RU2482567C1 - Superconductive circuit breaker - Google Patents
Superconductive circuit breaker Download PDFInfo
- Publication number
- RU2482567C1 RU2482567C1 RU2011144347/28A RU2011144347A RU2482567C1 RU 2482567 C1 RU2482567 C1 RU 2482567C1 RU 2011144347/28 A RU2011144347/28 A RU 2011144347/28A RU 2011144347 A RU2011144347 A RU 2011144347A RU 2482567 C1 RU2482567 C1 RU 2482567C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- winding
- sections
- disconnecting
- control
- superconducting
- Prior art date
Links
Landscapes
- Driving Mechanisms And Operating Circuits Of Arc-Extinguishing High-Tension Switches (AREA)
- Emergency Protection Circuit Devices (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области сверхпроводящей электротехники, в частности к сверхпроводящим выключателям (СПВ) постоянного тока, и может быть использовано, например, для коммутации тока сверхпроводящих магнитных систем и сверхпроводящих индуктивных накопителей энергии, в системах защиты сверхпроводящих обмоток электрических машин, сверхпроводящих кабелей и линий электропередачи.The invention relates to the field of superconducting electrical engineering, in particular to direct current superconducting switches (DCB), and can be used, for example, for switching current of superconducting magnetic systems and superconducting inductive energy storage devices, in protection systems of superconducting windings of electrical machines, superconducting cables and power lines .
Известны сверхпроводящие выключатели, управляемые импульсным магнитным полем, в которых перевод сверхпроводника отключающей обмотки в нормальное состояние осуществляется путем разряда конденсатора на обмотку управления [Глухих В.А. и др. Сверхпроводящая сильноточная коммутационная аппаратура. - В кн: Сверхпроводимость. Труды конференции по техническому использованию сверхпроводимости. - М.: Атомиздат, 1977, т.2, с.10-13]. СПВ, использующие магнитный способ управления, позволяют получить время выключения до 10 микросекунд. Однако при управлении выключателем, когда появляется сопротивление отключающей обмотки и часть рабочего тока выключателя переходит в цепь нагрузки, возникает необходимость повышения управляющего магнитного поля для более полного перевода отключающей обмотки СПВ в нормальное состояние, что ведет к увеличению мощности управляющего источника. С учетом малых времен ввода энергии управляющего импульса в отключающую обмотку мощность систем управления больших СПВ составляет десятки и сотни мегаватт. При этом энергия управления составляет большую величину.Known are superconducting switches controlled by a pulsed magnetic field, in which the transfer of the superconductor of the disconnecting winding to a normal state is carried out by discharging a capacitor to the control winding [Glukhikh V.A. and others. Superconducting high-current switching equipment. - In the book: Superconductivity. Proceedings of the conference on the technical use of superconductivity. - M .: Atomizdat, 1977, v.2, p.10-13]. SPVs using a magnetic control method allow to obtain a shutdown time of up to 10 microseconds. However, when controlling the switch, when the resistance of the tripping winding appears and part of the operating current of the circuit breaker goes into the load circuit, there is a need to increase the control magnetic field for a more complete transfer of the tripping winding of the SPV to a normal state, which leads to an increase in the power of the control source. Taking into account the short times of inputting the energy of the control pulse into the disconnecting winding, the power of the control systems of large SPWs is tens and hundreds of megawatts. Moreover, the control energy is large.
Наиболее близким техническим решением является конструкция сверхпроводящего выключателя [Куроедов Ю.Д. Сверхпроводящий ключ с автоматической защитой. Авт. свид. №1189306. Заявл. 1984 г.]. Данное устройство содержит сверхпроводящую отключающую обмотку, подсоединенную своими выводами к выводам источника энергии, систему управления выключателем, состоящую из конденсатора, управляемого разрядника и основной обмотки управления, к выводам отключающей обмотки параллельно подключена цепь из нагрузки и дополнительной вспомогательной обмотки управления. При этом основная и вспомогательная обмотки управления размещаются на сверхпроводящей отключающей обмотке.The closest technical solution is the design of a superconducting switch [Kuroedov Yu.D. Superconducting key with automatic protection. Auth. testimonial. No. 1189306. Claim 1984]. This device contains a superconducting trip winding connected by its findings to the terminals of the power source, a switch control system consisting of a capacitor, a controlled arrester and a main control winding, a load circuit and an additional auxiliary control winding are connected in parallel to the terminals of the disconnecting winding. In this case, the main and auxiliary control windings are located on the superconducting disconnecting winding.
В таком СПВ при подаче запускающего импульса разрядник замыкается и конденсатор разряжается на основную обмотку управления. Возникшее при этом магнитное поле переведет в нормальное состояние часть сверхпроводящей отключающей обмотки, ток источника энергии перераспределится в цепь нагрузки, в которой включена вспомогательная обмотка управления. Возникающее при этом магнитное поле в вспомогательной обмотке управления складывается с магнитным полем основной обмотки управления и переводит большую часть отключающей обмотки в нормальное состояние. Наличие вспомогательной управляющей обмотки, в отличие от аналогов, позволяет уменьшить энергию, подводимую от системы управления.In such an FET, when a start pulse is applied, the arrester closes and the capacitor discharges to the main control winding. The resulting magnetic field will transfer to a normal state a part of the superconducting disconnecting winding, the current of the energy source will be redistributed into the load circuit, in which the auxiliary control winding is turned on. The resulting magnetic field in the auxiliary control winding is added to the magnetic field of the main control winding and puts most of the disconnecting winding into a normal state. The presence of an auxiliary control winding, unlike analogues, allows you to reduce the energy supplied from the control system.
Дополнительным положительным свойством выключателя является автоматический перевод отключающей обмотки в нормальное состояние при самопроизвольном нарушении ее сверхпроводимости, что повышает ресурс работы.An additional positive property of the circuit breaker is the automatic transfer of the tripping winding to a normal state in case of spontaneous violation of its superconductivity, which increases the service life.
