Системи охолодження тягових трансформаторів

 

За умовами роботи тягові трансформатори потребують охолодження високої інтенсивності. Оскільки окремі частини обмотки нагріваються нерівномірно, охолодження повинно зрівнювати місцеві перевищення температури.

Сучасні тягові трансформатори мають систему примусового охолодження масла, циркулюючого за допомогою насоса. В контур циркуляції входять теплообмінники, розташовані звичайно на баці трансформатора. Теплообмінники продуваються повітрям, що суттєво підвищує ефективність системи.

Процеси охолодження залежать від допустимих перевищень температури частин трансформаторів і від теплових навантажень на поверхні теплообміну. Для тягових трансформаторів з переважно паперовою ізоляцією обмоток допускають перевищення температури для обмоток 70°С (вимір за опором); для поверхонь осердь –75°С (вимір за допомогою термодатчиків); для верхнього шару масла 60°С (вимір за допомогою термодатчиків).

Масляні баки тягових трансформаторів є основною несучою частиною, на яку діють різні навантаження. Крім навантажень, властивих трансформаторам загальнотехнічного виконання, при розрахунку баків тягових трансформаторів враховують впливи додаткових динамічних навантажень як за умов нормальної експлуатації, так і виникаючих в екстремальних режимах. До статичних додають навантаження, обумовлені динамічними інерційними прискореннями a_д. Крім того, проводять спеціальний перевірочний розрахунок на вплив горизонтального динамічного прискорення , яке виникає при лобовому ударі 2,5МН. Враховують також перекидаючі моменти від виймальної частини трансформатора в такому режимі.

Хоча звичайно трансформатори встановлюють у кузові електровоза на гумових амортизаторах, що забезпечує приблизно рівномірний розподіл навантаження між всіма опорами, виконують перевірочний розрахунок за умови, що все навантаження розподіляється лише між двома опорами, розташованими діаметрально протилежно.

Тягові трансформатори – значна частина загальної маси електричного обладнання електрорухомого складу змінного струму. Тому одна з головних задач їхнього перспективного удосконалення – зменшення маси й габаритних розмірів. Крім того – підвищення допустимих температур, що пов’язано зі збільшенням теплостійкості ізоляції, масла, а також – інтенсифікацією охолодження. Це пов’язано як з конструктивними, так і з технологічними заходами. Наприклад, конструктивні – удосконалення внутрішніх масляних потоків, підвищення циркуляції масла і т. і.; технологічні – створення більш тонких ізоляційних покрить, технологічне забезпечення ламінарності масляних потоків, покращення властивостей трансформаторного масла.

 

Контрольні запитання

 

1. Призначення тягових трансформаторів. Як визначається їхня потужність?

2. Розміщення тягових трансформаторів на електрорухомому складі.

Габаритні та масові обмеження.

3. Як впливають динамічні та термічні сили на конструктивні елементи тягового трансформатора?

4. Як враховуються при проектуванні тягового трансформатора

нестабільності напруг та навантажень?

5. Які особливості навантаження обмоток тягових трансформаторів?

6. Коли застосовують регулювання напруги на тяговому трансформаторі?

Поясніть принципи простого та зустрічно-узгодженого регулювання напруги вторинної обмотки за допомогою відповідних електричних схем.

7. Поясніть на прикладі електричної схеми принцип регулювання за

допомогою автотрансформатора та двообмоткового тягового

трансформатора.

8. Навести конструктивну схему та пояснити принцип роботи тристрижневого тягового трансформатора

9. Як підраховується коефіцієнт типової потужності для тягового

трансформатора? Які особливості в цьому розрахунку при регулюванні кута відпирання тиристорів?

10. Які варіанти конструкцій активної частини тягового трансформатора застосовують, зважаючи на динамічні сили, які діють на трансформатор?

11. Які конструкціі магнітопроводів та обмоток застосовують в тягових трансформаторах? Чому? Наведіть схеми шихтування.

12. Які особливості конструкції тягових трансформаторів з горизонтальним розташуванням магнітопроводу? Де це застосовується?

13. Які особливості охолодження тягових трансформаторів? Які допустимі температури?

