DE2153562B2 - Schutzschaltung für eine supraleitende Spule - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schutzschaltung für eine supraleitende Spule gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs I.

Es sind supraleitende Spulen bekannt, die sich dadurch auszeichnen, daß sie im supraleitenden Zustand keinen Widerstand aufweisen. Dieser bei jedem supraleitenden Material veränderliche Zustand kann innerhalb der Grenzen erzielt werden, die von der temperatur in Nähe des absoluten Nullpunkts, dem magnetischen Feld und der Stärke des durch die Spule fließenden Stroms gesetzt sind. Ein Supraleiter* weist jedoch störende Erscheinungen in Form von MagnetflußSnderongen mif_r die eintreten, wenn er hohen magnetischen Feldern ausgesetzt wird, die durch Ströme hoher Stärke erzeugt werden, die beispielsweise während der Auferregung der Spule auftreten. Derartige Zustandsänderungen können im Innern des den Supraleiter bildenden diamagnetischen Materials auftreten. In bestimmten Teilen dieses Materials treten zeitweilig Bereiche in Erscheinung, die im Zustand der NichtSupraleitfähigkeit einen hohen Widerstand aufweisen. Infolge der Wärmeabfuhr aufgrund dieses Widerstandes bewirkt der durch die Spule fließende Strom, daß diese Erscheinung sich verstärkt, und die keine Supraleitfähigkeit aufweisenden Bereiche können sich

'⁵ unter Umständen erweitern. Die abgeführte Wärmeenergie, die proportional dem Quadrat dieser Stromstärke und diesem Widerstand ist, kann schließlich zur völligen Sperrung der Spule und zu deren Beschädigung führen.

M Aus der Zeitschrift »Cryogenics«, Juni 1965, Seite 132—135, ist eine Schutzschaltung für eine supraleitende Spule bekannt zum Schutz vor Oberspannungen bei unzeitigen Obergängen der Spule in ihren normalleitenden Zustand während ihrer Auferregung mit einer Versorgungsquelie, die die supraleitende Spule über einen Hauptschalter speist und mit einem Entladewiderstand, der in Parallelschaltung zur supraleitenden Spule angeordnet ist, sowie mit einem Verstärker, der eine an der Spule abgegriffene Spannung verstärkt und einer Kontrolleinheit zuführt, die den Hauptschalter öffnet, sobald in der Spule Obergänge in den normal-leitenden Zustand auftreten.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die völlige Sperrung der supraleitenden Spule und somit deren Beschädigung dadurch zu vermeiden, daß der Ladestrom sofort bei Auftreten der Sperrung unterbrochen wird, ohne daß jedoch eine Unterbrechung im Anschluß an eine isolierte Magnetflußänderung erfolgt, wenn diese sich auf den Übergang aus dem supraleitenden Zustand in Hen nrjlnsupraleitenden Zustand in einem begrenzten Bereich der Spule beschränkt

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß sie einen Multiplikator aufweist, der das Produkt der zwischen den Mittelanzapfungen abgegriffenen Spannung mal einem Strom herstellt, der proportional dem durch die Spule fließenden Strom ist, daß ein Integrator die Integration dieses Produkts vornimmt und daß dem Integrator ein Energieschwellenwertauslöser nachgeschaltet ist, der ein Auslösesignal abgibt, das die öffnung des Hauptschalters gewährleistet, wenn der Integrator den betreffenden Schwellenwert erreicht.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß kleinere Störungen, die nicht zur völligen Sperrung,d. h. nicht zum völligen Übergang der Spule in den normalleitenden Zustand führen, nicht zu einer Unterbrechung der Auferregung der Spule führen, während sichergestellt ist, daß größere Störungen, die die völlige Sperrung der Spule bewirken, zu einer Unterbrechung des Auferregungsvorgangs führen. Damit ist eine größere Sicherheit bei der Auferregung supraleitender Spulen gegeben, bzw. es werden kleinere, sich selbst behebende Störungen nicht beachtet, da der ihnen entsprechende Energiewert im Integrator nicht den Energieschwellenwert zur Öffnung des Auslösesignals erregen kann.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung

betätigt das Auslösesigna! ebenfalls einen zweiten Schalter, dessen Ansprechgeschwindigkeit höher ist als diejenige des Hauptschalters, der in dem Schaltungsteil angeordnet ist, der die von den Mittelanzapfungen kommende Spannung abgreift, um den Multiplikator vor den Überspannungen zu schützen, die bei der öffnung des Hauptschalters in der Spule auftreten.

