RU2602767C1 - Superconducting fast switch - Google Patents

Superconducting fast switch Download PDF

Info

Publication number
RU2602767C1
RU2602767C1 RU2015132542/28A RU2015132542A RU2602767C1 RU 2602767 C1 RU2602767 C1 RU 2602767C1 RU 2015132542/28 A RU2015132542/28 A RU 2015132542/28A RU 2015132542 A RU2015132542 A RU 2015132542A RU 2602767 C1 RU2602767 C1 RU 2602767C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
disconnecting element
conductors
superconducting
magnetic field
control
Prior art date
Application number
RU2015132542/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Иванович Мащенко
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет"
Priority to RU2015132542/28A priority Critical patent/RU2602767C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2602767C1 publication Critical patent/RU2602767C1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N60/00Superconducting devices
    • H10N60/30Devices switchable between superconducting and normal states

Landscapes

  • Containers, Films, And Cooling For Superconductive Devices (AREA)

Abstract

FIELD: energy.
SUBSTANCE: invention can be used for creation of a superconducting fast switch. Core of invention is that a superconducting fast switch containing a disconnecting element in the form of two series-connected foil conductors from a superconducting material, to outputs of which outputs are connected of two series-connected and heteropolar charged capacitors, between the point of connection of the capacitors and the point of connection of the conductors of the disconnecting element there is a locking device, conductors of the disconnecting element are folded to each other through an insulating material with bifilarity, and together these conductors are laid into an inductive winding, in the central area of the disconnecting element there is a copper rod of round section with a wavy in the axial direction side surface having a closed cavity, the wall thickness of the rod exceeds the depth of penetration of magnetic field at the control frequency, the rod is connected to the connection point of conductors of the disconnecting element with a locking device, outside of the disconnecting element and concentrically to it there is a hollow cylinder from a metal with high electric conductivity, which has a wavy in the axial direction inner surface, herewith its wall thickness exceeds the depth of penetration of magnetic field at the control frequency.
EFFECT: provided is reducing energy of control over the superconducting switch.
1 cl, 2 dwg

Description

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.The invention relates to cryogenic electrical engineering, in particular to multiple-acting superconducting circuit breakers (SPW), and can be used, for example, for input, storage and output of energy of superconducting magnetic systems, in the protection systems of superconducting windings of electrical machines, superconducting cables and power lines .

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.A superconducting switch is known, which contains a tripping element made in the form of two series-connected sections of superconductors, a control circuit consisting of two series and counter-charged capacitors is connected to the terminals of these sections, a controlled closing circuit is connected between the connection point of the capacitors and the connection point of the conductors of the sections of the disconnecting element instrument [Development of a Superconducting Switch for Magnetic Energy Storage Systems. IEEE Transactions on Magnetics, 1975, MAG-11, No. 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.]. The circuit breaker is controlled by a supercritical current pulse. The advantage of such an SCW is that due to the oncoming charge of the series-connected capacitors and, accordingly, their oncoming discharge to the two-section disconnecting element, the control voltage, which may exceed the value of the operating voltage, is not applied to the high-current source and load. At the same time, the discharge of the control capacitors to the load after the failure of the superconducting state of the disconnecting element is also limited. The exclusion of the influence of the control systems of the FWW on a high-current source (for example, a superconducting magnetic system) and the load is a very important positive property for the practical application of such a WFW. In addition, the required value of the control voltage in such an SPV circuit is reduced by half, and this allows the use of more common low-voltage capacitors.

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.A significant drawback of such an SST is the large amount of control energy. This is due to the fact that in this switch, the control current in the conductor of one of the two sections of the disconnecting element has a counter direction with the operating current, which requires a significant increase in the energy of the control circuit of the switch in order to completely transfer this section to a normal state.

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.Also known is a superconducting switch having an electrical control circuit similar to the aforementioned analogue, but differing in the structural solution of the disconnecting element [A. Mashchenko. Superconducting circuit breaker. RF patent No. 2487439, priority date 12/26/2011, published July 10, 2013, bull. No. 19]. SPV contains a disconnecting element made in the form of two series-connected foil conductors of superconducting material. The conductors of the disconnecting element are folded together through the insulating material bifilarly, and together the conductors of the disconnecting element form an inductive winding. The leads of the conductors are connected to the terminals of two series-connected and charged multipolar capacitors. A closing device is connected between the connection point of the capacitors and the connection point of the conductors of the disconnecting element.