14. Які особливості конструкції масляного баку тягового трансформатора?

15. Які перспективні напрями зменшення маси й габаритних розмірів тягових трансформаторів?

 

 

Розділ 7. Надпровідність та перспективи її застосування в трансформаторобудуванні

Загальні відомості

Створення надпровідних трансформаторів для практичного широкого застосування є дуже важливою проблемою. Суттєвим є те, що в них відсутні теплові втрати. Надпровідні трансформатори великої потужності (до 1 млн.кВт) значно компактніші у порівнянні зі звичайними трансформаторами. Компактність таких трансформаторів забезпечується ще й тим, що в них можливо взагалі не використовувати сталь як магнітний матеріал. Створювані надпровідниками магнітні поля значно перевищують за індукцією та напруженістю ті, які реалізуються в сталевих матеріалах.

Специфічні особливості надпровідної обмотки й кріостата, який став невід’ємною частиною електричної машини, значно ускладнили її конструкцію й технологію виготовлення. В наш час, не дивлячись на труднощі, великі електротехнічні фірми у світі не послаблюють своїх зусиль для вирішення складної, але перспективної технічної задачі.

За величиною робочої температури обмотки поділяють на кріопровідні та надпровідні. Дія кріопровідної обмотки ґрунтується на властивості металу (наприклад, алюмінію високої чистоти) зменшувати свій опір на 2÷3 порядка при водневих температурах (Т=20÷25 К). Тепловиділення в кріопровідних обмотках викликає великі втрати холодоагенту, тому їхнє застосування обмежене. В надпровідних обмотках з температурою 4,2÷10 К при протіканні постійного струму опір практично дорівнює нулеві.

Змінний струм викликає втрати, які залежать від конструкції надпровідного дроту та величини індукції. Проблеми створення такої конструкції обмоткового дроту, застосування якої на змінному струмі було б доцільне, знаходиться у стадії вирішення.

Звичайно кріостатом називають пристрій, у внутрішньому об’ємі якого підтримується кріогенна температура, необхідна для фізичних дослідів, або для забезпечення роботи різних приладів та конструкцій (наприклад, надпровідних магнітів). В залежності від призначення кріостати мають індивідуальні особливості, але існують загальні принципи, якими користуються, розробляючи кріостати. Ці принципи охоплюють питання конструкції, теплоізоляції і теплопередачі.

Одна з найпростіших конструктивних схем дослідницького кріостата, призначеного для роботи з гелієм, наведена на рис.7.1 [24].

Рис. 7.1. Конструктивна схема кріостата

 

Робоча камера 1 з розміщеним у ній об’єктом дослідження 2 розташовується в корпусі кріостата 3. В зазорі між робочою камерою й корпусом розташований тепловий екран 4. Простір між корпусом і тепловим екраном вакуумовано. Тиск у вакуумній порожнині знаходиться в межах 0,01÷0,001 Па. Робоча порожнина кріостата закрита герметичною кришкою 5, до якої закріплюється об’єкт дослідження і в якій є герметичні рознімання для струмовводів, вимірювальних перетворювачів, проходи для заливання робочої порожнини рідким гелієм та для виходу пари.

Робоча порожнина такого кріостату називається також гелієвою порожниною, а зона, заповнена рідким гелієм, – зоною кріостатування.

Тепловий екран, необхідний для захисту від теплоприливу випромінюванням, може заповнюватись рідким азотом або рідким воднем. У верхній частині гелієвої порожнини може встановлюватись ще один захисний тепловий екран.

У якості кріогенної рідини, крім гелію, водню та азоту, може використовуватись кисень.

 

Надпровідники

Як уже говорилось, основним, принципово новим елементом кріогенної електричної машини, який визначає її конструктивні особливості, є надпровідні обмотки. Вони виконуються з використанням надпровідних дротів, до складу яких входять струмонесучі елементи з надпровідника – речовини, яка за деяких умов знаходиться у надпровідному стані.

