RU2487439C1

RU2487439C1 - Superconductive circuit breaker

Info

Publication number: RU2487439C1
Application number: RU2011153467/28A
Authority: RU
Inventors: Александр Иванович Мащенко
Priority date: 2011-12-26
Filing date: 2011-12-26
Publication date: 2013-07-10

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: circuit breaker consists of a breaking unit (1) made of superconductive material as two conductors (2, 3) connected in-series and two heteropolar charged capacitors (4, 5) connected in-series while outputs of capacitors are connected to outputs of conductors. Between the point of capacitors (4, 5) connection and the point of conductors (2, 3) connection of the breaking unit (1) there is a contact closure device (6). Conductors (2, 3) of the contact closure device (1) are folded through insulating material (7) in double-helical way and these conductors together are laid into induction winding.

EFFECT: reduction of power consumed by control circuit by the circuit breaker by increase of self-magnetic field for the breaking unit within time frame of control process.

2 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике, в частности к сверхпроводящим размыкателям (СПР) постоянного тока многократного действия, и может быть использовано, например, для вывода энергии из сверхпроводящих магнитных систем, в системах защиты сверхпроводящих обмоток электрических машин, сверхпроводящих кабелей и линий электропередачи, а также для коммутации токов в цепях с сильноточными источниками.The invention relates to electrical engineering, in particular to superconducting circuit breakers (DCB) of direct current of repeated action, and can be used, for example, to output energy from superconducting magnetic systems, in protection systems of superconducting windings of electrical machines, superconducting cables and power lines, and also switching currents in circuits with high-current sources.

Известен сверхпроводящий размыкатель, содержащий отключающий элемент, выполненный из сверхпроводящего материала, и цепь управления из последовательно соединенных между собой управляющего конденсатора с зарядным устройством, управляющей обмотки и замыкающего прибора [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]. Перевод размыкателя в нормальное состояние осуществляется импульсом магнитного поля, которое создается управляющей обмоткой и является критическим для сверхпроводящего материала. При управлении магнитным полем сильно проявляется экранирующий эффект сверхпроводника и массивных медных токовводов, который снижает скорость проникновения внешнего магнитного поля внутрь отключающего элемента тем больше, чем больше габариты СПР, и тем самым ведет к требованию ограничения размеров отключающего элемента и, соответственно, к ограничению мощности, коммутируемой единичным размыкателем. Кроме того, из-за экранирования управляющего магнитного поля переход сверхпроводника в нормальное состояние происходит первоначально в «слабых» местах, где плотность рабочего тока и магнитного поля достигают наибольшего (критического) значения. Более полный перевод всей массы сверхпроводника в нормальное состояние и за меньшее время требует повышения величины магнитного поля, т.е. повышается расход энергии управляющего устройства. Использование в конструкции СПР отдельной управляющей обмотки, генерирующей внешнее для сверхпроводника магнитное поле, увеличивает также и расходы на размыкатель.A known superconducting circuit breaker containing a disconnecting element made of superconducting material, and a control circuit of a series-connected control capacitor with a charging device, a control winding and a closing device [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]. The circuit breaker is brought into a normal state by a magnetic field pulse, which is generated by the control winding and is critical for a superconducting material. When controlling the magnetic field, the screening effect of the superconductor and massive copper current leads is strongly manifested, which reduces the penetration rate of the external magnetic field into the disconnecting element, the greater, the larger the dimensions of the SPR, and thereby leads to the requirement of limiting the size of the disconnecting element and, accordingly, to limiting the power, Switched single circuit breaker. In addition, due to the screening of the control magnetic field, the transition of the superconductor to its normal state occurs initially in “weak” places, where the density of the working current and magnetic field reach the highest (critical) value. A more complete transfer of the entire mass of the superconductor to a normal state and in less time requires an increase in the magnetic field, i.e. increased power consumption of the control device. The use of a separate control winding in the SPR design, generating a magnetic field external to the superconductor, also increases the costs of the circuit breaker.

