Надпровідні обмотки

Струмонесучі елементи композитних провідників, які використовуються для створення надпровідних обмоток, виконуються на основі одного з так званих технічних надпровідних матеріалів.

Найбільш розповсюдженим надпровідним матеріалом є стоп ніобій-титан. Співвідношення компонентів у стопі в основному визначає величину його критичної температури Т_С й другого критичного поля В_С2. Найчастіше використовують стоп, який вміщує біля 50% вагових Nв. Його критична температура становить біля 10 К при В=0, значення другого критичного поля при Т=0 В_С2=14,5 Тл, а при Т=4,2 К В_С2 =10,5 Тл.

Критична густина струму визначається густиною й характером неоднорідностей, наявних у провіднику. Ці неоднорідності вносяться при виготовленні, і, таким чином, технологія виготовлення визначає якість провідника за його струмонесучою здатністю.

Першим етапом виготовлення провідника є створення виливка стопу необхідного складу. Потрібна висока однорідність розподілу складу за об’ємом досягається засобами спеціальної металургії – витопленням, подвоєним перетопленням і т. д.

Як матрицю композитного провідника звичайно використовують електротехнічну мідь високої чистоти, відношення опорів якої при кімнатній температурі й температури кипіння рідкого гелію становить величину ρ_300К/ρ_4,2К =100÷200.

В деяких провідниках для цього використовують алюміній високої чистоти. З’єднання міді й надпровідника в єдину композицію виконується методами сумісного гарячого пресування або гідроекструзії (обробки – продавлювання крізь формуючі пристрої – матеріалів тиском, створюваним за допомогою спеціальних компресорів, рідиною). Потім композитні заготовки підлягають протяганню й волочінню до необхідного розміру. Як уже говорилось, кінцевий розмір індивідуальної надпровідної жили за умовами внутрішньої стабільності не повинен перевищувати 30÷50 мкм.

При виготовленні, таким чином, надпровідник підлягає механічній деформації, яка створює багаточисельні дефекти його структури. Критична густина струму надпровідника при цьому зростає зі зменшенням розміру його перерізу відносно первісного. Доцільно використовувати високі ступені деформації, перевищуючі 10³.

Окрім механічної деформації для формування неоднорідностей, тобто центрів утримання, використовується термічна обробка матеріалу, проміжна на різних стадіях виготовлення й заключна після того, як досягнуто заданого розміру провідника. Для стопу Nв–50% Ті оптимальним є нагрів провідника до Т≈400 ⁰С й витримка його з цією температурою на протязі приблизно 1 години.

Звичайно перед останнім ступенем волочіння провідник підлягає скручуванню вздовж поздовжньої осі із заданим кроком.

Повні розміри провідника (його довжина й переріз) визначаються розмірами початкових заготовок та потужністю технологічного обладнання й можуть становити довжину порядка кілометра й більше з перерізом 7÷10 мм².

Вимоги теплової стабілізації враховуються вибором співвідношення надпровідник–нормальний метал, профілюванням поверхні провідника з метою покращення умов його охолодження і т. і.

Провідники крупних перерізів виготовляються методами кабельної технології. Якщо це необхідно, окрім базових комбінованих провідників, до їхньої конструкції додаються додаткові мідні або алюмінієві стабілізуючі елементи, а також силові елементи, які покращують міцнісні характеристики провідників. Такі провідники звичайно пропаюють легкоплавким стопом, який заповнює міждротовий простір.

В наш час промисловістю випускаються багаточисельні типи надпровідних провідників на основі Nв–Ті з вмістом надпровідника 20–50% зі струмонесучою здатністю від 10А до 10⁴А і більше. За допомогою таких провідників можливо створювати обмотки магнітних систем, які генерують магнітні поля до 7–8 Тл.

Для оцінювання значень критичної густини струму Nв–Ті надпровідника в різних магнітних полях крім виразу (7.1), який потребує для визначення констант вимірювання j_с для двох значень поля, може бути використане наближене лінійне співвідношення

j_с(В,Т=4,2К)=j_о(1-0,096В),

де j_о визначається з одного вимірювання. Типове значення j_с для Nв–Ті складає величину (1-3)^.10⁹ А/м² в полі 5–8 Тл. Температурна залежність j_с може бути визначена з лінійних співвідношень для різних значень індукції магнітного поля:

j_с(В=8Тл, Т)=j_о^’(1-0,177Т),

j_с(В=5Тл, Т)=j_о^’(1-0,14Т).