Явище надпровідності, відкрите голландським фізиком Каммерлінг-Оннесом у 1911р., полягає в повному зникненні опору при кінцевій температурі. Надпровідник може знаходитись або в нормальному стані, в якому опір має кінцеву величину, або в надпровідному. Намагання експериментально виміряти електричний опір в цьому стані показали, що він в усякому разі менший від величини 10^-22 Ом^.см. Таким чином, з великою точністю його можливо вважати дорівнюючим нулеві.

Характерним для багатьох існуючих надпровідників є те, що вони виявляють надпровідні властивості тільки при низьких, так званих, кріогенних температурах. Тому будь-яка надпровідна магнітна система, окрім надпровідної обмотки, повинна мати систему, яка забезпечує підтримку кріогенних температур звичайно близьких до температури кипіння рідкого гелію Т=4,2 К. Труднощі створення цієї системи сумірні з труднощами створення самої обмотки, що сильно впливає на техніко-економічні й інші показники надпровідних пристроїв.

На рис.7.2 показано типові криві R(T). Температурний інтервал, в якому опір R змінюється від кінцевої величини до нуля, для зразків монокристалів чистих металів може бути дуже вузьким – менше 0,001К (крива 1). В цьому випадку можливо вважати, що перехід в надпровідний стан відбувається за точно визначеною критичною температурою Т_с. Якщо зразок має дефекти в структурі гратки та домішки, перехід відбувається в кінцевому інтервалі температур (крива 2). В цьому випадку вважають, що Т_с^’ – температура, за якої опір R вдвоє зменшується у порівнянні з тією величиною, яку мала речовина на початку переходу.

Рис. 7.2. Залежність опору надпровідника від температури

 

Для кожного надпровідника існує також характерне критичне значення індукції магнітного поля В_с, яке руйнує надпровідний стан. Це значення залежить від температури, збільшуючись з її зменшенням. Якщо Т=Т_с, то В_с=0. Якщо Т→0, то В_с досягає максимального значення.

В наш час відкрито біля 26 елементів та більше 3000 стопів та з’єднань, які мають властивість надпровідності. Наприклад Hg (Т_с=4,15 К), Ті (Т_с=0,39 К), Nb₃Al (T_с=18,7 К) і т. д. Низка речовин набуває властивість надпровідності при тисках порядка 100 кбар.

За своїми основними якостями надпровідники поділяються на два класа: І та ІІ роду.

Найбільш суттєво надпровідники різних класів відрізняються характером змінення магнітних властивостей при переході у надпровідний стан.

Зразки надпровідників І роду, переходячи в надпровідний стан, повністю виштовхують з об’єму магнітний потік, перетворюючись на ідеальних діамагнетиків з магнітною сприйнятливістю χ = -1/4 (ефект Мейснера). Цей ефект оборотний і не залежить від шляху переходу, тобто послідовності охолодження зразка до Т=Т_с та вмикання магнітного поля. Зовнішнє магнітне поле проникає в такий надпровідник на дуже малу глибину λ=10^-5÷10^{-6 см, яка називається глибиною проникання. Очевидно, що електричні струми (екрануючі та від зовнішнього джерела) можуть протікати в надпровідниках І роду також лише в поверхневому шарі λ. До надпровідників І роду належать майже всі чисті надпровідні метали, окрім ніобія, ванадія й технеція. Ці речовини, а також майже всі стопи та з’єднання, належать до надпровідників ІІ роду.}

Надпровідники ІІ роду, які часто називаються високополевими, інакше взаємодіють з магнітним полем. До деякого значення індукції В_с1, яке називають першим або нижнім критичним полем, надпровідники ІІ роду ведуть себе ідентично надпровідникам І роду, демонструючи повний ефект Мейснера. При В=В_с1 магнітне поле починає проникати в зразок, не руйнуючи його надпровідності до значення другого (верхнього) критичного поля В_с2. Такі надпровідники зберігають надпровідний стан в полях, значно сильніших, ніж надпровідники І роду. При В_с1<В<В_с2 надпровідники ІІ роду – діамагнетики, які частково виштовхують магнітний потік. На рис.7.3 наведена залежність індукції магнітного поля в об'ємі зразка надпровідника ІІ роду В_і від величини зовнішнього прикладеного поля В_е.

