DE1789040A1 - Verfahren zur Ermittlung der UEbergaenge in supraleitenden Spulen - Google Patents

Description

Dlpl.-Ing. Dipl. oec. publ.

DIETRICH LEWINSKY - ₂₇ ς™ 1968

8München2l-Goi{hardstr.81 5313 ν

Socle"te¹ GSnSrale de Constructions Electricraes et MeOanic.-ues (ALSTHOIi), Paris l6Örae, Avenue Kleber 38 (Frankreich)

„Verfahren zur Ermittlung der Übergänge in supraleitenden Spulen"

Französische Priorität vom 29. September 1967 aus der französischen Patentanmeldung Ur. 2763 (Beifort)

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Übergänge in supraleitenden Spulen und zwar der übergänge des elektrischen Leiters vom supraleitenden Zustand in den des Widerstands.

Die Stafoilisieruncfsverfahren für Supraleiter ermöglichten die Herstellung großer Spulen für die Erzeugung sehr starker liagnetfelder. Demzufolge entsteht eine beträchtliche elektromagnetische Energie und die Schaden, die aus einem übergang heraus entstehen können, enthalten schwerwiegende Konsequenzen, einmal in technischer Einsicht (Verkohlung der Isolatoren, Schmelzen der Leiter, Formveränderungen der mechanischen Träger) , zum anderen in finanzieller Hinsicht (Kosten der verwendeten Supraleiter sowie der Herstellungsverfahren) und schließlieh hinsichtlich der Sicherheit (sehr schnelle Verdampfung einer erheblichen Menge flüssigen Heliums).

Es ist daher unbedingt erforderlich, einen übergang zum Zeitpunkt seines Auftretens zu erkennen, d.h. zu dem Augenblick, zu dem erst ein sehr kurzer Bereih des Leiters erfaßt ist. Die Gesamtlänge des zur Herstellung einer Spule verwendeten Leiters kann einmal sehr groß sein, während der Widerstand P. einer Einheitslänge des Leiters sehr klein sein kann, da die Stabilisierung in einer Ummantelung des Supraleiters durch ein sehr reines Metall besteht, das gegenüber flüssigem Helium einen sehr geringen spezifischen Leitungswiderstand besitzt.

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Der Abfall eines zu Beginn eines Übergangs zu ermittelnden reellen inneren Vliderstands ist demnach sehr klein und bewegt sich in der Größenordnung eines Bruchteils eines Millivolts (Understand RI). Demgegenüber ist der Abfall der an den Klemmen der Spule bei ihrer Ladung entstehenden induktiven Spaanunc; : L.dl/dt hoch und beträgt im allgemeinen einige Zehntelvolt. Ein /abfall der induktiven Spannung erfolgt ebenfalls während der Stromregelung bei einem Eetrieb mit konstantem 7eld. Es geht demzufolge darum, den Abfall der i'iderstandsspannung (Beginn eines Übergangs) zu ermitteln, der den hunderttausendsten Teil des Abfalls der induktiven Spannung betragen

Die zur Zeit bekannten Verfahren zur Ermittlung gründen

sich auf eine Methode der Gegenüberstellung: man stellt die an den Klemmen beider Uicklungsteile auftretende Spannung in der Weise gegenüber, daß sich der Abfall der induktiven Spannung (L₁.dl/dt - L₂.dl/d£) aufhebt und ermittelt den Abfall der Widerstandsspannung RI, der bei einem lokalen übergang an einem der beiden Teile auftritt.