Nach einer anderen Weiterbildung der Erfindung gibt der zweite Spannungsschwelienwertauslöser, der in Nebenschaltung rum Multiplikator am Stromkreis liegt, welcher die von den Mittelanzapfungen kommende Spannung abgreift, ein Signal auf den Integrator, um das Ergebnis der Integration auf Null zurückzuführen, wenn die Störeinflüsse einer Spannung entsprechen, die größer als der Schwellenwert ist. '5

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Unteransprüchen gekennzeichnet

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schutzschaltung wird anhand der Zeichnung beschrieben, die ein Obersichtsschaltbild darstellt

In der Figur ist mit 1 eine Stromquelle bezeichnet, die die Auferregung einer supraieiienden Spule 2 vornimmL Sobald der Hauptschalter 3 geschlossen ist, erfolgt die Auferregung der Spule mit einer Spannung von. etwa 6 V; der abgegebene Strom kann 1000 A erreichen. Die Auferregungsdauer, die sich nach der Zeitkonstante der Schaltung richtet, kann zwischen mehreren Sekunden und einigen Minuten schwanken. Die supraleitende Spule 2 ist in einem nicht veranschaulichten, eine tiefe Temperatur aufweisenden Gehäuse untergebracht. Sie muß im supraleitenden Zustand bleiben, um während der Auferregung keinen Widerstand aufzuweisen. Während der Auferregung treten jedoch schädliche Erscheinungen in Form von Magnetflußänderungen auf. deren Gesamtwirkung eine Sperrung der Spule 2 bewirken kann. Diese gelangt sodann in den normal-leitenden Zustand, wodurch die supraleitende Spule infolge der Umwandlung der induktiven Energie in Wärmeenergie beschädigt werden kann.

Die erfindungsgemäße Schutzschaltung ermittelt den *> Beginn der Sperrung der Spule 2 und unterbricht die Auferregung durch Betätigung des Hauptschalters 3, der den Stromkreis im Zeitpunkt des Auftretens der Sperrung der Spule 2 öffnet.

Wenn während der Entladungsphase die Spule 2 in den Normalzustand gebracht wird, wird ebenfalls der Hauptschalter 3 geöffnet, und die supraleitende Spule 2 speist in einen Entladewiderstand 4 ein, der parallel zur Spule 2 angeordnet ist. Dieser Entladewiderstand 4 hat einen Wert, der höher als der Widerstand der Spule 2 im nichtsupraleitenden Zustar>d ist. Zwei gleiche Widerstände 5 und 6, die in Reihe geschaltet sind und in bezug auf den Eirtladewiderstana 4 sehr große Werte aufweisen, sind ebenfalls an den Klemmen der Spule 2 angeschlossen. Ein Anschluß erfolgt an der Mittelanzapfung 7 der Spule 2, und ein weiterer Anschluß wird am Punkt 8 zwischen den Widerständen 5 bzw. 6 vorgenommen. Während der Auferregungsphase ist die Potentialdifferenz zwischen den beiden Mitielanzapfungen 7 bzw. 8 Null, wenn die Spule 2 vollkommen supraleitend ist und keine Magnetflußschwankungen vorliege.i,

Wenn während der Auferregungsphase Magnetfluß· Schwankungen entweder in der einen Hälfte der durch ihre Mittelanzapfung 7 getrennte Spule oder in der anderen Hälfte auftreten, erfolgen Spannungsänderungen zwischen den beiden Mittelanzapfungen 7 bzw. 8. Die Spannungschwankun^en können positiver oder negativer Polarität sein. Die Mittelanzapfungen 7 und 8 liegen an einem Verstärker 9, der die Spannungsschwankungen verstärkt. In der Schaltung der Spule 2 liegt ferner ein Nebenwiderstand 10. Die am Nebenwiderstand 10 abgenomme Spannung, die proportional dem in der Spule 2 fließenden Straw ist, wird auf den Verstärker 11 gegeben. Die Ausgänge der beiden Verstärker 9 und 11 sind mit einem Multiplikator 12 verbunden. Dieser wandelt die Funktion der Spannungsschwankungen sowie die Funktion des Stroms, der durch die Spule 2 fließt, in logarithmtsche Funktionen um, addiert die beiden logarithmisch^ Funktionen, was der Logarithmenfunktion eines Produkts zweier Funktionen gleichkommt, und verwandeilt die Logarithmenfunktion des Produkts in eine einfache Funktion, die das Produkt beider Funktionen darstellt