Более простым способом управления сверхпроводящим размыкателем при времени выключения около 10 мкс, т.е. с большим быстродействием, является перевод отключающего элемента в нормальное состояние импульсом тока, величина которого является критической для сверхпроводящего материала [X.Менке, Ю.А.Шишов. Модель сильноточного и высоковольтного сверхпроводящего выключателя. - Препринт Р8-7855. - Дубна, ОИЯИ, 1974, с.5]. При этом управляющее напряжение прикладывается непосредственно к отключающему элементу. На скорость подъема тока в проводнике экранирующий эффект не оказывает влияние. В то же время при срыве сверхпроводимости сверхкритической плотностью тока происходит образование нормальных зон по всей длине сверхпроводника, что способствует более равномерному и быстрому его переходу в нормальное состояние. Однако воздействие высокого управляющего напряжения, которое может даже превышать величину рабочего напряжения, является нежелательным как для сильноточного источника, например сверхпроводящей магнитной системы, так и для нагрузки. Кроме того, при непосредственном включении управляющего конденсатора на отключающий элемент СПР после срыва сверхпроводящего состояния будет происходить его быстрый разряд на более низкоомное, чем отключающий элемент, сопротивление нагрузки, что также является большим недостатком устройства.A simpler way to control the superconducting circuit breaker when the shutdown time is about 10 μs, i.e. with high speed, is the transfer of the disconnecting element to the normal state by a current pulse, the value of which is critical for the superconducting material [X. Menke, Yu.A. Shishov. Model of a high-current and high-voltage superconducting switch. - Preprint P8-7855. - Dubna, JINR, 1974, p.5]. In this case, the control voltage is applied directly to the tripping element. The screening effect does not affect the rate of current rise in the conductor. At the same time, when superconductivity is disrupted by a supercritical current density, normal zones are formed along the entire length of the superconductor, which contributes to a more uniform and faster transition to its normal state. However, the effect of a high control voltage, which may even exceed the value of the operating voltage, is undesirable for a high-current source, for example a superconducting magnetic system, and for the load. In addition, when the control capacitor is directly connected to the disconnecting element of the SPR after the failure of the superconducting state, it will quickly discharge to a lower resistance than the disconnecting element, the load resistance, which is also a big disadvantage of the device.

Наиболее близкой по технической сущности является конструкция сверхпроводящего размыкателя, широко используемая в экспериментах по коммутации постоянного тока [Development of a Superconducting Switch for Magnetic Energy Storage Systems. IEEE Transactions on Magnetics, 1975, MAG-11, №2, pp.594-597. Auth.: Lindsay J.D.G., Blevins D.J., Laquer H.L., Miranda G.A., Rogers J.D., Swannack C.E., Weldon D.M.]. Данное устройство, выбранное за прототип, содержит отключающий элемент, выполненный в виде двух последовательно соединенных секций из сверхпроводников, к выводам этих секций подсоединена схема управления, состоящая из двух последовательных и встречно заряженных конденсаторов, между точкой соединения которых и точкой соединения проводников секций отключающего элемента включен управляемый замыкающий прибор. Достоинством такого СПР является то, что из-за встречного заряда последовательно соединенных конденсаторов и, соответственно, их встречного разряда на двухсекционный отключающий элемент управляющее напряжение не прикладывается к сильноточному источнику и нагрузке. При этом ограничивается также и разряд управляющих конденсаторов на нагрузку после срыва сверхпроводящего состояния отключающего элемента. Исключение влияния цепей управления СПР на сильноточный источник (например, сверхпроводящую магнитную систему) и нагрузку является очень важным положительным фактором для практического применения таких СПР. Кроме того, требуемая величина управляющего напряжения в схеме СПР снижается в два раза, а это позволяет использовать более распространенные низковольтные конденсаторы.The closest in technical essence is the design of a superconducting disconnector, widely used in experiments on DC switching [Development of a Superconducting Switch for Magnetic Energy Storage Systems. IEEE Transactions on Magnetics, 1975, MAG-11, No. 2, pp. 594-597. Auth .: Lindsay J. D. G., Blevins D. J., Laquer H. L., Miranda G. A., Rogers J. D., Swannack C. E., Weldon D. M.]. This device, selected as a prototype, contains a disconnecting element made in the form of two series-connected sections of superconductors, a control circuit consisting of two series and counter-charged capacitors is connected to the terminals of these sections, between which the connection point and the connection point of the conductors of the sections of the disconnecting element are connected controlled closing device. The advantage of this SPR is that due to the oncoming charge of the series-connected capacitors and, accordingly, their oncoming discharge to the two-section disconnecting element, the control voltage is not applied to the high-current source and load. At the same time, the discharge of the control capacitors to the load after the failure of the superconducting state of the disconnecting element is also limited. The exclusion of the influence of the control circuits of the SPR on a high current source (for example, a superconducting magnetic system) and the load is a very important positive factor for the practical application of such SPR. In addition, the required value of the control voltage in the SPR circuit is reduced by half, and this allows the use of more common low-voltage capacitors.

