DE2165440C3

DE2165440C3 - Supraleitender Schalter mit steuerbarer Ansprechzeit

Info

Publication number: DE2165440C3
Application number: DE2165440A
Authority: DE
Inventors: Enrique Villiers-Sur- Orge Santa-Marie (Frankreich)
Original assignee: Compagnie Generale dElectricite SA
Current assignee: Alcatel Lucent SAS
Priority date: 1971-01-07
Filing date: 1971-12-29
Publication date: 1979-12-13
Also published as: DE2165440B2; NL7200229A; FR2120532A5; DE2165440A1; US3713058A; IT946363B; BE777247A; GB1360480A

Description

Die Erfindung betrifft einen supraleitenden Schalter, bei dem der Übergang aus dem supraleitenden Zustand in den normalleitenden Zustand nach vorherbestimmten Regeln erfolgt.

Es ist bekannt, einen supraleitenden Schalter an die Klemmen einer supraleitenden Energiespeicherspule anzuschließen. Der Schalter dient sodann zur Steuerung der Last sowie der Speicherung und Entladung der Energie der Speicherspule, in der diese als magnetische Energie eingespeichert ist. Während der Ladephase muß der Schalter einen Widerstand mit einem hohen Wert aufweisen, damit er möglichst einer gesperrten Schaltung gleichkommt. Während der Speicherphase muß der Schalter leitend sein, damit die Spule kurzgeschlossen wird, was dadurch erfolgt, daß dem Schalter ein Widerstand verliehen wird, der möglichst dem Nullwiderstand entspricht Während der Entladephase muß der Schalter einen sehr hohen Widerstand aufweisen, damit die Energieübertragung zu den Verbraucherschaltungen erfolgt Bekanntlich erfolgt der Obergang des Schalters aus dem leitenden in den gesperrten Zustand durch magnetische oder thermische Steuerung; wodurch der Schalter aus dem supraleitenden Zustand in den normalleitenden Zustand üaergeht Der Widerstand, den der Schalter aufweist, ist im supraleitenden Zustand gleich NuIL Dieser Zustand bleibt unverändert bis zum Auftreten eines ersten schwachen Magnetfeldes gerade am Beginn des kritischen Magnetfeldes und/oder einer niedrigen Temperatur gerade am Beginn der kritischen Temperatur. Bei stärkeren Magnetfeldern oder Temperaturen, die einem gemischten supranormalleitenden Zustand entsprechen, wächst der Widerstand bis za einem bestimmten höheren kritischen Magnetfeld bzw. einer höheren kritischen Temperatur. Bei höheren Werten des einen oder anderen dieser Parameter ist der Widerstand, den der ganz normalleitend gewordene Schalter angenommen hat, sehr hoch und konstant Im gemischten Zustand wird die Art der Anstiegsänderung des Widerstands in Abhängigkeit von der Zeit durch die

Art der Änderung der die magnetische bzw. thermische Steuerung bewirkerden Stromstärke in Abhängigkeit

von der Zeit bestimmt

Die Stromstärke ändert sich linear in Form einer

bestimmten Schräge der Kurve, wenn die sie erzeugende Spannung konstant ist, oder aber sie hat die Form einer exponentiellen Kurve mit abnehmendem Wert, die nach oben konvex ist, wenn sie durch Kondensatorentladung erzeugt wird. Im gemischten Zustand hat daher der Widerstand, den der Schalter in Abhängigkeit von der Zeit aufweist, eine ähnliche Ansprechdauer, d. h. in Form einer Schräge oder einer konvexen Exponentialkurve.
Die Änderung des Widerstands während des

Übergangs aus dem supraleitenden Zustand in den normalleitenden Zustand ist unveränderlich feststehend und kann nicht geändert werden.

Herkömmliche Schalter weisen den Nachteil auf, daß sie bedeutende Überspannungen in der Speicherspule infolge der besonderen Form der Ansprechkurve aufweisen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung beseitigt diesen Nachteil. Mit ihr werden Ansprechkurven des Widerstands des Schalters in Abhängigkeit von der Zeit

■v) entsprechend vorbestimmten Regeln erzielt.

Gegenstand der Erfindung ist ein supraleitender Schalter mit steuerbarer Ansprechzeit, der an den Klemmen einer supraleitenden Energiespeicherspule liegt, mit einer supraleitenden Hauptwicklung, die um die Drehachse gewickelt ist und in Nähe der Hauptwicklung mit magnetischen Steuerwicklungen ausgerüstet ist, die um die Drehachse gewickelt sind und die Hauptwicklung in den normalleitenden Zustand gelangen lassen, der dadurch gekennzeichnet ist, daß mindestens die Hauptwicklung und/oder eine der Steuerwicklungen aus Windungen besieht/bestehen, deren Radius veränderlich ist und deren Anzahl im Falle, daß die Windungen den gleichen Mittelpunkt auf der Drehachse haben, von einem Ende zum anderen

f>5 zunimmt.

An Hand der Fig. I bis 5 wird ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben. Darin sind gleiche Teile mit gleichen Ziffern bezeichnet.

