DE2260231C3

DE2260231C3 - Device for energy extraction from a superconducting magnet system

Info

Publication number: DE2260231C3
Application number: DE19722260231
Authority: DE
Inventors: Dieter Dipl.-Ing. 8506 Langenzenn; Gassong Siegfried 8520 Erlangen Kullmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Filing date: 1972-12-08
Publication date: 1976-10-14

Description

sisi

atentschrift 33 36 526 ist eine weitere zur Energieauskopplung aus einematentschrift 33 36 526 is another for energy extraction from one

SeSS S BelaLn/zwischen den^« verhältnismäßig gering und tnttSeSS S BelaLn / between the ^ « relatively low and tntt

Kopplung zwischen den eCoupling between the e

des Magnetsystem entsprechend klein, bine soicneof the magnet system correspondingly small, bine soicne

.ii.ii

den. Darüber hinaus ist jedem Einzelmagneten 2 bis 4 auskopplung bewirken. Bei diesem Auskopplungseine Supraleitungsüberwachung 15 bis 12 zugeord- Vorgang muß eine möglichst symmetrische Kraftvernet; sie ist parallel mit den kalten Anschlüssen des teilung auf die Einzelmagnete des Magnetsystems gezugehörenden Einzelmagneten verbunden. In der währleistet bleiben. Es kann sich ergeben, daß hier-Figur sind die Wirkungslinien der Supraleitungsüber- 5 für nur einzelne der Einzelmagnete schnellentregl zu wachungen 15 bis 12 für die Einzelmagnete 2 bis 4 werden brauchen. Außer dem Schalter 13 des gegestrichelt eingezeichnet. Alle Supraleitungsüber- quenchlen Einzelmagnets 2 werden dann mittels der wachungen sind durch solche Wirkungslinien mit von der Programmsteuereinheit 24 nach einem voreiner Programmsteuereinheit M zur Steuerung aller gegebenen Programm angesteuerten Supraleiturigs-Schalterfunktionen in dem Magnetsystem verbunden. io Überwachungen nur die Schalter 13 geöffnet, de-the. In addition, every single magnet is 2 to 4 decoupling. In this decoupling, a superconducting monitoring 15 to 12 associated process must be as symmetrical as possible; it is connected in parallel with the cold connections of the individual magnets belonging to the division on the individual magnets of the magnet system. Stay in the guarantees. It can turn out that here-figure are the lines of action of the superconductivity over- 5 for only some of the individual magnets will quickly entregl to wachungen 15 to 12 for the individual magnets 2 to 4 need. Except for the switch 13 of the shown in dashed lines. All superconducting superconducting individual magnets 2 are then connected by means of such action lines with superconducting switch functions in the magnet system controlled by the program control unit 24 after a pre-program control unit M for controlling all given programs. OK monitoring only switches 13 open, de-

Der gesamte ohmsche Widerstand aller Stromver- ren zugehörige Einzelmagnete schnellentregt werden bindungen des Supraleitungsmagnetsystems ein- müssen.The entire ohmic resistance of all current distortions associated individual magnets are quickly de-excited Must have bonds of the superconducting magnet system.

schließlich der elektrischen Zu- und Ableitungen ist Die beiden Widerstände 11 und 12 bestimmen dieFinally the electrical supply and discharge lines is The two resistors 11 and 12 determine the

in der elektrischen Verbindung des Einzelmagnets 4 maximalen Spannungswerte an den Kontakten des mit der Stromversorgung 5 als besonderer Reihen- »5 Betriebsschalters 9 bzw. an den Anschlüssen der widerstand 18 dargestellt. Er liegt in Reihe mit einem Einzelmagnete 2 bis 4. Wird der Belriebsschalter 9 weiteren Widerstand 19, der einstellbar ist und zur nach einem Quench eines der Einzelmagnete, bei-Steuerung der Entregungszeitkonstanten des Supra- spielsweise des Einzelmagnets 2, von dessen Supraleileitungsmagnetsystems dienen kann. tungsüberwachung 15 geöffnet, so tritt an dem Schal-in the electrical connection of the individual magnet 4 maximum voltage values at the contacts of the with the power supply 5 as a special series »5 operating switch 9 or at the connections of the resistance 18 shown. It is in series with a single magnet 2 to 4. If the operating switch 9 further resistor 19, which is adjustable and for controlling one of the individual magnets after a quench the de-excitation time constant of the super- for example of the individual magnet 2, of its superconducting magnet system can serve. line monitoring 15 is open, then occurs at the switch

