Сверхпроводящий размыкатель

Союз Советскию Социалистических Республик(22) Заявлено 31.1078 (21) 2679654/18-25с присоединением заявки Ио23) Приоритет -Опубликовано 150781,Бюллетень М 26Дата опубликованыя описания 150781 Н 0139/10 и открытий Государствениыи иомите СССР ио делам изобретений72) Авторы изобретени Д,Куроедов, И.Е.Сурков М.Коляди 71) Заявитель 54 СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ РАЗМЫКАТЕЛЬ ржа 2 да 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 копителя СПР переводят в нормальное состояние, его сопротивление (В ) становится во много раз больше сопротивления нагрузки (К ) и ток цепи накопитель-СПР переходит в цепь на копитель-нагрузка. Известны СПР 11,121 и(.31,содщие токонесущий элемент, выполнеиз сверхпроводника,уложенного ввиде соленоидальной обмотки (инобифилярно для снижения собственниндуктивности СПР), расположеннымежду двумя коаксиальными обмоткуправления. Недостатком этих устройств является нестабильность их переходной харак теристики, т.е. изменения во времени сопротивления ключа от нуля до нормальВого 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 С 51, токонесущий элемент которого выполнен из сверхпроводника, уложенного гармошкой. Управление этим СПР осуществляется импульсом магнитного поля, направленного вдоль токонесущего элемента.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), значительно выше величины поля, направленного 1 перпендикулярно току.Цель изобретения - снижение мощности управления размыкателем, повышение устойчивости работы размыкателя и повышение эффективности использо 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 элементаи расстоянием д между соседними слоями токонесущего элемента следующим соотношением2 С(р (с+д)/Сгде К в толщина скин-слоя материалантоконесущего элемента, находящегося в нормальном состояний. ЗОНа 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 токо- несущего элемента.СПР состоит из токонесущего элемента 1 выполненного из длинной лен О ты фольги толщиной с, ширинойуложенной гармошкой с расстоянием между сгибами равным 5, Между слоями расположены изоляционныепрокладки 2 толщиной д, приклеенные и фольге незлектропроводным компаундом 3. Поверх такого пакета длинойнамотана 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 фольги; в каждом из слоев фольги возникают экранирующие токи Э (фиг. 3), препятствующие проникновению магнитного поля вглубь СПР. Экранирующий токскладывается с транспортным током 3и в областях, заштрихованных нафиг. 3, суммарный ток превышает критическое значение, поэтому в них возникает резистивное состояние, Участки фольги, расположенные вдоль линийсгиба, за счет наличия транспортноготока мгновенно разогреваются до температуры выше критической температурысверхпроводника, и переходят в норМальное состояние, создавая сопротивление раэмыкателя. Поскольку действиемагнитного поля на СПР продолжается,то поле, диффундируя через нормальнопроводящую область СПР, продолжаетсоздавать резистивное состояние вглубине СПР, следовательно продолжает рост сопротивления размыкателя.По мере диффузии поля вглубьСПР его сопротивление й(г) в моментвремени ь определяется следующейформулойН(Ь) 2 г" й х(С),где г - сопротивление единицы длиныфольги в нормальном состоянии;И - число слоев (сгибов) фольги;х(ь) - расстояние, на которое проникло магнитное поле Н Д )вглубь СПР к моменту времени ,Н (Э) - поле, являющееся критическимдля сверхпроводника с током 3 (ь).Величину х(с) - эффективную глубину проникновения магнитного поля,приблизительно можно выразить черезтолщину скин-слоя в нормальный металлследующим соотношениемх(Ъ) д,(С+и) /й,где с и д - толщина фольги и расстояние между слоями фольги.,соответственно,Таким образом, взяв расстояние межжу сгибами 6 ф 2; переводим весьСПР 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 наочень большие мощности,Ограничения по току связаны с ограниченными возможностями производствафольги по ширине. Сейчас имеется фольга НТшириной 80 мм, что позволяет изготавливать СПР на токи до10-12 кА, Ограничений по напряжениюсо стороны конструкции СПР нет. Время срабатывания СПР менее 10 мкс.