СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ Российский патент 2015 года по МПК H01L39/16 

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

Известен сверхпроводящий выключатель (СПВ), содержащий отключающий элемент, выполненный из сверхпроводящего материала, и цепь управления из последовательно соединенных между собой управляющего конденсатора с зарядным устройством, управляющей обмотки и замыкающего прибора [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]. Перевод выключателя из сверхпроводящего состояния с нулевым сопротивлением в нормальное состояние с конечным сопротивлением осуществляется импульсом сверхкритического для сверхпроводника магнитного поля, генерируемого управляющей обмоткой в области отключающего элемента. При управлении магнитным полем сильно проявляется экранирующий эффект массива сверхпроводника и токовводов, который снижает скорость проникновения внешнего магнитного поля внутрь отключающего элемента тем больше, чем больше габариты СПВ и тем самым ведет к требованию ограничения размеров отключающего элемента и, соответственно, к ограничению мощности, коммутируемой единичным выключателем. Кроме того, из-за экранирования управляющего магнитного поля переход сверхпроводника в нормальное состояние происходит первоначально в «слабых» местах, а именно в местах сгиба проводника, где сочетание плотностей магнитного поля и рабочего тока достигает наибольшего (критического) значения. Эти резистивные области из-за локального выделения тепла при еще большой плотности тока могут снижать ресурс работы. СПВ, использующие управление магнитным полем, позволяют получить время выключения до 10 микросекунд. Более полный перевод всей массы сверхпроводника в нормальное состояние за меньшее время требует большого повышения величины магнитного поля, т.е. значительно повышается расход энергии управляющего устройства.

Более простым способом управления сверхпроводящим выключателем при времени выключения около 10 мкс является перевод отключающего элемента в нормальное состояние импульсом тока, величина которого является критической для сверхпроводящего материала [Накопление и коммутация энергии больших плотностей./Под ред. У.Бостика, В.Нарди, О.Цукера. - М.: Мир, 1979. - 474 с.]. При этом управляющее напряжение прикладывается непосредственно к отключающему элементу. На скорость подъема тока в проводнике экранирующий эффект не оказывает влияние. При срыве сверхпроводимости сверхкритической плотностью тока происходит образование нормальных зон по всей длине сверхпроводника, что способствует его более равномерному переходу в нормальное состояние. Однако воздействие высокого управляющего напряжения, которое может даже превышать величину рабочего напряжения, является нежелательным как для сильноточного источника, например сверхпроводящей магнитной системы, так и для нагрузки. Кроме того, при непосредственном включении управляющего конденсатора на отключающий элемент СПВ после срыва сверхпроводящего состояния будет происходить его быстрый разряд на более низкоомное, чем отключающий элемент, сопротивление нагрузки, что также является большим недостатком устройства.

Наиболее близкой по технической сущности является конструкция сверхпроводящего выключателя широко используемая в экспериментах по коммутации постоянного тока [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.]. Данный СПВ 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 которых и точкой соединения проводников секций отключающего элемента включен управляемый замыкающий прибор. Достоинством такого СПВ является то, что из-за встречного заряда последовательно соединенных конденсаторов и, соответственно, их встречного разряда на двухсекционный отключающий элемент управляющее напряжение не прикладывается к сильноточному источнику и нагрузке. При этом ограничивается также и разряд управляющих конденсаторов на нагрузку после срыва сверхпроводящего состояния и появления сопротивления отключающего элемента. Исключение влияния цепей управления СПВ на сильноточный источник (например, сверхпроводящую магнитную систему) и нагрузку является очень важным положительным фактором для практического применения таких СПВ. Кроме того, требуемая величина управляющего напряжения в схеме СПВ снижается в два раза, а это позволяет использовать более распространенные низковольтные конденсаторы.

Основным недостатком такого СПВ является увеличенное время выключения прибора, ограничивающее диапазон его использования. Это обусловлено тем, что в данном устройстве управляющий ток в проводнике одной из двух секций отключающего элемента имеет встречное направление с рабочим током. При этом основной прирост сопротивления этой секции при переходе ее в нормальное состояние происходит на второй полуволне управляющего тока, после перезаряда соответствующего конденсатора, что и является фактором, растягивающим во времени процесс управления выключателем.

