в которую передается энергия источника питания, 9 - вспомогательная обмотка управления, состоящая из секций L₁…L_N.

Устройство содержит сверхпроводящую отключающую обмотку 1, выполненную из параллельных секций K₁…K_N и подсоединенную своими выводами к выводам 2 и 3 источника энергии (например, сверхпроводящего индуктивного накопителя), систему управления 4 выключателем, состоящую из конденсатора 5, основной обмотки управления 6 и замыкающего прибора 7. Основная обмотка управления 6 расположена на первой секции K₁ отключающей обмотки 1, на которую в начальный момент процесса переключения будет воздействовать внешнее магнитное поле основной обмотки управления 6. Параллельно выводам отключающей обмотки 1 подключена цепь из нагрузки 8 и соединенных последовательно секций L₁…L_N вспомогательной обмотки управления 9. Секции L₁…L_N вспомогательной обмотки управления 9 конструктивно размещены на одноименных секциях K₁…K_N отключающей обмотки 1.

Устройство работает следующим образом. Первоначально через выключатель течет рабочий ток

где I_K1, I_K2, …, I_KN - величина рабочего тока в секциях K₁, K₂, …, K_N отключающей обмотки 1. Предельная величина рабочего тока I_Kmax определяется устойчивостью СПВ к срывам сверхпроводящего состояния. Обычно выбирают

где I_C - критический ток выключателя [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.; Менке X., Шишов Ю.Д. Модель сильноточного и высоковольтного сверхпроводящего выключателя. - Препринт Р8-7855. - Дубна, ОИЯИ, 1974]. В требуемый для срабатывания выключателя момент времени в системе управления 4 замыкается прибор 7 и предварительно заряженный конденсатор 5 разряжается на основную обмотку управления 6, охватывающую своими витками небольшой объем первой секции K₁ отключающей обмотки 1 и создающую в этой области внешнее магнитное поле. При подъеме магнитного поля выше критического значения часть сверхпроводника секции K₁ перейдет в нормальное состояние. Затраты энергии системы управления, как следует из (1), снижаются пропорционально уменьшению объема (V_O) отключающей обмотки, в которой создается управляющее магнитное поле (объем одной секции K₁), и пропорционально снижению требуемой величины максимальной индукции управляющего магнитного поля, которое обусловлено меньшим влиянием экранирующего эффекта в малых отключающих обмотках по сравнению с массивными обмотками. Соответственно, время подъема внешнего магнитного поля до сверхкритического значения, его проникновение внутрь обмотки и нарушение сверхпроводимости секции K₁ будет происходить за меньшее время, чем нарушение сверхпроводимости отключающей обмотки в устройстве прототипе.

Срыв сверхпроводимости секции K₁ и появление в ней даже небольшого сопротивления ведет к переходу тока I_K1 из секции K₁ в параллельные сверхпроводящие секции K₂…K_N, имеющие нулевое сопротивление. При условии равенства индуктивностей секций K₂…K_N ток в каждой из них вырастет на величину

Вследствие бифилярного исполнения обмоток секции K₁…K_N 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]. Поэтому перераспределение и рост рабочего тока в параллельных секциях K₂…K_N до сверхкритического значения происходит за очень короткий интервал времени Δt (десятые доли мкс), который определяется из выражения:

где U - напряжение на выводах отключающей обмотки 1; L - суммарная индуктивность секций K₂…K_N; ΔI - приращение рабочего тока в секциях K₂…K_N за интервал времени Δt.

Отметим, что в реальных конструкциях из-за технологических трудностей практически невозможно изготовить секции K₁…K_N с равными индуктивностями, они могут отличаться на несколько процентов. Поэтому срыв сверхпроводящего состояния будет происходить сначала в секциях с наименьшей индуктивностью, где скорость роста плотности рабочего тока будет наибольшей. Последовательно срыв сверхпроводимости произойдет в секциях с большей индуктивностью. Этот процесс очень скоротечен, так как при уменьшении эквивалентного сечения проводника оставшихся сверхпроводящих секций увеличивается доля рабочего тока, перешедшего из предыдущей нормальнопроводящей секции.

Процесс перехода сверхпроводника в нормальное состояние при токовом управлении выключателем идет не в "слабых" участках, как при магнитном управлении, а по всему объему (длине) сверхпроводника. Из-за малой собственной индуктивности отключающей обмотки и отсутствия экранирующего эффекта время срыва сверхпроводимости при токовом управлении значительно меньше, чем при управлении внешним магнитным полем. В момент времени, когда суммарный ток в каждой из секций K₂…K_N превысит критическое значение

где I_C2…I_CN - критический ток для секций K₂…K_N; произойдет нарушение сверхпроводимости во всей отключающей обмотке 1.