Недостатком такого выключателя является то, что энергия системы управления затрачивается на создание управляющего магнитного поля во всем объеме отключающей обмотки. Энергия управляющего магнитного поля WY, сосредоточенная в объеме VO отключающей обмотки (внутренний объем основной обмотки управления), будет равна [Б.М.Яворский, Ю.А.Селезнев. Справочное руководство по физике. - М.: «Наука», 1984, с.185]:The disadvantage of this switch is that the energy of the control system is expended in creating a control magnetic field in the entire volume of the disconnecting winding. The energy of the control magnetic field W Y concentrated in the volume V O of the disconnecting winding (internal volume of the main control winding) will be [B.M. Yavorsky, Yu.A. Seleznev. Physics Reference Guide. - M .: "Science", 1984, p.185]:
где µ0 - магнитная постоянная; µ=1 - относительная магнитная проницаемость среды; Bm - максимальная индукция управляющего поля; VO - объем отключающей обмотки, близкий к объему основной обмотки управления. Из выражения (1) следует, что затраты энергии управления прямо пропорциональны объему отключающей обмотки.where µ 0 is the magnetic constant; µ = 1 is the relative magnetic permeability of the medium; B m is the maximum induction of the control field; V O is the volume of the disconnecting winding, close to the volume of the main control winding. From the expression (1) it follows that the control energy consumption is directly proportional to the volume of the disconnecting winding.
Известно, что сверхпроводник в сверхпроводящем состоянии является идеальным экраном для магнитного поля как собственного, так и внешнего. Поэтому в конструкциях СПВ очень большое влияние на диффузию управляющего магнитного поля в объем отключающей обмотки и, соответственно, на скорость перехода сверхпроводника в нормальное состояние оказывает скин-эффект, который связан с использованием электропроводящих (медных) токовводов и длинного сверхпроводника, уложенного в многослойный пакет бифилярным способом. Скин-эффект проявляется сильнее в мощных СПВ, имеющих массивные отключающие обмотки с большим количеством сверхпроводящего материала, что значительно ограничивает быстродействие таких выключателей. Для повышения скорости проникновения управляющего магнитного поля в композит (сверхпроводник + изоляция) массивной отключающей обмотки необходимо увеличивать максимальную индукцию Bm магнитного поля значительно выше ее значения для малой отключающей обмотки, что ведет к увеличению согласно (1) удельной энергии управления (Дж/м3), т.е. к дополнительным затратам энергии управляющего устройства.It is known that a superconductor in a superconducting state is an ideal shield for a magnetic field both intrinsic and external. Therefore, in the structures of SPWs, the skin effect, which is associated with the use of electrically conductive (copper) current leads and a long superconductor packed in a multilayer bifilar package, has a very large influence on the diffusion of the control magnetic field into the volume of the disconnecting winding and, accordingly, on the rate of transition of the superconductor to the normal state way. The skin effect is more pronounced in powerful SPWs, which have massive disconnect windings with a large amount of superconducting material, which significantly limits the performance of such switches. To increase the penetration rate of the control magnetic field into the composite (superconductor + insulation) of the massive disconnecting winding, it is necessary to increase the maximum induction B m of the magnetic field significantly higher than its value for a small disconnecting winding, which leads to an increase in the specific control energy (J / m 3 according to (1) ), i.e. to additional energy costs of the control device.
Независимо от величины сверхкритического магнитного поля нарушение сверхпроводящего состояния (образование нормальных зон) первоначально происходит не во всем объеме отключающей обмотки, а в его "слабых" участках, и сопротивление сверхпроводника на начальном этапе управления будет иметь малую величину.Regardless of the magnitude of the supercritical magnetic field, the violation of the superconducting state (the formation of normal zones) initially occurs not in the entire volume of the disconnecting winding, but in its “weak” sections, and the resistance of the superconductor at the initial stage of control will be small.
Скин-эффект снижает эффективность магнитного способа управления, это препятствует разработке СПВ требуемой мощности 109-1010 Вт с заданными характеристиками. Поэтому при построении крупных СПВ с рабочим напряжением сотни киловольт и коммутируемой мощностью 109-1010 Вт целесообразно использовать принципы сложения мощностей отдельных модулей СПВ с единичной коммутируемой мощностью ~108 Вт путем их последовательно-параллельного соединения [Ларионов Б.А., Спевакова Ф.М., Столов A.M. Принципы сложения мощностей коммутирующих устройств при выводе энергии из индуктивного накопителя. - В кн.: Тез. докл. 1 Всесоюзн. конф. по импульсным источникам энергии. - М.: ИАЭ, 1983, с.157]. B случае использования СПВ прототипа в качестве отдельных модулей (секций) для создания, например, мощного СПВ общая энергия системы управления увеличивается пропорционально количеству модулей (секций) и достигает большой величины.The skin effect reduces the effectiveness of the magnetic control method, this prevents the development of the SST of the required power of 10 9 -10 10 W with the given characteristics. Therefore, when constructing large SPWs with an operating voltage of hundreds of kilovolts and a switched power of 10 9 -10 10 W, it is advisable to use the principles of adding the power of individual SPV modules with a unit switched power of ~ 10 8 W by connecting them in series and parallel [B. Larionov, F. Spevakova .M., Stolov AM Principles of summing up the power of switching devices when removing energy from an inductive storage. - In the book: Thes. doc. 1 All-Union conf. on pulsed energy sources. - M .: IAE, 1983, p.157]. In the case of using the prototype SPV as separate modules (sections) to create, for example, a powerful SPV, the total energy of the control system increases in proportion to the number of modules (sections) and reaches a large value.
Задачей предлагаемого изобретения является создание СПВ с уменьшенными затратами энергии системы управления и увеличенным быстродействием.The objective of the invention is the creation of an SST with reduced energy costs of the control system and increased speed.