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.In such an SPW, to create a control magnetic field, the conductors of the disconnecting element itself are used, laid together in a spiral inductive winding, which only during the control period, that is, the discharge of the control capacitors to these conductors, creates a magnetic field in the volume of the disconnecting element. Here, the current control of the switch is carried out with an additional influence on the superconductor of the control magnetic field created by the winding of the disconnecting element, and therefore the current carrying capacity of the superconductor in the control process decreases, and the intensity of its transition to the normal state increases compared to controlling only the current pulse. This reduces the power consumption of the control circuit compared to its counterpart. Moreover, the switch does not have a separate control winding, which reduces the cost of its manufacture.

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.In the design of the disconnecting element of such a switch, there is always some internal volume of a cylindrical shape, unfilled with a superconductor. This is due, firstly, to the technology of winding the inductive winding using a rigid frame, requiring free space in the central region, and, secondly, the need to place inside the winding one of the current leads of the control circuit connected to the midpoint of two superconductors located on the inner surface windings.

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.The presence of a magnetic flux generated by the control current in the internal volume of the winding of the disconnecting element and not affecting the superconductor, leads to an additional energy consumption of the control circuit, which is a disadvantage of such an SCW. In addition, the parallel orientation of the control magnetic field relative to the plane of the tape superconductor (foil) of the disconnecting element, which is unfavorable energetically for the destruction of the superconducting state, reduces the efficiency of its switching to the normal state and increases the time for switching off the superconducting element.

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.The closest in technical solution is a superconducting switch [A. Mashchenko Superconducting high-speed circuit breaker. RF patent No. 2544872, priority date 08/08/2013, published on 03/20/2015, bull. No. 8], which contains a disconnecting element made in the form of two series-connected foil conductors of superconducting material. The foil conductors of the disconnecting element are folded together through an insulating material bifilarly jointly laid in an inductive winding in the form of a flat spiral. The leads of the conductors are connected to the terminals of two series-connected and charged multipolar capacitors. A closing device is connected between the connection point of the capacitors and the connection point of the conductors of the disconnecting element. In the central region of the disconnecting element is a copper rod of circular cross section with an even or axially undulating lateral surface. The rod has a closed cavity, while the thickness of its wall exceeds the penetration depth of the magnetic field at the control frequency. The rod is connected to the connection point of the conductors of the disconnecting element with the closing device.

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.The placement in the central region of the disconnecting element of the known FSS of a copper rod with high electrical conductivity leads to shielding and displacement due to the skin effect of the control magnetic field from the central volume of the disconnecting element to the superconductor and, as a result, to an increase in the volumetric energy density of the control magnetic field. And due to the axially undulating lateral surface of the rod, the perpendicular plane of the superconducting foil is increased and the components of the control magnetic field in the internal turns of the winding of the disconnecting element are current in it, which reduces the current-carrying capacity of the superconductor located in this region. The management efficiency and speed of this SPV is higher than that of the analogue.

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.However, the known SPV has certain disadvantages. First of all, the magnetic field created by the spiral winding of the tripping element during the control of the circuit breaker has significant scattering, since its lines of force are closed in free space. This leads to an additional "useless" energy consumption of the capacitors of the control circuit.

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.In addition, the pulsed magnetic field generated by a spiral winding having a rectangular cross-section is unevenly distributed over the cross-sectional area of the winding itself. For example, for a winding with the geometry of a known SST, the axial component of the field H Z at a point on the inner surface of the winding in the center will be ~ 101% of the field H 0 in the center on the axis, in the center of the cross section of the winding 40-44%, and on the outer surface of the winding 13 -18% [D. Montgomery. Getting strong magnetic fields using solenoids. - M.: Mir, 1971. S. 270]. Such a distribution of the control magnetic field with a decrease from the center to the periphery leads to a delay in the transition to the normal state of the external turns of the superconductor of the winding from the transition of the internal turns and the extension of the shutdown process in time.