Задачей предлагаемого изобретения является создание СПВ с увеличенным быстродействием.

Техническим результатом является увеличение быстродействия СПВ путем повышения величины магнитного поля в области сверхпроводника отключающего элемента в интервале времени процесса управления.

Указанный технический результат достигается тем, что в сверхпроводящем выключателе, содержащем, как и прототип, отключающий элемент, выполненный в виде двух последовательно соединенных секций из сверхпроводников, к выводам которых подключены выводы двух последовательно соединенных и заряженных разнополярно конденсаторов, к точке соединения конденсаторов подключен один из выводов замыкающего прибора, в отличие от прототипа, имеет управляющую обмотку, которая включена между точкой соединения секций и вторым выводом замыкающего прибора и расположена вокруг совмещенных секций отключающего элемента.

Изобретение иллюстрируется чертежом, на котором изображена схема устройства, где 1 - отключающий элемент, содержащий две секции 2 и 3, выполненные в виде безындуктивно уложенных проводников из сверхпроводящего материала; 4 и 5 - конденсаторы схемы управления, заряженные разнополярно; 6 - замыкающий прибор; 7 - управляющая обмотка. I₀ - рабочий ток выключателя; I_У=I_У2+I_У3 - суммарный ток управляющих конденсаторов 4 и 5; I_У2 -ток управляющего конденсатора 4, протекающий по проводнику секции 2; I_У3 -ток управляющего конденсатора 5, протекающий по проводнику секции 3; I₂=I₀+I_У2 - транспортный ток в проводнике секции 2; I₃=I₀+|I_У3| - транспортный ток в проводнике секции 3; Н_У - напряженность магнитного поля, создаваемого управляющей обмоткой 7 при протекании по ней токов управляющих конденсаторов 4 и 5 и воздействующего на сверхпроводники секций 2 и 3 в процессе управления. Направления токов указаны для выбранной полярности заряда конденсаторов 4 и 5.

Устройство содержит отключающий элемент 1, выполненный в виде двух секций 2 и 3 из сверхпроводящих проводников, уложенных малоиндуктивным способом. Секции 2 и 3 сложены вместе и соединены между собой последовательно. Параллельно выводам секций 2 и 3 отключающего элемента 1 подключены выводы двух последовательно соединенных и заряженных разнополярно конденсаторов 4 и 5. Между точкой соединения конденсаторов 4 и 5 и точкой соединения проводников секций 2 и 3 отключающего элемента 1 подключена цепь из замыкающего прибора 6 и управляющей обмотки 7. Управляющая обмотка 7 расположена снаружи секций 2 и 3 отключающего элемента 1.

Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии через отключающий элемент 1 по проводникам секций 2 и 3 течет рабочий ток I₀. Поскольку проводники 2 и 3 уложены малоиндуктивным способом, например в виде «меандра», то хорошая компенсация собственных магнитных полей в проводниках способствует установлению величины рабочего тока I₀ отключающего элемента 1, близкой к критическому току короткого образца. В требуемый для переключения момент времени подается запускающий импульс на срабатывание замыкающего прибора 6 и конденсаторы 4 и 5 схемы управления, предварительно заряженные разнополярно, начинают разряжаться на проводники секций 2 и 3, находящиеся в сверхпроводящем состоянии. Конденсатор 4 разряжается на проводник секции 2 током I_У2 согласно с рабочим током I₀, а конденсатор 5 разряжается на проводник 3 током I_У3 встречно с рабочим током I₀. Транспортные токи в проводниках секций 2 и 3 отключающего элемента 1 будут равны алгебраической сумме рабочего тока I₀ и токов управления I_У2 и I_У3, т. е. I₂=I₀+|I_У2| и I₃=I₀+|I_У3|. В это же время через управляющую обмотку 7 будет протекать суммарный ток конденсаторов I_У=I_У2+I_У3, создающий магнитное поле с напряженностью Н_У, пропорциональной величине этого суммарного тока. Одновременный подъем тока I₂=I₀+I_У2 в проводнике секции 2 и магнитного поля Н_У в области проводников секций 2 и 3 ведет к срыву сверхпроводящего состояния проводника секции 2 с согласным направлением рабочего I₀ и управляющего I_У2 токов и появлению резистивного сопротивления R₂ проводника секции 2. В проводнике секции 3 суммарный ток I₃=I₀-I_У3 падает из-за встречного направления управляющего I_У3 и рабочего I₀ токов, но создаваемое управляющей обмоткой 7 при протекании тока I_У магнитное поле Н_У в области проводников секций 2 и 3 нарастает, и под одновременным воздействием тока и магнитного поля, достигающих критических значений, проводник секции 3 также начинает переходить в нормальное состояние с появлением его резистивного сопротивления R₃. После перезаряда конденсатора 5 происходит изменение направления и рост управляющего тока I_У3. В это же время ток I_У2 падает почти до нуля. Магнитное поле Н_У, генерируемое управляющей обмоткой 7, будет пропорционально изменению управляющего тока |I_У|=I_У2 - I_У3. Нарастание тока I₃=I₀+I_У3 в проводнике 3 и магнитного поля Н_У во всем объеме секций 2 и 3 отключающего элемента 1 ведет к его полному переводу в нормальное состояние с сопротивлением R_К.