 

Рис. 7.3. Залежність між індукціями внутрішнього та зовнішнього полів надпровідника

 

Приналежність надпровідника до того чи іншого класу визначається знаком поверхневої енергії межі розділу надпровідної та нормальної фаз Δ_sn. Якщо Δ_sn>0, то поверхня розділу фаз прямує до мінімуму й надпровіднику енергетично вигідно повністю витиснути нормальну фазу із зразка (надпровідність І роду). Якщо Δ_sn<0, то надпровідник створює структуру співіснуючих нормальних, в котрі проникає магнітне поле, й надпровідних областей, межі розділу яких прямують до максимуму. В цьому випадку магнітний потік виштовхується із зразка лише частково, що відповідає надпровідності ІІ роду.

В свою чергу, знак Δ_sn визначається співвідношенням між величинами λ й параметра ξ, який називається кореляційною довжиною. ξ має фізичний сенс характерного розміру носія надпровідного струму – електронної пари – стійкого утворення, в якому знаходяться електрони в надпровідному стані. Порядок величини λ=10^-4÷10^{-5 см. Якщо ξ>> λ, то Δ}_sn>0. При ξ<<λ Δ_sn<0.

В надпровідниках ІІ роду надпровідні й нормальні області створюють складну нитковидну структуру, яка називається мішаним станом. Ця структура складається з правильно розташованих ниток з діаметром порядка 2ξ, усередині яких стан речовини можна вважати нормальним, а індукція магнітного поля досягає максимального значення, спадаючи на межах до нуля на глибині проникнення λ (рис.7.4).

Рис. 7.4. Мішаний стан надпровідника другого роду

 

Нитки, які називаються також флюксоїдами, квантованими вихорами, вихорами потоку і т. д., мають постійне значення магнітного потоку φ₀=2,1^.10^-15 Вб.

Вони взаємодіють між собою, розподіляються по зразку рівномірно й створюють у загальному випадку правильну гратку.

Крива намагнічування (рис.7.3) зворотна для так званих "ідеальних" надпровідників ІІ роду, які є бездефектними зразками високої чистоти.

Якщо через зразок ідеального надпровідника ІІ роду пропускати струм зовнішнього джерела (транспортний струм), який не співпадає за напрямом з магнітним полем, розподіл вихорів у зразку стає нерівномірним, що еквівалентне виникненню сили Лоренца, яка прикладена до гратки вихорів. Ця сила вимушує вихори переміщуватись та викликає дисипацію енергії. Джерелом дисипації є локальні змінення у часі магнітної індукції, які генерують локальне відмінне від нуля електричне поле. Це поле призводить до того, що по серцевині нитки потоку, яка знаходиться у нормальному стані, починає протікати струм. Якщо вихори нерухомі, то електричне поле відсутнє, струм тече на глибині проникнення λ надпровідними областями й дисипації енергії не відбувається. Існують і інші джерела дисипації, характерні для рухомої гратки вихорів потоку.

Таким чином, на кінцях зразка ідеального надпровідника ІІ роду при протіканні по ньому транспортного струму виникає електрична напруга. Ефективне значення опору відмінне від нуля, тому такий надпровідник не може бути використаний як струмонесучий елемент надпровідного дроту.

У практиці використовують надпровідні матеріали, властивості яких значно відрізняються від властивостей ідеальних надпровідників. Ці речовини мають дефекти кристалічної структури, неоднорідності складу, й ведуть себе як надпровідники ІІ роду, тобто для них характерна наявність мішаного стану в магнітному полі, яке більше від першого критичного поля В_С1. Процес намагнічування у таких надпровідників незворотний (рис.7.3).

Найбільш суттєвою властивістю цих неідеальних надпровідників ІІ роду є можливість бездисипативно пропускати транспортний струм в присутності магнітного поля, яке не співпадає за напрямом зі струмом. Властивості таких надпровідників такі специфічні, що їх часто називають надпровідниками ІІІ роду або жорсткими надпровідниками.