Ein Quench eines der Einzelmagnete, beispiels- ao Maximaknannunp Γ7 - η ■ J *"' *"A quench of one of the individual magnets, for example ao Maximaknannunp Γ7 - η ■ J * "'*"

weise des Einzelmagnets 2, hat bekanntlich einen ^teri>
eine Maximalspannung U_9maj:-n-J_{0 Rn + Rn} schnellen Anstieg des Widerstandes auf den Normal- auf. Diese Maximalspannung U_9max wird hauptsächleitungswiderstand des Einzelmagnets zur Folge, der lieh durch die Größe A₁₁ des Widerstandes 11 beals Reihenwiderstand 20 zu dem Einzelmagnet 2 der stimmt, da dieser Wert wesentlich kleiner als der Figur dargestellt ist. ^a5 Wert A₁₉ des Widerstandes 12 ist. Demgegenüber be-As the individual magnet 2, as is known, has a ^{teri> a} maximum voltage U _9maj: -nJ _{0 Rn + Rn} rapid increase in resistance to normal. This maximum voltage U _9max results in the main line _{resistance of the individual magnet, which is correct due to the size A 11 of} the resistor 11 as series resistance 20 to the individual magnet 2, since this value is much smaller than the figure shown. ^a 5 value A ₁₉ of resistor 12 is. In contrast,

Mit Hilfe der als Ausführungsbeispiel dargestellten stimmt der Wert R₁₉ den Maximalwert der Spannung Anordnung läßt sich eine schnelle Energieauskopp- an jedem der Einzelmagnete, beispielsweise der Spanlung aus den Einzelmagneten 2 bis 4 des Supralei- nung U_2max am Einzelmagnet 2. Sie erreicht nach tungsmagnetsystems vornehmen. Die dazu erforder- dem öffnen aller Betriebsschalter 6 bis 9 und der liehen Schaltvorgänge werden wie folgt beschrieben: 30 Schalter 13 in den niederohmigen Nebenschlüssen Bei einem plötzlich auftretenden Quench eines der den Wert U_{2 max} ~ /₀i?₁₂. Durch eine Begrenzung Einzelmagnete, beispielsweise des Einzelmagnets 2, der zulässigen Maximalspannung auf einen vorbetritt in seiner Wicklung der Normalleitungswider- stimmten Wert, beispielsweise 1000 V, wird damit stand 20 auf. Der durch das Magnetsystem fließende bei einem gegebenen Strom J₀ der Wert A₁₂ des Betriebsstrom J₀ erzeugt über diesen Einzelmagnel2 35 Widerstandes 12 begrenzt. Soll die Spannung U_9max eine ohmsche Spannung, die beim Überschreiten am Betriebsschalter 9 diesen Wert U_smax nicht übereines einstellbaren Schwellenwertes die zugeordnete schreiten, so darf für den Widerstand 11 dann höch-Supraleitungsüberwachung 15 ansprechen läßt, die , „, R₁, . With the help of the illustrated embodiment, the value R _{19 is} the maximum value of the voltage arrangement, a rapid energy extraction can be achieved at each of the individual magnets, for example the voltage from the individual magnets 2 to 4 of the superconducting U _2max at the individual magnet 2. It is achieved according to the magnetic system make. The required opening of all operating switches 6 to 9 and the borrowed switching operations are described as follows: 30 Switch 13 in the low-resistance shunts In the event of a sudden quench of one of the values U _{2 max} ~ / ₀ i? _12th By limiting individual magnets, for example the individual magnet 2, the permissible maximum voltage to a value that is contrary to the normal line in its winding, for example 1000 V, is thus 20. The value A _{12 of} the operating _{current J 0} flowing through the magnet system at a given current J _{0 is} generated via this individual magnet 2 35 resistor 12, limited. If the voltage U _{9max is} an ohmic voltage which, when this value U _{smax is exceeded at the operating switch 9,} does not exceed an adjustable threshold value, then the highest superconductivity monitoring 15 may respond for the resistor 11, which, ", R _1,.

