RU2017272C1

RU2017272C1 - Protection device of superconducting solenoid

Info

Publication number: RU2017272C1
Authority: RU
Inventors: Д.Г. Акопян
Original assignee: Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры им.Д.В.Ефремова
Priority date: 1991-01-18
Filing date: 1991-01-18
Publication date: 1994-07-30

Abstract

FIELD: electric power engineering. SUBSTANCE: main application field for such protection devices is superconducting magnetic systems. Known protection device is inserted with heating and superconducting elements tightly fitting each other and being in thermal contact, amplifier, second power supply source and adjustable resistor. Leads of heating element are coupled to differentiating amplifier, second source of power supply is connected through adjustable resistor to superconducting element which leads are simultaneously linked to second input of control unit through amplifier. EFFECT: enhanced efficiency and reliability. 1 dwg

Description

Изобретение относится к электроэнергетике, экспериментальной физике. Преимущественной областью использования являются сверхпроводящие магнитные системы в технике. The invention relates to electric power, experimental physics. The preferred field of application is superconducting magnetic systems in engineering.

Известны устройства защиты, которые обеспечивают безаварийность работы сверхпроводящих магнитных систем. Например, для защиты сверхпроводящего соленоида может быть введена дополнительная сверхпроводящая катушка, включенная последовательно в силовую цепь сверхпроводящей обмотки соленоида [1]. Таким образом осуществляется сравнение сигналов от нормальной фазы в сверхпроводящей обмотке и в дополнительной катушке. Known protection devices that ensure trouble-free operation of superconducting magnetic systems. For example, to protect the superconducting solenoid, an additional superconducting coil can be introduced, connected in series to the power circuit of the superconducting coil of the solenoid [1]. Thus, the signals from the normal phase are compared in the superconducting winding and in the additional coil.

Основным недостатком такого устройства является малая надежность и чувствительность, вызванная сложностью выбора сверхпроводящего материала дополнительной катушки и полной компенсации сигналов. The main disadvantage of such a device is its low reliability and sensitivity, caused by the complexity of the choice of superconducting material of an additional coil and complete signal compensation.

Из известных способов защиты сверхпроводящих соленоидов наиболее близким по технической сущности является устройство, состоящее из сверхпроводящей обмотки соленоида с дополнительным выводом, часть обмотки подключена к компенсирующему усилителю, дифференциального усилителя, первый вход которого подключен к выходу компенсирующего усилителя, второй вход - ко всей сверхпроводящей обмотке соленоида [2]. Выход дифференциального усилителя через пороговое устройство и блок управления подключен к коммутирующему аппарату. Устройство защиты сверхпроводящих соленоидов не обладает достаточной надежностью. Это связано с тем, что в импульсных режимах работы, в режиме перегрузки и в специальных режимах возможны ложные отключения коммутирующего аппарата и возникновение аварийного режима в электромагнитной системе. Of the known methods for protecting superconducting solenoids, the closest in technical essence is a device consisting of a superconducting solenoid winding with an additional output, a part of the winding is connected to a compensating amplifier, a differential amplifier, the first input of which is connected to the output of the compensating amplifier, the second input to the entire superconducting winding of the solenoid [2]. The output of the differential amplifier through a threshold device and a control unit is connected to a switching device. The protection device of superconducting solenoids does not have sufficient reliability. This is due to the fact that in pulsed operation modes, in overload mode and in special modes, false switching off of the switching device and the occurrence of an emergency mode in the electromagnetic system are possible.