Существенным недостатком прототипа является большая величина энергии управления. Это обусловлено тем, что в данном схемно-конструктивном решении рабочий ток в проводнике одной из двух секций отключающего элемента имеет встречное направление с управляющим напряжением. При этом основной прирост сопротивления этой секции происходит на второй полуволне управляющего тока, после перезаряда соответствующего конденсатора, что и является фактором, требующим значительного увеличения энергии схемы управления размыкателем.A significant disadvantage of the prototype is the large amount of control energy. This is due to the fact that in this circuit design solution, the working current in the conductor of one of the two sections of the disconnecting element has a counter direction with a control voltage. In this case, the main increase in the resistance of this section occurs at the second half-wave of the control current, after recharging the corresponding capacitor, which is a factor requiring a significant increase in the energy of the circuit breaker control circuit.

Задачей предлагаемого изобретения является создание СПР с уменьшенными затратами энергии схемы управления.The objective of the invention is the creation of SPR with reduced energy costs of the control circuit.

Технический результат заключается в снижении энергии схемы управления размыкателем путем повышения величины собственного магнитного поля отключающего элемента в интервале времени процесса управления.The technical result consists in reducing the energy of the control circuit breaker by increasing the intrinsic magnetic field of the disconnecting element in the time interval of the control process.

Указанный технический результат достигается тем, что в сверхпроводящем размыкателе, содержащем, как и прототип, отключающий элемент, выполненный в виде двух последовательно соединенных проводников из сверхпроводящего материала, к выводам которых подключены выводы двух последовательно соединенных и заряженных разнополярно конденсаторов, между точкой соединения конденсаторов и точкой соединения проводников отключающего элемента включен замыкающий прибор, в отличие от прототипа проводники отключающего элемента сложены между собой через изоляционный материал бифилярно, а вместе эти проводники уложены в индуктивную обмотку.The specified technical result is achieved by the fact that in the superconducting circuit breaker, containing, like the prototype, a disconnecting element made in the form of two series-connected conductors of superconducting material, the terminals of which are connected to the terminals of two series-connected and charged multipolar capacitors, between the connection point of the capacitors and the point the connection of the conductors of the disconnecting element includes a closing device, unlike the prototype, the conductors of the disconnecting element are folded together Through the insulating material is bifilar, and together these conductors are laid in an inductive winding.

Изобретение иллюстрируется графическими материалами. Фиг.1 - схема примера выполнения устройства, где обозначено: 1 - отключающий элемент, содержащий два проводника 2 и 3 из сверхпроводящего материала; 4 и 5 - конденсаторы схемы управления, заряженные разнополярно; 6 - замыкающий прибор; 7 - изоляционный материал; I₀ - рабочий ток размыкателя: I_У=I_У2+I_У3 - суммарный ток управляющих конденсаторов 4 и 5; I_У2 - ток управляющего конденсатора 4, протекающий по проводнику 2; I_У3 - ток управляющего конденсатора 5, протекающий по проводнику 3; Н_У - напряженность управляющего магнитного поля.The invention is illustrated in graphic materials. Figure 1 - diagram of an example implementation of the device, where indicated: 1 - disconnecting element containing two conductors 2 and 3 of a superconducting material; 4 and 5 — control circuit capacitors charged in different polarity; 6 - closing device; 7 - insulating material; I ₀ - operating current of the circuit breaker: I _У = I _У2 + I _У3 - total current of control capacitors 4 and 5; I _U2 - current control capacitor 4, flowing through conductor 2; I _U3 is the current of the control capacitor 5 flowing along conductor 3; N _U - the intensity of the control magnetic field.

Фиг.2 - качественные временные зависимости напряжений U, токов I, напряженности магнитного поля H и сопротивления R в СПР. I₀ и I_C - рабочий и критический токи размыкателя; U₄ и U₅ - напряжения управляющих конденсаторов 4 и 5; I₂=I₀+|I_У2| и I₃=I₀+|I_У3| - токи в проводниках 2 и 3 отключающего элемента 1, равные алгебраической сумме рабочего тока I₀ и токов управления I_У2 и I_У3; Н_У - напряженность управляющего магнитного поля, воздействующего на сверхпроводники 2 и 3 и создаваемого управляющим током, протекающим в обмотке отключающего элемента 1 в процессе управления; Н_У2 и Н_У3 - напряженности магнитных полей, возникающих при протекании управляющих токов I_У2 и I_У3 соответственно по проводникам 2 и 3; R₂, R₃ и R_К - сопротивления проводников 2 и 3 и суммарное сопротивление отключающего элемента 1, развитое за время управления; t₀ - время начала процесса управления размыкателем, соответствующее началу роста тока I₂ и напряженности (+)Н_У управляющего магнитного поля, создаваемого управляющим током, протекающим в проводниках отключающего элемента 1; t₁ - время срыва сверхпроводящего состояния и появления резистивного сопротивления R₂ проводника 2; t₂ - время срыва сверхпроводящего состояния и появления сопротивления R₃ проводника 3; t₃ - время начала перезаряда конденсатора 5; t₄ - время изменения направления тока I_У3 в проводнике 3 на противоположное и начала роста напряженности (-)Н_У3; t₅ - время начала роста напряженности (-)Н_У управляющего магнитного поля, создаваемого управляющим током, протекающим в проводниках 2 и 3 отключающего элемента 1; t₆ - время окончания процесса управления СПР.Figure 2 - qualitative time dependences of the voltages U, currents I, magnetic field strength H and resistance R in SPR. I ₀ and I _C - operating and critical currents of the circuit breaker; U ₄ and U ₅ - voltage control capacitors 4 and 5; I ₂ = I ₀ + | I _Y2 | and I ₃ = I ₀ + | I _Y3 | - currents in conductors 2 and 3 of the disconnecting element 1, equal to the algebraic sum of the operating current I ₀ and control currents I _U2 and I _Y3 ; N _U - the intensity of the control magnetic field acting on the superconductors 2 and 3 and created by the control current flowing in the winding of the disconnecting element 1 in the control process; N _U2 and N _U3 - magnetic field strengths that occur during the flow of control currents I _U2 and I _U3, respectively, along conductors 2 and 3; R ₂ , R ₃ and R _K - the resistance of the conductors 2 and 3 and the total resistance of the disconnecting element 1, developed during the control; t ₀ is the start time of the control process of the circuit breaker, corresponding to the beginning of the growth of current I ₂ and intensity (+) Н _{У of the} control magnetic field generated by the control current flowing in the conductors of the disconnecting element 1; t ₁ - time of failure of the superconducting state and the appearance of resistive resistance R _{2 of} conductor 2; t ₂ is the breakdown time of the superconducting state and the appearance of resistance R _{3 of} conductor 3; t ₃ is the start time of the overcharge of the capacitor 5; t ₄ - the time of changing the direction of the current I _U3 in the conductor 3 to the opposite and the beginning of the growth of tension (-) Н _У3 ; t ₅ - time of the beginning of the growth of tension (-) Н _{У of the} control magnetic field created by the control current flowing in conductors 2 and 3 of the disconnecting element 1; t ₆ - time of the end of the control process SPR.

Устройство содержит отключающий элемент 1, выполненный в виде двух проводников 2 и 3 из сверхпроводящего материала, и соединенных последовательно. Параллельно выводам проводников 2 и 3 отключающего элемента 1 подключены выводы двух последовательно соединенных и заряженных разнополярно конденсаторов 4 и 5. Точка соединения проводников 2 и 3 отключающего элемента 1 подключена к точке соединения конденсаторов 4 и 5 через замыкающий прибор 6. Проводники 2 и 3 отключающего элемента 1 расположены относительно друг друга бифилярно с изоляцией 7 между ними. В то же время проводники 2 и 3, сложенные в бифиляр, совместно конструктивно образуют индуктивную обмотку отключающего элемента 1. Индуктивная обмотка в зависимости от типа используемого сверхпроводника (например, фольга, провод или шина) конструктивно может быть выполнена в виде любой катушки, создающей магнитное поле, например в виде плоской спирали и соленоидов различной конфигурации.The device comprises a disconnecting element 1, made in the form of two conductors 2 and 3 of superconducting material, and connected in series. Parallel to the leads of conductors 2 and 3 of the disconnecting element 1, the leads of two series-connected and charged multipolar capacitors 4 and 5 are connected. The connection point of the conductors 2 and 3 of the disconnecting element 1 is connected to the connection point of the capacitors 4 and 5 through the closure device 6. Conductors 2 and 3 of the disconnecting element 1 are located relative to each other bifilarly with insulation 7 between them. At the same time, the conductors 2 and 3, folded into a bifilar, together structurally form an inductive winding of the disconnecting element 1. The inductive winding, depending on the type of superconductor used (for example, foil, wire or bus), can be structurally made in the form of any coil creating a magnetic field, for example in the form of a flat spiral and solenoids of various configurations.

Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии через отключающий элемент 1 по проводникам 2 и 3 течет рабочий ток I₀. Поскольку проводники 2 и 3 уложены в бифиляр, то хорошая компенсация собственного магнитного поля способствует установлению величины рабочего тока I₀ отключающего элемента 1, близкой к критическому току отдельного сверхпроводника. В требуемый для переключения момент времени t₀ подается запускающий импульс на срабатывание замыкающего прибора 6 и конденсаторы 4 и 5 схемы управления, предварительно заряженные разнополярно, начинают разряжаться на проводники 2 и 3, находящиеся в сверхпроводящем состоянии. Конденсатор 4 разряжается на проводник 2 током I_У2 согласно с рабочим током I₀, а конденсатор 5 разряжается на проводник 3 током I_У3 встречно с рабочим током I₀. В это же время токами I_У2 и I_У3, текущими в одном направлении по проводникам 2 и 3, уложенным вместе в виде индуктивной обмотки, создаются магнитные поля с напряженностью Н_У2 и Н_У3, пропорциональной величине этих токов. Одновременный подъем тока I₂ в проводнике 2 и внешнего магнитного поля Н_У=Н_У2 в области проводников 2 и 3 ведет к срыву сверхпроводящего состояния проводника 2 с согласным направлением рабочего I₀ и управляющего I_У2 токов и появлению резистивного сопротивления R₂ (время t₁). В проводнике 3 суммарный ток I₃ падает из-за встречного направления рабочего I₀ и управляющего I_У3 токов, но создаваемое управляющим током I_У2 магнитное поле Н_У2=Н_У в области проводника 3 нарастает и под одновременным воздействием тока и магнитного поля, достигающим критических значений, проводник 3 также начинает переходить в нормальное состояние с появлением резистивного сопротивления R₃ (время t₂). Здесь токовое управление осуществляется с дополнительным воздействием управляющего магнитного поля и поэтому токонесущая способность сверхпроводника снижается, а интенсивность его перевода в нормальное состояние резко увеличивается по сравнению с управлением только импульсом тока. Это не зависит от того, является магнитное поле собственным полем сверхпроводника или генерируется внешним источником. В предлагаемом СПР для создания управляющего магнитного поля используются проводники 2 и 3 самого отключающего элемента 1, уложенные вместе в индуктивную обмотку, которая только в период управления, т.е. разряда управляющих конденсаторов 4 и 5 на эти проводники, создает магнитное поле с напряженностью Н_У в объеме отключающего элемента 1. После перезаряда конденсатора 5 (время t₃-t₄) происходит изменение направления управляющего тока I_У3 и с его ростом начинается рост сопутствующего ему магнитного поля (-)Н_У3 (время t₄). В это же время t₄ магнитное поле Н_У2, созданное током I_У2, падает почти до нуля. Результирующее магнитное поле Н_У по суперпозиции полей (+)H_У2 и (-)Н_У3 будет иметь величину, близкую к величине магнитного поля Н_У3. Нарастание тока I₃ в проводнике 3 и управляющего магнитного поля Н_У во всем объеме отключающего элемента 1 ведет к его полному переводу в нормальное состояние с сопротивлением R_K (время t₅-t₆).The device operates as follows. In the initial state, the operating current I ₀ flows through the disconnecting element 1 through conductors 2 and 3. Since the conductors 2 and 3 are laid in a bifilar, a good compensation of the intrinsic magnetic field helps to establish the value of the operating current I _{0 of the} disconnecting element 1, close to the critical current of an individual superconductor. At the time t ₀ required for switching, a triggering pulse is supplied to activate the closing device 6 and the control capacitors 4 and 5, previously charged in different polarity, begin to discharge to conductors 2 and 3, which are in the superconducting state. The capacitor 4 is discharged to the conductor 2 by the current I _{U2 in} accordance with the operating current I ₀ , and the capacitor 5 is discharged to the conductor 3 by the current I _U3 counter to the working current I ₀ . At the same time, the currents I _U2 and I _Y3 flowing in the same direction along the conductors 2 and 3, laid together in the form of an inductive winding, create magnetic fields with a strength of N _U2 and N _U3 proportional to the magnitude of these currents. The simultaneous rise in current I ₂ in conductor 2 and an external magnetic field Н _У = Н _У2 in the region of conductors 2 and 3 leads to a breakdown of the superconducting state of conductor 2 with the consonant direction of the working I ₀ and control current I _U2 and the appearance of resistive resistance R ₂ (time t ₁ ). In conductor 3, the total current I ₃ drops due to the opposite direction of the working I ₀ and control I _I3 currents, but the magnetic field created by the control current I _Y2 magnetic field Н _У2 = Н _У grows in the region of conductor 3 even under the influence of current and magnetic field reaching critical values, conductor 3 also begins to transition to a normal state with the appearance of resistive resistance R ₃ (time t ₂ ). Here, the current control is carried out with the additional influence of the control magnetic field and, therefore, the current carrying capacity of the superconductor decreases, and the intensity of its transition to a normal state increases sharply compared to controlling only the current pulse. This does not depend on whether the magnetic field is a self-field of a superconductor or is generated by an external source. In the proposed SPR, to create a control magnetic field, conductors 2 and 3 of the disconnecting element 1 itself are used, laid together in an inductive winding, which is only during the control period, i.e. the discharge of the control capacitors 4 and 5 to these conductors, creates a magnetic field with a voltage of Н _У in the volume of the disconnecting element 1. After the capacitor 5 is recharged (time t ₃ -t ₄ ), the direction of the control current I _У3 changes and its growth begins to increase magnetic field (-) Н _У3 (time t ₄ ). At the same time t _{4, the} magnetic field H _U2 created by the current I _U2 drops to almost zero. The resulting magnetic field Н _У from the superposition of the fields (+) Н _У2 and (-) Н _У3 will have a value close to the magnitude of the magnetic field Н _У3 . The increase in current I ₃ in the conductor 3 and the control magnetic field Н _У in the entire volume of the disconnecting element 1 leads to its full transfer to the normal state with resistance R _K (time t ₅ -t ₆ ).