Константи j_о^’ визначаються експериментально при В=8 Тл та 5 Тл. Ці співвідношення слушні при 2К<Т<5,5К.

Рис. 7.7. Форми перерізу композитних провідників

Схематичні зображення типових композитних провідників прямокутного та круглого перерізів наведені на рис.7.7.

Для генерації більш високих полів використовують інтерметалічні з’єднання. Найбільш розповсюдженим провідником цього типу є з’єднання Nв₃Sn.

Внутрішньо стабілізовані провідники з Nв₃Sn звичайно одержують термообробкою при Т=700÷1000 К багатожильних композицій, які складають з жилок чистого ніобію діаметром кілька мкм, що знаходяться в матриці із стопів міді й олова (бронзи). При термообробці олово дифундує з бронзової матриці в ніобій, створюючи в поверхневому шарі жили Nв₃Sn.

Властивістю Nв₃Sn є крихкість. Тому провідники на його основі мають обмежену гнучкість і чутливі до механічних впливів. Густина струму в надпровідних елементах таких провідників досягає величин (2÷3)^.10⁹ А/м² в полі 10÷12 Тл, але середня за перерізом провідника густина струму більш, ніж на порядок менша, оскільки у зв’язку з технологічними причинами не вдається одержати провідник з вмістом Nв₃Sn більшим кількох %.

Проблемою є також забезпечення умов теплової ізоляції, оскільки технологічна матриця таких провідників (бронза) має великий електричний опір.

Останнім часом розвиваються методи одержання так званих диспергованих провідників, які дозволяють підвищити концентрацію інтерметалоїдів у провіднику й покращити його механічні властивості.

Використовуються також провідники на основі з’єднань V₃Ga.

Технологія промислового виробництва таких перспективних з’єднань, як Nв₃Al, Nв₃Ge і т. і. поки що відсутня.

Як уже говорилось, сама ідея конструкції КЕМ визначає необхідність використання в них надпровідних обмоток з високою густиною струму – до (5÷7)^.10⁸ А/м².

У зв’язку з цим в них застосовуються звичайно частково-стабілізовані провідники з низьким рівнем стаціонарної стабілізації (α_с>1). У таких обмотках принципово не виключена можливість деградації й звичайно супровідні цьому ефектові тренування – поступове покращення характеристик після низки переходів до нормального стану.

Явища деградації й тренування визначаються тепловиділеннями в обмотці у процесі збільшення в ній струму й поля і пояснюються зменшенням критичного струму провідника при його нагріві під впливом збурень.

За своїми часовими параметрами збурення розрізняють тривалі й миттєві (імпульсні), за просторовими – об’ємні й локальні або точкові. Тривалі збурення характеризуються потужністю тепловиділення в елементах обмотки у зв’язку, наприклад, з поганим електричним контактом у спаї провідника, втрат у композитному провіднику в змінному полі, механічним гістерезисом матеріалу обмотки. Тривалі збурення відтворюються з кожним збудженням обмотки й не можуть бути причиною тренування. Звичайно вони передбачувані, їхній вплив може бути врахований у проектуванні й розробці технології виготовлення обмотки. Запас стійкості обмотки за цих умов може бути забезпечений вибором величини робочого струму такою, щоб вона складала деякі частки від критичного струму короткого зразка провідника І_с. Так, "типова" погано стабілізована обмотка, розрахована на створення поля 6 Тл з відсутністю деградації, дозволяє пропустити струм (0,8÷0,9) І_с з потужністю об’ємного тепловиділення порядка 1кВт/м³.

Чутливість надпровідного стану обмотки до імпульсних точкових збурень обговорювалась у §7.3.

Такі збурення погано передбачувані та, як показує досвід, є головним джерелом тренування й деградації.

Якщо використовуються внутрішньо стабілізовані композитні провідники, в яких відсутні термомагнітні нестабільності, то основною причиною імпульсних збурень в обмотці є механічні напруги в її елементах – результат електродинамічних сил, діючих при протіканні струму по обмотці.

Енергетичне джерело механічних збурень в провіднику – запасена обмоткою енергія магнітного поля. У полі 6 Тл густина магнітної енергії складає 1,4^.10⁷ Дж/м³, що приблизно у 2^.10⁴ разів більше, ніж густина енергії об’ємних збурень, які викликають деградацію струму на 10%.