В основі специфіки їхніх властивостей ­– механізм затримання (пінінг) вихорів потоку на центрах пінінгу. Такими центрами є неоднорідності матеріалу провідника – фізичні (неоднорідності гратки, крупні дислокації, межі зерен і т. і.) й хімічні (передвиділення фаз, межі неосновної фази і т. і.). Наявність таких неоднорідностей призводить до того, що вихори потоку, взаємодіючи з ними, попадають в потенціальну яму. Тому "розірвати" зв’язок вихор-центр пінінгу можливо лише витративши кінцеву енергію, силу деякої величини.

В одиниці об’єму надпровідника гратка вихорів зазнає в присутності струму й перпендикулярного поля впливу сили Лоренца

F_л=B^.j,

де j – густина струму.

До тих пір, поки ця сила (F_л<F_р) не перевищить об'ємної сили затримуючих центрів F_р, гратка вихорів нерухома і транспортний струм протікає, не викликаючи дисипації.

Якщо F_л>F_р, вихори потоку рухаються, тому ефективний опір відмінний від нуля.

Якщо F_л=F_р, то виникає граничний стан. Густина струму в цьому стані, очевидно, має максимально можливе значення й називається критичною густиною струму j_с

F_л=B^.j≤ B^.j_с= F_р. (7.1)

Величина F_р залежить від природи, концентрації та розподілу центрів пінінга, температури, індукції поля й інших факторів.

На основі викладеного формулюється узагальнена модель критичного стану неідеального зразка надпровідника ІІ роду: в будь-якій точці зразка надпровідника, в яку проникло магнітне поле, тече струм, густина якого дорівнює j_с, незалежно від того, чи це є струм, екрануючий це зовнішнє поле, чи струм зовнішнього джерела.

З моделі критичного стану витікає, що проникнення магнітного поля в неідеальний надпровідник ІІ роду призводить до його неоднорідного розподілу. При пропусканні транспортного струму по зразку у зовнішньому магнітному полі характер намагнічування залежить від порядку вмикання струму й поля.

В будь-якому випадку кінцевим є стан, коли струм у зразку тече в один бік і в будь-якій його точці j=j_с. При цьому значення повного струму також є критичним І_с. Подальше збільшення транспортного струму призводить до перевищення густиною стуму її критичного значення.

Зі зміненням зовнішнього поля й струму гратка вихорів потоку в перерізі зразка перебудовується, і з перебудовою генерується локальне електричне поле, яке призводить до дисипації енергії. Звідси випливає, що неідеальні надпровідники ІІ роду є ідеальними провідниками тільки в стаціонарних умовах, тобто при постійних струмі й полі. Змінення струму й поля призводять до втрат на перемагнічування, які мають гістерезисний характер (рис.7.3)

Механізм утримання потоку в таких провідниках визначає й низку інших специфічних особливостей.

Важливим для застосування надпровідників є ефект, який називається стрибком потоку або термомагнітною нестабільністю. Цей ефект пов’язаний з тією обставиною, що сила пінінгу F_р, а також і критична густина струму j_с зменшується зі зростанням температури.

Якщо за якимись причинами відбудеться флуктуація температури, то критична густина струму зменшиться, розподіл магнітного потоку у зразку зміниться, при цьому виділиться енергія, яка призводить до нового підвищення температури і т. д. Процес у загальному випадку може розвиватись лавиноподібно, доки температура зразка не перевищить критичну і він не перейде до нормального стану.

Композитні провідники

Критичними, тобто граничними параметрами, за яких існує надпровідний стан, для неідеальних надпровідників ІІ роду є критична густина струму j_с, критична індукція магнітного поля В_С2 та критична температура Т_С. Ці параметри взаємопов’язані.

Вид залежності j_с від поперечного магнітного поля випливає із залежності (8.1):

j_с= , (7.2)

де α й B₀ – емпіричні константи.

Константа α визначається об’ємною силою затримуючих центрів, а B₀ – обмеженням на значення j_с в нульовому магнітному полі.

Співвідношення (7.2) добре виконується звичайно до деякого значення індукції, близького до В_С2. У сильніших полях j_с швидко зменшується зі зростанням поля:

j_с~ ,

де n =2÷3.