Особенность перевода в нормальное состояние предлагаемого СПВ заключается в том, что при срыве сверхпроводящего состояния отключающего элемента 1 сверхкритическим током по всей длине сверхпроводника в секциях 2 и 3 создаются нормальные зоны, через которые, не испытывая экранирующего действия со стороны сверхпроводящего материала, магнитное поле Н_У, генерируемое управляющей обмоткой 7, свободно проникает во внутренние области секций 2 и 3 отключающего элемента 1 и также переводит их в нормальное состояние. При таком механизме воздействия эффективность использования энергии схемы управления значительно возрастает, вследствие этого, интенсивность разрушения сверхпроводимости увеличивается и время выключения СПВ уменьшается,

Кроме того, в данном устройстве процесс воздействия схемы управления на сверхпроводник 3 со встречным направлением управляющего I_У3 и рабочего I₀ токов осуществляется с момента начала процесса управления, а не после перезаряда конденсатора 5, как в устройстве прототипа, что также способствует повышению быстродействия выключателя.

Пример реализации устройства. Расчетные параметры СПВ: рабочий ток I₀=6 кА, рабочее напряжение U₀=32 кВ, сопротивление R_К в нормальном состоянии при температуре Т=10 К составляет 28 Ом. СПВ содержит отключающий элемент 1, управляющие конденсаторы 4 и 5 и замыкающий прибор 6. Отключающий элемент 1 состоит из двух, соединенных последовательно, секций 2 и 3. Каждая секция представляет собой прямоугольный композитный пакет, в котором сверхпроводящая ниобий-титановая фольга НТ-50, толщиной 18 мкм и шириной 80 мм, уложена малоиндуктивным способом в виде меандра с изоляцией из стеклоткани между слоями. Каждый пакет замоноличен эпоксидным связующим. Пакеты секций 2 и 3 сложены вместе в один корпус и такой отключающий элемент 1 выключателя имеет три вывода: два противоположных вывода являются силовыми, а один, средний вывод - управляющий. Геометрические размеры отключающего элемента 1 равны 90х90х90 мм³. На отключающем элементе 1 расположена управляющая обмотка 7, представляющая собой прямоугольный соленоид с размерами, близкими к габаритам отключающего элемента 1. Обмотка 7 выполнена из медного провода Ø 2,5 мм в тефлоновой изоляции и имеет 9 витков. Генератор управляющих импульсов содержит конденсаторы 4 и 5 типа ИК-100-01У4 с емкостью 0,15 мкФ. Замыкающий прибор 6 выполнен на двух игнитронных разрядниках ИРТ-6 (25кВ, 100кА). Индуктивность разрядного контура управления в предлагаемом СПВ с управляющей обмоткой 7 (L_УО=6 мкГн) равна 21 мкГн, в прототипе (без обмотки 7) - 15 мкГн. При напряжении управляющих конденсаторов 20кВ суммарный ток управления I_У=1690 А (в прототипе 2000 А). Энергия схемы управления в обоих случаях равна 30 Дж.