Імпульсне локальне виділення частини цієї енергії ще більш небезпечне. Джерелом такого збурення може бути рух окремого витка обмотки, який утримується в рівновазі силами тертя об оточуючі елементи обмотки, наприклад, сусідні витки. Якщо сила, діюча на виток з боку магнітного поля, в якийсь момент часу перевищить силу тертя, виток стрибком переміститься в нове положення рівноваги, причому більша частина роботи переміщення виділиться у вигляді теплоти. Оцінювання показують, що для тієї ж "типової" обмотки з переміщенням витка на 2÷3 мкм рівень деградації становить 50%.

Ця обставина вимушує жорстко закріплювати витки, вибирати матеріал ізоляції провідника й контактуючих з ним елементів обмотки з урахуванням необхідності забезпечення плавного стійкого ковзання у взаємних переміщеннях, при якому потужність тепловиділення мала. Такій вимозі відповідний склотекстоліт та задовільно – тефлон, у якого малий коефіцієнт тертя при кімнатній температурі.

Загальновживаним конструкторським та технологічним заходом закріплення витків у обмотці є просочування її епоксидними компаундами.

Наявність в обмотці крихкого при низьких температурах компаунда в свою чергу призводить до появи в ньому імпульсних тепловиділень, які супроводжують звільнення частини запасеної в ньому енергії пружної деформації при створенні тріщин. Ця енергія запасається в обмотці за рахунок електродинамічних сил та термічних напруг, виникаючих внаслідок різних коефіцієнтів термічного стискання компаунда й матеріалу провідника при охолодженні обмотки. Оцінювання показує, що величина запасеної пружної механічної енергії цілком порівнювана з густиною запасеною магнітної енергії.

Таким чином, основними вимогами, які ставляться до компаундів для просочування надпровідних систем, є вимога достатньо великої енергії зруйнування та близькості значень коефіцієнтів термічного стиснення до характерного для провідника й інших конструктивних елементів обмотки.

Низка експериментальних результатів визначає особливу роль зсувних напруг в обмотці при руйнуванні компаунда й переміщенні витків. Ця обставина, ймовірно, є однією з причин того що згідно зі спостереженнями деградація обмоток, які є під механічним впливом силових елементів конструкції "бандажів, каркасів", особливо обмоток складної конфігурації типу диполів та квадруполів, більше ймовірна, ніж у вільних обмотках осесиметричної форми.

Ще однією причиною деградації можуть бути механічні збурення в структурі самого провідника у зв’язку з переривчастим характером деформації матеріалів при низьких температурах. Але такі збурення можуть з’явитись при більш високих, ніж в реальних обмотках, рівнях деформації.

Просочування обмоток компаундом може відбуватись при намотуванні шаровим промащуванням з полімеризацією при температурі, близькій до кімнатної, або після закінчення намотування під вакуумом з подальшою термообробкою при підвищених температурах. Останній варіант технології кращий, оскільки забезпечує більш високу якість просочування, але не завжди придатний для крупних обмоток.

Технологія виготовлення обмоток з провідників на основі Nв₃Sn має деяку специфіку, яка визначається крихкістю цього надпровідника, який руйнується або суттєво погіршує свої параметри під впливом механічних напруг при намотуванні. Такі обмотки звичайно намотуються не термообробленим провідником і термообробляються при температурі 650–700 ⁰С у вакуумі або інертному газі вже у готовому вигляді.

Тому для ізоляції провідника доводиться використовувати високотемпературне скловолокно. Просочування компаунда виконується після термообробки. Слід враховувати, що термооброблена обмотка до просочування надзвичайно чутлива навіть до малих механічних впливів і потребує дуже обережного ставлення.

Досвід створення надпровідних обмоток з високою густиною струму свідчить про те, що чим крупніша обмотка, тим більше вона схильна до деградації й тренування. Причини цього розмірного ефекту ще не досить зрозумілі. Одне з можливих пояснень полягає в тому, що ймовірність появи збурень більших ніж порогове приблизно постійна для одиниці об’єму обмотки й для обмотки в цілому і зростає зі збільшенням її розмірів.