Diese Verfahren tragen mehrere IJachteile in sich. Einmal gestaltet sich die Kompensierung der Abfälle der induktiven Spannung bei 1O~ oder 1O~ außerordentlich schwierig und zv/ar insbesondere wegen der Verbindungen, die jedes der Teile der Wicklung mit dem Fühler außerhalb des Cryostaten verbinden. Fernerhin verursachen die unterschiedlichen und oft beträchtlichen elektromagnetischen Kräfte, die während der Ladung der Spule entstehen, Verformungen. Hierbei ist es erforderlich, daß der induktive Widerstand einer der beiden Teile in einem konstanten Verhältnis zu io" oder 1O~ in der Hähe des anderen verharrt und zwar einmal während einer Ladung, der Spule sowie nach aufeinanderfolgenden Ladungen. Weiterhin läßt der Betrieb der Schutzvorrichtungen der Spule auf jeden Fall eine sehr hohe Spannung an den Klemmen jedes der beiden Teile der Spule entstehen. Der Übergangs fühler, sowie die Verbindungen zwischen diesem Fühler und der Spule im Cryostaten müssen ohne Schaden diese sich oft auf Tausende von Volt belaufenden Spannungen aushalten.

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Mit Hilfe der bekannten Verfahren ist es außerdem nicht möglich, gleichzeitig auf beiden Teilen der Spule auftretende übergänge festzustellen, was sich besonders nachteilig auf die Sicherheit des davon abhängenden Schutzes auswirkt.

Gegenstand der Erfindung ist demnach die Entwicklung

eines Verfahrens, mit dessen Hilfe ein übergang in einer supraleitenden Spule ermittelt werden kann, wobei man das jeweilige Auftreten eines Abfalls einer sehr geringen ΐJiuerstandsspannung (Bruchteil eines Millivolts) bzw. eines sehr kleinen Widerstandes (Bruchteil eines llikroohms) feststellt und zwar ohne dabei auf die !!achteile der bisher bekannten Verfahren zu stoßen. ^

Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, daß man in eine supraleitende Hauptwicklung eine Hilfswicklung in der Form einbringt, daß die auf die -,"esar.vtheit der Windungen bezogene Summe der jede rrindung der Hilfswicklung durchlaufenden Ströme gleich oder proportional der Gunne der alle Windungen der ilauptw ick lung durchlaufenden Str'-ne ist und daß nan die Differenz zwischen den an den Klemmer, der beiden V7icklunc;en abgenommenen Spannungen nach etwaiger .multiplikation, ausgehend von der Spannung an den !'leimen der Hilfswicklung r.it der.-. Proportionalitytsfaktor ermittelt und zwar in eier Torrn, dar sich innerhalb dieser Differenz der Abfall c.er induktiven Spannung in der Ilauptwicklunc durch den Abfall der in dar hilfswicklung induzierten Spannung kompensiert ä und nur eier Abfall der T\iderstanasspannung erscheint, die bein übergang in der Eauptwicklung entsteht.

Verschiedene Anwendungen des Verfahrens werden anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft erläutert, wobei

- die Seichnungen 1 und 2 jeweils eine axiale Teilansicht einer erfindungsgemäßen Spule,

- die Zeichnungen 3 bis 7 in Schnittdarstellungen verschiedene Beispiele einer erfindungsgemlißen Spulenwindung,

- die Zeichnung 3 einen Stronlaufplan zur "lessung des Abfalls tier v:irierstandsspannung in der erfinuungsgenäßen Haupt-

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wicklung t

und Zeichnung 9 einen Stromlaufplan zur Messung des Widerstands der Hauptwicklung

zum Gegenstand haben.

Die Zeichnungen 1 und 2 zeigen zwei mögliche Anordnungen der Haupt- und der Hilfswicklung und zwar in der Schnittdarstellung einer supraleitenden Spule. Zum besseren Verständnis wurde auf die Darstellung der elektrischen Isolatoren, der rcechanischen Halterungen sowie der Kühlkanäle verzichtet.

Innerhalb der in Zeichnung 1 dargestellten Anordnung liegt jede Windung 1 der Hilfswicklung in unmittelbarer Nähe einer windung 2 der Hauptwicklung. Wie aus den Darstellungen in Zeichnung 3 bis 7 ersichtlich, wird dies durch gleichzeitic-es Wickeln von Haupt- und Hilfswicklung erzielt. Die beiden Wicklungen sind gegeneinander elektrisch isoliert. Der Leiter der Hilfswicklung kann beispielsweise durch einen Kupferlackdraht oder durch einen supraleitenden Kupferlackdraht gebildet v/erden. Um den Abfall der induktiven Spannung völlig zu kompensieren, können an jeder Stelle des Stromkreises die erforderlichen Windungen angebracht werden.