zunächst mit dem Betriebschalter 9 die Stromversor- ^{stens der Wert} *» = JT=T ^gesehen sem. Die gung S des Magnetsystems abschallet. Wie durch eine 40 Werte der beiden Widerstände 11 und 12 werden Wirkungslinie in der Figur angedeutet ist, erhält auch somit unter anderem von den zulässigen Maximaldie Programmsteuereinheit 24 von dieser Supralei- werten der Spannungen an dem Betriebsschalter 9 tungsüberwachung 15 einen Steuerimpuls. Gemäß und an den Einzelmagneten 2 bis 4 begrenzt,
einem vorgegebenen Programm öffnen daraufhin die Im Ausführungsbeispiel ist in den Nebenschlüssenfirst of all with the operating ^{switch 9 the power supply has seen the value} * »= JT = T ^. The generation S of the magnet system rejects. As indicated by a line of action in the figure for the two resistors 11 and 12, the program control unit 24 also receives a control pulse from the superconductive values of the voltages at the operating switch 9 control pulse from the permissible maximum. According to and limited to the individual magnets 2 to 4,
Then open a predefined program that In the exemplary embodiment is in the shunts

von der Programmsteuereinheit 24 angesteuerten « 10 jeweils eine Parallelschaltung eines festen und Supraleitungsüberwachungen 15 bis 12 zunächst die eines abschaltbaren Widerstandes vorgesehen. Es Betriebsschalter 6 bis 8, die ihren jeweiligen Einzel- sind aber auch andere Widerstandsanordnungen als magneten 2 bis 4 zugeordnet sind. Nebenschluß zur Schnellentregung dieser Einzel-"10 controlled by the program control unit 24" each have a parallel connection of a fixed and Superconductivity monitors 15 to 12 are initially provided with a disconnectable resistor. It Operating switches 6 to 8, which are their respective individual but also other resistor arrangements than magnets 2 to 4 are assigned. Shunt for the rapid de-energization of this single

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Vor- magnete geeignet. So können beispielsweise statt der richtung besteht darin, daß die Einzelmagnete 2 bis 4 50 beiden parallelgeschalteten Widerstände 11 und 12 bei diesen Schaltvorgängen auf Grund einer ent- auch Widerstände, die hintereinander geschaltet sind, sprechenden Ansteuerung ihrer Supraleitungsüber- dieselben Funktionen als Nebenschluß für die jeweiwachungen 15 bis 12 durch die Programmsteuerein- ligen Einzelmagnete ausführen, wenn einer der heit 24 zusätzlich mit den Erdungsschaltern 14 an Widerstände ein niederohmiger, der andere ein ihren Spulenmitten auf Nullpotential gelegt werden 55 hochohmiger Widerstand ist und der hochohmige können. Hierdurch lassen sich die Potentiale der An- sich mittels eines Kurzschlußschalters überbrücken Schlüsse der Einzelmagnete gegen Erde halbieren. läßt.Another advantageous embodiment of the pre-magnets is suitable. For example, instead of the direction is that the individual magnets 2 to 4 50 two resistors 11 and 12 connected in parallel in these switching processes due to an also resistors that are connected in series, speaking control of their superconductivity over the same functions as a shunt for the respective monitoring 15 to 12 through the program control run single solenoids if one of the unit 24 additionally with the earthing switches 14 on resistors one low resistance, the other one their coil centers are set to zero potential 55 is high resistance and the high resistance be able. This allows the potentials of the intrinsic to be bridged by means of a short-circuit switch Halve the ends of the individual magnets against the earth. leaves.

Die Spannungsfestigkeit der Wicklungen wird somit Darüber hinaus können auch Nebenschlüsse mitThe dielectric strength of the windings is thus also possible

entsprechend erhöht. mehr als zwei Widerstandswerten für jeden Einzel-increased accordingly. more than two resistance values for each individual

Nach der elektrischen Entkopplung und der 60 magnet vorgesehen sein und die Widerstandswerte Erdung der Einzelmagnete kann nach einer beson- beispielsweise kontinuierlich oder stufenweise oder ders vorteilhaften weiteren Ausgestaltung der Vor- auch nach einem vorgegebenen Programm gesteuert richtung die Entregungszeit der Einzelmagnete zu- werden. Diese Widerstandswerte müssen jedoch den sätzlich noch dadurch vermindert werden, daß die kräftemäßigen Erfordernissen innerhalb des Magnetin den niederohmigen Nebenschlüssen angeordneten 65 systems und den benötigten Entregungsgeschwindig-Schalter 13 geöffnet werden. Die Einzelmagnete sind keiten der Einzelmagnete angepaßt sein,
dann nur noch mit ihren jeweiligen hochohmigen Eine Erdung der Einzelmagnete 2 bis 4 kann fernerAfter the electrical decoupling and the magnet and the resistance values of the earthing of the individual magnets, the de-excitation time of the individual magnets can also be controlled according to a predetermined program according to a particularly advantageous further embodiment, for example, continuously or step-wise. However, these resistance values must also be further reduced by opening the force-wise requirements within the magnet in the low-resistance shunt system and the required de-excitation speed switch 13. The individual magnets are to be adapted to the individual magnets
Then only with their respective high-resistance An earthing of the individual magnets 2 to 4 can also

Widerständen 12 belastet, die eine schnelle Energie- mittels Erdungsschaltern auch an anderen Anschluß-Resistors 12 loaded, which a fast energy by means of earthing switches to other connection

stellen der Einzelmagnete, beispielsweise an einem der Wicklungsenden, vorgenommen werden.place the individual magnets, for example at one of the winding ends.

