[2]Изобретение относится к области электротехники: к токовводам с использованием сверхпроводящих модулей, в частности к токовводам с электрически параллельным соединением сверхпроводящих модулей.
[4]В патенте на полезную модель RU 103986 раскрывается соединение сверхпроводящего кабеля, которая может быть применена для соединения сверхпроводящего кабеля стоковыми вводами, соединения сверхпроводящего кабеля с другим сверхпроводящим или криорезистивным кабелем, соединения экранов сверхпроводящих кабелей, а также создания отводов от сверхпроводящего кабеля. Силовой токонесущий элемент выполнен в виде набора гибких проводов на основе стандартного гибкого медного провода, каждая СП-лента кабеля подсоединяется к строго определенному количеству гибких проводов, образуя последовательное электрическое соединение, причем подсоединение выполняется таким образом, чтобы обеспечить заданные переходные сопротивления в месте контакта для каждой сверхпроводящей ленты кабеля. Далее набор гибких проводов подсоединяется к токовводу так, чтобы обеспечивалось равное входное сопротивление для каждой из сверхпроводящих лент кабеля (например, обжатие на одинаковой длине от места пайки к сверхпроводящим лентам). Для создания необходимой электрической прочности используется изоляционная вставка из диэлектрического материала, хорошо работающего при криогенных температурах.
[5]Однако гибкие провода склонны к вибрациям, сопровождающим рабочий режим устройств, неравномерному заполнению пространства, и они не могут быть использованы в условиях жесткого ограничения в габаритах - может возникнуть пробой от гибкого провода на корпус криостата. Кроме того, такое соединение достаточно технологически сложно паяется из-за гибкости как проводов, так и лент.
[6]Наиболее близким токовводом к предложенному является токоввод по заявке US 2016217889.
[7]Данный токоввод включает в себя первую сверхпроводящую ленту, которая электрически соединяет первый и второй терминалы, вторую сверхпроводящую ленту, которая соединена с первой сверхпроводящей лентой параллельно, и электрически соединяет первый и второй терминалы, и дополнительно - одну или две сверхпроводящих ленты, которые электрически соединяют первую сверхпроводящую ленту и вторую сверхпроводящую ленту. Из материалов данного патента следует, что ленты соединяются путем пайки. Каждый терминал снабжен симметрично расположенными контактными выводами, один из которых связан с источником тока, а второй - со сверхпроводящим устройством.
[8]Известное изобретение, по мнению его авторов, позволяет стабильно поддерживать подачу электрического тока.
[9]Однако технической проблемой, присущей известному техническому решению, является то, что оно не применимо для стабильной работы на значениях тока, близких к критическим.
[10]Объясняется это следующим.
[11]Ток идет по пути наименьшего сопротивления. То есть в случае возникновения слабого места в сверхпроводящей ленте весь ток, рассчитанный на две сверхпроводящие ленты, потечет по одной, что с большой долей вероятности приведет к перегоранию сверхпроводника при токах, близких к критическому. В сверхпроводнике сопротивления нет, оно возникает только в местах пайки сверхпроводящих лент. Большое количество паяных соединений в известном устройстве приводит к появлению в соединяемых сверхпроводящих лентах резистивного сопротивления, как следствие, нагреву токоввода и выхода всей системы из строя.
[12]Важно также то, что если не будет учитываться расположение контактных выводов, то в лучшем случае в токовводе не будет обеспечена равномерная нагрузка по всем сверхпроводящим модулям, а в худшем - произойдет последовательное перегорание всех сверхпроводящих модулей при значительном превышении критического тока.
[13]Раскрытие сущности изобретения.
[14]Решаемой изобретением технической проблемой является устранение недостатков, присущих известному техническому решению, а именно обеспечение стабильной эксплуатации токоввода при значениях тока, близких к критическим, за счет равномерного распределения тока по всем сверхпроводящим модулям, что позволяет использовать их сверхпроводящие свойства в полной мере. Кроме того, равномерное распределение тока по всем лентам при предлагаемой геометрии позволяет производить соединение сколь угодно большого количества параллельных сверхпроводящих модулей, что даст возможность создания сильноточного токоввода.
[15]Данная техническая проблема решается сверхпроводящим токовводом, включающим установленные параллельно друг другу подводящую и отводящую шины, каждая из которых снабжена контактными выводами, где упомянутые подводящая и отводящая шины механически и электрически соединены между собой геометрически параллельно установленными сверхпроводящими модулями с образованием параллельного электрического соединения упомянутых модулей, отличающимся тем, что контактные выводы расположены на противоположных концах подводящей и отводящей шин.
[16]В частных воплощениях изобретения поставленная задача решается токовводом, у которого сверхпроводящий модуль выполнен из высокотемпературных сверхпроводящих лент второго поколения.