Am Ausgang des Multiplikators 12 wird ein Signal erzielt, das eine Funktion der Leistung ist die von den Magnetflußänderungen abgegeben bzw. aufgenommen wird. Dieses Signal wird auf den Integrator 13 gegeben, der aus einem Verstärker besteht der c^:„e Widerstandsschaltung und einen paraüelgeschaitetew Kondensator aufweist, der dazu dient die vom Vervielfacher 12 abgegebene Leistung zeitlich zu integrieren. Am Ausgang des Integrators wird ein Signal erhalten, das eine Funktion der durch die Magrsetflußschwankungen abgegebenen Energie ist

Es muß vermieden werden, daß eine Summierung der Energiewerte erhalten wird, die aus den verschiedenen Magnetflußschwankungen bestehen. Daher erfolgt eine Rückstellung auf Null vor jeder Integration auf folgende Weise: Ein symmetrischer Spannungsschwellenwert-Auslöser 14 ist in Nebenschaltung zwischen dem Spannungsverstärker 9 und dem Multiplikator 12 angeschlossen. Dieser Spannungsschwellenwertauslöser 14 besteht aus einer doppelten Schmitt-Triggerschaltung, deren eine Schaltung bei positiven Schwellenspannungen und deren andere bei negativen Schwellenspannungen betätigt wird. Die Schmitt-Triggerschaltung gewährleistet einen stabilen Zustand, wenn das Potential einer Elektrode einen bestimmten SchW-.Ilenwert passiert und gelangt in einen anderen stabilen Zustand, wenn das Potential der Elektrode beim Absinken den gleichen Schwellenwert erneui passiert Die Schwellenspannung jeder Schmitt-Triggerschaltung ist derart geregelt, daß auf eine ansteigende Fianke eine absteigende Flanke folgt, wenn der Mittelwert der positiven bzw. negativen Spannung einer Magnetnußschwankung erreicht ist. Die Zacken, die durch die ansteigende Flanke und die auf sie folgende absteigende Flanke erhalten werden, betätigen zwei Relais 15, die den Integrator in die Nullstellung zurückbringen. Hierzu wird der Stromkreis des Widerstandes und des parallel zum Verstärker des Integrators 13 geschalteten Kondensators geöffnet, und der Integrator arbeitet als einfacher Verstärker.

Infolge der Rückstellung auf Null gibt der Integrator 13 Energiewerte ab die nur unabhängige Erscheinungen berücksichtigen, bei denen es sich entweder um eine isolierte MagnetfluCichwankung oder aber um den Beginn einer Sperrung handeln kann.

Am Ausgang des Integrators 13 liegt ein En^rgieschwellenwert-Auslöser 16, der wie der ISpannungsschwellenwert-Auslöser 14 als doppelte Schmitt-Triggerschaltung ausgebildet ist. Die Schwelle der Triggerschaltung ist uirart festgelegt, daß sie einer maximalen Energie entspricht, die den Beginn der Sperrung der Spuie darsteüt. Der Schweüenwert der

Energie ist beispielsweise auf 1OO Joule bei einer Energie von 100 Kilo-Joule festgelegt, die in der Spule 2 gespeichert ist. Die durch den Energieschwellenwert-Auslöser 16 erzeugte Zackenspannung betätigt ein Relais, das den Hauptschalter 3 öffnet. Dieses kann nur dann geschehen, wenn eine Sperrung vorliegt und die durch die Magnetflußschwankung erzeugte Energie Übermäßig stark ist.