Розглянута техніка створення надпровідних обмоток з внутрішньо стабілізованих композитних провідників з використанням просочення компаундом, який має мінімальну ймовірність створення тріщини, застосовна до обмоток не дуже великих розмірів (0,2÷1,0 м) із запасеною енергією порядка одиниць мегаджоулів. При створенні більших обмоток доводиться або допускати інтенсивне тренування й значну невизначеність граничних параметрів, або виконувати їх з провідників більш стаціонарно стабілізованих та краще охолоджуваних забезпеченням доступу рідкого гелію у внутрішні області для підвищення порогу стійкості надпровідного стану. При цьому середня густина струму в обмотці зменшується.

Вже на стадії проектування надпровідної обмотки повинна бути вибрана ефективна система її захисту, яка забезпечувала б її надійність при аварійному переході в нормальний стан.

Енергія магнітного поля, яка запасається в обмотці, досягає значної величини. За неконтрольованого переходу в нормальний стан вся вона виділяється на ділянці обмотки, яка втратила надпровідність. При цьому відбувається нагрів цієї ділянки, який може призвести до ушкодження ізоляції при температурі ~500К або навіть до розтоплювання провідника при більш високих температурах.

Оцінювання і досвід показують, що навіть у не дуже великих обмотках з високою густиною струму такі ступені нагріву досить ймовірні.

З переходом швидко зростає опір нормальної зони викликаючи згасання струму. В результаті на нормальній ділянці виникає змінна у часі напруга, максимальне значення якої досягає кількох кіловольт і більше, що призводить до електричного пробою.

Навіть якщо обмотка виконана з повністю або частково стабілізованого провідника, швидкість розповсюдження нормальної фази в якому обмежена, завжди слід враховувати можливість такої аварійної ситуації, в котрій відбувається суттєве погіршення умов охолодження і тому – зниження рівня стабілізації, яке призводить до лавиноподібного розповсюдження нормальної зони.

Із попереднього викладення очевидна необхідність ефективних методів захисту надпровідних магнітних систем. Захист повинен вирішувати три основні задачі:

- зменшення величини перенапруги на ділянці обмотки., яка перейшла в нормальний стан, для усунення пробою ізоляції;

- зменшення частки запасеної енергії, яка виділяється на ділянці обмотки, яка перейшла в нормальний стан, для усунення її перегріву (розтоплення);

- зменшення частки запасеної енергії, яка виділяється в низькотемпературній зоні магнітної системи для усунення випаровування великих кількостей рідкого гелію.

Найбільш розповсюджений метод захисту, аналогічний системам гасіння поля, який застосовується у великих електричних машинах.

З появою нормальної зони в обмотці магнітна система вимикається від джерела живлення й розряджається на зовнішній навантажувальний опір, який розташований поза кріогенною частиною системи при кімнатній температурі. При цьому очевидно, що чим більший цей опір у порівнянні з опором ділянки надпровідної обмотки, яка перейшла в нормальний стан, тим більша частина запасеної в системі енергії виділяється поза кріостатом і тим менше тепловиділення на ділянці надпровідної обмотки, яка перейшла в нормальний стан, тим скоріше зменшується струм в ланцюзі обмотки, тобто тим меншою буде різниця потенціалів на нормальній ділянці. Величина зовнішнього опору обмежується умовами електричної міцності корпусної та внутрішньої обмоткової ізоляції. Для великих обмоток максимальна напруга, яка виникає на кінцях обмотки при її вимкненні звичайно становить 1÷3 кВ.

Кількісний розрахунок параметрів переходу в нормальний стан досить складний і передбачає використання ЕОМ. Для оцінювання перегріву й вимог до системи захисту можливо використати співвідношення, одержані з припущенням нагріву провідника, який перейшов у нормальний стан, в адіабатичних умовах:

, (7.6)

де

– густина струму в матриці композитного провідника з припущенням, що весь струм витиснений в матрицю;

τ – стала часу експоненціального розряду після вмикання системи захисту;

Т_В – робоча температура обмотки;

Т_m – максимальна температура розігріву;

, – теплоємність та питомий електричний опір матриці;

– універсальна функція, яка залежить від фізичних властивостей матеріалу матриці.

Наявність в обмотці з надпровідника ізоляції матеріалу просочення може бути врахована при визначенні .

Застосовуються також методи пасивного (внутрішнього) захисту, суть яких полягає в тому, щоб досягти перерозподілу енергії в середині обмотки у процесі переходу для зменшення густини тепловиділення на нормальних ділянках та прискорення перехідного процесу. Розповсюджений метод захисту полягає в секціонуванні обмоток, при чому під секціями розуміють індуктивно пов’язані частини обмоток, в яких можливе несинхронне змінення струму.