Техническим результатом является снижение энергии системы управления выключателем и увеличение его быстродействия за счет воздействия основного управляющего магнитного поля на уменьшенный объем сверхпроводника в отключающей обмотке и последующего повышения величины рабочего тока во всем объеме сверхпроводника до сверхкритического значения.The technical result is to reduce the energy of the control system of the circuit breaker and increase its speed due to the influence of the main control magnetic field on the reduced volume of the superconductor in the disconnecting winding and the subsequent increase in the working current in the entire volume of the superconductor to a supercritical value.
Для решения данной задачи предлагается сверхпроводящий выключатель, содержащий, как и прототип, сверхпроводящую отключающую обмотку, выводы которой подсоединены к выводам источника энергии, систему управления, состоящую из соединенных последовательно конденсатора, основной обмотки управления и замыкающего прибора, к выводам отключающей обмотки параллельно подключена цепь из нагрузки и вспомогательной обмотки управления, в отличие от прототипа отключающая обмотка и вспомогательная обмотка управления состоят из равного числа N секций, причем секции отключающей обмотки соединены параллельно, а секции вспомогательной обмотки управления соединены последовательно, при этом основная обмотка управления расположена на первой секции отключающей обмотки, а секции вспомогательной обмотки управления расположены на одноименных секциях отключающей обмотки.To solve this problem, a superconducting switch is proposed, containing, like the prototype, a superconducting disconnecting winding, the terminals of which are connected to the terminals of the energy source, a control system consisting of a capacitor connected in series, the main control winding and the closing device, a circuit from load and auxiliary control winding, in contrast to the prototype, the disconnecting winding and auxiliary control winding consist of an equal number N sections and, sections of the disconnecting winding are connected in parallel, and sections of the auxiliary control winding are connected in series, while the main control winding is located on the first section of the disconnecting winding, and sections of the auxiliary control winding are located on the same sections of the disconnecting winding.
Изобретение иллюстрируется графическим материалом, где изображено:The invention is illustrated in graphic material, which shows:
Фиг.1 - Принципиальная электрическая схема устройства, где обозначено: 1 - сверхпроводящая отключающая обмотка, состоящая из секций K1…KN, где N - число секций выключателя, 2 и 3 - выводы источника энергии, 4 - система управления выключателем, содержащая конденсатор 5, основную обмотку управления 6 и замыкающий прибор 7, 8 - нагрузка, в которую передается энергия источника питания, 9 - вспомогательная обмотка управления, состоящая из секций L1…LN.Figure 1 - Schematic diagram of the device, where it is indicated: 1 - superconducting tripping winding, consisting of sections K 1 ... K N , where N is the number of sections of the circuit breaker, 2 and 3 are the conclusions of the energy source, 4 is a switch control system containing a capacitor 5, the main control winding 6 and the closing device 7, 8 - the load to which the energy of the power source is transmitted, 9 - auxiliary control winding, consisting of sections L 1 ... L N.
Устройство содержит сверхпроводящую отключающую обмотку 1, выполненную из параллельных секций K1…KN и подсоединенную своими выводами к выводам 2 и 3 источника энергии (например, сверхпроводящего индуктивного накопителя), систему управления 4 выключателем, состоящую из конденсатора 5, основной обмотки управления 6 и замыкающего прибора 7. Основная обмотка управления 6 расположена на первой секции K1 отключающей обмотки 1, на которую в начальный момент процесса переключения будет воздействовать внешнее магнитное поле основной обмотки управления 6. Параллельно выводам отключающей обмотки 1 подключена цепь из нагрузки 8 и соединенных последовательно секций L1…LN вспомогательной обмотки управления 9. Секции L1…LN вспомогательной обмотки управления 9 конструктивно размещены на одноименных секциях K1…KN отключающей обмотки 1.The device comprises a superconducting disconnecting winding 1 made of parallel sections K 1 ... K N and connected with its findings to the terminals 2 and 3 of an energy source (for example, a superconducting inductive storage), a control system 4 of the switch, consisting of a capacitor 5, the main control winding 6 and closing unit 7. The main control winding 6 is located on the first section K 1 tripping coil 1 to which the initial instant of the switching process will affect the external magnetic field of the main windings councils 6. eniya parallel output winding 1 is connected breaking of the load circuit 8 and connected in series sections L 1 ... L N auxiliary control windings 9. Section L 1 ... L N auxiliary control windings 9 structurally placed on sections of the same name K 1 ... K N tripping winding 1 .