Bei öffnung des Hauptschalters 3 entsteht im Innern der Spule 2 eine Überspannung, die mehrere kV to erreichen kann. Um die Meßstromkreise vor den Auswirkungen der Überspannung zu schützen, wird das von dem Energieschwellenwert-Auslöser 16 erzeugte Signal in Nebenschaltung auf das Relais 17 gegeben, das den Eingangsstromkreis des Verstärkers 9 an Masse ΐί legen kann. Auf diese Weise ist der Verstärker 9 geschützt. Bei dem Relais 17 handelt es sich um ein Schnellrelais, beispielsweise ein Quecksilberrelais, das von dem langsamer betätigten Relais des Hauptschalters 3 ausgelöst wird. Auf diese Weise erfolgt die Außerbetriebsetzung des Ermittlungsschalters stets vor der öffnung des Hauptschalters 3.

Bei einer abgewandelten Ausführungsart kann hinter dem Integrator 13 und anstelle des Energieschwellendetektors ein Energiemeßgerät angeordnet werden. Mit diesem Gerät wird die Energie gemessen, die bei einer isolierten MagnetfluOschwankung entsteht.

Die erfindunggemäße Vorrichtung kann in allen Fällen verwendet werden, in denen eine supraleitende Spule Magnetflußschwankungen hervorrufen kann, durch die bestimmte Teile der supraleitenden Spule in den normalleitenden Zustand gebracht werden können Sie kann ebenfalls dann Verwendung finden, wenn der Obergang in den normalleitcndcn Zustand der Spule entweder durch eine mechanische Verschiebung der Windungen oder aber durch Überschreiten eines kritischen Parameters der supraleitenden Bauelemente bewirkt wird.

Besonders interessante Anwendungen bieten sich auf dem Gebiet der Supraleiter, die /ur Plasm;)- oder I.ascrblitzröhren-Kntladiing verwendet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche;

1. Schutzschaltung für eine supraleitende Spule zum Schutz vor Oberspannungen bei unzeitigen Obergängen der Spule in ihren normal-leitenden Zustand während ihrer Auferregung mit einer Versorgungsqueile, die die supraleitende Spule über einen Hauptschalter speist, und mit einem Entladewiderstand, der in Parallelschaltung zur supraleitenden Spule angeordnet ist, sowie mit einem Meßwiderstand, der in Bezug auf den Entladewiderstand einen sehr hohen Wert aufweist und eine Mittelanzapfung hat, die im wesentlichen das gleiche Potential wie die Mittelanzapfung der Spule aufweist, wenn diese völlig supraleitend ist, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Multiplikator (12) aufweist, der das Produkt der zwischen den Mittelanzapfungen (7, 8) abgegriffenen Spannung mal einem Strom herstellt, der proportional dem durch die Spule fließenden Strom ist, daß ein integrator (13) die Integration dieses Produkts vornimmt und daß dem Integrator ein Energieschwellenwertauslöser (16) nachgeschaltet ist, der ein Auslösesignal abgibt, das die öffnung des Hauptschalters (3) gewährleistet, wenn der integrator (13) den betreffenden Schwellenwert erreicht.

2. Schutzschaltung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß das Auslösesignal ebenfalls einen zweiten Schalter (17) betätigt, dessen Ansprechgeschwindigkeit höher ist als diejenige des Hauptschalters (3) und der in dem Schaltungsteil angeordnet ist. der die von den Mittelanzapfungen (7, 8) kommende Spannung abgreift, um den Multiplikator (12) vor den Überspannungen zu schützen, die bei der öffnung,-des .Hauptschalters (3) in der Spule auftreten.

3. Schutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Spannungsschwellenwertauslöser (14), der in Nebenschaltung zum Multiplikator (12) am Stromkreis liegt, welcher die von den Mittelanzapfungen (7, 8) kommende Spannung abgreift, ein Signal auf den Integrator (13) gibt, um das Ergebnis der Integration auf Null zurückzuführen, wenn die Störeinflwsse einer Spannung entsprechen, die größer als der Schwellenwert ist.

4. Schutzschaltung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwellenenergie des ersten Auslösers (16) für einen Mittelwert der Energie gilt, die zu Beginn der Sperrung vorliegt.

5. Schutzschaltung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwellenspannung des zweiten Auslösers (16) für einen Mittelwert der Spannung gilt, die den Störungen entspricht.