Використовуються різні схеми вмикання секцій, зокрема послідовне або паралельне, з шунтуванням їх зовнішніми опорами, на яких в процесі переходу розсіюється частина енергії. При паралельному вмиканні перехідний процес визначається в основному параметрами секції, а не обмотки в цілому.

Контрольні запитання

1. Чому застосування надпровідних трансформаторів є перспективним? Кріопровідні та надпровідні обмотки.

2. Що таке кріостат? Наведіть приклад конструктивної схеми дослідницького кріостата. Поясніть його будову. Якою може бути кріогенна рідина?

3. Що таке надпровідність? Коли й ким відкрите це явище? Які залежності опору від температури для чистих металів та з дефектами в структурі й домішками?

4. Що таке критичні температура й індукція магнітного поля? Які речовини мають властивості надпровідності? За яких умов? Навести приклади.

5. Що таке надпровідники І та ІІ роду? Які їхні магнітні властивості? Навести графіки залежності магнітної індукції в об’ємі надпровідника від індукції зовнішнього магнітного поля. Чим пояснюються різні магнітні властивості надпровідників І та ІІ роду?

6. Яку структуру створюють надпровідні й нормальні області в надпровіднику ІІ роду? Що таке флюксоїди?

7. Як ведуть себе квантовані вихори при пропусканні транспортного струму, який не співпадає за напрямом з магнітним полем? Чому виникає дисипація енергії в такому випадку?

8. Що являють собою не ідеальні провідники ІІ роду? Які їхні суттєві властивості? Що таке центри пінінгу? Як взаємодіють вихори потоку? Що таке граничний стан?

9. За якими кривими відбувається перемагнічування не ідеальних надпровідників ІІ роду? Що таке стрибок потоку? Як та чому це впливає на температуру надпровідника та його перехід до нормального стану?

10. Як пов’язані між собою критичні густина струму, індукція магнітного поля та температура для не ідеальних надпровідників ІІ роду?

11. Що таке деградація струму в провідниках надпровідної обмотки? Яка чутливість надпровідників до імпульсних збурень? Що таке стабілізація надпровідників і які її різновиди?

12. Що таке композитні провідники? Яка стійкість композитного провідника до імпульсних збурень?

13. Якої конструкції повинен бути композитний провідник стійкий до струмів близьких до критичного? Як забезпечується однорідний розподіл магнітного поля в композитному надпровіднику?

14. Які повинні бути за конструкцією композитні провідники, які є під дією змінних або імпульсних полів? Що таке гістерезисні та кооперативні втрати в композитних надпровідниках? Як їх зменшують?

15. Яка відмінність внутрішньої стабілізації композитного надпровідника від теплової за її ефективністю? В чому полягає ідея теплової стабілізації?

16. Що таке параметр теплової стабілізації? Як він визначає стабілізацію композитного провідника? Чи завжди доцільно виконувати повністю стабілізовані обмотки?

17. З якого надпровідного матеріалу в наш час найчастіше виконують композитні провідники? Чим визначається критична густина струму?

18. Як виготовляють провідник? З чого виготовляють матрицю? Як виготовляють надпровідні жили? Що таке екструзія?

19. Як вносяться неоднорідності структури в надпровідник? Коли скручується за подовжньою віссю? Як схематично можливо показати поперечний переріз композитного провідника? Які поля створюються ніобій-титановими композитними провідниками?

20. З яких матеріалів виготовляють надпровідники для генерації високих полів? З яких матеріалів виготовляють матриці?

21. Що таке явище тренування в частково стабілізованому провіднику? Які різновиди збурень розрізняють за часовими та просторовими параметрами?

22. Як забезпечується запас стійкості обмотки? Які причини імпульсних збурень? Імпульсних локальних збурень в обмотці? Як запобігають таким збуренням?

23. Зсувні напруги в обмотках та деградація. Як виконується просочування обмоток компаундом?

24. Які особливості виготовлення обмоток з провідників на основі ніобій-олово?

25. Як залежить схильність обмотки до деградації й тренування від її об’єму? Що відбувається в обмотці при деградації? Яким та від чого повинен бути захист обмотки надпровідної системи?

_26. Що таке методи пасивного (внутрішнього) захисту надпровідних обмоток від деградації?

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: