Сверхпроводящий размыкатель Советский патент 1981 года по МПК H01L39/10 

(54) СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ РАЗМЫКАТЕЛЬ

Устройство относится к электронике, а именно, к размыкателям многократного действия с малым временем выключения тока и может быть использовано во всех областях электр техники постоянных и переменных токо а в особенности - при коммутации пос тоянных токов в сильноточных источни ках мощных импульсов с применением сверхпроводящих накопителей энергии. Сверхпроводящий размыкатель включается между зажимам накопительной обмотки, параллельно нагрузке. При зарядке накопителя его сопротивление равно нулю. При выводе энергии из на копителя СПР переводят в нормальное состояние, его сопротивление ( становится во много раз больше сопро тивления нагрузки (R) и ток цепи накопитель-СПР переходит в цепь накопитель-нагрузка. Известны СПР Cll,C2l и D1, содержа щие токонесущий элемент, выполненный из сверхпроводника,уложенного в виде соленоидальной обмотки (иногда бифилярно для снижения собственной индуктивности СПР), расположенный между двумя коаксиальными обмотками управления. Недостатком этих устройств является нестабильность их переходной характеристики, т.е. изменения во времени сопротивления ключа от нуля до нормальйого значения и их небольшая мощность, так как цилиндрические обмотки выполнены либо из отдельных жил из нестабилизированного- сверхпроводника с TOKciMH до 100 А, или- из многожильного, имеющего в своем составе кроме сверхпроводника нормгшьный металл, что приводит к.существенному (до 10 раз) снижению удельной разрывной мощности. Известен СПР, в котором в качестве токонесущего элемента использована сверхпроводящая фольга С4. Хотя такая конструкция .и повышает удельные характеристики СПР, но вопрос управления состоянием их еще недостаточно разработан. Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является СПР СЗ, токонесущий элемент которого выполнен из сверхпроводника, уложенного гармошкой. Управление этим СПР осуществляется импульсом магнитного поля, направленного вдоль токонесущего элемента.

Недостатками этого устройства HDляются неуправляемость переходного процесса СПР, связанная со сшучайностью мест зарождения нормальной фазы, вызванной неоднородйостью свойств сверхпроводящего материала; большая величина мощности управляющего импульса, так как величина крити(Ческого магнитного поля, направленного вдоль сверхпроводника (по направ,лению транспортного тока) , эначительно выше величины поля, направленного перпендикулярно току.

Цель изобретения -снижение мощности управления размыкателем, повьшние устойчивости работы размыкателя и повышение эффективности использования сверхпроводящего материала.

Для этого катушка управления расположена таким образом, что направление силовых линий магнитного поля перпендикулярно слоям токонесущего элемента и, по крайней мере, один из линейных размеров Е размыкателя связан с толщиной токонесущего элемента t и расстоянием d между соседними слоями токонесущего элемента следующим соотношением

l:i 2сГ„. (t- -d}/t,

где толщина скин-слоя материгша токонесущего элемента, находящегося в нормальном состоянии.

На фиг. 1 показан предлагаемый сверхпроводящий размыкатель, выполненный из фольги, продольный разрез, на фиг. 2 изображена характерная зависимость критического магнит юго поля сверхпроводнике от величины токаfна фиг, 3 дана развертка токонесущего элемента.

СПР состоит из токонесущего элемента 1, выполненного из длинной ленты фольги толщиной t , шириной E-J, уложенной гармошкой с расстоянием между сгибами равньв Ъ, Между слоями расположены изоляционныепрокладки 2 толщиной d, приклеенные к фольге неэлектропроводным компаундом 3. Поверх такого пакета длиной tij намотана обмотка 4 управления в форме прямоугольного соленоида.

Сверхпроводящий размыкатель работает следующим образом. По токонесущему элементу 1 {фиг. 1), находящемуся в сверхпроводящем состоянии и имеющему нулевое электрическое сопротивление, протекает транспортный ток Jy (фиг. 1 и фиг. 3) цепи, к которой подключен размыкатель. В мо-мент перевода СПР в нормальное состояние на обмотку управления от .источника тока (на фигурах не показан) пода,ется импульс тока. Возникающее в обмотке управления магнитное поле перпендикулярно плоскости фольги; в каждом из слоев фольги возникают экраниру рщие токи Зл, (фиг..З), препятствующие проникновению магнитного

поля вглубь СПР. Экранирующий ток складывается с транспортным током 3 и в областях, заштрихованных на фиг. 3, суммарный ток превьшает критическое значение, поэтому в них воз, никает резистивное состояние. Участки фольги, расположенные вдоль линий сгиба, за счет наличия транспортного тока мгновенно разогреваются до температуры вьвие критической температуры сверхпроводника, и переходят в нормальное состояние, создавая сопротивление размыкателя. Поскольку действие магнитного поля на СПР продолжается, то поле, диффундируя через нормально проводящую область СПР, продолжает

S создавать резистивное состояние в глубине СПР, следовательно продолжает рост сопротивления размыкателя.

По мере диффузии поля вглубь СПР его сопротивление R(f) в момент

д времени f определяется следующей формулой

«(-гг) 2г- N х(е-),

где г - сопротивление единицы длины фольги в нормальном состоя5

N - число слоев (сгибов) фольги;

X(f) - расстояние, на которое проникло магнитное поле Н (3 ) вглубь СПР к моменту време „ нигг,

0 Н (3) - поле, являющееся критическим для сверхпроводника с током 3 (tr) .