Die Reihenschaltung des Schalters 9 mit der Stromversorgung 5 kann zweckmäßig mit einem Nebenschluß 21 versehen sein, der eine Reihenschaltung eines Überbrückungsschalter 22 mit einem Gleichrichter 23 enthält. Bei geöffnetem Schalter 9 kann der Überbrückungsschalter 22 geschlossen werden. Damit ist eine langsame Entregung des gesamten Supraleitungsmagnetsystems im supraleitenden Zustand möglich, die gegebenenfalls mittels des zum Widerstand 18 in Reihe liegenden weiteren Widerstandes 19 zeitlich noch gesteuert werden kann. Die an dem Schalter 22 dann auftretende Maximalspannung U_{22 max} ist in diesem Falle kleiner als die an dem Schalter 9 auftretende Maximalspannung U_9mux, die bei einem Quench in einem der Einzelmagnete 2 bis 4 an diesem Schalter auftritt.The series connection of the switch 9 with the power supply 5 can expediently be provided with a shunt 21 which contains a series connection of a bypass switch 22 with a rectifier 23. When the switch 9 is open, the bypass switch 22 can be closed. This enables slow de-excitation of the entire superconducting magnet system in the superconducting state, which, if necessary, can still be time-controlled by means of the further resistor 19 connected in series with the resistor 18. The maximum voltage U _{22 max} then occurring at the switch 22 is in this case smaller than the maximum voltage U _9mux occurring at the switch 9, which occurs in the event of a quench in one of the individual magnets 2 to 4 at this switch.

Ein Magnetsystem mit toroidaler Anordnung der Einzelmagnete, das unter der Bezeichnung Stellerator aus der Plasmatechnik bekannt ist, wird zur Einschließung bzw. thermischen Isolierung von heißen Gasen verwendet. In einer ausgeführten Vorrichtung nach der Erfindung mit einem Magnetsystem, das als Stellerator gestaltet ist und das beispielsweise 40 Einzelmagnete mit einer jeweiligen Induktivität von 4,2 Henry sowie parallelen Widerständen 11 und 12 mit 0,037 bzw. 1,43 Ohm enthält, und mit einem Betriebsstrom /₀ von beispielsweise 700A sowie einer aus Sicherheitsgründen auf 1000 V begrenzten Spannung klingt der die Einzelmagnete durchfließende Betriebsstrom während des Entregungsvorganges in etwa 3 s auf seinen e-ten Teil ab. Dabei wird die inA magnet system with a toroidal arrangement of the individual magnets, which is known from plasma technology under the designation Stellerator, is used for the containment or thermal insulation of hot gases. In an executed device according to the invention with a magnet system which is designed as a stellerator and which contains, for example, 40 individual magnets with a respective inductance of 4.2 henry and parallel resistors 11 and 12 with 0.037 and 1.43 ohms, and with an operating current / ₀ of 700A, for example, and a voltage limited to 1000 V for safety reasons, the operating current flowing through the individual magnets decays to its e-th part in about 3 s during the de-excitation process. The in

ίο den Einzelmagneten gespeicherte Energie außerhalb des Kryostatensystems in den Widerständen 11 und 12 in Wärme umgesetzt.ίο the individual magnet stored energy outside of the cryostat system in the resistors 11 and 12 converted into heat.

Als Betriebs-, Erdungsschalter sowie als Schalter in den parallelen Nebenschlüssen zur Umschaltung der Widerstandswerte kommen vor allem Vakuumschalter, Luftschütze oder Leistungsschalter mit kleinen Schaltzeiten von beispielsweise etwa 50 ms in Frage.As an operating switch, earthing switch and as a switch in the parallel shunts for switching the resistance values come mostly with vacuum switches, air contactors or circuit breakers with small ones Switching times of, for example, about 50 ms in question.