У загальному випадку ефективність затримуючих центрів зменшується зі зростанням температури, тому j_с також зменшується з нагріванням надпровідника наближено за лінійним законом:

j_с(Т)= j_с(Т_В)[1- ], (7.3)

де Т_В – температура, при якій виконувались виміри "опорного" значення j_с(Т_В).

Значення другого критичного поля залежить від температури за законом, який не дуже відрізняється від лінійного:

В_С2(Т)=В_С0[1-()ⁿ], (7.4)

де В_С0 – друге критичне поле при Т=0, n =1÷1,5.

Сукупність значень j_с, В_С2 й Т_С створює так звану поверхню критичних параметрів надпровідника (рис.7.5).

Рис. 7.5. Критичні параметри надпровідника

 

На основі даних на поверхні критичних параметрів вибирається робоча температура надпровідної обмотки та співвідношення між максимальним значенням індукції магнітного поля в обмотці й густиною струму через надпровідний елемент провідника.

Надпровідники, які використовуються в техніці, дозволяють пропускати надпровідний струм з густиною більшою від 10⁹ А/м² в полі 5÷10 Тл.

Типові залежності критичної густини струму j_с від магнітного поля В при Т=4,2К для стопів Nв-Ті та Nв₃S_n подані на рис.7.6.

Рис. 7.6. Залежність j_с від індукції

 

Критичні густини струму j_с є граничними можливими значеннями, реалізація яких пов’язана з подолання так званої деградації (виродження) струму в провідниках обмоток. Ефект деградації і є передчасною (j<j_с) втратою провідниками надпровідного стану під впливом збурень, які призводять до імпульсних тепловиділень. Ці збурення можуть бути наслідком або механічного навантаження провідника та інших елементів обмотки (електродинамічні зусилля при збудженні обмотки струмом), або розвитку властивих критичному станові нестабільностей типу стрибка потоку.

У зв’язку з малими значеннями теплоємності речовин при низьких температурах та специфікою інших властивостей надпровідників їхня чутливість до імпульсних збурень дуже велика. Наприклад, миттєвого точкового виділення теплової енергії величиною 10^-9Дж достатньо для переводу в нормальний стан дроту із надпровідника діаметром 0,3мм в полі 6 Тл. Для порівняння наведемо приклад: енергія 10^-5 Дж виділяється при падінні голки з висоти 1 см. Після зародження нормальна зона при деяких умовах швидко розповсюджується надпровідниковим дротом, обмоткою, що може призвести до її ушкодження.

Конструкція провідника повинна враховувати ці обставини й мати елементи, які перешкоджають деградації.

Комплекс конструктивних заходів для усунення передчасного переходу надпровідників у нормальний стан, або для створення умов, при яких цей перехід і подальше існування нормальної зони контролюється, називають стабілізацією.

Методи стабілізації умовно розділяють на внутрішню та теплову (стаціонарну, кріостатичну) стабілізацію.

Обидві групи методів призводять до необхідності поряд з надпровідними струмонесучими елементами використовувати в конструкції дроту нормальні, звичайно високопровідні метали, шунтуючі надпровідник за всією його довжиною (нормальна матриця). Такі провідники (дроти) називають композитними або комбінованими.

Стійкість композитного провідника до збурень суттєво вища, ніж у "чистого" надпровідника. Так, порогова енергія теплового збурення типового композитного провідника приблизно з тими ж параметрами, що й у вищенаведеному прикладі "чистого" надпровідного дроту, становить 10^-6 Дж. Як у попередньому випадку, так і в цьому, порогові значення енергії подані при густині струму приблизно 0,9 j_с. Очевидно, що зі зменшенням густини струму запас стійкості зростає. Так, для розглянутого композитного провідника при j=(0,1÷0,2) j_с порогова енергія становить 10^-4 Дж.

Такі збурення вважаються "сильними", оскільки вони безпосередньо викликають перехід провідника в нормальний стан. Значно "слабші" збурення (температури, поля або струми), завжди існуючі в обмотці, можуть бути причиною розвитку внутрішніх нестабільностей надпровідного стану типу стрибка потоку, які також призводять до втрати надпровідності.