Innerhalb einer v/eiteren Anordnung können die Windungen der Sekundärwicklung bereichsweise in der Hauptwicklung gruppiert werden. Im in Zeichnung 2 dargestellten Beispiel sind die Windungen 1 der Hilfswicklung schichtweise angeordnet, die mit den Schichten der Windungen 2 der Hauptwicklung abwechseln, wobei jedoch jede andere Gruppierung innerhalb der Erfindung möglich ist. Die einzige hieran geknüpfte Bedingung besteht darin, daß sich die Summe der alle Windungen der Hilfswicklung durchfließenden Ströme im gleichen Verhältnis mit der Summe der Ströme für die Hauptwicklung befindet.

Die Zeichnungen 3 bis 7 zeigen einige Beispiele für die jeweils mögliche Lage der Leiter, die die Haupt- und Hilfswicklung innerhalb der in Zeichnung 1 gezeigten Anordnung bilden.

Der Hilfsleiter 1 kann sich einmal neben dem Hauptleiter 2 befinden (Zeichnung 3); zum anderen im verseilten Leiter selbst,

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wobei er eine der Adern bildet (Zeichnung 4) ; in einer Mut des als ilehrdrahtleiter angenommenen Hauptleiters (Zeichnung 5), zwischen zwei Mehrdrahtleitern, von denen zumindest einer eine ;.jut besitzt (Zeichnung 6) oder schließlich zwischen zv/ei nebeneinander liegenden Leitern (Zeichnung 7).

Zeichnung 8 zeigt einen Stromlaufplan und zwar für den Fall angenommen, in dem die Hilfswicklung 1 zur Ilessung des Abfalls der Kaderstandsspannung an den Klemmen der Iiauptwicklung 2 benutzt wird. Diese beiden Wicklungen befinden sich innerhalb des schematisch bei 3 dargestellten Cryostaten. An dem Ende A sind die beiden "Wicklungen 1 und 2 elektrisch angeschlossen. Ära Ende B treten die Verbindungen der Haupt- und der Hilfswicklung unmittelbar nebeneinander aus und werden mit einer verdrall- % ten Schnur mit einem Meßgerät 4 verbunden. Dieses ließgerät 4 kann durch einen Verstärker mit einer Anzeigenadel oder einem Schreiber 5 dargestellt v/erden. Dieser Verstärker kann über ein Relais 6 die öffnung eines Schaltschützes steuern, das von der Stromquelle G her, die Stromversorgung der Spule in dem Augenblick unterbrechen kann, wenn die an den Klemmen der Spule abgenommene Spannung einen vorher festgelegten Wert erreicht. Die Spule liefert nunmehr ihre elektromagnetische Energie an einen Understand 9, der mit seinen Klemmen an den Ausgang des Cryostaten angeschlossen ist. Liegt der Punkt B an Masse, so kann der Punkt A eine hohe Spannung aufnehmen. Da jedoch jeder Abfall der induktiven Grannung in der Spule durch die induzierte Spannung in der Hilfswicklung kompensiert wird, liegt am Meßgerät lediglich der ™ Spannungsabfall der L'iderGtandsspannung RI über die durchlaufene Zone an.

