Сверхпроводящий размыкатель

 

Союз Советских

Социалистических

Республик (щ7533 1 7 (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 31.1078 (21) 2679654/18-25 с присоединением заявки Но (23) Приоритет—

Опубликовано 15.07.81.Бюллетень М 26

Дата опубликованыя описания 150781

Н 01 L 39/10

Государствеииый комитет

СССР оо делам изобретеиий и открытий (53) УДК 6 21 3 26 (088.8) (72) Авторы изобретения

Ю.Д.Куроедов, И.Е.Сурков и Н.M.Êîëÿäèí (71) Заявитель (54) СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ РАЗМЫКАТЕЛЬ

Устройство относится к электронике, а именно, к раэмыкателям многократного действия с малым временем выключения тока и может быть использовано во всех областях электротехнйки постоянных и переменных токов, а в особенности — при коммутации постоянных токов в сильноточных источниках мощных импульсов с применением сверхпроводящих накопителей энергии.

Сверхпроводящий размыкатель включается между зажимами накопительной обмотки, параллельно нагрузке. При зарядке накопителя его сопротивление равно нулю. При выводе энергии из на- 15 копителя СПР переводят в нормальное состояние, его сопротивление (R ) становится во много раз больше сопротивления нагрузки (R ) и ток цепи накопитель-СПР переходит в цепь накопитель-нагрузка.

Известны СПР 11, 2 и 31, содержащие токонесущий элемент, выполненный из сверхпроводника,уложенного в 25 виде соленоидальной обмотки (иногда бифилярно для снижения собственной индуктивности СПР), расположенный между двумя коаксиальными обмотками управления. 30

Недостатком этих устройств является нестабильность их переходной характеристики, т.е. изменения во времени сопротивления ключа от нуля до нормального значения и их небольшая мощность, так как цилиндрические обмотки выполнены либо из отдельных жил из нестабилизированного сверхпроводника с токами до 100 А, или-из многожильного, имеющего в своем составе кроме сверхпроводника нормальный металл, что приводит к,существенному (до 10 раз) снижению удельной разрывной мощности.

Известен СПР, в котором в качестве токонесущего элемента использована сверхпроводящая фольга 41.

Хотя такая конструкция .и повышает удельные характеристики СПР, Но вопрос управления состоянием их еще недостаточно разработан.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является СПР 1.51 токонесущий элемент которого выполнен из сверхпроводника, уложенного гармошкой. Управление этим СПР осуществляется импульсом магнитного поля, направленного вдоль токонесущего элемента.

753317

Недостатками этого устройства яв- ляются неуправляемость переходного процесса СПР, связанная со случайностью мест зарождения нормальной фазы, вызванной неоднородйостью свойств сверхпроводящего материала, большая величина мощности управляюще- го импульса, так как величина крити,ческого магнитного поля, направленного вдоль сверхпроводника (по направ,лению транспортного тока), значитель но выше величины поля, направленного 1© перпендикулярно току.

Цель изобретения — снижение мощности управления размыкателем, повышение устойчивости работы размыкателя и повышение эффективности использо- 15 вания сверхпроводящего материала.

Для этого катушка управления рас-. положена таким образом, что направление силовых линий магнитного поля перпендикулярно слоям токонесущего ;щ элемента и, по крайней мере, один из линейных размеров К„ размыкателя связан с толщиной токойесущего элемента и расстоянием d между соседними слоями токонесущего элемента следующим соотношением

В„ 2 СУр ° (t+d ) / t, где d - толщина скин-слоя материала н токонесущего элемента, находящегося в нормальном состояний. 30

На фиг. 1 показан предлагаемый сверхпроводящий развлекатель, выполненный из фольги, продольный разрез, на фиг. 2 изображена характерная зависимость критического магнитного И поля сверхпроводника от величины тока,на фиг. 3 дана развертка токонесущего элемента.

СПР состоит из токонесущего элемента 1,. выполненного из длинной лен- 4О ты фольги толщиной t, шириной Я уложенной гармошкой с расстоянием между сгибами равным 5„. Между слоями расположены изоляционные*прокладки

2 толщиной d приклеенные и фольге незлектропроводным компаундом 3.