Величину X(t) - эффективную глубину проникновения магнитного поля, 5 приблизительно можно выразить через толщину скин-слоя в нормальный металл следующим соотнсмлением

х(гг) сЯ (t4-d)/t,

0 где t и d - толщина фольги и расстояние между слоями фольги , соответственно.

Таким образом, взяв расстояни е межжу сгибами . 2dJ, переводим весь СПР в нормальное состояние. 5 Диффузия поля вглубь СПР со стороны сгибов не зависит от ширины токонесущего элемента и количества сгабов, что позволяет делать быстродействующие сверхпроводящие размыкатели на очень большие мощности.

Ограничения по току связаны с ограниченными возможностями производства фольги по ширине. Сейчас имеется фольга НТ-50 шириной 80 мм, что позволяет изготавливать СПР на токи до 10-12 кА. Ограничений по напряжению со стороны конструкции СПР нет. Время срабатывания СПР менее 10 мкс. Диффузия поля в СПР происходит также с боковых сторон и со стороны крайних слоев фольги.

Диффузия поля с боковых сторон (заштрихованные области на фиг. 3 попеременно то с левой, то с правой стороны по направлению транспортного тока) не дает непосредственного вклада в сопротивление СПР, если ширина фольги больше глубины диффу зии поля, поскольку заштрихованные области шунтированы областями фоль оставшимися в сверхпроводящем сост нии. Но если ширина фольги б. связ с толщиной ски.н-слоя соотношением то СПР переходит в нормальное сост ние по всему объему за счет диффузии поля с боков. Учитывая диффузию магнитного пол со стороны крайних слоев фольги, имекндих лучший коэффициент связи с обмоткой управления, можно сделать надежно управляемый сверхпроводящий размыкатель при небольшом числе слоев, т,е, если длина -пакета &т, удо летворяет соотношению E-ji ,. (t + d)/t Если выбирается хотя бы один из размеров СПР меньше 2 с. Ё± , то подавляется сверхпроводимость во всем объеме СПР, что приводит к эффективному использованию всего свер проводящего материала. Подцавление сверхпроводимости во всем объеме СПР позволяет также изб виться от экранирующих замороженных токов, остающихся в участках сверхпроводника , оставшихся в сверхпроводящем состоянии, что позволяет повысить устойчивость работы СПР в смысле повторяемости переходных характеристик . Во всех трех случаях по мере рос сопротивления СПР ток из цепи размы кателя уходит в цепь нагрузки, поэтому величина поля, которое являет ся критическим для оставшегося тран спортного тока, возрастает. На фиг покаэаны токи 3 и Э через СПР в начале и в конце процесса коммутации и поля Н и Hj, являющиеся критическими для токов 3, Величина тока г 3, д- , R - сопротивление СПР к концу процесса коммутации, сопротивление нагрузки. Вз всех случаях для подавления сверхпроводимости магнитным полем необходимо создать во всем объеме СПР магнитное поле напряженностью Н, к концу процесса коммутации, т.е за время приблизительно равное времени переключения. Коэффициент усилия по мощности К- для СПР можно определить по формулеUV-. Р - удельная разрывная мощност СПР; W - удельная плотность энергии поля управления; - время ввода поля управления, Удельная разрывная мощность СПР определяется по формуле .1 РСПР J - Рп ч где J - удельная плотность тока в сверхпроводник е; ,р, - удельное электрическое сопротивление сверхпроводника в нормальном состоянии; К - коэффициент заполнения объема СПР сверхпроводником;К„ - коэффициент запаса мощности. Плотность энергии магнитного поля управления можно определить по формулегде IU, (Up - магнитная проницаемость сверхпроводника в нормальном состоянии в вакууме. В известных СПР мощность управления в 3 раза выше мощности СПР, что обусловливаеЕ значение коэффициента усиления по мощности меньше единицы. Коэффициент усилиения по мощности для СПР из фольги ниобий - 50% титан, составляет j (5+8)1СР a/bf Pf, ом.м, ,l, HiitlO s-8-10 а/м, jUo 4П10 гн«м, /U 1 t, 10-5 . К ij 5 - 13 Следовательно мощность усилителя в 5-12 раз меньше мощности размыкателя. Величина поля Н, взята из статических характеристик 3 (HJ. ЭксперимеФты на фольге НТ-50 по быстрому переводу фольги в нормальное состояние дают гораздо меньшее значение Н, что позволяет надеяться на дальнейшее уменьшение мсядности управления и соответственно увеличение коэффициента усилия по мощности. Формула изобретения Сверхпроводящими размыкатель, содержащий токонесущий элемент, выполненный из сверхпроводящего материала, уложенный гармошкой в пакет с изоляционнш-ш прокладками между соседними слоями, и катушку управления, отличающийся тем, что, с целью снижения мощности управления размыкателем, повьвиения устойчивости его работы и эффективного использования сверхпроводящего материала, катушка управления расположена таким образом, что направленне силовых линий магнитного поля перпердикулярно слоям токонесущего элемента и, по крайней мере.