Устройство работает следующим образом. Первоначально через выключатель течет рабочий токThe device operates as follows. Initially, a working current flows through the switch
где IK1, IK2, …, IKN - величина рабочего тока в секциях K1, K2, …, KN отключающей обмотки 1. Предельная величина рабочего тока IKmax определяется устойчивостью СПВ к срывам сверхпроводящего состояния. Обычно выбираютwhere I K1 , I K2 , ..., I KN is the value of the operating current in the sections K 1 , K 2 , ..., K N of the disconnecting winding 1. The limiting value of the operating current I Kmax is determined by the resistance of the superconducting device to disruption of the superconducting state. Usually choose
где IC - критический ток выключателя [Разработка и исследование сильноточной сверхпроводящей коммутационной аппаратуры. - В кн.: Докл. Всесоюзн. совещ. по инженерным проблемам управляемого термоядерного синтеза. - Л.: НИИЭФА, 1975, т.3, с.181-194. Авт.: Глухих В.А. и др.; Менке X., Шишов Ю.Д. Модель сильноточного и высоковольтного сверхпроводящего выключателя. - Препринт Р8-7855. - Дубна, ОИЯИ, 1974]. В требуемый для срабатывания выключателя момент времени в системе управления 4 замыкается прибор 7 и предварительно заряженный конденсатор 5 разряжается на основную обмотку управления 6, охватывающую своими витками небольшой объем первой секции K1 отключающей обмотки 1 и создающую в этой области внешнее магнитное поле. При подъеме магнитного поля выше критического значения часть сверхпроводника секции K1 перейдет в нормальное состояние. Затраты энергии системы управления, как следует из (1), снижаются пропорционально уменьшению объема (VO) отключающей обмотки, в которой создается управляющее магнитное поле (объем одной секции K1), и пропорционально снижению требуемой величины максимальной индукции 
Срыв сверхпроводимости секции K1 и появление в ней даже небольшого сопротивления ведет к переходу тока IK1 из секции K1 в параллельные сверхпроводящие секции K2…KN, имеющие нулевое сопротивление. При условии равенства индуктивностей секций K2…KN ток в каждой из них вырастет на величинуDisruption of the superconductivity of section K 1 and the appearance of even a small resistance in it leads to the transfer of current I K1 from section K 1 to parallel superconducting sections K 2 ... K N having zero resistance. Provided that the inductances of the sections K 2 ... K N are equal, the current in each of them will increase by
Вследствие бифилярного исполнения обмоток секции K1…KN имеют очень малые собственные индуктивности, составляющие десятые доли - единицы мкГн [Амелин Г.П., Блудов А.И., Гусельников В.И., Мащенко А.И. Быстродействующие сверхпроводящие фольговые выключатели. - ПТЭ, 1986, №5, с.193-195]. Поэтому перераспределение и рост рабочего тока в параллельных секциях K2…KN до сверхкритического значения происходит за очень короткий интервал времени Δt (десятые доли мкс), который определяется из выражения:Due to the bifilar execution of the windings of the section K 1 ... K N, they have very small intrinsic inductances that make up tenths of a unit mH [Amelin GP, Bludov AI, Guselnikov VI, Mashchenko AI High-speed superconducting foil switches. - PTE, 1986, No. 5, p. 193-195]. Therefore, the redistribution and growth of the operating current in parallel sections K 2 ... K N to a supercritical value occurs in a very short time interval Δt (tenths of a microsec), which is determined from the expression:
где U - напряжение на выводах отключающей обмотки 1; L - суммарная индуктивность секций K2…KN; ΔI - приращение рабочего тока в секциях K2…KN за интервал времени Δt.where U is the voltage at the terminals of the disconnecting winding 1; L is the total inductance of the sections K 2 ... K N ; ΔI is the increment of the operating current in the sections K 2 ... K N for the time interval Δt.
Отметим, что в реальных конструкциях из-за технологических трудностей практически невозможно изготовить секции K1…KN с равными индуктивностями, они могут отличаться на несколько процентов. Поэтому срыв сверхпроводящего состояния будет происходить сначала в секциях с наименьшей индуктивностью, где скорость роста плотности рабочего тока будет наибольшей. Последовательно срыв сверхпроводимости произойдет в секциях с большей индуктивностью. Этот процесс очень скоротечен, так как при уменьшении эквивалентного сечения проводника оставшихся сверхпроводящих секций увеличивается доля рабочего тока, перешедшего из предыдущей нормальнопроводящей секции.Note that in real constructions, due to technological difficulties, it is almost impossible to manufacture sections K 1 ... K N with equal inductances, they can differ by several percent. Therefore, the failure of the superconducting state will occur first in sections with the lowest inductance, where the growth rate of the working current density will be the highest. Successive failure of superconductivity will occur in sections with greater inductance. This process is very short-lived, since with a decrease in the equivalent conductor cross section of the remaining superconducting sections, the fraction of the operating current transferred from the previous normally conducting section increases.
Процесс перехода сверхпроводника в нормальное состояние при токовом управлении выключателем идет не в "слабых" участках, как при магнитном управлении, а по всему объему (длине) сверхпроводника. Из-за малой собственной индуктивности отключающей обмотки и отсутствия экранирующего эффекта время срыва сверхпроводимости при токовом управлении значительно меньше, чем при управлении внешним магнитным полем. В момент времени, когда суммарный ток в каждой из секций K2…KN превысит критическое значениеThe transition of the superconductor to its normal state during current control of the circuit breaker does not occur in “weak” areas, as in magnetic control, but throughout the entire volume (length) of the superconductor. Due to the small intrinsic inductance of the disconnecting winding and the absence of a shielding effect, the superconductivity disruption time under current control is much shorter than when controlling an external magnetic field. At the time when the total current in each of the sections K 2 ... K N will exceed the critical value
где IC2…ICN - критический ток для секций K2…KN; произойдет нарушение сверхпроводимости во всей отключающей обмотке 1.where I C2 ... I CN is the critical current for sections K 2 ... K N ; there will be a violation of superconductivity in the entire disconnecting winding 1.
Срыв сверхпроводимости во всех секциях K1…KN отключающей обмотки 1 приведет, с одной стороны, к появлению тока IH в цепи нагрузки 8 и созданию секциями L1…LN вспомогательной обмотки управления 9 внешнего магнитного поля в области всех секций K1…KN отключающей обмотки 1, а с другой, к быстрому проникновению этого магнитного поля в центральную часть объема секций K1…KN через образовавшиеся в сверхпроводнике нормальные зоны и полному переводу СПВ в нормальное состояние за малый интервал времени.Disruption of superconductivity in all sections K 1 ... K N of the disconnecting winding 1 will lead, on the one hand, to the appearance of a current I H in the load circuit 8 and creating, by sections L 1 ... L N, an auxiliary control winding 9 of an external magnetic field in the region of all sections K 1 ... K N of the disconnecting winding 1, and on the other hand, to the rapid penetration of this magnetic field into the central part of the volume of sections K 1 ... K N through the normal zones formed in the superconductor and to the complete transfer of the superconducting current to the normal state in a short time interval.
Поскольку срыв сверхпроводящего состояния основного объема отключающей обмотки 1 предлагаемого выключателя осуществляется сверхкритическим током, рост которого в сверхпроводнике не ограничивается размерами обмотки, как это происходит при управлении магнитным полем, то быстродействие такого выключателя будет выше, чем у СПВ прототипа.Since the breakdown of the superconducting state of the main volume of the breaking winding 1 of the proposed circuit breaker is carried out by supercritical current, the growth of which in the superconductor is not limited by the size of the winding, as happens when controlling the magnetic field, the speed of such a switch will be higher than that of the prototype superconducting circuit.