Методи внутрішньої стабілізації спрямовані на усунення стрибків потоку.

Очевидно, що максимальне значення підйому температури провідника під час стрибка потоку пропорційне кількості теплоти, яка виділилась, тобто енергії, “запасеної” в області надпровідника, яка екранована надпровідними струмами. Величина цієї енергії пропорційна квадратові характерного розміру провідника. Розбиваючи переріз провідника, тобто зменшуючи розмір окремої надпровідної жили, можливо досягнути стану, при якому величина енергії, яка може виділитись у провіднику у вигляді теплоти в стрибку потоку, буде меншою за необхідну для його нагріву до Т_С навіть в умовах відсутності охолодження (адіабатична стабілізація).

Повний струм, який протікає через провідник, незмінний, оскільки окремі частини провідника (жили) увімкнені паралельно.

Поряд з процесами тепловиділення під час стрибка потоку відбувається тепловідвід в оточуюче надпровідник середовище. В цілому, щоб надпровідний стан провідника був стійким, необхідно, щоб тепловиділення з надпровідника під час стрибка потоку відбувалось з охолодженням. Ефективність тепловідводу залежить від характеристик матеріалів та конструкції провідника й інтенсивності охолодження.

В типовому композитному провіднику з матрицею із чистої міді, стійкому до струмів, близьких до критичного, повинні вміщуватись надпровідні жили з діаметром не більше 30÷50 мкм. Струмонесуча здатність такої жили становить у кращому випадку кілька ампер, в той час, як провідник, призначений для використання в надпровідних обмотках, повинен пропускати струм у десятки, сотні й більше ампер. Звідси випливає, що композитний провідник повинен вміщувати велику кількість надпровідних жил. Такі багатожильні надпровідники з паралельним вмиканням жил, простір між якими заповнений нормальним металом з високою електропровідністю, намагнічуються з великим часовим запізненням відносно змінень зовнішнього магнітного поля. Розрахунки показують, що магнітне поле повністю заповнює об’єм композитного провідника довжиною кілька сот метрів, який складається з паралельних жил, за час у десятки й сотні годин. Час підйому зовнішнього поля (струму в обмотці) значно менший.

Таким чином, в композитном провіднику тривалий час після вимикання обмотки зберігається неоднорідний розподіл магнітного поля, подібний до розподілу поля в надпровіднику того ж діаметра. Очевидно, що у випадку яких-небудь флуктуацій параметрів у ньому повинен відбутися стрибок потоку, відповідний розмірові провідника в цілому масштабі.

Для зменшення цього ефекту провідник необхідно скрутити вздовж поздовжньої осі. При цьому надпровідні жили створюють вздовж осі надпровідника "петлі", які замикаються в точках їх перетинання через нормальні перемички, на яких згасають екрануючі струми, які збуджуються зі зміненням зовнішнього поля. При малому кроці зкрутки час перехідного процесу до сталого стану з рівномірним розподілом магнітного поля у перерізі провідника можливо довести до величини набагато меншої, ніж час підйому зовнішнього поля. Цей час може бути ще більше зменшений за рахунок використання анізотропної матриці, опір якої за напрямом, перпендикулярним до осі провідника, збільшено за рахунок уведення бар’єрів з погано провідного матеріалу.

Таким чином, правильно сконструйований внутрішньо стабільний композитний провідник повинен складатися з достатньо тонких скручених вздовж осі надпровідних жил в матриці з нормального металу з низьким електричним опором. У необхідних випадках матриця повинна вміщувати поздовжні бар’єри з металу з високим опором.

Вміст надпровідного матеріалу в таких провідниках достатньо великий – 30÷50%, тому за його допомогою можуть бути створені обмотки з високою (10⁹÷10⁸ А/м²) середньою густиною струму.

Композитні провідники, які спеціально призначені для обмоток магнітних систем, що генерують змінні або імпульсні магнітні поля, або які знаходяться під впливом таких полів, повинні бути сконструйовані таким чином, щоб дисипація енергії в них була мінімальною.