Поверх такого пакета длиной ь намотана обмотка 4 управления в форме прямоугольного соленоида.

Сверхпроводящий размыкатель работает следующим образом. По токонесущему элементу 1 (фиг. 1), находящемуся в сверхпроводящем состоянии и имеющему нулевое электрическое сопротивление, протекает транспортный ток 3 (фиг. 1 и фиг. 3) цепи, к 55 которой подключен размыкатель. В момент перевода СПР в нормальное состояние на обмотку управления от источника тока (на фигурах не показан) подается импульс тока. Возникающее в обмотке управления магнитное поле перпендикулярно плоскости фольгиу в каждом из слоев фольги возникают экранирующие токи 3 (фиг. 3), препятствующие проникновению магнитного поля вглубь СПР. Экранирующий ток складывается с транспортным током 3 и в областях, заштрихованных на фиг. 3, суммарный ток превышает критическое значение, поэтому в них возникает резистивное состояние. Участки фольги, расположенные вдоль линий сгиба, за счет наличия транспортного тока мгновенно разогреваются до температуры выше критической температуры . сверхпроводника, и переходят в норМальное состояние, создавая сопротивление раэмыкателя. Поскольку действие магнитного поля на СПР продолжается, то поле, диффундируя через нормально проводящую область СПР, продолжает создавать резистивное состояние в глубине СПР, следовательно продолжает рост сопротивления размыкателя.

По мере диффузии поля вглубь

СПР его сопротивление й(ь ) в момент времени ь определяется следующей формулой й(Ф) - 2г и x(e) где r — сопротивление единицы длины фольги в нормальном состоянии;

И - число слоев (сгибов) фольги; х(ь) — расстояние, на которое проникло магнитное поле Н (3)

k вглубь СПР к моменту време) ни, Н (Э) — поле, являющееся критическим для сверхпроводника с током Л (i) .

Величину х (t ) — эффективную глубину проникновения магнитного поля, приблизительно можно выразить через толщину скин-слоя в нормальный металл следующим соотношением х() - о „ (с+й)/t, где t u d - толщина фольги и расстояние между слоями фольги ., соответственно.

Таким образом, взяв расстояние меж-. жу сгибами 6 4+ 2 — -ъ переводим весь

СПР в нормальное состояние.

Диффузия поля вглубь СПР со стороны сгибов не зависит от ширины токонесущего элемента и количества сгибов, что позволяет делать быстродействующие сверхпроводящие размыкатели на очень большие мощности.

Ограничения по току связаны с ограниченными возможностями производства фольги по ширине. Сейчас имеется фольга НТ-50 шириной 80 мм, что позволяет изготавливать СПР на токи до

10-12 кА. Ограничений по напряжению со стороны конструкции СПР нет. Время срабатывания СПР менее 10 мкс.

Диффузия поля в СПР происходит также с боковых сторон и со стороны крайних слоев фольги.

Диффузия поля с боковых сторон (заштрихованные области на фиг. 3 попеременно то с левой, то с правой стороны по направлению транспортного

753317 тока) не дает непосредственного вклада в сопротивление СПР, если ширина фольги больше глубины диффузии поля, поскольку заштрихованные области шунтированы областями фольги, оставшимися в сверхпроводящем состоянии. Но если ширина фольги 6 связана с толщиной скин-слоя соотношением

Е- 2d

2 < и ! то СПР переходит в нормальное состояние по всему объему за счет диффузии поля с боков.

Учитывая диффузию магнитного поля со стороны крайних слоев фольги, имеющих лучший коэффициент связи с обмоткой управления, можно сделать надежно управляемый сверхпроводящий развлекатель при небольшом числе слоев, т.е. если длина .пакета Q удовлетворяет соотношению

Ь. 4. 2 ° д ° (t + 4)/t

Если выбирается хотя бы один из размеров СПР меньше 2ф. d, то подавляется сверхпроводимость во всем объеме СПР, что приводит к эффективному использованию всего сверхпроводящего материала.