Zeichnung 9 zeigt einen Stromlaufplan für den Fall, in dem der Eigenwiderstand R der durchlaufenen Zone gemessen wird. Dieses Schema zeigt mit dem in Zeichnung 8 dargestellten gewisse Ähnlichkeiten. Hierbei wird das in Zeichnung 8 dargestellte r.elaio 6 durch ein Gerät 10 ersetzt, das ein Signal liefert, das sich proportional zum Verhältnis zwischen der Ausgangsspannunrr des Meßgeräts 4 und der Spannung an den Klemmen eines Ilebenwiderstands 11 verhält. Dieses Verhältnis ist proportional zum Eigenwiderstand der Hauptwicklung. Es stellt demnach ein Maß für

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diesen Widerstand dar, das auf einem Anzeigegerät oder durch einen Schreiber 12 wiedergegeben werden kann. Wie in Zeichnung 8 dargestellt, kann dieses Signal den Schutz der Spule auslösen.

Es gilt als selbstverständlich, daß die Schutzanordnung 7-9 und/oder der Hebenwiderstand 11 durch von den dargestellten abweichende aber der Funktion nach analoge Organe ersetzt v/erden

Innerhalb der in den Zeichnungen 3 und 9 gegebenen Beispiele wurde angenommen, daß die Zahl der Windungen der Hilfswicklung 1 gleich der Anzahl der Windungen der Hauptwicklung ist, wobei die Zahl jedoch ebenfalls darunter liegen kann, z.B. die Hälfte. Im letztgenannten Fall wäre das Ende A mit dem Verstärker 4 verbunden, wobei dieser eine höhere Verstärkung, z.B. die doppelte Verstärkung für die an den Klemmen der Wicklung abgenommenen Spannung, gegenüber der für die an den Klemmen der Wicklung 2 abgenommenen Spannung liefern würde.

Das gesamte Gerät für das erfindungsgemäße Verfahren kann in der Form berechnet und ausgelegt werden, daß in einer supraleitenden Spule die Erfassung und ilessung der Widerstandsabweichungen einem Abfall der Widerstandsspannung entspricht, der gleich einem Bruchteil eines Ilillivolts bzw. gleich einem Widerstand in der Größe eines Bruchteils eines Zlikroohms ist. Die ilessung erfolgt demnach unabhängig von Änderungen des Stromes in der Spule, vom Widerstand der HiIfswicklung sowie von Verformungen der Wicklungen. Zudem ist das Gerät keinerlei induktiven Überspannungen ausgesetzt. Die Erfassung der durchlaufenen Zone kann solange unabhängig von der Lage in der Spule als gesichert betrachtet v/erden, solange der Eigenwiderstand über dem Widerstand der gegebenenfalls in der Spule auftretenden Erhitzungen liegt. Die Isolierung zwischen Haupt- und Hilfewicklung ist nur einer sehr geringen Spannungsbelastunc· ausgesetzt, da sich die induktiven Spannungen in jedem Punkt ausgleichen.

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Claims (1)

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   SociSte" GSnSrale de Constructions Llectriques et .'!e"caniques (ALSTHOIl), Paris 16eme, Avenue KlSber 32 (Frankreich)

   Patentansprüche :

   Verfahren zur Emittlung der übergänge in supraleitenden Spulen, dadurch gekennzeichnet/ daß man in eine supraleitende Ilauptwicklung (2) eine Hilfswicklung (1) in der ä Torrn einbringt, daß die auf die Gesamtheit der Windungen (1/2) bezogene Summe der jede Y/indung der Hilfswicklung (1) durchlaufenden Ströme gleich oder proportional der Surame der alle "Windungen (1,2) der Lauptwicklung (2) durchlaufenden Ströne ist und dai: wan die Differenz zwischen den an den Kleinen der beiden Uicklungen (1,2) abgenommenen Spannuncjen nach etwaiger Multiplikation, ausgehend von der Spannung an den Klerraen der Uilfsv/iclclung (1) rät dem Proportionalitätsfaktor ermittelt und zwar in der rorra, daß sich innerhalb dieser Differenz der JÜDfall der indu^ctiven Spannung in der Hauptv/icklung (2) durch üen Jujfall der in c'.er Iiilfsv7ic3:lung (1) induzierten Spannung kompensiert und nur der I'üjfall der iJiderstandsspannung erscheint, die beim f Jbsrgang in der Ilauptwicklung (2) entsteht.

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