Целью изобретения является повышение надежности работы устройства защиты сверхпроводящих соленоидов. Это достигается тем, что в устройство защиты сверхпроводящего соленоида, состоящее из сверхпроводящей обмотки соленоида с дополнительным выводом, подключенного к одному из входов компенсирующего усилителя, второй вход которого соединен с первым выводом сверхпроводящей обмотки соленоида, второй вывод которой соединен с первым входом дифференциального усилителя, второй вход которого соединен с выходом компесирующего усилителя, выход дифференциального усилителя через пороговое устройство и блок управления подключен к коммутатору, один выход которого соединен с входом источника питания, а другой с - вторым выводом сверхпроводящей обмотки соленоида, вход источника питания соединен с первым вводом сверхпроводящей обмотки соленоида, дополнительно введены нагревательный и сверхпроводящий элементы, плотно прилегающие друг к другу и находящиеся в тепловом контакте, усилитель, второй источник питания и регулируемый резистор, причем нагревательный элемент одним выводом соединен с выходом дифференциального усилителя, а другим - с общей шиной, второй источник питания через регулируемый резистор соединен со сверхпроводящим элементом, выводы которого через усилитель соединены с вторым входом блока управления. The aim of the invention is to increase the reliability of the protection device of superconducting solenoids. This is achieved by the fact that in the protection device of the superconducting solenoid, consisting of a superconducting solenoid winding with an additional output connected to one of the inputs of the compensating amplifier, the second input of which is connected to the first output of the superconducting solenoid winding, the second output of which is connected to the first input of the differential amplifier, the second the input of which is connected to the output of the amplifying amplifier, the output of the differential amplifier through a threshold device and a control unit is connected to the switch, one the output of which is connected to the input of the power source, and the other to the second output of the superconducting coil of the solenoid, the input of the power source is connected to the first input of the superconducting coil of the solenoid, additionally introduced heating and superconducting elements that are tightly adjacent to each other and are in thermal contact, an amplifier, a second power source and an adjustable resistor, and the heating element is connected to the output of the differential amplifier with one output and the common bus with the other, the second power source through an adjustable resistor is connected to a superconducting element, the terminals of which are connected through an amplifier to the second input of the control unit.

На чертеже изображена принципиальная схема устройства защиты. The drawing shows a schematic diagram of a protection device.

Устройство содержит источник питания 1, подключенный через коммутирующий аппарат 2 к сверхпроводящей обмотке 3 с дополнительным выводом 4, компенсирующий усилитель 5, присоединенный к части сверхпроводящей обмотки 3, дифференциальный усилитель 6, входы которого присоединены ко всей сверхпроводящей обмотке 3 и к выходу компенсирующего усилителя 5. Вывод дифференциального усилителя 6 одновременно присоединен через пороговое устройство 7, блок управления 8 к коммутирующему аппарату 2 и к нагревательному элементу 9. Сверхпроводящий элемент 10 присоединен через регулируемый резистор 13 к источнику питания 12. Вводы усилителя 11 присоединены к сверхпроводящему элементу 10, а выход через второй вход блока управления 8 - к коммутирующему аппарату 2. Блок управления 8 включает в себя две обмотки управления в виде быстродействующих реле с контактами замыкания и размыкания, включенные в цепи питания обмотки управления коммутирующим аппаратом 2. Управляемые выпрямители включены последовательно в цепи питания обмоток управления. Выводы управления выпрямителей включены к первому и второму входам блока управления 8. The device contains a power source 1 connected through a switching device 2 to a superconducting winding 3 with an additional output 4, a compensating amplifier 5 connected to a part of the superconducting winding 3, a differential amplifier 6, the inputs of which are connected to the entire superconducting winding 3 and to the output of the compensating amplifier 5. The output of the differential amplifier 6 is simultaneously connected through the threshold device 7, the control unit 8 to the switching device 2 and to the heating element 9. The superconducting element 10 p and connected through an adjustable resistor 13 to a power source 12. The inputs of an amplifier 11 are connected to a superconducting element 10, and the output through a second input of a control unit 8 is connected to a switching device 2. The control unit 8 includes two control windings in the form of high-speed relays with short-circuit contacts and openings included in the power supply circuit of the control winding of the switching apparatus 2. The controlled rectifiers are connected in series in the power supply circuit of the control windings. The control outputs of the rectifiers are connected to the first and second inputs of the control unit 8.