Втрати у самих надпровідних жилах, які називаються гістерезисними, залежать тільки від амплітуди змінення індукції поля й струму. Вони можуть бути зменшені тим же способом що і ймовірність появи стрибка потоку – зменшенням характерного розміру жили до мінімально можливого за технологією – порядка кількох мікрометрів і менше. Окрім гістерезисних, в композитних надпровідниках є й так звані кооперативні втрати, походження яких пов’язане зі збуджуваними в надпровідних жилах екрануючими струмами, які проходять через нормальну матрицю.

При великих швидкостях змінення поля ці втрати набагато більші, ніж гістерезисні, не дивлячись на те, що провідник скручений із кроком, відповідним до його стабільності. Для зменшення цих витрат потрібно скручувати провідник з мінімально можливим кроком (до 2-3 діаметрів провідника) та вводити в матрицю елементи з металів з поганою провідністю.

На теперішній час майже відсутні конструкції провідників, які можна було б ефективно використовувати на змінному струмі промислової частоти. Але розробка технології створення провідників з субмікронними жилами дозволить вирішити цю задачу.

Внутрішньо стабілізовані провідники здатні зберігати надпровідний стан під впливом "слабких" збурень параметрів. Але, як уже говорилось, в надпровідній обмотці можливі "сильні" збурення, які безпосередньо переводять провідник передчасно в нормальний стан. Метод теплової (стаціонарної) стабілізації дозволяє виключити або контролювати розповсюдження нормальної зони в обмотці незалежно від того, якими причинами викликаний перехід провідника до нормального стану.

Загальна ідея методу полягає в тому, що з виникненням нормальної зони струм, який тече надпровідними жилами композитного провідника, витискається в шунтуючу нормальну матрицю й "обходить" нормальну ділянку надпровідника. Теплота, яка виділяється в нормальному металі, відводиться в охолоджуюче середовище – киплячий гелій. При цьому за деяких умов ділянка провідника, яка перейшла в нормальний стан, охолоджується до температури меншої, ніж критична. Таким чином, нормальна зона після усунення причини, яка викликала її появу (наприклад, імпульсне тепловиділення), зникає. Можлива й інша ситуація, при якій нормальна зона не зникає, але швидкість її розповсюдження зменшується до завчасно вибраного значення, при котрому процес переходу обмотки до нормального стану можливо контролювати й забезпечувати її захист від пошкодження зовнішніми засобами.

Рівень теплової стабілізації визначається так званим параметром стабілізації:

, (7.5)

де

– критичний струм провідника;

– поздовжній питомий електричний опір матриці;

А – площа перерізу матриці;

р – охолоджуваний периметр провідника;

h – коефіцієнт тепловіддачі до рідкого гелію;

T_c й T_B – критична й робоча температури провідника.

При α_с<1 нормальна зона зникає при струмах до критичного з усуненням причини її появи. Такі провідники називають повністю стаціонарно стабілізованими. При α_с>1 провідники стабілізовані частково, тобто нормальна зона, якщо вона виникла, розповсюджується зі швидкістю, наближено пропорційною α_с. При α_с>>1 провідники не стабілізовані в тепловому відношенні.

Забезпечення умови α_с<1 пов’язане з необхідністю уведення в конструкцію провідника великих кількостей нормального металу (до 95÷98% перерізу) з виконанням каналів у обмотці, які проводять охолоджуючий гелій безпосередньо до поверхні провідника. При цьому значно зменшується ефективна густина струму в обмотці, досягаючи (1-3)^.10⁷ А/м², тобто величин, звичайних для не надпровідних обмоток. Тому повністю стабілізованими доцільно виконувати тільки дуже крупні обмотки, які потребують забезпечення найвищого рівня надійності.

Обмотки кріогенних електричних машин (КЕМ) за принципом свого використання необхідно виконувати частково стабілізованими з великою густиною струму. Очевидно, що їхня "внутрішня" надійність зменшена й повинна бути забезпечена запасом стійкості зменшенням робочого струму відносно критичного, конструкцією обмотки, застосуванням пристроїв захисту.

 

 

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.