Таким образом, в предлагаемом схемно-конструктивном решении реализуется управление внешним магнитным полем и сверхкритическим током выключателя, что повышает эффективность управления по сравнению с их раздельным воздействием. Энергия системы управления затрачивается на срыв сверхпроводимости только в малом объеме одной секции K1 отключающей обмотки 1, а срыв сверхпроводимости остальных секций K2…KN и полный эффективный перевод всей массы сверхпроводящего материала секций K1…KN отключающей обмотки в нормальное состояние осуществляется с большим быстродействием сверхкритическим током и внешним магнитным полем от силового источника энергии, для коммутации электрической цепи которого используется СПВ.Thus, in the proposed circuit design solution, the control of the external magnetic field and the supercritical current of the circuit breaker is implemented, which increases the control efficiency compared to their separate exposure. The energy of the control system is spent on disrupting the superconductivity only in a small volume of one section K 1 of the disconnecting winding 1, and disrupting the superconductivity of the remaining sections K 2 ... K N and the full effective transfer of the entire mass of the superconducting material of the sections K 1 ... K N of the disconnecting winding to the normal state is carried out with high speed supercritical current and an external magnetic field from a power source of energy, for switching the electric circuit of which an SPW is used.
В случае самопроизвольного нарушения сверхпроводимости любой из параллельных секций K1…KN отключающей обмотки 1, например секции K2, ее сопротивление возрастает, ток из секции K2 перераспределяется в другие сверхпроводящие секции и, превысив сверхкритическое значение, переводит частично эти секции в нормальное состояние. Появившееся сопротивление отключающей обмотки 1 ведет к росту тока IN в цепи нагрузки 8 и магнитное поле вспомогательной обмотки управления 9 производит полный перевод всех секций K1…KN отключающей обмотки 1 в нормальное состояние. При этом уменьшается величина удельных энерговыделений в секции K2 и обеспечивается контролируемый безаварийный вывод энергии из индуктивного накопителя в нагрузку 8, что повышает надежность выключателя.In the case of spontaneous violation of superconductivity of any of the parallel sections K 1 ... K N of the disconnecting winding 1, for example, section K 2 , its resistance increases, the current from section K 2 is redistributed to other superconducting sections and, exceeding the supercritical value, partially transfers these sections to normal . The appeared resistance of the disconnecting winding 1 leads to an increase in the current I N in the load circuit 8 and the magnetic field of the auxiliary control winding 9 completely transfers all sections K 1 ... K N of the disconnecting winding 1 to a normal state. This reduces the value of specific energy in the section K 2 and provides a controlled trouble-free output of energy from the inductive storage to load 8, which increases the reliability of the circuit breaker.
Объем секции K1 может быть в N раз меньше, чем объем отключающей обмотки СПВ прототипа при равной коммутируемой мощности выключателей. Процесс переключения предлагаемого СПВ имеет высокую эффективность при использовании не более 10 секций (N≤10) отключающей обмотки 1. При большем числе секций K1…KN (N>10) приращение рабочего тока (менее 1/10 части номинального рабочего тока) после срыва сверхпроводимости первой секции K1 может быть недостаточным для превышения суммарным рабочим током критической величины во всех сверхпроводящих секциях (K2…KN) отключающей обмотки 1.The volume of the section K 1 can be N times smaller than the volume of the disconnecting windings of the prototype SPV with equal switched power of the circuit breakers. The switching process of the proposed SPW is highly efficient when using no more than 10 sections (N≤10) of the disconnecting winding 1. With a larger number of sections K 1 ... K N (N> 10), the increment of the operating current (less than 1/10 of the nominal operating current) after the breakdown of the superconductivity of the first section K 1 may not be sufficient to exceed the total operating current of a critical value in all superconducting sections (K 2 ... K N ) of the disconnecting winding 1.
Анализ показывает, что при равной коммутируемой мощности выключателей в предлагаемом СПВ, по сравнению с прототипом, примерно в N раз снижается энергия, потребляемая от системы управления на переключение отключающей обмотки выключателя из сверхпроводящего в нормальное состояние, либо при равных затратах энергии системы управления общая коммутируемая мощность предлагаемого устройства с параллельным соединением секций будет в N раз больше, чем у прототипа.The analysis shows that with equal switched power of the circuit breakers in the proposed SPV, compared with the prototype, the energy consumed by the control system to switch the tripping circuit of the circuit breaker from the superconducting to the normal state is reduced by approximately N times, or the total switched power is equal to the energy of the control system the proposed device with a parallel connection of sections will be N times larger than that of the prototype.
Эффективность использования предлагаемого схемно-конструктивного решения увеличивается в случае, если требуется построить сильноточный СПВ мощностью порядка 109 Вт на основе модулей мощностью ~108 Вт путем их параллельного соединения. Поскольку в предлагаемом устройстве имеется одна система управления, которая воздействует только на один, первый модуль (секцию) выключателя, соответственно и энергия управления и количество элементов системы управления (конденсаторов, их зарядных устройств, замыкающих приборов со схемами запуска, основных обмоток магнитного поля) будет в N раз меньше, чем у сильноточного СПВ на основе модулей прототипа. Это упрощает схему системы управления, повышает надежность работы, облегчает условия эксплуатации и обслуживания, снижает стоимость СПВ.The efficiency of using the proposed circuit design solution increases if it is required to build a high-current SPW with a power of the order of 10 9 W based on modules with a power of ~ 10 8 W by means of their parallel connection. Since the proposed device has one control system that acts on only one, the first module (section) of the switch, respectively, the control energy and the number of control system elements (capacitors, their chargers, closing devices with start-up circuits, main windings of the magnetic field) will be N times less than that of high-current SPW based on the modules of the prototype. This simplifies the control system scheme, increases the reliability of operation, facilitates operating and maintenance conditions, and reduces the cost of DSS.