В режиме ввода-вывода тока и в рабочем режиме сверхпроводящего соленоида на первый и второй входы дифференциального усилителя 6 поступают сигналы от части сверхпроводящей обмотки 3 через компенсирующий усилитель 5 и от всей обмотки. С выхода дифференциального усилителя 6 сигнал одновременно поступает через пороговое устройство 7, блок управления 8 к коммутирующему аппарату 2 и к нагревательному элементу 9, который, нагреваясь до определенной температуры, воздействует на физическое состояние сверхпроводящего элемента 10. После перехода сверхпроводящего элемента 10 в нормальное состояние на его зажимах возникает разность потенциалов. Это происходит благодаря изменению сопротивления контура: последовательно соединенные второй источник питания 12 - регулируемый резистор 13 - сверхпроводящий элемент 10. Разность потенциалов с усилителя 11 поступает на второй вход блока управления 8 коммутирующего аппарата 2. Впоследствии происходит отключение силовой цепи магнитной системы от источника питания. При устойчивом появлении нормальной фазы в сверхпроводящей обмотке сигнал с дифференциального усилителя 6 одновременно поступает на пороговое устройство 7 и нагревательный элемент 9. После достижения напряжением определенного порогового значения пороговое устройство 7 с минимальной задержкой времени срабатывает, напряжение поступает на первый вход блока управления 8 и в результате задействует коммутирующий аппарат 2. Одновременно нагревается элемент 9 до критической температуры перехода сверхпроводящего элемента 10 в нормальное состояние. На выходе усилителя 11 и на втором входе блока управления 8 появляется напряжение для срабатывания коммутирующего аппарата 2. Защитные цепи сверхпроводящей обмотки 3 через пороговое устройство 7 и нагреватель 9 дополняют друг друга. Защита через пороговое устройство 7 является более быстродействующей, она действует в случае появления и распространения устойчивой нормальной фазы. Защита через нагревательный элемент 9 является предупреждающей. Она, например, препятствует включению коммутирующего аппарата 2 при разбалансе схемы сравнения, наличии напряжения на выходе дифференциального усилителя 6 или же при отсутствии жидкого хладагента в криостате, сверхпроводящий элемент 10 находится в нормальном состоянии. Кроме того, плотно прилегающие друг к другу нагреватель 9 и сверхпроводящий элемент 10 могут служить датчиком уровня жидкого гелия в криостате. При их правильном расположении по высоте сверхпроводящей обмотки можно получить полную информацию о наличии жидкого гелия, необходимого для охлаждения обмотки 4. В нагревателе 9 происходит преобразование сигнала напряжения с дифференциального усилителя 6 в ток. С увеличением нормальной фазы в сверхпроводящей обмотке соленоида 3 после соответствующего преобразования повышается температура нагревательного элемента 9, уменьшается время переключения сверхпроводящего элемента 10. In the current input-output mode and in the operating mode of the superconducting solenoid, signals from a part of the superconducting winding 3 through the compensating amplifier 5 and from the entire winding are received at the first and second inputs of the differential amplifier 6. From the output of the differential amplifier 6, the signal simultaneously enters through the threshold device 7, the control unit 8 to the switching device 2 and to the heating element 9, which, when heated to a certain temperature, affects the physical state of the superconducting element 10. After the superconducting element 10 is in normal state, its clamps there is a potential difference. This is due to a change in the loop resistance: a second power source 12 is connected in series - an adjustable resistor 13 is a superconducting element 10. The potential difference from the amplifier 11 is fed to the second input of the control unit 8 of the switching device 2. Subsequently, the magnetic circuit power circuit is disconnected from the power source. When the normal phase in the superconducting winding is stable, the signal from the differential amplifier 6 simultaneously enters the threshold device 7 and the heating element 9. After the voltage reaches a certain threshold value, the threshold device 7 is activated with a minimum time delay, the voltage is supplied to the first input of the control unit 8, and as a result activates the switching device 2. At the same time, the element 9 is heated to a critical temperature of the transition of the superconducting element 10 to normal yanie. At the output of the amplifier 11 and at the second input of the control unit 8, a voltage appears for the switching device 2 to operate. The protective circuits of the superconducting winding 3 through the threshold device 7 and the heater 9 complement each other. Protection through the threshold device 7 is faster, it acts in the case of the emergence and propagation of a stable normal phase. Protection through the heating element 9 is a warning. It, for example, prevents the switching device 2 from turning on when the comparison circuit is unbalanced, the voltage at the output of the differential amplifier 6 is present, or in the absence of liquid refrigerant in the cryostat, the superconducting element 10 is in a normal state. In addition, the heater 9 and superconducting element 10 closely adjacent to each other can serve as a sensor of the level of liquid helium in the cryostat. With their correct location along the height of the superconducting winding, you can get complete information about the presence of liquid helium necessary for cooling the winding 4. In the heater 9, the voltage signal is converted from the differential amplifier 6 to current. With an increase in the normal phase in the superconducting coil of the solenoid 3 after a corresponding conversion, the temperature of the heating element 9 rises, the switching time of the superconducting element 10 decreases.