Задачей предлагаемого изобретения является создание сверхпроводящего быстродействующего выключателя с уменьшенными энергией управления и временем выключения.The objective of the invention is the creation of a superconducting high-speed circuit breaker with reduced control energy and turn-off time.

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.The technical result is to reduce the control energy of the superconducting switch and its turn-off time by reducing the scattering flux with a corresponding increase in the volumetric energy density and an increase in the radial component of the control magnetic field in the outer region of the winding of the disconnecting element.

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.The specified technical result is achieved in that in a superconducting high-speed circuit breaker, containing, like the prototype, a tripping element made in the form of two series-connected foil conductors of superconducting material, the findings of which are connected to the terminals of two series-connected and charged multipolar capacitors, between the connection point of the capacitors and the connecting point of the conductors of the disconnecting element includes a closing device, the conductors of the disconnecting element are folded between wallpaper through the insulating material is bifilar, and together these conductors are laid in the inductive winding, in the central region of the disconnecting element there is a copper rod of circular cross section with an axially undulating lateral surface having a closed cavity, the wall thickness of the rod exceeds the penetration depth of the magnetic field at the control frequency, the rod connected to the connection point of the conductors of the disconnecting element with the closing device, in contrast to the prototype, outside the disconnecting element and concentrically with no disposed hollow cylinder of metal with high electrical conductivity, which has an undulating axially inner surface, the wall thickness greater than the depth of penetration of the magnetic field to control frequency.

Изобретение иллюстрируется графическим материалом.The invention is illustrated by graphic material.

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.FIG. 1, 2 - Diagram of a superconducting high-speed circuit breaker, where it is indicated: 1 - a tripping element containing two foil conductors 2 and 3 of a superconducting material; 4 and 5 - control capacitors charged in different polarity; 6 - controlled closing device; 7 - insulating material; 8 - copper rod of circular cross section; 9 - a hollow cylinder of metal with high electrical conductivity; I R - operating current of the switch; I Y = I Y2 + I Y3 - the total current of the control capacitors 4 and 5; I U2 - current control capacitor 4, flowing through conductor 2; I U3 is the current of the control capacitor 5 flowing along conductor 3; Н У is the vector of the control magnetic field intensity. The directions of the currents and field lines of the control magnetic field are shown for the case of the selected polarity of the capacitors 4 and 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 управленияThe device comprises a disconnecting element 1 made in the form of two foil conductors 2 and 3 of superconducting material and connected in series. Parallel to the leads of conductors 2 and 3 of the disconnecting element 1, the leads of two control capacitors 4 and 5 are connected, which are connected in series and charged in different polarity. The connection point of the conductors 2 and 3 of the disconnecting element 1 is connected to the connection point of the capacitors 4 and 5 through the closure device 6. The conductors 2 and 3 of the disconnecting element 1 are folded through the insulating material 7 bifilar to each other. At the same time, the conductors 2 and 3, folded into a bifilar, are jointly laid in the inductive winding of the disconnecting element 1. In the central region of the winding of the disconnecting element 1, there is a copper rod 8 of circular cross section with an axially undulating lateral surface. The rod 8 has a closed cavity, while the thickness of its wall exceeds the depth of penetration of the magnetic field at the control frequency. The rod 8 is connected to the midpoint of the bifilarly laid conductors 2 and 3. Outside of the disconnecting element 1 and concentrically with it, a hollow cylinder 9 is made of metal with high electrical conductivity, which has an axially undulating inner surface. The outer surface of the cylinder 9 can repeat the configuration of the inner wave-like surface, be flat or any other, which does not have a fundamental significance on the operability of the device. The minimum wall thickness of the cylinder 9 exceeds the penetration depth of the magnetic field at the control frequency