Пример реализации устройства.An example implementation of the device.
СПВ содержит отключающую обмотку 1, систему управления 4 и вспомогательную управляющую обмотку 9. Отключающая обмотка 1 состоит из пяти (N=5) параллельных секций K1…K5, токонесущим элементом является сверхпроводящая ниобий-титановая фольга НТ-50, толщиной ~18 мкм и шириной 16 мм. Каждая секция K1…K5 выполнена в виде пакета из уложенной бифилярно фольги, с изоляцией между слоями. Параметры выключателя: рабочий ток 6 кА, рабочее напряжение до 80 кВ (коммутируемая мощность 4,8·108 Вт), общее сопротивление отключающей обмотки 1 в нормальном состоянии при температуре Т=10 К составляет 70 Ом. Сопротивление каждой секции K1…K5 при этом равно ~350 Ом. Критический ток выключателя по испытаниям, проведенным в НИИ ядерной физики, равен ~7,2 кА. Выбранное соотношение рабочего и критического токов IK/IC=0,83. Величина токов по секциям составит: рабочий ток IK1…IKN=1200 А, критический ток IC1…ICN=1440 А.SPV contains disconnect winding 1, control system 4 and auxiliary control winding 9. Disconnect winding 1 consists of five (N = 5) parallel sections K 1 ... K 5 , the current-carrying element is superconducting niobium-titanium foil NT-50, ~ 18 μm thick and 16 mm wide. Each section K 1 ... K 5 is made in the form of a package of folded bifilar foil, with insulation between the layers. Circuit breaker parameters: operating current 6 kA, operating voltage up to 80 kV (switching power 4.8 · 10 8 W), the total resistance of the trip winding 1 in normal condition at a temperature of T = 10 K is 70 Ohms. The resistance of each section K 1 ... K 5 is equal to ~ 350 Ohms. The critical current of the circuit breaker according to tests conducted at the Research Institute of Nuclear Physics is ~ 7.2 kA. The selected ratio of the working and critical currents I K / I C = 0.83. The magnitude of the currents in sections will be: operating current I K1 ... I KN = 1200 A, critical current I C1 ... I CN = 1440 A.
На 1-й секции K1 отключающей обмотки 1 расположена основная управляющая обмотка 6 системы управления 4, представляющая собой прямоугольный соленоид с размерами 16×150×115 мм3, близкими к размерам секции K1. Обмотка 6 выполнена из многожильного медного провода диаметром ⌀2,5 мм в тефлоновой изоляции и имеет четыре витка.On the 1st section K 1 of the disconnecting winding 1, the main control winding 6 of the control system 4 is located, which is a rectangular solenoid with dimensions 16 × 150 × 115 mm 3 close to the dimensions of the section K 1 . The winding 6 is made of stranded copper wire with a diameter of ⌀2.5 mm in Teflon insulation and has four turns.
Отключающая обмотка 1 собрана в единый модуль с параллельным соединением секций K1…K5. Снаружи модуля, включая и основную обмотку управления 6, расположена вспомогательная обмотка управления 9, состоящая из последовательных секций L1…L5 и представляющая собой прямоугольный соленоид с размерами 80×160×125 мм3 и общим числом витков, равным двенадцати. Проводником является медный провод прямоугольного сечения 3,5×8 мм2.The disconnecting winding 1 is assembled in a single module with parallel connection of the sections K 1 ... K 5 . Outside the module, including the main control winding 6, there is an auxiliary control winding 9, consisting of successive sections L 1 ... L 5 and representing a rectangular solenoid with dimensions 80 × 160 × 125 mm 3 and a total number of turns equal to twelve. The conductor is a copper wire of rectangular cross section 3.5 × 8 mm 2 .
Данный СПВ может применяться для эвакуации энергии, например, из сверхпроводящего индуктивного накопителя в нагрузку 8 с сопротивлением 7 Ом при КПД передачи 0,9. Переход выключателя из сверхпроводящего состояния в нормальное выполняется под действием внешнего магнитного поля и сверхкритического тока.This SPV can be used to evacuate energy, for example, from a superconducting inductive storage into a load of 8 with a resistance of 7 Ohms with a transmission efficiency of 0.9. The switch is transferred from the superconducting state to the normal state under the action of an external magnetic field and supercritical current.
Процесс переключения СПВ начинается с замыкания прибора 7, разряда конденсатора 5 системы управления 4 на основную обмотку управления 6 и подъема управляющего магнитного поля выше его критического значения для сверхпроводника в объеме 1-й секции K1 отключающей обмотки 1.The process of switching the STW begins with the closure of the device 7, the discharge of the capacitor 5 of the control system 4 to the main control winding 6 and the rise of the control magnetic field above its critical value for the superconductor in the volume of the 1st section K 1 of the disconnecting winding 1.
При токе в основной обмотке управления 1200 А величина индукции В магнитного поля в области сверхпроводника 1-й секции K1 отключающей обмотки 1 определяется из выражения:When the current in the main control winding is 1200 A, the magnitude of the magnetic field induction B in the region of the superconductor of the 1st section K 1 of the disconnecting winding 1 is determined from the expression:
где I=1200 A - ток в основной управляющей обмотке системы управления; w=4 - число витков основной управляющей обмотки; l=0,016 м - аксиальная длина обмотки; µ0=4π10-7 Гн/м - магнитная постоянная.where I = 1200 A is the current in the main control winding of the control system; w = 4 is the number of turns of the main control winding; l = 0.016 m - axial length of the winding; µ 0 = 4π10 -7 GN / m is the magnetic constant.
Величина энергии магнитного поля, воздействующего на 1-ю секцию K1 отключающей обмотки 1, определяется с учетом объема, охваченного витками основного управляющего соленоида 6:The magnitude of the energy of the magnetic field acting on the 1st section K 1 of the disconnecting winding 1 is determined taking into account the volume covered by the turns of the main control solenoid 6:
где VC=0,016·0,15·0,115=0,276·10-3 м3 - объем основного управляющего соленоида 6, расположенного на первой секции K1 отключающей обмотки 1.where V C = 0.016 · 0.15 · 0.115 = 0.276 · 10 -3 m 3 is the volume of the main control solenoid 6 located on the first section K 1 of the disconnecting winding 1.