Индукция магнитного поля, создаваемого управляющей обмоткой 7 в объеме отключающего элемента 1, рассчитывается по уравнению:

B=µ₀·I_У·w/ℓ=0,212 T,

где: I_У=1690 А - ток в управляющей обмотке 7,

w=9 - число витков управляющей обмотки,

ℓ=0,09 м - аксиальная длина обмотки,

µ₀=4 π·10^-7 Гн/м - магнитная постоянная.

Из фазовой диаграммы сверхпроводника II рода следует, что его переход от сверхпроводящего к нормальному состоянию возможен при повышении температуры Т, магнитного поля Н или плотности тока J, либо по их комбинации [Laquer H.L., Ribe F.L., Weldon D.M. Energy Storage and Switching with Superconductors as a Power Source for Magnetic Fields in Pulsed Thermonuclear Experiments and Reactors. - In.:Proc. of the 6 IECEC, Boston, MA, 1971, pp.1089-1095]. В идеальном случае для перевода сверхпроводника в нормальное состояние необходимо обеспечить приращение внутренней энергии, равное разнице между энергиями нормального и сверхпроводящего состояний. В реальных конструкциях СПВ переход имеет размытые границы по всем трем координатам Т, Н, J и происходит, как правило, в результате одновременного действия нескольких механизмов. Любое повышение одного из трех характеристических параметров сверхпроводника ведет к обязательному снижению двух других характеристических величин. С учетом фазовой диаграммы состояний сверхпроводника можно сделать вывод о том, что для проводника с транспортным током (рабочий+управляющий), находящегося во внешнем магнитном поле Н_У при температуре Т, переход в нормальное состояние будет происходить при меньшей плотности тока J, чем без магнитного поля Н_У.

В предлагаемом примере исполнения СПВ для фольги НТ-50 критическая плотность тока без внешнего магнитного поля согласно литературным данным равна ~4·10⁵ А/см², а при наложении внешнего поперечного магнитного поля с индукцией В_У=0,212 Т плотность тока падает до ~1,3·10⁵ А/см², т.е. снижается примерно в 3 раза [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]. Подъем магнитного поля до амплитудного значения В_У=0,212 Т происходит согласно параметрам контура управления за ~2,8 мкс, т.е. до критического значения в 0,1 Т [K. Grawatsch et al. Investigations for the Development of Superconducting Power Switches. IEEE Trans. on Magnetics, vol. MAG-11, no. 2, 1975, p.587], параметр поля возрастает за 1-1,5 мкс. При этом интенсивность перевода сверхпроводника в нормальное состояние по всей его длине возрастает по сравнению с прототипом. Проведенные оценки показывают, что время выключения предлагаемого СПВ составит 5-7 мкс, что в 1,5-2 раза меньше, чем у прототипа.

Таким образом, в предлагаемом сверхпроводящем выключателе осуществляется увеличение быстродействия путем повышения магнитного поля в объеме отключающего элемента одновременно с повышением плотности тока в его проводниках, что достигается расположением секций отключающего элемента внутри управляющей обмотки, включенной в цепь разряда встречно заряженных конденсаторов на сверхпроводник.

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. Сверхпроводящий выключатель содержит отключающий элемент (1), выполненный в виде двух последовательно соединенных секций (2, 3) из сверхпроводников, к выводам которых подключены выводы двух последовательно соединенных и заряженных разнополярно конденсаторов (4, 5), к точке соединения конденсаторов (4, 5) подключен один из выводов замыкающего прибора (6), а также управляющую обмотку (7), которая расположена снаружи совмещенных секций (2, 3) отключающего элемента (1) и включена между точкой соединения секций (2, 3) и вторым выводом замыкающего прибора (6). Технический результат заключается в увеличении быстродействия СПВ путем повышения величины магнитного поля в области сверхпроводника отключающего элемента в интервале времени процесса управления. 1 ил.

Сверхпроводящий выключатель, содержащий отключающий элемент, выполненный в виде двух последовательно соединенных секций из сверхпроводников, к выводам которых подключены выводы двух последовательно соединенных и заряженных разнополярно конденсаторов, к точке соединения конденсаторов подключен один из выводов замыкающего прибора, отличающийся тем, что имеет управляющую обмотку, которая расположена снаружи совмещенных секций отключающего элемента и включена между точкой соединения секций и вторым выводом замыкающего прибора.