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.Superconducting high-speed switch operates as follows. In steady state, the operating current of the switch I P flows through the conductors 2 and 3 of the disconnecting element 1, which are in a superconducting state with zero electrical resistance. Since the conductors 2 and 3 are stacked together in a non-inductive way bifilarly, due to the opposite direction of the operating current I P , these conductors have good compensation of their own magnetic fields in the winding of the disconnecting element 1. The current carrying capacity of the disconnecting element 1 is close to the critical current of a short sample used superconductor. The circuit breaker is triggered by supplying a triggering pulse to the closing device 6. The pre-charged bipolar capacitors 4 and 5 of the control circuit are discharged through conductors 2 and 3 in a superconducting state. The capacitor 4 is discharged through the conductor 2 by the current I U2 in accordance with the working current I P flowing through it, and the capacitor 5 is discharged through the conductor 3 by the current I U3 counter to the working current I P. The currents I U2 and I U3 , flowing in the same spatial direction along the conductors 2 and 3, laid together in an inductive winding in the form of a flat spiral, create a magnetic field N U , affecting the state of its own superconductor 2 and 3 of the disconnecting element 1 in the control process. In the microsecond control time range, the copper rod 8 is due to the skin effect [L.R. Neumann and C.S. Demirchan. Theoretical foundations of electrical engineering. Volume Two. "Energy". 1967, p. 366] displaces the control magnetic field to the inner turns of the winding of the disconnecting element 1, increasing the magnetic flux concentration here, and increases the field component perpendicular to the plane of the superconducting foil in these turns of the winding.

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.Since a hollow metal cylinder 9 made of a material with high electrical conductivity, for example, copper or aluminum, covers the disconnecting element 1 with its surface, the spiral winding of which is a source of a pulsed magnetic field, at the control frequency due to the skin effect, the cylinder 9 shields the magnetic field H U from free space (outer area) [A.E. Kaplyansky et al. Theoretical foundations of electrical engineering. M.-L., Gosenergoizdat, 1961, p. 502], reducing its scattering and increasing the concentration of the magnetic flux in the winding of the disconnecting element 1, especially for the outer turns of the conductors 2 and 3. When equal to the prototype device circuit design parameters in the inventive device there is an increase in the energy density of the control magnetic field in the entire volume disconnecting element 1 by reducing the scattering flux of its spiral winding after placing the cylinder 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.If the inner surface of the hollow cylinder 9 is made undulating in the axial direction, then the lines of force of the control magnetic field, repeating the configuration of this surface, also acquire a wave-like character. This distribution of the lines of force of the control magnetic field H U increases its radial component H R , perpendicular to the plane of the foil conductors 2 and 3 and the direction of the current in them in the outer region, which leads to a decrease in the critical current density of the superconducting foil in the outer turns of the disconnecting element 1 [Deaf B .BUT. and others. Superconducting high-current switching equipment. - In the book: Superconductivity. Tr. conf. on the technical use of superconductivity. - M .: Atomizdat, 1977, v. 2, p. 10-13]. Therefore, those sections of the outer turns of superconductors 2 and 3, which are affected by a magnetic field with the highest value of the radial component H R , are the first to transition to a normal state. Through these normal zones, the control magnetic field Н У penetrates inward to the next turns of the superconductor in the spiral winding of the disconnecting element 1 and also puts them in a normal state. It should be noted that sections of the superconductor that have turned into a resistive (i.e., mixed — partly normal and superconducting) state have a longitudinal direction to the conductor and do not contribute to the total resistance of the disconnecting element 1, since they are shunted by the superconducting sections. This leads to the redistribution of the transport (working + control) current to the superconducting sections, increasing the current density in them many times (inversely to the reduction in the cross-sectional area of the superconducting sections) and reducing the current-carrying capacity of the superconductor. The intensity of the destruction of superconductivity in this case increases significantly, since the transfer to the normal state will occur at a lower magnitude of the control magnetic field H U.

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.Thus, the use of an external screen in the form of a hollow cylinder 9 of metal with high electrical conductivity and an axially undulating inner surface, allows to reduce the scattering of the control magnetic field, to increase its concentration in the body of the winding of the disconnecting element 1, especially in the outer turns of the conductor 2 and 3, and reorient the magnetic field in the transverse plane of the superconductor direction. In this case, the penetration of the pulsed magnetic field into the composite (superconductor + insulation) of the winding of the disconnecting element 1 will be carried out more intensively from both sides - from the inside and outside, and in the prototype device only from the inside. Therefore, in the proposed switch, the control process will occur more intensively than that of the prototype with equal circuit design parameters, and this allows you to either reduce the energy of the control circuit of the superconducting device with an equal turn-off time, or reduce its turn-off time with an equal stored in capacitors 4 and 5, energy control circuit.