Такая величина управляющего магнитного поля является достаточной для срыва сверхпроводящего состояния секции K1, появления сопротивления этой секции и перехода ее рабочего тока в параллельные секции K2…K5. Приращение тока в каждой секции составит ΔIK2…ΔIKN=1200/4=300 А, а сумма IK2…IKN+ΔIK2…ΔIKN=1200+300=1500 А, что превышает критическое значение IC2…ICN=1440 А и вся отключающая обмотка 1 выходит из сверхпроводящего состояния. Появление сопротивления отключающей обмотки 1 способствует появлению и росту тока IH в цепи нагрузки 8 и вспомогательной обмотки управления 9. При переходе 10% сверхпроводника отключающей обмотки 1 в нормальное состояние ее сопротивление составит ~7 Ом и в цепи нагрузки 8 величина тока IH будет равна 3000 А. При таком токе секции L1…L5 вспомогательной обмотки управления 9 создают магнитное поле с индукцией В=0,565 Т (7) в области отключающих секций K1…K5, которое, проникая через нормальные зоны в сверхпроводнике, переводит полностью отключающую обмотку 1 в нормальное состояние.This magnitude of the control magnetic field is sufficient to disrupt the superconducting state of the section K 1 , the appearance of resistance of this section and the transition of its operating current to parallel sections K 2 ... K 5 . The current increment in each section will be ΔI K2 ... ΔI KN = 1200/4 = 300 A, and the sum I K2 ... I KN + ΔI K2 ... ΔI KN = 1200 + 300 = 1500 A, which exceeds the critical value I C2 ... I CN = 1440 A and the entire disconnecting winding 1 leaves the superconducting state. The appearance of the resistance of the disconnecting winding 1 contributes to the appearance and growth of the current I H in the load circuit 8 and the auxiliary control winding 9. When 10% of the superconductor of the disconnecting winding 1 goes into normal state, its resistance will be ~ 7 Ohms and in the load circuit 8 the current value I H will be equal to 3000 A. With this current, sections L 1 ... L 5 of the auxiliary control winding 9 create a magnetic field with induction B = 0.565 T (7) in the region of the disconnecting sections K 1 ... K 5 , which, penetrating through normal zones in the superconductor, translates completely disconnecting sw heel 1 in the normal state.
Таким образом, в предлагаемом устройстве энергоемкость системы управления 4 должна быть рассчитана на нарушение сверхпроводящего состояния только в одной, 1-й секции K1, то есть в 1/5 части объема отключающей обмотки 1 выключателя.Thus, in the proposed device, the energy intensity of the control system 4 must be designed to violate the superconducting state in only one, 1st section K 1 , that is, in 1/5 of the volume of the disconnecting winding 1 of the switch.
В выключателе, выполненном как прототип, в виде единичного модуля с параметрами, аналогичными параметрам предлагаемого СПВ (6 кА, 80 кВ, 4,8·108 Вт), основная обмотка управления охватывает своими витками всю отключающую обмотку и имеет близкие к ней размеры, равные 80×150×115 мм3. Число витков - двадцать. Для нарушения сверхпроводимости отключающей обмотки, с целью инициирования процесса перехода тока индуктивного накопителя в цепь нагрузки, необходим подъем управляющего магнитного поля во всем объеме отключающей обмотки до той же величины (0,377 Т), как и в предлагаемом устройстве. Здесь не учитывается требуемое увеличение магнитного поля в более массивной отключающей обмотке для компенсации влияния скин-эффекта из-за сложности его расчета. При этом величина энергии управляющего магнитного поля, воздействующего на всю отключающую обмотку, определяется с учетом объема основной обмотки управления СПВ прототипа:In the circuit breaker, made as a prototype, in the form of a single module with parameters similar to the parameters of the proposed SPV (6 kA, 80 kV, 4.8 · 10 8 W), the main control winding covers its entire winding with its turns and has dimensions close to it, equal to 80 × 150 × 115 mm 3 . The number of turns is twenty. To break the superconductivity of the disconnecting winding, in order to initiate the process of transferring the current of the inductive drive to the load circuit, it is necessary to raise the control magnetic field in the entire volume of the disconnecting winding to the same value (0.377 T) as in the proposed device. It does not take into account the required increase in the magnetic field in a more massive tripping winding to compensate for the effect of the skin effect due to the complexity of its calculation. In this case, the magnitude of the energy of the control magnetic field acting on the entire disconnecting winding is determined taking into account the volume of the main control winding of the prototype SPV control:
где VO=0,08·0,15·0,115=1,38·10-7 м3 - объем апертуры основного управляющего соленоида, расположенного на отключающей обмотке СПВ прототипа.where V O = 0.08 · 0.15 · 0.115 = 1.38 · 10 -7 m 3 - the volume of the aperture of the main control solenoid located on the disconnecting winding of the prototype SPV.
Таким образом, в устройстве прототипе энергоемкость системы управления должна быть рассчитана на нарушение сверхпроводимости во всем объеме отключающей обмотки выключателя.Thus, in the prototype device, the energy intensity of the control system must be designed to violate superconductivity in the entire volume of the circuit breaker winding.