[17]Сверхпроводящий модуль упомянутого токоввода может быть выполнен из высокотемпературных сверхпроводящих лент второго поколения на основе YBCO.
[18]В других воплощениях изобретения сверхпроводящий модуль может быть выполнен в виде пакета соединенных между собой параллельно расположенных лент.
[19]Либо сверхпроводящий модуль может быть выполнен в виде пакета соединенных между собой скручиванием лент.
[20]Либо сверхпроводящий модуль токоввода может быть выполнен в виде бифилярной катушки из упомянутых лент.
[21]Краткое описание чертежей.
[22]На фиг. 1 приведена электрическая схема токоввода с симметричным подключением контактных выводов (сравнительный пример).
[23]На фиг. 2 приведена электрическая схема токоввода с асимметричным подключением контактных выводов.
[24]На фиг. 3 приведено схематическое изображение токоввода со сверхпроводящим модулем в виде ВТСП ленты или пакета лент.
[25]На фиг. 4 приведено схематическое изображение токоввода со сверхпроводящим модулем в виде скрученного пакета ВТСП лент.
[26]На фиг. 5 приведено схематическое изображение токоввода со сверхпроводящим
[27]модулем в виде компактного сильноточного кабеля (CORC) из ВТСП лент.
[28]На фиг. 6 приведено схематическое изображение токоввода со сверхпроводящим модулем в виде бифилярной катушки из ВТСП лент.
[29]Сущность изобретения состоит в следующем.
[30]Как известно, сверхпроводники не имеют сопротивления. Но при определенном значении транспортного тока (критический ток) в сверхпроводнике появляется нормальная составляющая, вызывающая резистивное сопротивление. Причем, чем больше ток, тем выше сопротивление.
[31]На фиг. 1 и 2 приведены электрические схемы подключения сверхпроводящих модулей: симметричное подключение сверхпроводящих модулей, предусмотренное в токовводе в соответствии с US 2016217889, и асимметричное подключение сверхпроводящих модулей в соответствии с изобретением.
[32]При симметричном параллельном подключении сверхпроводящих модулей (фиг. 1), как в известном устройстве (где R - электрическое сопротивление шины, a SCn - электрическое сопротивление сверхпроводящего модуля, равное нулю в сверхпроводящем состоянии и возрастающее по степенной зависимости при превышении транспортным током значения критического тока), мы видим, что при прохождении пути l-SC1-1' суммарное сопротивление будет R, тогда как уже при протекании тока через второй сверхпроводящий модуль SC2 току нужно проделать путь 1-2-SC2-2'-1' с суммарным сопротивлением 2R. И так далее. Ток через первый модуль SC1, равный U/R, в два раза больше, чем ток через второй модуль SC2 равный U/2R, и в n раз больше, чем ток через n-ый модуль SCn - U/nR. В таком случае сверхпроводящий модуль SC1 начнет переходить в нормальное состояние, так как по нему будет протекать максимальный ток. С переходом в нормальное состояние сопротивление модуля будет увеличиваться, пока не станет по значению равным 2-SC2-2', и тогда в нормальное состояние будет переходить 2-й сверхпроводящий модуль. И так далее. В итоге получаем, что сопротивление первых модулей должно уравновешивать сопротивление всей последующей цепи. В лучшем случае это даст неравномерную нагрузку по сверхпроводящим модулям в системе. В худшем - последовательное перегорание сверхпроводящих модулей при значительном превышении критического тока.
[33]При асимметричном подключении в соответствии с изобретением (фиг. 2) суммарное сопротивление при прохождении тока через каждый сверхпроводящий модуль будет одинаковым и равно 
. Следовательно, распределение тока по всем сверхпроводящим модулям будет равномерным, что позволяет использовать их сверхпроводящие свойства в полной мере в отличие от симметричного подключения.
[34]Полученное благодаря такому соединению равномерное распределение тока по всем сверхпроводящим модулям позволяет соединять параллельно сколь угодно большое количество сверхпроводников, количество которых может быть выбрано равным отношению суммарного тока через токоввод к критическому току сверхпроводящих модулей. Таким образом, данный вид подключения дает возможность создания сильноточных токовводов без опасений на перегрузку сверхпроводящих модулей по току.
[35]Осуществление изобретения.
[36]Токоввод в соответствии с изобретением (см. фиг. 3) включает подводящую (1) и отводящую (2) шины, каждая из которых снабжена контактными выводами (3) и (4), расположенными на противоположных концах подводящей (1) и отводящей (2) шин. Контактный вывод (3) может быть соединен с источником тока (не показан), а контактный вывод (4) может быть соединен с электротехническим сверхпроводящим устройством, например мотором. Обе шины электрически соединены между собой геометрически параллельно установленными сверхпроводящими модулями (5) с образованием параллельного электрического соединения этих модулей.