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.An example of a superconducting high-speed circuit breaker. The switch contains a switching element 1, control capacitors 4 and 5, a closing device 6, a copper hollow rod 8, an aluminum hollow cylinder 9. The breaking element 1 consists of two conductors 2 and 3 connected in series, which are NT superconducting niobium-titanium foil -50 without copper stabilizing coating, ~ 18 microns thick and 80 mm wide. Conductors 2 and 3 are stacked bifilarly between each other through a three-layer insulation 7 of fiberglass SKTF-5E, which provides high electric strength and a very low inductance of the pair due to good compensation of intrinsic magnetic fields. But together, these conductors are laid in an inductive winding in the form of a flat spiral with a rectangular cross section. This embodiment of the disconnecting element 1 allows the direct current to pass the operating current I P close to the critical current of a short sample, and during the control period, the disconnecting element 1 creates in its volume a pulsed magnetic field with a voltage of N U acting on its own superconductor 2 and 3. The geometric dimensions of the disconnecting element 1, made in the form of a flat spiral winding: d = 80 mm - the average diameter of the winding, a = 80 mm and r = 40 mm - the length (width of the foil) and the radial thickness of the winding. N = 22 - the number of turns of the winding of the disconnecting element 1. The average diameter of the copper hollow rod 8 with a wavy outer surface is 30 mm, length is 80 mm. The average diameter of the aluminum hollow cylinder 9 with a wavy inner surface is 130 mm, length 100 mm. The minimum wall thickness of cylinder 9 is 2 mm. In order to save metal, the wall of the cylinder 9 can be made in the form of corrugations.

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).Parameters of a superconducting high-speed circuit breaker: operating current I P = 6 kA, operating voltage U P = 5 kV, resistance R K of the disconnecting element 1 in the normal state at a temperature of T = 10 K is 5 Ohms. The control pulse generator is made on capacitors 4 and 5 of type IK-100-01U4 with a capacity of 0.15 μF. The inductance of the discharge control loop is 15 μH. The closing device 6 consists of two ignitron arresters IRT-6 (25 kV, 100 kA).

Оценку эффективности использования энергии в процессе управления выполним для прототипа и заявляемого устройства с равными геометрическими параметрами, представленными выше, и равной энергии схемы управления.Evaluation of the energy efficiency in the control process is performed for the prototype and the claimed device with equal geometric parameters presented above, and equal to the energy of the control circuit.

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]:The intensity of the control magnetic field H 0 in the center on the axis of the winding of the disconnecting element 1 without rod 8 and cylinder 9 is calculated by the equation [D. Montgomery. Getting strong magnetic fields using solenoids. - M .: Mir, 1971. S. 26, 268-273]:

Figure 00000001
Figure 00000001

где: I=2000 А - суммарный ток схемы управления в проводниках 2 и 3;where: I = 2000 A is the total current of the control circuit in conductors 2 and 3;

F=1,8 - коэффициент поля;F = 1.8 - field coefficient;

α=а21=3 - отношение внешнего радиуса обмотки отключающего элемента 1 к внутреннему;α = a 2 / a 1 = 3 - the ratio of the outer radius of the winding of the disconnecting element 1 to the inner;

β=в/а1=2 - отношение полудлины обмотки отключающего элемента 1 к внутреннему радиусу;β = in / a 1 = 2 - the ratio of the half-length of the winding of the disconnecting element 1 to the inner radius;

а1=20 мм - внутренний радиус обмотки отключающего элемента 1;and 1 = 20 mm is the inner radius of the winding of the disconnecting element 1;

а2=60 мм - внешний радиус обмотки отключающего элемента 1;and 2 = 60 mm is the outer radius of the winding of the disconnecting element 1;

в=40 мм - полудлина обмотки (половина ширины фольги).in = 40 mm - half-length of the winding (half the width of the foil).