Срыв сверхпроводимости во всех секциях K₁…K_N отключающей обмотки 1 приведет, с одной стороны, к появлению тока I_H в цепи нагрузки 8 и созданию секциями L₁…L_N вспомогательной обмотки управления 9 внешнего магнитного поля в области всех секций K₁…K_N отключающей обмотки 1, а с другой, к быстрому проникновению этого магнитного поля в центральную часть объема секций K₁…K_N через образовавшиеся в сверхпроводнике нормальные зоны и полному переводу СПВ в нормальное состояние за малый интервал времени.

Поскольку срыв сверхпроводящего состояния основного объема отключающей обмотки 1 предлагаемого выключателя осуществляется сверхкритическим током, рост которого в сверхпроводнике не ограничивается размерами обмотки, как это происходит при управлении магнитным полем, то быстродействие такого выключателя будет выше, чем у СПВ прототипа.

Таким образом, в предлагаемом схемно-конструктивном решении реализуется управление внешним магнитным полем и сверхкритическим током выключателя, что повышает эффективность управления по сравнению с их раздельным воздействием. Энергия системы управления затрачивается на срыв сверхпроводимости только в малом объеме одной секции K₁ отключающей обмотки 1, а срыв сверхпроводимости остальных секций K₂…K_N и полный эффективный перевод всей массы сверхпроводящего материала секций K₁…K_N отключающей обмотки в нормальное состояние осуществляется с большим быстродействием сверхкритическим током и внешним магнитным полем от силового источника энергии, для коммутации электрической цепи которого используется СПВ.

В случае самопроизвольного нарушения сверхпроводимости любой из параллельных секций K₁…K_N отключающей обмотки 1, например секции K₂, ее сопротивление возрастает, ток из секции K₂ перераспределяется в другие сверхпроводящие секции и, превысив сверхкритическое значение, переводит частично эти секции в нормальное состояние. Появившееся сопротивление отключающей обмотки 1 ведет к росту тока I_N в цепи нагрузки 8 и магнитное поле вспомогательной обмотки управления 9 производит полный перевод всех секций K₁…K_N отключающей обмотки 1 в нормальное состояние. При этом уменьшается величина удельных энерговыделений в секции K₂ и обеспечивается контролируемый безаварийный вывод энергии из индуктивного накопителя в нагрузку 8, что повышает надежность выключателя.

Объем секции K₁ может быть в N раз меньше, чем объем отключающей обмотки СПВ прототипа при равной коммутируемой мощности выключателей. Процесс переключения предлагаемого СПВ имеет высокую эффективность при использовании не более 10 секций (N≤10) отключающей обмотки 1. При большем числе секций K₁…K_N (N>10) приращение рабочего тока (менее 1/10 части номинального рабочего тока) после срыва сверхпроводимости первой секции K₁ может быть недостаточным для превышения суммарным рабочим током критической величины во всех сверхпроводящих секциях (K₂…K_N) отключающей обмотки 1.

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 параллельным соединением секций будет в N раз больше, чем у прототипа.

Эффективность использования предлагаемого схемно-конструктивного решения увеличивается в случае, если требуется построить сильноточный СПВ мощностью порядка 10⁹ Вт на основе модулей мощностью ~10⁸ Вт путем их параллельного 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 обмоток магнитного поля) будет в N раз меньше, чем у сильноточного СПВ на основе модулей прототипа. Это упрощает схему системы управления, повышает надежность работы, облегчает условия эксплуатации и обслуживания, снижает стоимость СПВ.

Пример реализации устройства.

СПВ содержит отключающую обмотку 1, систему управления 4 и вспомогательную управляющую обмотку 9. Отключающая обмотка 1 состоит из пяти (N=5) параллельных секций K₁…K₅, токонесущим элементом является сверхпроводящая ниобий-титановая фольга НТ-50, толщиной ~18 мкм и шириной 16 мм. Каждая секция K₁…K₅ выполнена в виде пакета из уложенной бифилярно фольги, с изоляцией между слоями. Параметры выключателя: рабочий ток 6 кА, рабочее напряжение до 80 кВ (коммутируемая мощность 4,8·10⁸ Вт), общее сопротивление отключающей обмотки 1 в нормальном состоянии при температуре Т=10 К составляет 70 Ом. Сопротивление каждой секции K₁…K₅ при этом равно ~350 Ом. Критический ток выключателя по испытаниям, проведенным в НИИ ядерной физики, равен ~7,2 кА. Выбранное соотношение рабочего и критического токов I_K/I_C=0,83. Величина токов по секциям составит: рабочий ток I_K1…I_KN=1200 А, критический ток I_C1…I_CN=1440 А.

На 1-й секции K₁ отключающей обмотки 1 расположена основная управляющая обмотка 6 системы управления 4, представляющая собой прямоугольный соленоид с размерами 16×150×115 мм³, близкими к размерам секции K₁. Обмотка 6 выполнена из многожильного медного провода диаметром ⌀2,5 мм в тефлоновой изоляции и имеет четыре витка.