F i g, I veranschaulicht schematisch teilweise im Schnitt eine Perspektivansicht eines Teils eines erfindungsgemäßen Schalters.

Fig.2 veranschaulicht schematisch im Schnitt die Hauptwicklung und die Steuerwicklung des Schalters entsprechend der Ausführungsform nach Fig. 1.

Fig.3 veranschaulicht schematisch im Schnitt die Hauptwicklung und die Steuerwicklung eines Schalters einer abgewandelten Ausführungsart

Fig.4 veranschaulicht schematisch im Schnitt die Hauptwicklung und die Steuerwicklung eines Schalters einer dritten abgewandelten Ausführungsart

F i g. 5 ist eine schematische Kurve des Widerstands des supraleitenden Stoffes in Abhängigkeit von der Zeit die mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzielt wird.

F i g. 1 und 2 veranschaulichen eine Hauptwicklung 1, die auf einen zylindrischen Rahmen 2 um die Achse 3 gewickelt ist

Die Hauptwicklung 1 besteht aus supraleitendem Material, dessen elektrischer Widerstand bei einer Temperatur, die niedriger ist als die kritische Temperatur und einem Magnetfeld, das schwächer ist als das kritische Magnetfeld gleich Null ist Ein kryogenes Fluid, beispielsweise flüssiges Helium, umspült die Hauptwicklung 1, um sie in den supraleitenden Zustand zu bringen.

Die Hauptwicklung 1 besteht aus einem Kabel aus mehreren Drähten aus einer beispielsweise 40% Titan enthaltenden Niob-Titanlegierung. Bei einer anderen Ausfühmngsart wird eine Niob-Zirkonlegierung oder eine Verbindung aus Niob und Zinn in Form eines einfachen Drahts oder von Bändern verwendet Die innere Steuerwicklung 4 und die äußere Steuerwicklung 5, die um die gleiche Achse 3 gewickelt sind, liegen zu beiden Seiten der Hauptwicklung 1. Die magnetische Steuerwicklung besteht aus nichtsupraleitendem Metalldraht wie Kupfer.

Durch Entladung einer Kondensatorbatterie in die beiden Steuerwicklungen wird ein Strom induziert der ein Magnetfeld erzeugt, das ausreicht um die Hauptwicklung in den normalleitenden Zustand zu bringen. Das aus der Hauptwicklung 1 und den beiden Steuerwicklungen bestehende Ganze ist in einem zylindrischen Teil 6 untergebracht, das an seinen beiden Enden geschlossen ist und als Magnetschirm dient

Der Zylinder 6 ist aus Kupfer oder einem beliebigen anderen gut elektrisch leitenden Material.

F i g. 2 zeigt den Aufbau der Hauptwicklung I und der Steuerwicklungen 4 bzw. 5. Die Windungen der Hauptwicklung 1 sind regelmäßig um die Achse 3 herum angeordnet. Aus dem Axialschnitt der zylindrischen Seitenfläche, die von den Windungen gebildet wird, ist ersichtlich, daß die Windungen der Wicklung 1 innerhalb eines länglichen Rechtecks 7 angeordnet sind. Die Steuerwicklungen 4 und 5 sind unregelmäßig um die Achse 3 herum angeordnet. Am Ende 8 in Höhe des Rechtecks 7 weisen die Steuerwicklungen 4 bzw. 5 eine begrenzte Anzahl von Windungen auf, beispielsweise eine einzige Schicht von Windungen, während am anderen Ende 9 die Windungen derart aufeinandergewickelt sind, daß sie eine beträchtliche Anzahl von Schichten bilden. Zwischen den beiden Enden 8 und 9 sind die Schichten derart abgestuft angeordnet, daß ihre Außenseite, welche die Seitenfläche eines Kegelstumpfes bildet im Schnitt die Hypotenuse eines rechteckigen Dreiecks darstellt. Da das Ende 9 mehr Windungen als das Ende 8 aufweist, ist das zum Zeitpunkt der Steuerung erzeugte Magnetfeld in Nähe des Endes 9 stärker als am Ende 8, Das kritische Magnetfeld wird nicht zum gleichen Zeitpunkt in allen Bereichen des

supraleitenden Stoffes hergestellt Der Übergang aus dem supraleitenden Zustand in den normalleitenden

Zustand erfolgt daher nicht zur gleichen Zeit in der

gesamten Hauptwicklung 1.

In Fig.3 ist der gleiche Schnitt wie in Fig.2

ία veranschaulicht Die Steuerwicklungen 10 bzw. 11 sind hier regelmäßig in bezug auf die Wicklungsachse 3 angeordnet Die Stärke der Schichten ist einheitlich. Bei diesem Schnitt befinden sich die Steuerwicklungen 10 und 11 in den Parallelogrammen 12 bzw. 13, und die Hauptwicklung 14 befindet sich im Trapez 15. Die Steuerwicklungen 10 und 11 sind im gleichen Abstand von den Außenschichten der Hauptwicklung 14 vorgesehen. In diesem Fall ist auf Grund der unterschiedlichen Menge von supraleitendem Material, das dem Magnetfeld ausgesetzt ist. der Gradient der Materialmenge in Abhängigkeit vom Magnetfeld und von der Zeit veränderlich. Auf der großen Seite des Trapezes 15 ist die Menge des supraleitenden Materials, das zu einem bestimmten Zeitpunkt in den normalleitenden Zustand gelangt größer als auf der kleinen Seite des Trapezes 15.