При срыве сверхпроводящего состояния отключающего элемента 1 сверхкритическим током по всей длине сверхпроводников 2 и 3 создаются нормальные зоны, через которые, не испытывая экранирующего противодействия со стороны сверхпроводящего материала и элементов конструкции, управляющее магнитное поле Н_У, генерируемое этими же проводниками 2 и 3, проникает во внутренние области отключающего элемента 1 и также переводит их в нормальное состояние. При таком механизме воздействия интенсивность разрушения сверхпроводимости увеличивается и вследствие этого эффективность использования энергии схемы управления значительно возрастает.By disrupting the superconducting state isolation element 1 supercritical current over the entire length of superconductors 2 and 3 are normal zones, through which no testing shielding opposition from superconducting material and construction elements controlling magnetic field H _V generated by these same conductors 2 and 3 penetrates in the internal areas of the disconnecting element 1 and also puts them in a normal state. With this mechanism of action, the intensity of the destruction of superconductivity increases and, as a result, the energy efficiency of the control circuit increases significantly.

Кроме того, в предлагаемом устройстве процесс воздействия схемы управления на сверхпроводник 3 со встречным направлением рабочего тока I₀ и управляющего напряжения U₅ осуществляется, в отличие от устройства прототипа, с момента начала управления (время t₀), а не после перезаряда конденсатора 5 (время t₃), что также повышает эффективность управления размыкателем.In addition, in the proposed device, the process of influencing the control circuit on the superconductor 3 with the opposite direction of the operating current I ₀ and the control voltage U _{5 is} carried out, in contrast to the prototype device, from the moment the control was started (time t ₀ ), and not after recharging the capacitor 5 ( time t ₃ ), which also increases the efficiency of the control circuit breaker.

Таким образом, в предлагаемом СПР из-за дополнительного воздействия на токонесущий сверхпроводник управляющего магнитного поля, которое эффективно проникает через нормальные зоны внутрь отключающего элемента 1, быстрее достигаются критические характеристики сверхпроводника, что ведет к возрастанию интенсивности перехода сверхпроводящего материала проводника в нормальное состояние и снижению энергии управления по сравнению с устройством прототипа.Thus, in the proposed SPD, due to the additional influence of the control magnetic field on the current-carrying superconductor, which effectively penetrates through the normal zones into the disconnecting element 1, the critical characteristics of the superconductor are faster, which leads to an increase in the rate of transition of the superconducting material of the conductor to a normal state and a decrease in energy control compared to the prototype device.