Подавление сверхпроводимости во всем объеме СПР позволяет также избавиться от экранирующих замороженных токов, остающихся в участках сверхпроводника, оставшихся в сверхпроводящем состоянии, что позволяет повысить устойчивость работы СПР в смысле повторяемости переходных характеристик.

19

Ъ 2 Я "g rr

Формула изобретения

Сверхпроводящи:. ", размык атель, содержащий токонесущий элемент, выполненный из сверхпроводящего материала, уложенный гармошкой в пакет с изоля55 ционными прокладками между соседними слоями, и катушку управления, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью снижения мощности управления размыкателем, повььаения устойчивости его

60 работы и эффективного использования сверхпроводящего материала, катушка управления расположена таким образом, что направление силовых линий магнитного поля перпердикулярно слоям токонесущего элемента и, по крайней мере, Во всех трех случаях по мере роста сопротивления СПР ток из цепи размыкателя уходит в цепь нагрузки, поэтому величина поля, которое является критическим для оставшегося транспортного тока, возрастает. На фиг.2 показаны токи 3» и Э через СПР в начале и в конце процесса коммутации и поля Н„ и Н, являющиеся крик тическими для токов 3» и 3<, Величина тока

R н

9. » В э где R — сопротивление СПР к концу

flP, Ъ процесса коммутации, R — сопротивление нагрузки. н

Вз всех случаях для подавления сверхпроводимости магнитным полем необходимо создать во всем объеме

СПР магнитное поле напряженностью

Н к концу процесса коммутации, т.е. за время приблизительно равное вреХ мени переключения.

Коэффициент усилия по мощности

К» для СПР можно определить по формуле

Кч = % / "

rде Р— удельная разрывная мощность

СПР, w — удельная плотность энергии поля управления, время ввода поля управления, Удельная разрывная мощность СПР определяется по формуле

5 Р„ = j ð к, к где j — удельная плотность тока в сверхпроводнике

P — удельное электрическое сопро- т. тивление сверхпроводника в нормальном состоянии; коэффициент заполнения объема СПР сверхпроводниКОМ;

К вЂ” коэффициент запаса мощности

Плотность энергии магнитного поля управления можно определить по формуле

20 где У ь — магнитная проницаемость, " о сверхпроводннка в нормальном состоянии в вакууме.

В известных СПР мощность управления в 3 раза выше мощности спР, что

25 Обусловливает значение коэффициента усиления по мощности меньше единицы.

Коэффициент усилиения по мощности . для СПР нз фольги ниобий — 50% титан, составляет .)к = (5+8), 10" а/,Р

Р 8 10 ом,м, K»w К О I 1

Н - 10ц 8 10 а/м, Рр = 4П 10 гн м, 35 р =1

Ф» = 10-5 .Кц= 5 — 13

Следовательно мощность усилителя в 5-12 раз меньше мощности размыкателя. Величина поля Н взята из статических характеристик 3 (Hj . Эксперименты на фольге НТ-50 по быстрому переводу фольги в нормальное состояние дают гораздо меньшее значение Н> что позволяет надеяться на дальней45 шее уменьшение мощности управления и соответственно увеличение коэффициента усилия по мощности.

753317 и р 5. Патент Англии Р 1308279, спертизе кл. Н 01/М 11/16, опублик. 1970.

1 — e — ю. — Π— О- — & &аале упра5пеииа

Составитель В. Кручинкин

Техред A. Савка

Корректор B. Бутяга

Редактор С. Суркова

Подписное

Тираж 784

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Заказ 5749/38

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4 один из линейных размеров „ размыкателя связан с толщиной токонесущего элемента t и расстоянием d между соседними слоями токонесущего элемента следующим соотношением л и где d — толщина скин-слоя в матеркаи ле токонесущего элемента, находящегося в нормальном состоянии.

Э

Источники инФормаци принятые во внимание при эк

1. Ameen О.L MIederhoId P R

Rem Sei Instr. 9 35, 733, 1964.

2. Патент Франции 9 2022448, кл. H 01/Ч 11/16, опублик. 1972.

5 3. Препринт CUJA LA-UR — 74-1429.

4. Авторское свидетельство СССР

В 574117, 1977.