[37]Для выполнения сверхпроводящего модуля могут быть использованы любые виды применяемых в электротехнических устройствах сверхпроводников: низкотемпературные сверхпроводники (NiTi, NiSn и другие), переходные сверхпроводники (MgB2, FeAs и другие), а также высокотемпературные сверхпроводники (кратко ВТСП) (как ВТСП 1-го поколения, так и ВТСП 2-го поколения), которые в последнее время получили большое распространение благодаря высоким значениям плотности тока, температуре перехода в сверхпроводящее состояние выше 77 К.
[38]ВТСП лента 2 поколения включает подложку, например, из сплава на основе никеля, последовательно расположенные буферные слои - из оксида алюминия, манганита лантана, оксида магния и оксида церия и т.д., сверхпроводящий слой на основе гадолиний-бариевого купрата, слой серебра и слой меди.
[39]Геометрия реализации сверхпроводящих модулей произвольна, существенным является тот факт, что модули (5) устанавливаются геометрически параллельно и образуют параллельное электрическое соединение, а сам сверхпроводящий модуль (5) может быть произвольной конструкции.
[40]Сверхпроводящим модулем может быть:
[41]- одиночная сверхпроводящая лента или стопка параллельно уложенных сверхпроводящих лент;
[42]- скрученный пакет (51) сверхпроводящих лент (популярное решение для мощных магнитов для создания полей, способных удержать плазму в термоядерной реакции) (фиг. 4);
[43]- кабель (52), в частности кабель CORC (компактный сильноточный кабель из гибких современных ВТСП лент) (фиг. 5);
[44]- бифилярная катушка (53) сверхпроводящей ленты (фиг. 6) и другие.
[45]В качестве шин могут быть использованы шины из электротехнической меди.
[46]В качестве контактных выводов могут быть использованы как неразборные контактные соединения (пайка, опрессовка и т.д.), так и разборные контактные соединения (крепеж с контргайкой, с пружинной шайбой, с гнездовым соединением, прижимной и т.д.).
[47]Крепеж сверхпроводящих модулей (5) к шинам (1) и (2) осуществляется следующим образом: сверхпроводящий модуль в случае наличия клеммы на конце прижимается к шине с отверстием с резьбой при помощи болтов, а при использовании одиночных сверхпроводящих лент применяется прижимной контакт, когда медная пластина притягивается болтами к шине, и прижимает расположенную между пластиной и шиной сверхпроводящую ленту.
[48]Пример конкретного выполнения.
[49]Между подводящей (1) и отводящей (2) шинами геометрически параллельно устанавливали сверхпроводящие модули (5), выполненные в виде бифилярной катушки (см. фиг. 6) таким образом, чтобы получить электрически параллельное соединение данных модулей (5). Всего было использовано 8 катушек, расстояние между ними составляло 70 мм, длина шины составляла 600 мм, а ее ширина 80 мм.
[50]Модули изготовляли из ВТСП лент второго поколения YBCO шириной 12 мм с критическим током 500 А, обмотанных в стеклоткань для изоляции от соседних повивов в катушке. Намотка проводилась на ступицы диаметром 100 мм, с шагом 3 мм, с длиной ленты 66 м в каждой из бифилярной катушки.
[51]Модули (5) соединяли с шинами (1) и (2) путем применения прижимов: ВТСП лента помещалась между медной пластиной и шиной, а пластина притягивалась к шине с помощью 8 болтов, вкручивающихся в отверстия с резьбой в шине.
[52]Контактный вывод (3) прикреплялся к одному из концов шины (1), а контактный вывод (4) прикреплялся к противоположному концу шины (2) при помощи болтового соединения клеммы контактных выводов и шин.
[53]Контактный вывод (3) подсоединялся к источнику тока (не показан), а контактный вывод (4) подсоединялся к сверхпроводящему устройству - электромотору.
[54]Как следует из схемы, приведенной на фиг. 2, при таком (асимметричном) исполнении токоввода суммарное сопротивление на каждом сверхпроводящем модуле одинаковое, и вследствие этого токи распределяются равномерно по всем сверхпроводящим модулям.
[55]В то время, как при неправильном (симметричном, фиг. 1) подключении, свойственном известному токовводу, сопротивления на каждом сверхпроводящем модуле различные, и токи делятся в соответствии с этим сопротивлением. Это приводит к тому, что происходит неравномерная токовая нагрузка по сверхпроводящим модулям в токовводе, что может служить первичным фактором поочередного перегорания сверхпроводящих модулей.