Время задержки защиты через нагревательный элемент 9 в основном определяется временем перехода сверхпроводящего элемента 10 в нормальное состояние. Оно определяется
t=

(T_кр-T_o), (1) где m, c - масса и теплоемкость сверхпроводящего элемента 10;
T_кр - температура перехода в нормальное состояние;
T_о - температура кипения жидкого гелия 4,2 К;
U, I - напряжение и ток нагревателя.The delay time of the protection through the heating element 9 is mainly determined by the transition time of the superconducting element 10 to its normal state. It is determined
t =

(T _cr -T _o ), (1) where m, c is the mass and heat capacity of the superconducting element 10;
T _cr - temperature transition to a normal state;
T _about - boiling point of liquid helium 4.2 K;
U, I - voltage and current of the heater.

Чем больше значение сигнала на нагревателе, тем быстрее будет происходить переход сверхпроводящего элемента 10 в нормальное состояние. На время срабатывания, кроме нагревателя, влияет материал сверхпроводящего элемента. Из имеющихся материалов наиболее приемлемыми могут быть сверхпроводник первого рода тантал или же сверхпроводник второго рода из ниобий-титанового сплава. Сверхпроводящие элементы можно выполнить в виде проводников или пленок. The larger the signal value on the heater, the faster the transition of the superconducting element 10 to its normal state. The response time, in addition to the heater, is affected by the material of the superconducting element. Of the available materials, the first type tantalum superconductor or the second kind superconductor of niobium-titanium alloy may be the most acceptable. Superconducting elements can be made in the form of conductors or films.

Вывод энергии из магнитной системы осуществляется на нагрузочное сопротивление 9. The output of energy from the magnetic system is carried out on the load resistance 9.

Предложенное устройство защиты сверхпроводящих соленоидов по сравнению с прототипом обладает повышенной надежностью, возможностью предупреждения аварийных режимов, а также обеспечивает контроль уровня жидкого гелия в криостате со сверхпроводящей обмоткой. The proposed device for protecting superconducting solenoids in comparison with the prototype has increased reliability, the ability to prevent emergency conditions, and also provides control of the level of liquid helium in a cryostat with a superconducting winding.

Устройство защиты может найти широкое применение в электромагнитных системах со сверхпроводящими элементами, что приведет к повышению КПД их применения. The protection device can be widely used in electromagnetic systems with superconducting elements, which will increase the efficiency of their application.

Claims

PROTECTION DEVICE FOR SUPERCONDUCTING SOLENOID, consisting of a superconducting solenoid winding with an additional output connected to one of the inputs of the compensating amplifier, the other input of which is connected to the first output of the superconducting solenoid winding, the second output of which is connected to the first input of the differential amplifier, the second input of which is connected to the output amplifier, the output of the differential amplifier through a threshold device and a control unit is connected to a switch, one output of which is connected n with the input of the power source, and the other with the second output of the superconducting coil of the solenoid, the input of the power source is connected to the first input of the superconducting winding of the solenoid, characterized in that, in order to increase reliability, heating and superconducting elements are tightly adjacent to each other to a friend and located in thermal contact, an amplifier, a second power source and an adjustable resistor, the heating element being connected to the output of the differential amplifier by one output and by the other s bus, the second power source through an adjustable resistor coupled to the superconducting member, the conclusions of which through the amplifier connected to the second input of the control unit.