Стабилизация сверхпроводящих магнитных систем - Альтов В.А.
Скачать (прямая ссылка):
простой способ защиты такой системы состоит в следующем. В начале
процесса перехода сверхпроводящей системы в нормальное состояние, т. е.
при первых признаках появления в сверхпроводящей обмотке нормальной зоны,
система отключается от источника питания и раз-
55
ряжается на сопротивление /?Внет, расположенное вне криостата (рис. 3-
8,а). При этом очевидно, что чем больше /?внеш по сравнению с
сопротивлением перешедшего в нормальное состояние участка сверхпроводящей
обмотки, тем большая доля запасенной в системе энергии выделится вне
криостата. Идеальным способом защиты такой системы является разрыв цепи
(7?Внеш=00)-
Однако ^ВНеш лимитируется тем, что во избежание про боя изоляции
(возникновения дуги между токоподво-дами или между контактами
отключающего реле) напряжение на токоподводах в момент отключения,
равное, очевидно, /о^внеш, где /о - начальный ток в обмотке, не должно
быть слишком большим *.
Чем больше #Внеш, т. е. чем больше энергии выводится из криостата, тем
меньше тепловыделение на ^ участке сверхпроводящей обмотки, перешедшем в
нор-у мальное состояние, и тем, следовательно, медленнее
1 рягирпг-трамяр-тгя ПО-снеру ¦ ¦рпяппяшой обмотке HOD-
^ 1мальняя_ лона. Иными словами, чем больше внешнее
ф сопротивление, тем медленнее растет сопротивление сверхпроводящей
обмотки Rcn. С другой стороны, чем больше /?внеш> тем быстрее падает ток
в цепи, поскольку
где постоянная времени t='L/ (Rcn+ RBHem) убывает с ростом Rnmm- Отсюда
очевидно, что чем больше внешнее сопротивление, тем меньшей оказывается
разность потенциалов на перешедшем в нормальное состояние участке
сверхпроводящей обмотки (U=IRcn).
Следует подчеркнуть, что эффективность описанной схемы защиты повышается
с уменьшением индуктивно-
1 В настоящее время в крупных сверхпроводящих магнитных системах,
снабженных защитой по этой схеме, изоляция токоподво-дов обычно
рассчитывается на напряжение до 5000 В.
Рис. 3-8. Схемы разряда сверхпроводящей системы на внешнюю нагрузку.
(3-2)
56
сти сверхпроводящей магнитной системы, так как постоянная времени т прямо
пропорциональна индуктивности. При большой индуктивности (а
следовательно, и большой постоянной времени) энергия будет выводиться из
системы слишком медленно и, следовательно, большая часть энергии успеет
выделиться в обмотке. В первом приближении соотношение между количествами
энергии, выделившейся в обмотке (?с) и выведенной из криостата (?Внеш),
определяется следующей формулой [JT. 3-7]:
где тн=?/?внеш, а т - постоянная времени при незащищенном переходе (когда
?ВНеш=0). Очевидно, что для сверхпроводящего соленоида с
распространяющейся в нем нормальной зоной бессмысленно определять
величину т в виде т=?/?сш.так как Дсп растет с течением времени. Поэтому
т следует определить как время, в течение которого начальный ток в
соленоиде уменьшается в е раз.
При замыкании небольшого сверхпроводящего соленоида с индуктивностью L =
1 Г и постоянной времени т=20 мс на внешнее сопротивление 200 Ом из
криостата может быть выведено около 95% запасенной энергии.
Вместо активного сопротивления в этой схеме защиты может быть использован
конденсатор достаточно большой емкости С (рис. 3-8,6). После того, как
источник питания отключен и сверхпроводящий соленоид замкнут на
конденсатор, в цепи соленоид - конденсатор возникают колебания тока с
частотой со = 1 /У~ЬС. С помощью диода, включаемого последовательно с
конденсатором, можно прервать этот колебательный процесс на первой
четверти периода. В результате энергия, которая была запасена в
сверхпроводящей магнитной системе, оказывается сосредоточенной в
конденсаторе.
С точки зрения скорости выведения энергии из сверхпроводящей системы эта
схема защиты тем эффективнее, чем меньше емкость конденсатора, так как
чем меньше С, тем больше частота колебаний тока в контуре. Однако, с
другой стороны, уменьшение емкости конденсатора приводит к увеличению
напряжения на
(3-3)
57
участке обмотки, перешедшем в нормальное состояние. В самом деле энергия
конденсатора
?конД=СС/2/2, (3-4)
где U - напряжение на обкладках конденсатора, равное напряжению на
сверхпроводящем соленоиде в конце процесса его перехода в нормальное
состояние. Поэтому при одном и том же количестве запасенной энергии,
выведенной из соленоида и сосредоточенной в конденсаторе, U будет тем
больше, чем меньше С. Следовательно, минимальное значение С определяется
допустимой величиной напряжения на токоподводах соленоида, перешедшего в
нормальное состояние.
При разряде на активное сопротивление напряжение на токоподводах
соленоида максимально в начале процесса, когда ток в системе имеет
максимальное значение (ПМакс=/о^внеш). При разряде соленоида на
конденсатор напряжение на токоподводах приобретает максимальное значение
по завершении переходного процесса, когда ток в цепи снижается до нуля и
заканчивается накопление энергии в конденсаторе. С точки зрения
возможности пробоя изоляции между токоподводами сверхпроводящей системы