In einer Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung mit einer großen Anzahl von Einzelmagneten läßi sich durch eine Zusammenfassung vor zwei oder mehr Einzelmagneten zu einer Einheit die Zahl der erforderlichen Schalter gegebenenfalls reduzieren. In one embodiment of the device according to the invention with a large number of individual magnets I can go through a summary If necessary, reduce the number of switches required by adding two or more individual magnets to one unit.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

609 642/609 642 /

Claims

1 2 stabilized superconductor can therefore already according to patent claims: melt through for about 10 seconds Therefore, special measures must be taken to

1. Device for energy extraction from superconducting magnets with such conductors in front of a a superconducting magnet system with several 5 destruction if for any series-connected individual magnets, in particular normal conductivity within the which should occur for toroidal and linear arrangements of magnets. The m the magnet of this Individual magnets, each one of which has to be made up of more- stored magnetic energy, must therefore quickly Reren resistances formed parallel secondary enough to be led out of its winding. circuit and superconductivity monitoring are, and with a common borrowed two options: One can through appropriate power supply, the superconducting measures ensure that most of the monitoring can be switched off, thereby the magnetic energy »from the magnet and the indicates that in each electrical cryostat surrounding it led out and in Connecting line between the individual magnets 15 is converted into heat by an external resistance. (2 to 4) an operating switch (6 to 8) arranged In such an arrangement, the full factor is. 'hold in the magnet relatively cheap, and

2. Device for energy extraction after the one required to start up the magnet Claim 1, characterized in that any coolant requirement remains limited. A fast Single magnet (2 to 4) in its center or at »0 energy extraction from the magnet is only possible its ends borrowed with an earthing switch, if the external resistance is much greater (14) is provided. is than that caused by normal conduction

3. Device for energy extraction according to the internal resistance of the magnet. Under this pre saying 1 or 2, characterized in that suspension, however, experience high voltages at the need of the overall resistance value of the parallel side a ₅ magnet, the limited for safety who-circuit (Ifl) comparable means of a switch (13) and thus to a reduction in the changeable. Effectiveness of the decoupling measures lead

4. Device for energy extraction after can.

Claim 3, characterized in that the magnet itself can also be closed

Shunt (lfi) from a parallel circuit 30 normally conducting shunts provided over one high and one low ohmic current - which is an essential part of the magnetic energy path exists and that the low-resistance electricity can be converted into heat, so that a local path contains the switch (13). Overheating of the superconductor itself is avoided.

5. Device for energy extraction according to Both methods it is assumed that the Claim 3, characterized in that the 35 power supply for feeding the magnet is a direct shunt (IQ) from a series connection bar after the beginning of the transition to one of its areas a high and a low resistance resistor is switched off in the normally conducting state. State exists and that the high-resistance resistance, especially in superconductors with high current density stand can be short-circuited by means of a switch. the shutdown must be activated as quickly as possible

40 follow.

An embodiment of a device for

Energy extraction of the last-mentioned type is known from US Pat. No. 34 06 504. In this Device is a superconducting magnet divided into individual 45 series-connected partial coils and

The invention relates to a device connected to an external power supply. The A voltage limiter parmagnet system is used for energy extraction from a superconducting sub-coil with several allele connected in series, which contains semiconductor diodes. He Single magnet, especially for toroidal ones, works at helium temperature and is in the cryostat linear arrangements of these individual magnets, which 50 of the magnet are arranged. As long as the tension in each case a drop formed from several resistances over the respective sub-coil very much parallel shunt and superconductivity is over-small, d. i.e. as long as the sub-coil is in the supra watch are assigned, and with a common conduction state, the voltage samen power supply, which of the superconducting limiter represents a relatively high resistance, and Monitoring can be switched off. 55 the corresponding sub-coil has practically none

Becomes a piece of superconductor within an electrical shunt. During the transition to the superconducting magnet for any reason, in a normally conductive state, the resistance of the individual coil sections increases, for example in the event of a malfunction, so there is a risk of the superconductor over the coil section after insertion, and with it the voltage drop. Above an adjustable normal line, also called quench, at this 60 threshold value of the voltage the span point is overheated. In a copper-stabilized voltage limiter with the aid of a diode to pass through, superconductor, for example with a total cross-section so that the part of the supercut of 4.7 mm ² that has become normally conductive and a cross-sectional distribution magnet is short-circuited. Thus, the ratio of the copper to the superconducting material is induced by additional currents in the remaining coil sections, the temperature increase at 65, which causes a rapid transition of the entire quench with a slowly decaying magnet into the normally conducting state, driving current from initially 800 A in the adiabatic case As soon as the threshold value of the voltage is above which after 3 s it has already fallen below about 400 K. Such a copper-individual coil section is again undershot