Пример реализации устройства. СПР содержал отключающий элемент 1, управляющие конденсаторы 4 и 5 и замыкающий прибор 6. Отключающий элемент 1 состоял из двух соединенных последовательно проводников 2 и 3, представляющих собой сверхпроводящую ниобий-титановую фольгу НТ-50 толщиной 18 мкм и шириной 80 мм. Проводники 2 и 3 были сложены между собой через изоляцию 7 из синтофлекса бифилярно, что обеспечивало весьма малую индуктивность пары и хорошую компенсацию магнитного поля. Но вместе эти проводники были уложены в индуктивную обмотку в виде плоской спирали. Такое выполнение отключающего элемента 1 позволило в режиме постоянного тока пропускать рабочий ток I₀, близкий к критическому току короткого образца, а в период управления отключающий элемент 1 создавал в своем объеме управляющее магнитное поле, воздействующее на собственный сверхпроводник 2 и 3.An example implementation of the device. SPR contained a disconnecting element 1, control capacitors 4 and 5 and a closing device 6. The disconnecting element 1 consisted of two series-connected conductors 2 and 3, which are NT-50 superconducting niobium-titanium foil 18 μm thick and 80 mm wide. Conductors 2 and 3 were stacked together through insulation 7 of syntoflex bifilar, which provided a very small pair inductance and good compensation of the magnetic field. But together, these conductors were laid in an inductive winding in the form of a flat spiral. This embodiment of the disconnecting element 1 made it possible to pass an operating current I ₀ close to the critical current of a short sample in direct current mode, and during the control period, the disconnecting element 1 created in its volume a control magnetic field acting on its own superconductor 2 and 3.

Параметры СПР: рабочий ток I₀=6 кА, рабочее напряжение U₀=5 кВ, сопротивление R_K отключающего элемента 1 в нормальном состоянии при температуре Т=10 K составляло 5 Ом. Геометрические размеры отключающего элемента 1, выполненного в виде плоской спиральной обмотки: средний диаметр обмотки - 80 мм, длина (ширина фольги) - 80 мм и радиальная толщина обмотки - 40 мм. Генератор управляющих импульсов был выполнен на конденсаторах 4 и 5 типа ИК-100-01У4 с емкостью по 0,15 мкФ. Коммутатор был выполнен на двух игнитронных разрядниках ИРТ-6 (25 кВ, 100 кА).SPR parameters: operating current I ₀ = 6 kA, operating voltage U ₀ = 5 kV, resistance R _{K of the} disconnecting element 1 in the normal state at a temperature T = 10 K was 5 Ohms. The geometric dimensions of the disconnecting element 1, made in the form of a flat spiral winding: the average diameter of the winding is 80 mm, the length (width of the foil) is 80 mm and the radial thickness of the winding is 40 mm. The control pulse generator was made on capacitors 4 and 5 of type IK-100-01U4 with a capacity of 0.15 uF. The switch was made on two IRT-6 ignitron arresters (25 kV, 100 kA).

Напряженность магнитного поля, создаваемого управляющим током в центре обмотки отключающего элемента 1, рассчитывается по уравнению [Д.Монтгомери. Получение сильных магнитных полей с помощью соленоидов. - М.: Мир, 1971. с.26, 270-273]:The magnetic field generated by the control current in the center of the winding of the disconnecting element 1 is calculated by the equation [D. Montgomery. Getting strong magnetic fields using solenoids. - M .: Mir, 1971. p.26, 270-273]:

$H_{0} = \frac{N I}{a_{1}} \frac{1}{2 β (α - 1)} F (α, β) = 495 \cdot 1 0^{3} A / м , (1)$

H_{0} = \frac{N I}{a_{one}} \frac{one}{2 β (α - one)} F (α, β) = four 95 \cdot one 0^{3} A / m A., (one)