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.Then, using equations, graphs and tables, you can determine the magnitude of the control magnetic field at various points in the cross section of the winding of the disconnecting element 1, as well as in the space outside the winding, exceeding its radius.

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).In view of [D. Montgomery. Getting strong magnetic fields using solenoids. - M.: Mir, 1971. table 16, p. 270] in the prototype device, the average intensity H C0 of the control magnetic field in the volume V 0 , including the winding of the disconnecting element 1 and the area between the winding and the rod 8, will be approximately equal to N C0 = 0.4 N 0 = 0.4 · 495 · 10 3 = 198 · 10 3 A / m (average induction B C0 = 0.248 T).

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]:Moreover, the energy of the control magnetic field, concentrated in the volume V 0 , is determined by the expression [B.M. Yavorsky, Yu.A. Seleznev. Physics Reference Guide. - M .: "Science", 1984, p. 185]:

Figure 00000002
Figure 00000002

где НCO=198·103 А/м - средняя напряженность управляющего магнитного поля в объеме V0;where N CO = 198 · 10 3 A / m is the average intensity of the control magnetic field in the volume V 0 ;

µ0 - магнитная постоянная;µ 0 is the magnetic constant;

µ=1 - относительная магнитная проницаемость среды;µ = 1 is the relative magnetic permeability of the medium;

V0 - объем обмотки отключающего элемента 1 и области между обмоткой и стержнем 8.V 0 - the volume of the winding of the disconnecting element 1 and the area between the winding and the rod 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).In addition, in the prototype, the energy of the control magnetic field, in contrast to the claimed device, is additionally spent on creating a scattered magnetic field in free space. To assess these losses in the prototype, we limit the field scattering to the V P region in the form of a rectangular toroid with dimensions: outer radius 140 mm, inner radius (equal to the outer radius of the winding of the disconnecting element 1) 60 mm, width 80 mm. In this case, the average field strength Н СР in the volume V Р will be about Н СР = 0.07 Н 0 = 34650 A / m (В СР = 0.0435 Т).

Тогда энергия рассеянного магнитного поля, сосредоточенная в объеме VР, будет равна:Then the energy of the scattered magnetic field concentrated in the volume V P will be equal to:

Figure 00000003
Figure 00000003

что составляет ~15% от полезно используемой энергии W0. Такое количество энергии расходуется на создание рассеянного магнитного поля, не воздействующего на сверхпроводник в устройстве прототипа.which is ~ 15% of the usable energy W 0 . Such an amount of energy is spent on creating a scattered magnetic field that does not affect the superconductor in the prototype device.

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

Figure 00000004
(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.In the claimed device, the placement of a hollow cylinder 9 of metal with high electrical conductivity, in the example of aluminum, outside the winding of the disconnecting element 1 leads to the shielding of most of the scattering field and the concentration of magnetic flux in the volume V ′ 0 = V 0 + V 3 , where V 3 - the volume in the gap between the winding of the disconnecting element 1 and cylinder 9. Let us determine the increase in the intensity of the control magnetic field in the superconductor region after the redistribution of the field energy W P from the volume V P to the volume V ′ 0 . In this case, the volumetric energy density W p = ΔW P / ΔV P of the magnetic field with an average intensity N CP redistributed into the volume V ′ 0 with the winding of the disconnecting element 1 increases in proportion to the coefficient k = V P / V ′ 0 = 4 and the average field strength Н С0 in the volume V ′ 0 will increase to the value
Figure 00000004
(В ′ С0 = 0.336 Т), which is ~ 35% more than without cylinder 9. The effect on the superconductor of the magnitude of the control magnetic field increased compared to the prototype by 1.3-1.4 times increases the efficiency of control of the circuit breaker. In addition, the external arrangement of the cylinder 9 leads to a more uniform distribution of the control magnetic field over the cross-sectional area of the winding of the disconnecting element 1 than in the prototype. Moreover, the critical parameters of the superconductor of the inner and outer turns are achieved with a smaller time spread, which brings them closer to normal state, reducing, respectively, the device shutdown time.

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.It should be noted that the above calculations were performed for a device in which the hollow cylinder 9 has a smooth surface, and not a wavy one. A positive effect is achieved here only by shielding the control magnetic field H U from free space, reducing its scattering and thereby increasing the field concentration at the turns of the switch superconductor, i.e., by increasing the volumetric energy density of the control magnetic field acting on the superconductor.

