СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ Российский патент 2013 года по МПК H01L39/16 

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.

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_О 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]:

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

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_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 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.

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]. 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:

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 управляющую обмотку 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 последовательных 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 управляющей обмотки 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 управляющее 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 расположены на секциях K₁…K_N отключающей обмотки 1.

Устройство работает следующим образом. Первоначально ток I₀ сверхпроводящего индуктивного накопителя энергии (выводы 2 и 3), являющийся в то же время рабочим током I_K выключателя, течет по секциям K₁…K_N 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 K₁ отключающей обмотки 1. При подъеме магнитного поля выше его критического значения часть сверхпроводника секции K₁ потеряет сверхпроводимость и возникшее сопротивление секции K₁ приводит к уходу части тока I₀ индуктивного накопителя из цепи отключающей обмотки 1 в цепь нагрузки 8 и секционированной вспомогательной обмотки управления 9. Появившийся в секциях L₁…L_N ток I_H возбуждает магнитные поля в областях одноименных секций K₁…K_N отключающей обмотки 1, на которых размещены секции вспомогательной обмотки управления. Магнитное поле, возникшее в секции L₁, складывается с магнитным полем основной обмотки управления 6 и увеличивает сопротивление секции K₁. В то же время магнитные поля каждой из обмоток L₂…L_N переводят в нормальное состояние часть сверхпроводника отключающих секций K₂…K_N, увеличивая тем самым сопротивление всей отключающей обмотки 1 и увеличивая соответственно ток I_H в цепи нагрузки 8. При этом рост управляющего магнитного поля, генерируемого всеми секциями L₁…L_N в объемах отключающих секций K₁…K_N, 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:

- полный перевод сверхпроводника в нормальное состояние происходит только при подъеме внешнего магнитного поля выше критической величины B_C во всем объеме сверхпроводящего материала;

- в конструкциях СПВ скин-эффект не позволяет осуществить быстрый подъем внешнего магнитного поля выше его критического значения B_C 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.

Для компенсации действия скин-эффекта необходимо повышать индукцию B_m магнитного поля намного выше критического значения B_C, т.е. с ростом размеров отключающей обмотки растет объемная плотность энергии управляющего магнитного поля (ф.1):

Таким образом, из выражения (1) следует, что энергия магнитного поля, необходимая для управления СПВ, возрастает пропорционально объему (V_O) отключающей обмотки и пропорционально квадрату индукции (B_m ²) магнитного поля.

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, K₁) 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 K₁ способствует использованию тока индуктивного накопителя энергии для полного перевода в нормальное состояние всех секций отключающей обмотки. Объем секции K₁ 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.

Эффективность использования предлагаемого схемно-конструктивного решения увеличивается в случае, если требуется построить высоковольтный СПВ мощностью порядка 10⁹ Вт и более на основе модулей мощностью ~10⁸ 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.

В случае самопроизвольного нарушения сверхпроводимости любой из секций K₁…K_N отключающей обмотки 1 происходит автоматический перевод в нормальное состояние всех секций K₁…K_N и, соответственно, обеспечивается контролируемый безаварийный вывод энергии из индуктивного накопителя в нагрузку 8, что повышает надежность выключателя.

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 K₁…K₅, токонесущим элементом является сверхпроводящая ниобий-титановая фольга НТ-50 толщиной ~18 мкм и шириной 80 мм. Каждая секция K₁…K₅ 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 4,8·10⁸ 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 14 Ом.

На 1-й секции K₁ отключающей обмотки 1 расположена основная управляющая обмотка 6 системы управления 4, представляющая собой прямоугольный соленоид с размерами 80×90×45 мм³, близкими к размерам секции K₁. Обмотка 6 выполнена из медного провода ⌀2,5 мм в тефлоновой изоляции и имеет 9 витков.

На всех секциях K₁…K₅ отключающей обмотки 1, включая и первую секцию K₁, размещены секции L₁…L₅ вспомогательной обмотки управления 9, выполненные из медной шинки с сечением 3,5×8 мм², число витков равно 12. Внутренние размеры обмоток L₂…L₅ аналогичны размерам основной управляющей обмотки 6, размеры обмотки L₁ равны 95×105×60 мм³.

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.

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 2500 А величина индукции В магнитного поля в области сверхпроводника 1-й секции K₁ отключающей обмотки 1 определяется из выражения

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, µ₀=4π·10^-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=0,08·0,09·0,045=0,324·10^-3 м³ - объем апертуры основного управляющего соленоида 6, расположенного на первой секции K₁ отключающей обмотки 1. Такое значение управляющего магнитного поля является достаточным для частичного перевода в нормальное состояние (вначале "слабых" участков сверхпроводника) секции K₁, появления сопротивления этой секции и перехода части тока сверхпроводящего индуктивного накопителя энергии в цепь вспомогательных обмоток управления L₁…L₅ и нагрузки 8.

При переводе в нормальное состояние половины сверхпроводника 1-й секции K₁ отключающей обмотки 1 его сопротивление составит ~7 Ом и ток I_О индуктивного накопителя поделится по 3000 А по цепям отключающей обмотки 1 и нагрузки 8. Величина индукции В магнитного поля, создаваемого секциями L₁…L₅ вспомогательной обмотки управления 9 в области отключающих секций K₁…K₅, будет составлять при этом (ф.3) 0,57 Т. В 1-й секции K₁ вспомогательное управляющее магнитное поле от L₁ складывается с основным управляющим магнитным полем от 6 и переводит в нормальное состояние основную часть секции K₁, а в секциях K₂…K₅ происходит срыв сверхпроводимости в "слабых" зонах и рост общего сопротивления отключающей обмотки 1 увеличивает ток I_H в цепи нагрузки 8 и вспомогательных управляющих обмоток L₁…L₅. Происходит рост магнитного поля в секциях L₁…L₅ 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_О 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 L₁…L₅ вспомогательной обмотки 9 создают внешнее магнитное поле в области секций K₁…K₅ отключающей обмотки 1 с индукцией, равной 1,0 Т.

Таким образом, в предлагаемом СПВ 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 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:

здесь V_О=0,08·0,15·0,115=1,38·10^-7 м³ - 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.

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_m 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.

Если использовать однотипные модули СПВ с единичной коммутируемой мощностью, например, 4,8·10⁸ Вт (как в примере прототипа) для создания высоковольтных СПВ мощностью порядка 10⁹-10¹⁰ 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.

Сверхпроводящий выключатель предназначен для коммутации тока сверхпроводящих индуктивных накопителей энергии и сверхпроводящих магнитных систем, в системах защиты сверхпроводящих обмоток электрических машин, линий электропередачи и сверхпроводящих кабелей. Сущность изобретения: сверхпроводящий выключатель содержит 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. Отключающая обмотка и вспомогательная обмотка управления выполнены в виде N последовательных секций, и основная обмотка управления расположена на первой секции отключающей обмотки, а каждая из секций вспомогательной обмотки управления расположена на одноименной секции отключающей обмотки. Технический результат изобретения заключается в снижении энергии системы управления за счет уменьшения объема сверхпроводящего материала в части отключающей обмотки, на которую воздействует основное управляющее магнитное поле. 1 ил.

Сверхпроводящий выключатель, содержащий 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, отличающийся 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.