Отключающая обмотка 1 собрана в единый модуль с параллельным соединением секций K₁…K₅. Снаружи модуля, включая и основную обмотку управления 6, расположена вспомогательная обмотка управления 9, состоящая из последовательных секций L₁…L₅ и представляющая собой прямоугольный соленоид с размерами 80×160×125 мм³ и общим числом витков, равным двенадцати. Проводником является медный провод прямоугольного сечения 3,5×8 мм².

Данный СПВ может применяться для эвакуации энергии, например, из сверхпроводящего индуктивного накопителя в нагрузку 8 с сопротивлением 7 Ом при КПД передачи 0,9. Переход выключателя из сверхпроводящего состояния в нормальное выполняется под действием внешнего магнитного поля и сверхкритического тока.

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 K₁ отключающей обмотки 1.

При токе в основной обмотке управления 1200 А величина индукции В магнитного поля в области сверхпроводника 1-й секции K₁ отключающей обмотки 1 определяется из выражения:

где I=1200 A - ток в основной управляющей обмотке системы управления; w=4 - число витков основной управляющей обмотки; l=0,016 м - аксиальная длина обмотки; µ₀=4π10^-7 Гн/м - магнитная постоянная.

Величина энергии магнитного поля, воздействующего на 1-ю секцию K₁ отключающей обмотки 1, определяется с учетом объема, охваченного витками основного управляющего соленоида 6:

где V_C=0,016·0,15·0,115=0,276·10^-3 м³ - объем основного управляющего соленоида 6, расположенного на первой секции K₁ отключающей обмотки 1.

Такая величина управляющего магнитного поля является достаточной для срыва сверхпроводящего состояния секции K₁, появления сопротивления этой секции и перехода ее рабочего тока в параллельные секции K₂…K₅. Приращение тока в каждой секции составит ΔI_K2…ΔI_KN=1200/4=300 А, а сумма I_K2…I_KN+ΔI_K2…ΔI_KN=1200+300=1500 А, что превышает критическое значение I_C2…I_CN=1440 А и вся отключающая обмотка 1 выходит из сверхпроводящего состояния. Появление сопротивления отключающей обмотки 1 способствует появлению и росту тока I_H в цепи нагрузки 8 и вспомогательной обмотки управления 9. При переходе 10% сверхпроводника отключающей обмотки 1 в нормальное состояние ее сопротивление составит ~7 Ом и в цепи нагрузки 8 величина тока I_H будет равна 3000 А. При таком токе секции L₁…L₅ вспомогательной обмотки управления 9 создают магнитное поле с индукцией В=0,565 Т (7) в области отключающих секций K₁…K₅, которое, проникая через нормальные зоны в сверхпроводнике, переводит полностью отключающую обмотку 1 в нормальное состояние.

Таким образом, в предлагаемом устройстве энергоемкость системы управления 4 должна быть рассчитана на нарушение сверхпроводящего состояния только в одной, 1-й секции K₁, то есть в 1/5 части объема отключающей обмотки 1 выключателя.

В выключателе, выполненном как прототип, в виде единичного модуля с параметрами, аналогичными параметрам предлагаемого СПВ (6 кА, 80 кВ, 4,8·10⁸ Вт), основная обмотка управления охватывает своими витками всю отключающую обмотку и имеет близкие к ней размеры, равные 80×150×115 мм³. Число витков - двадцать. Для нарушения сверхпроводимости отключающей обмотки, с целью инициирования процесса перехода тока индуктивного накопителя в цепь нагрузки, необходим подъем управляющего магнитного поля во всем объеме отключающей обмотки до той же величины (0,377 Т), как 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:

где V_O=0,08·0,15·0,115=1,38·10^-7 м³ - объем апертуры основного управляющего соленоида, расположенного на отключающей обмотке СПВ прототипа.

Таким образом, в устройстве прототипе энергоемкость системы управления должна быть рассчитана на нарушение сверхпроводимости во всем объеме отключающей обмотки выключателя.

Величина энергии системы управления 4 сверхпроводящим выключателем предлагаемой конструкции в конкретном примере, с числом секций N=5, уменьшается по сравнению с прототипом в 5 раз. С учетом влияния экранирующего эффекта разница в затратах энергии управления будет еще больше, так как снижение требуемой максимальной индукции B_m управляющего магнитного поля в предлагаемом выключателе 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 по сравнению с прототипом уже будет в ~10 раз.

Таким образом, в предлагаемом сверхпроводящем выключателе, управляемом импульсным магнитным полем, осуществляется уменьшение энергии системы управления при увеличении быстродействия путем воздействия основного управляющего магнитного поля на уменьшенный объем сверхпроводника в отключающей обмотке с последующим повышением величины рабочего тока во всей массе сверхпроводника до сверхкритического значения, что достигается секционированием выключателя и подключением системы управления только к одной, первой секции отключающей обмотки.