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.The inner surface of the cylinder 9, wavy in the axial direction, orientes the magnetic field at a large angle to the outer turns of the winding of the disconnecting element 1, increasing the control field component transverse to the plane of the foil. It is known [Deaf V.A. and others. Superconducting high-current switching equipment. - In the book: Superconductivity. Proceedings conf. on the technical use of superconductivity. - M: Atomizdat, 1977, v. 2, p. 10-13], that the critical current density of the NT-50 niobium-titanium alloy foil with a thickness of ~ 18 μm in an applied magnetic field by induction (0.2-0.6) T with an orientation perpendicular to the current and the plane of the foil is less than 4-5 times the magnitude of the current density in a field perpendicular to the current, but parallel to the plane of the foil. It is also known that the minimum radial field at which the transition to the normal state begins is about 1 kOe (0.1 T) [K. Grawatsch et al. Investigations for the Development of Superconducting Power Switches. IEEE Trans, on Magnetics, vol. MAG-11, no. 2, 1975, p. 587]. With the above electrical parameters of the circuit of the circuit breaker control circuit, the rise of the control magnetic field Н У to the maximum value will occur, as in the prototype, in 2.4 μs, and the magnitude of the radial component H R of the magnetic field with the orientation of the vector Н У relative to the plane of the outer turns of the foil at an angle, for example, 45 degrees will be 0.45 T. Then the magnetic field will rise to a critical value of 0.1 T in the region of the outer turns of the winding of the disconnecting element 1 in less than 1 microsecond . This reduces, compared with the prototype, the time to transfer to the normal state those longitudinal sections of the outer turns of the superconductor, which are affected by the perpendicular component of the magnetic field H R. In this case, the transport current, equal to the sum of the operating current I P and the control current I U , is redistributed into the superconducting foil sections that do not have resistance, increasing the current density in them, which are also affected by the control magnetic field penetrating through the normal zones, and they are also converted into normal condition. The time required for the transition from the superconducting to the normal state of the entire disconnecting element 1 is reduced. According to the estimates made, the speed of such a switch with an equal control circuit energy can be about 1.5 times higher than that of the prototype.

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.Thus, in the proposed superconducting switch, the control and speed are improved by shielding the scattered magnetic field generated by the winding of the disconnecting element, the concentration of energy of this field in the volume of the disconnecting element and increasing its radial component in the region of the outer turns of the disconnecting element, which is achieved by placing it outside of a disconnecting element of a hollow cylinder made of metal with high electrical conductivity and undulating in the axial direction tion of the inner surface.

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.On the basis of the inventive switch, more powerful high-speed SPVs can be created in which individual modules connected in series or parallel in current will have a common inner core and outer cylinder.

Claims (1)

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. A superconducting high-speed circuit breaker containing a tripping element made in the form of two series-connected foil conductors of superconducting material, to the terminals of which are connected the terminals of two series-connected and charged multipolar capacitors, between the connection point of the capacitors and the connection point of the conductors of the disconnecting element, a closing device, the conductors of the disconnecting element stacked together through insulating material bifilarly, and together these conductors are They are connected to an inductive winding, in the central region of the disconnecting element there is a copper rod of circular cross section with an axially undulating lateral surface having a closed cavity, the wall thickness of the rod exceeds the penetration depth of the magnetic field at the control frequency, the rod is connected to the connection point of the conductors of the disconnecting element with a closure device characterized in that on the outside of the disconnecting element and concentrically with it is placed a hollow cylinder of metal with high electrical conductivity, which D has an undulating axially inner surface, the wall thickness greater than the depth of penetration of the magnetic field to control frequency.
RU2015132542/28A 2015-08-04 2015-08-04 Superconducting fast switch RU2602767C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015132542/28A RU2602767C1 (en) 2015-08-04 2015-08-04 Superconducting fast switch

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015132542/28A RU2602767C1 (en) 2015-08-04 2015-08-04 Superconducting fast switch

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2602767C1 true RU2602767C1 (en) 2016-11-20