Величина энергии системы управления 4 сверхпроводящим выключателем предлагаемой конструкции в конкретном примере, с числом секций N=5, уменьшается по сравнению с прототипом в 5 раз. С учетом влияния экранирующего эффекта разница в затратах энергии управления будет еще больше, так как снижение требуемой максимальной индукции Bm управляющего магнитного поля в предлагаемом выключателе из-за меньшего влияния скин-эффекта, например на 40%, ведет к уменьшению энергии магнитного поля согласно (1) еще в 2 раза и снижение энергии системы управления при этом по сравнению с прототипом уже будет в ~10 раз.The energy value of the control system 4 of the superconducting switch of the proposed design in a specific example, with the number of sections N = 5, is reduced by 5 times compared with the prototype. Taking into account the influence of the screening effect, the difference in the control energy consumption will be even greater, since a decrease in the required maximum induction B m of the control magnetic field in the proposed switch due to the smaller influence of the skin effect, for example by 40%, leads to a decrease in the magnetic field energy according to ( 1) another 2 times and the decrease in the energy of the control system in this case will be ~ 10 times compared with the prototype.
Таким образом, в предлагаемом сверхпроводящем выключателе, управляемом импульсным магнитным полем, осуществляется уменьшение энергии системы управления при увеличении быстродействия путем воздействия основного управляющего магнитного поля на уменьшенный объем сверхпроводника в отключающей обмотке с последующим повышением величины рабочего тока во всей массе сверхпроводника до сверхкритического значения, что достигается секционированием выключателя и подключением системы управления только к одной, первой секции отключающей обмотки.Thus, in the proposed superconducting switch controlled by a pulsed magnetic field, the energy of the control system is reduced with an increase in speed by the action of the main control magnetic field on the reduced volume of the superconductor in the trip winding, followed by an increase in the working current in the entire mass of the superconductor to a supercritical value, which is achieved sectioning the switch and connecting the control system to only one, the first section of the disconnecting switch weave.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011144347/28A RU2482567C1 (en) | 2011-11-01 | 2011-11-01 | Superconductive circuit breaker |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011144347/28A RU2482567C1 (en) | 2011-11-01 | 2011-11-01 | Superconductive circuit breaker |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2011144347A RU2011144347A (en) | 2013-05-10 |
| RU2482567C1 true RU2482567C1 (en) | 2013-05-20 |
Family
ID=48788596
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2011144347/28A RU2482567C1 (en) | 2011-11-01 | 2011-11-01 | Superconductive circuit breaker |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2482567C1 (en) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU854217A1 (en) * | 1980-03-25 | 1982-04-15 | Научно-Исследовательский Институт Ядерной Физики | Superconductive switch |
| SU1189306A1 (en) * | 1984-02-14 | 1991-05-15 | Предприятие П/Я Г-4345 | Superconducting gate with automatic protection |
| SU1519476A1 (en) * | 1987-08-20 | 1994-06-30 | Д.Г. Акопян | Superconducting switch |
| RU2230398C1 (en) * | 2002-09-23 | 2004-06-10 | Военный инженерно-космический университет им. А.Ф. Можайского | Superconductor jumper-switch with magnetically controlled inductive superc onductor energy storage |
| JP2004296974A (en) * | 2003-03-28 | 2004-10-21 | Toshiba Corp | Permanent current switch |
| JP2005116921A (en) * | 2003-10-10 | 2005-04-28 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | Superconducting switching element and superconducting inverter |
-
2011
- 2011-11-01 RU RU2011144347/28A patent/RU2482567C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU854217A1 (en) * | 1980-03-25 | 1982-04-15 | Научно-Исследовательский Институт Ядерной Физики | Superconductive switch |
| SU1189306A1 (en) * | 1984-02-14 | 1991-05-15 | Предприятие П/Я Г-4345 | Superconducting gate with automatic protection |
| SU1519476A1 (en) * | 1987-08-20 | 1994-06-30 | Д.Г. Акопян | Superconducting switch |
| RU2230398C1 (en) * | 2002-09-23 | 2004-06-10 | Военный инженерно-космический университет им. А.Ф. Можайского | Superconductor jumper-switch with magnetically controlled inductive superc onductor energy storage |
| JP2004296974A (en) * | 2003-03-28 | 2004-10-21 | Toshiba Corp | Permanent current switch |
| JP2005116921A (en) * | 2003-10-10 | 2005-04-28 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | Superconducting switching element and superconducting inverter |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2011144347A (en) | 2013-05-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Callavik et al. | The hybrid HVDC breaker | |
| Hajian et al. | Evaluation of semiconductor based methods for fault isolation on high voltage DC grids | |
| Wu et al. | Investigation of an active current injection DC circuit breaker based on a magnetic induction current commutation module | |
| US6664875B2 (en) | Matrix-type superconducting fault current limiter | |
| Neumeyer et al. | ITER power supply innovations and advances | |
| CN113330525B (en) | Fast bleed of partially insulated superconducting magnet | |
| WO1999031694A1 (en) | A switching apparatus and a switching method | |
| Ding et al. | Prototype test and manufacture of a modular 12.5 MJ capacitive pulsed power supply | |
| Roshal et al. | Design and analysis of Switching Network Units for the ITER coil power supply system | |
| Chewale et al. | A comprehensive review on fault current limiter for power network | |
| RU2473153C1 (en) | Superconductive switch | |
| RU2482567C1 (en) | Superconductive circuit breaker | |
| Milani et al. | Fusion applications of large DC-current interruption units | |
| RU2487439C1 (en) | Superconductive circuit breaker | |
| RU2460176C1 (en) | Powerful superconductive switch | |
| Pokryvailo et al. | Review of opening switches for long-charge fieldable inductive storage systems | |
| RU2541380C2 (en) | Superconductive circuit breaker | |
| Dong | Study of superconducting fault current limiters in power systems | |
| Graber et al. | Efficient dc interrupter with surge protection (EDISON) | |
| RU2799587C2 (en) | Quick reset of a partially insulated superconducting magnet | |
| Naphade et al. | Experimental Study of Single Core Configurations of Saturated Iron Core Fault Current Limiter | |
| Pei et al. | Superconducting interface for a DC circuit breaker | |
| Fridman et al. | Energy storage capacitor cell with semiconductor switches | |
| Laquer | Superconducting magnetic energy storage | |
| Ding et al. | Design of a 12 MJ capacitor bank of the pulsed high magnetic field facility at HUST, Wuhan, China |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20141102 |