Диффузия поля в СПР происходиттакже с боковых сторон и со стороныкрайних слоев фольги.Диффузия поля с бокОвых сторон(заштрихованные области на фиг. 3попеременно то с левой, то с правойстороны по направлению транспортноготока) 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 соотношениемЕ" +Дйифто 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 разызкатель при небольшом числе слоев, т.е. если длина пакета В удовлетворяет соотношениюЬ, 4,2 д. (+О)/сЕсли выбирается хотя бы один из размеров СПР меньше 2 ф ф , 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 сверх- проводника, оставшихся в сверхпроводящем состоянии, что позволяет повысить устойчивость работы СПР в смысле повторяемости переходных характеристик.1 1 ОК Формула изобретения Сверхпроводящий размыкатель, содержащий токонесущий элемент, выполненный из сверхпроводящего материала, уложенный гармошкой в пакет с изоля ционными прокладками между соседнимислоями, и катушку управления, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с целью снижения мощности управления размыкателем, повьвения устойчивости его 60 работы и эффективного использованиясверхпроводящего материала, катушка управления расположена таким образом, что направление силовых линий магнитного поля перпердикулярно слоям токо- несущего элемента и, по крайней мере,Во всех трех случаях по мере ростасопротивления СПР ток из цепи размыкателя уходит в цепь нагрузки, поэтому величина поля, которое является критическим для оставшегося транспортного тока, возрастает. На фиг.2показаны токи 3 и Э через СПР вначале и в конце процесса коммутации и поля Н и Н, являющиеся крик ютическими для токов Зи 3,Величина токаНн%. я фгде Н - сопротивление СПР к концуир,Ъпроцесса коммутации,к - сопротивление нагрузки.нВз всех случаях для подавлениясверхпроводимости магнитным полемнеобходимо создать во всем объемеСПР магнитное поле напряженностьюН к концу процесса коммутации, т.е.за время приблизительно равное времени переключения.Коэффициент усилия по мощностиК для СПР можно определить по формуле К = %игде Р - удельная разрывная мощность и - удельная плотность энергииполя управления,время ввода поля управления,Удельная разрывная мощность СПРопределяется по формуле5 Р=3 ргде 3 - удельная плотность тока всверхпроводникеЯ - удельное электрическое сопро.итивление сверхпроводника внормальном состоянии;коэффициент заполненияобъема СПР сверхпроводником;К - коэффициент запаса мощности,Плотность энергии магнитного поляуправления можно определить по Формуле 20где У о - магнитная проницаемость" осверхпроводннка в нормальном состоянии в вакууме,В известных СПР мощность управления в 3 раза выше мощности СПР, чтообусловливает значение коэффициентаусиления по мощности меньше единицы,Коэффициент усилиения по мощностидля СПР нз фольги ниобий - 50 титан, составляетЗО 3, = (5+8) 10 а/РЯ,= 810 омм,К =0,1,Н.10 д 10 а/м,рр -- 4 П 10гнм,35 р =110 5,Кц=5- 13Следовательно мощность усилителяв 5-12 раз меньше мощности размыкателя. Величина поля Н взята из статических характеристик Л (Н . Эксперименты на фольге НТпо быстромупереводу фольги в нормальное состояние дают гораздо меньшее значение Н,что позволяет надеяться на дальней 45 шее уменьшение мощности управленияи соответственно увеличение коэффициента усилия по мощности,753317 и р 5. Патент Англии Р 1308279,спертизе кл. Н 01/9 11/16, опублик. 1970.1- 9 - Е - О - О - 9 ЕПоле упра 5 лиия Составитель В. КручинкинТехред А. Савка Корректор В утяга едактор С. Сурков Тираж 784 ВНИИПИ Государственного комитета С по делам изобретений и открытий 13035, Москва, Ж, Раушская наб., Заказ 5749/38 одписно 4/5 пиал ППП "Патент", г, Ужгород, ул, Проектная,один из линейных размеров Ь размыкателя связан с толщиной токонесущегоэлемента С и расстоянием б междусоседними слоями токонесущего элемента следующим соотношением В 2 д ( + д)/где д - толщина скин-слоя в матеркаиле токонесущего элемента, находящегося в нормальном состоянии. ЭИсточники информаци принятые во внимание при эк 1. Асеев О Ч 1 едегпо)д Р.В.Кеч Ье 1 пьйг. 9 35, 733, 1964. 2. Патент Франции 9 2022448,кл. Н 01/Ч 11/16, опублик. 1972. 5 3, Препринт США А-ОВ - 74-1429. 4. Авторское свидетельство СССР В 574117, 1977.