Fig.4 veranschaulicht eine Kombination der beiden in F i g. 1 bis 3 gezeigten Vorrichtungen. Es liegt eine Änderung der Steuerwicklung und es supraleitenden

jo Materials vor, aus dem die Hauptwickiung besteht Entsprechend dem Schnitt, der demjenigen der F i g. 2 und 3 entspricht liegt die Hauptwicklung 16 im Trapez 17, und die Steuerwicklungen 18 und 19 befinden sich in den Dreiecken 20 und 21. Die eine Seite des stumpfen

Winkels der Dreiecke 20 bzw. 21 verläuft parallel zu einer der nicht parallelen Seiten des Trapezes 17.

Wenn eine elektrische Entladung in die Steuerwicklungen 18 bzw. 19 erfolgt ist das Magnetfeld auf der großen Seite des Trapezes 17 stärker, und an dieser Stelle beeinflußt es die größte Menge von supraleitenden Material.

Fig.5 veranschaulicht die Wirkung, die durch Änderung des Wicklungsaufbaus des Schalters erzielt wird. Während des Übergangs in den normalleitenden Zustand weist der Widerstand, den der Schalter in Abhängigkeit von der Zeit annimmt, zunächst einen langsamen Anstieg auf und steigt dann steil an. Hierdurch werden insbesondere Überspannungen bei der Entladung durch einen Transformator unterbunden,

>o dessen Primärwicklung durch den erfindungsgemäßen Schalter gesteuert wird. Der langsame Anstieg zu Beginn des Übergangs in den normalleitenden Zustand ermöglicht die Entladung der Stromableitungsdrossel ties Transformators in eine andere Vorrichtung als den Schalter.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird verwendet, wenn der Übergang aus dem supraleitenden Zustand in den normalleitenden Zustand entsprechend vorherbestimmten Regeb erfolgt. Sie findet insbesondere w) Verwendung, um Überspannungen in einem supraleitenden Transformator zu verringern oder eine Lei-,stungsimpulsverstärkung zu erzielen, dsrsn Form dem Steuerimpuls ähnlich ist.

Besonders interessante Anwendungen ergeben sich auf dem Gebiet d.r Speicherung und Abgabe hoher Energiewerte.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1. Supraleitender Schalter mit steuerbarer Ansprechzeit, der an den Klemmen einer supraleitenden Energiespeicherspule liegt, mit einer supraleitenden Hauptwicklung, die um die Drehachse gewickelt ist, und in Nähe der Hauptwicklung mit magnetischen Steuerwicklungen ausgerüstet ist, die um die gleiche Drehachse gewickelt sind und die Hauptwicklung in den normalleitenden Zustand gelangen lassen, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens die Hauptwicklung (1) und/oder eine der Steuerwicklungen (4,5) aus Windungen besteht/ bestehen, deren Radius veränderlich ist und deren Anzahl im Falle, daß die Windungen den gleichen Mittelpunkt auf der Drehachse (3) haben, von einem Ende zum anderen zunimmt

Z Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Querschnitt durch die Drehachse ^f3) die Querschnitte der Windungen der HauptwicWang (1) in einem Rechteck (7) liegen, dessen kleine Seite senkrecht zur Drehachse (3) verläuft, die außerhalb des Rechtecks (7) liegt, und daß die Querschnitte der Windungen der Steuerwicklungen (4, 5) in zwei rechteckigen Dreiecken liegen, bei denen die eine Seite des rechten Winkels parallel zur großen Seite des Rechtecks (7) verläuft

3. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Querschnitt durch die Drehachse die Querschnitte der Windungen der Hauptwicklitng (14) in einem gleichschenkligen Trapez (15) liegen, dessen Grundlinien senkrecht zur Drehachse verlaufen, die außerhalb des Trapezes (15) liegt, und daß die Querschnitte der Windungen der Steuerwicklungen (10,11) ir. twei Parallelogrammen (12,13) liegen, deren eine lange Seite parallel zu einer der nicht parallelen Seiten des Trapezes (15) verläuft

4. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß bei einem Querschnitt durch die Drehachse die Querschnitte der Windungen der Hauptwicklung (16) in einem gleichschenkligen Trapez (17) liegen, dessen eine Grundlinie senkrecht zur Drehachse verläuft, die außerhalb des Trapezes (17) liegt, und daß die Querschnitte der Windungen der Steuerwicklungen (18,19) in zwei Dreiecken (20, 21) liegen, bei denen eine Seite des stumpfen Winkels parallel zu einer der nicht parallelen Seiten des Trapezes (17) verläuft.