RU2602767C1 - Superconducting fast switch - Google Patents
Superconducting fast switch Download PDFInfo
- 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
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N60/00—Superconducting devices
- H10N60/30—Devices switchable between superconducting and normal states
Landscapes
- Containers, Films, And Cooling For Superconductive Devices (AREA)
Abstract
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
F=1,8 - коэффициент поля;F = 1.8 - field coefficient;
α=а2/а1=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
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
а1=20 мм - внутренний радиус обмотки отключающего элемента 1;and 1 = 20 mm is the inner radius of the winding of the disconnecting
а2=60 мм - внешний радиус обмотки отключающего элемента 1;and 2 = 60 mm is the outer radius of the winding of the disconnecting
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
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
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]:
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
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:
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 (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
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
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
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)
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)
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 |
-
2015
- 2015-08-04 RU RU2015132542/28A patent/RU2602767C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (6)
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 |