где N=22 - число витков обмотки отключающего элемента 1; I=2000 А - суммарный ток схемы управления в проводниках 2 и 3; a₁=20 мм - внутренний радиус обмотки отключающего элемента 1; a₂=60 мм - внешний радиус обмотки отключающего элемента 1; α=a₂/a₁=3 - отношение внешнего радиуса обмотки отключающего элемента 1 к внутреннему; β=в/a₁=2 - отношение полудлины обмотки в=40 мм отключающего элемента 1 к внутреннему радиусу; F=1,8 - коэффициент поля.where N = 22 is the number of turns of the winding of the disconnecting element 1; I = 2000 A is the total current of the control circuit in conductors 2 and 3; a ₁ = 20 mm is the inner radius of the winding of the disconnecting element 1; a ₂ = 60 mm is the outer radius of the winding of the disconnecting element 1; α = a ₂ / a ₁ = 3 is the ratio of the outer radius of the winding of the disconnecting element 1 to the inner; β = in / a ₁ = 2 - the ratio of the half length of the winding = 40 mm of the disconnecting element 1 to the inner radius; F = 1.8 - field coefficient.

Затем, с учетом полученного значения H₀ и с помощью графиков и таблиц, можно определить величину напряженности управляющего магнитного поля в различных точках поперечного сечения обмотки отключающего элемента 1.Then, taking into account the obtained value of H ₀ and using graphs and tables, it is possible to determine the magnitude of the control magnetic field at various points in the cross section of the winding of the disconnecting element 1.

В предлагаемом СПР при напряжении управляющих конденсаторов 20 кВ и индуктивности контура разряда 15 мкГн напряженность управляющего магнитного поля в объеме отключающего элемента 1 возрастала в процессе управления до величины Н_У=501·10³ А/м (индукция В_У=µ₀·Н_У=0,63 Т). При этом за период управления осуществлялся полный перевод сверхпроводника отключающего элемента 1 в нормальное состояние и затрачивалась энергия управления 30 Дж. В устройстве-прототипе полный перевод отключающего элемента 1 в нормальное состояние осуществляется при требуемом повышении напряжения конденсаторов до 30 кВ, энергии управления расходуется при этом 67,5 Дж. Сравнение результатов показывает, что в предлагаемом сверхпроводящем размыкателе энергии управления затрачивается примерно в два раза меньше, чем в устройстве-прототипе.In the proposed SPD, when the voltage of the control capacitors is 20 kV and the inductance of the discharge circuit is 15 μH, the intensity of the control magnetic field in the volume of the disconnecting element 1 increased during the control process to the value N _U = 501 · 10 ³ A / m (induction V _U = μ ₀ · N _U = 0.63 T). At the same time, during the control period, the superconductor of the disconnecting element 1 was completely transferred to the normal state and control energy of 30 J was expended. In the prototype device, the complete switching of the disconnecting element 1 to the normal state was carried out at the required increase in the voltage of the capacitors to 30 kV, while the control energy was consumed 67 , 5 J. A comparison of the results shows that in the proposed superconducting circuit breaker, the control energy is spent about half as much as in the prototype device.

Достоинством размыкателя является также его компактность, как следствие многофункциональности элементов конструкции, и технологичность. Это снижает стоимость изготовления СПР.The advantage of the circuit breaker is also its compactness, as a consequence of the multifunctionality of structural elements, and manufacturability. This reduces the cost of manufacturing SPR.

По предложенному схемно-конструктивному решению могут быть созданы и высоковольтные СПР с большим количеством последовательно соединенных модулей.According to the proposed structural design solution, high-voltage SPRs with a large number of modules connected in series can also be created.

Таким образом, в предлагаемом сверхпроводящем размыкателе осуществляется уменьшение энергии управления путем повышения магнитного поля в объеме отключающего элемента одновременно с повышением плотности тока в его проводниках, что достигается расположением проводников отключающего элемента между собой бифилярно, а вместе в виде индуктивной обмотки, создающей собственное управляющее магнитное поле за время управления.Thus, in the proposed superconducting disconnector, the control energy is reduced by increasing the magnetic field in the volume of the disconnecting element simultaneously with an increase in the current density in its conductors, which is achieved by arranging the conductors of the disconnecting element between each other bifilarly, and together in the form of an inductive winding, creating its own control magnetic field during management time.

Claims

A superconducting circuit breaker containing a disconnecting element made in the form of two series-connected conductors of superconducting material, the terminals of which are connected to the terminals of two series-connected and charged multipolar capacitors, between the connection point of the capacitors and the connection point of the conductors of the disconnecting element, a closing device is connected, characterized in that the disconnecting element is folded together through the insulation material bifilarly, and together these conductors are laid in inductive winding.