Family

ID=57760046

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015132542/28A RU2602767C1 (en) 2015-08-04 2015-08-04 Superconducting fast switch

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2602767C1 (en)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU668523A1 (en) * 1976-12-27 1981-12-23 Научно-Исследовательский Институт Ядерной Физики,Электроники И Автоматики При Томском Ордена Октябрьской Революции И Ордена Трудового Красного Знамени Политехническом Институте Им.С.М.Кирова Superconducting switch
US5105098A (en) * 1990-04-03 1992-04-14 Tyler Power Systems, Inc. Superconducting power switch
RU2381597C1 (en) * 2008-08-25 2010-02-10 Учреждение Российской академии наук Институт радиотехники и электроники им. В.А.Котельникова РАН High-speed superconducting switch
RU2473153C1 (en) * 2011-06-29 2013-01-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" Superconductive switch
CN103647541A (en) * 2013-11-19 2014-03-19 中国科学院电工研究所 Superconducting switch with radiation shielding cylinder
CN203760516U (en) * 2012-12-12 2014-08-06 西南交通大学 Superconducting switch for superconducting coil

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU668523A1 (en) * 1976-12-27 1981-12-23 Научно-Исследовательский Институт Ядерной Физики,Электроники И Автоматики При Томском Ордена Октябрьской Революции И Ордена Трудового Красного Знамени Политехническом Институте Им.С.М.Кирова Superconducting switch
US5105098A (en) * 1990-04-03 1992-04-14 Tyler Power Systems, Inc. Superconducting power switch
RU2381597C1 (en) * 2008-08-25 2010-02-10 Учреждение Российской академии наук Институт радиотехники и электроники им. В.А.Котельникова РАН High-speed superconducting switch
RU2473153C1 (en) * 2011-06-29 2013-01-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" Superconductive switch
CN203760516U (en) * 2012-12-12 2014-08-06 西南交通大学 Superconducting switch for superconducting coil
CN103647541A (en) * 2013-11-19 2014-03-19 中国科学院电工研究所 Superconducting switch with radiation shielding cylinder

Similar Documents

Publication Publication Date Title
van der Laan et al. Characterization of a high-temperature superconducting conductor on round core cables in magnetic fields up to 20 T
Geng et al. A parallel co-wound no-insulation REBCO pancake coil for improving charging delays
Bostick Energy storage, compression, and switching
US3691491A (en) Superconductive switching path for heavy current
Ravaioli et al. Towards an optimized Coupling-Loss Induced Quench protection system (CLIQ) for quadrupole magnets
Li et al. Inductive pulsed power supply consisting of superconducting pulsed power transformers with Marx generator methodology
RU2602767C1 (en) Superconducting fast switch
Bronzeado et al. Transformer interaction caused by inrush current
RU2487439C1 (en) Superconductive circuit breaker
Winkler Transient behaviour of ITER poloidal field coils
RU2544872C1 (en) Superconductive quick-acting circuit breaker
Guo et al. Design of a 1-MV induction cavity and validation of the two-dimensional circuit model
RU2541380C2 (en) Superconductive circuit breaker
Zahn et al. Charge injection between concentric cylindrical electrodes
Rühl et al. Analysis of the spiral generator
Dan’ko et al. Synthesis aspects of cryogenic high-temperature superconducting shielding inductive short-circuit current limiter
RU2459395C1 (en) Linear induction accelerator
Petrescu et al. Planar transformer windings losses at different waveforms
Srivastava et al. A 5 kA pulsed power supply for inductive and plasma loads in large volume plasma device
RU84163U1 (en) CONTROLLED CURRENT LIMITING REACTOR (OPTIONS)
Cook et al. Off-resonance transformer charging for 250-kV water Blumlein
Ulbricht A resistive superconducting power switch with a switching power of 40 MW at 47 kV
Sadeghi et al. Short circuit analysis of a fault-tolerant current-limiting high temperature superconducting transformer in a power system in presence of distributed generations
Zare et al. A plane busbar impedance calculation using Maxwell's equations
Korobeynikov et al. The use of ferromagnetic amorphous materials 5BDSR in high-frequency overvoltage protection devices

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20180805