Тепловые процессы при разрушении сверхпроводящего состояния в магнитах с высокой плотностью тока тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.13 ВАК РФ

РГБ ОД

2 г ЛОЬШЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР

Ш 637.312 На правах рухогшся

МАЛЬГИНОВ ВЛАДИМИР АНАТОЛЬЕВИЧ

ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ РАЗРУШЕНИИ СВЕРХПРОВОДЯЩЕГО СОСТОЯНИЯ В МАГНИТАХ С ВЫСОКОЙ ПЛОТНОСТЬЮ ТОКА

Специальность 01.04.13 — Электрофизика

Автореферат диссертанта па спекание учеиой степени кандидата теэстпесхях ваук

Москва — 1904 г.

Работа выполнена в Физической институте им. ПЛ.Лебедева Российский Академия наук.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор В.Р.КАРАСИ]

Официальные ошюиенты: доктор фнзлго-м&тематнчесшрс наук А.Л.РАХМАНО

доктор технических наук В.Е.СЫТНИКОВ

Ведущая организация: Институт сверхпроводимости и физики твердого тела Российского Научного Центра "Курчатовский институт".

Защита состоите* " -5 " 1994 г. в 1Э..0О часов иа

заседании Спецалязированного совета К 002.63.01 при Институте высоких температур РАН: 127412, Москва, Ижорская ул., д. 13/19, ИВТАН.

Ваши отзывы иа автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим высылать в адрес Садаа: 127412, Москва, Ижорскаж ул., д. 13/19, ИВТАН, учвнш^ секретарю.Совета К 002.53.01.

С диссертацией, можно ознакомите« а библиотеке ИВТАН.

Автореферат разослан * ■Ь " 1994 г.

Ученый секретарь с педализированного Совета К 002.53.01 ЧАадндат физико-математических наук

/

А.Т.КУНАВИН

1 Общая характеристика работы .

Актуальность темы Благодаря уникальным эксплуташгошшм характеристикам .в последние годы постоянно растет количество вводимых а эксплуатацию сверхпроводящих магнитных систем (CMC). Поскольку уровень изготовления, сверхпроводящих проводов п развитие криогенной техники -имеют возможность дальнейшего развития,.внедрепие CMC в различные области энергетики, электротехники, физики высоких энергий, медпципы и космической техники будет неуклонно расширятся ([1]-[4]). Магнитные системы, основанные на сверхпроводимости, могут использоваться практически в любой отрасли народного хозяйству, где неоходимы устройства, которые длительное время поддерживают постоянное магнитное поле большой напряженности.''Для ряда задач наибольшие потенциальные возможности в настоящее время имеют большие CMC с высокой плотностью тока. Это связано с тем, что. но сравнению с криостабилизированными магнитами, при одной и той же запасенной, энергии .они имеют меньший вес и обладают лучшими эксплутацпоннымп и стоимостными характеристиками. Например, такие преимущества оказываются наиболее важными для лабораторных магнитов или транспортируемых автономных CMC, где предъявляются наиболее жесткие требования к весу п габаритам установок ({5]). С повышением плотности запасенной энергии увеличивается необходимость научно-технических проработок конструкции и режима работы таких магнитов. В частности, для уверенности в безопасной и надежной работе необходимо детальное изучение характера перехода магнита в нормальное состояние.

Для сверхпроводящих магнитов переход в нормальное состояние не является обычным режимом работы, однако его всегда необходимо предусматривать, поскольку постоянно существует вероятность того, что либо резко снизится уровень жидкого гелия, либо ток может превысить допустимое значение. А если во время перехода CMC большая часть запасенной энергии выделится в обмотке, то внутрп ее разогрев может превысить пре-. дельно допустимые значения н магнит потеряет свою работоспособность. Таким образом, для поиска надежного режима работы магнита, необходимо создать методику, позволяющую для произвольной структуры обмотки и любого уровня тока в заданных точках во время перехода контролировать температуру, напряжение и время появления нормальной зоны.

В настоящее время разработано несколько методов защиты CMC от по-, режога. В ряде случаев применяют вывод запасенной в магните энергии на внешнюю нагрузку."При этом на магните возникают высокие напряжения. .1 для вывода энергии необходимы постоянно подключенные токовводы. ты . 2

например, нежелательно для систем долгое время работающих в режиме "замороженного" потока. Более простой путь защиты - это равномерное распределение диссшшруемой энергпп по обмотке магнита. Одним из способов такой зашиты является секционирование обмотки с шунтированием, секций низкоомными сопротивлениями. Привлекает простота и беэотказ-нгсть "срабатывания" этого способа, однако для конкретного магната необходимо оценивать насколько сильно происходит снижение максимальной температуры и напряжения при его применении. В частности, в главе 5 показано, что для CMC, которые пмеют большие размеры или обладают повышенным временем теплопередачи между витками только .секционирование не обеспечивает надежную работу, что вызывает необходимость поиска новых методов и способов защиты. Одним из таких методов является зашита с помощью внутренних шунтов-нагревателей. Этот метод был предложен в 1983 году ([3]), но информация о его практическом применении начала появлятся только в последние годы ([8]). В главе 6 приведены результаты использования такого метода защиты для магнита с повышенным временем теплопередачи между витками.

В процессе изучения возможностей применения сверхпроводимости в магнитных системах проблемы защиты начинали разрабатыватся'только тогда, когда достигалось очередное повышение плотности тока в обмоточных проводах. Такой подход отодвигал время практического использования . CMC. В настоящее время начинают псявлятся магнитные системы, работающие при азотных температурах. Естественно сразу же встает вопрос о . защите CMC из высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) от пережога во время перехода системы в нормальное состояние. Причем перегрев увеличивается с ростом температуры хладоагента ([9]). Такой же вывод следует и из главы 5, где показано, что на максимальный разогрев существенное влияние оказывает время теплопередачи между витками. При одном и том же материале изоляции это время при азотной и при гелиевой температуре совпадает в том случае, если толщина изоляции при гелии в семь раз выше, чем при азоте. В традиционных сверхпроводящих магнитах, как правило, величина межвитковой изоляции растет с увеличением размеров обмотки, поскольку в этом случае используются межслойные прокладки и кабель с увеличенным диаметром и толщиной изоляции. Следовательно, для прогнозирования процессов разогрева в ВТСП обмотках и крупных магнитных системах вспомогательную роль могут оказать данные о характере разогрева сравнительно небольших соленоидов, изготовленных из провода с повышенной межвитковой изоляцией". Этим вопросам и посвящены главы 3 и 5. Соответственно и выводы, полученные при разработке

методов и способов зашиты магнита с повышенной изоляцией (глава G) будут актуальны при создании системы защиты для более крупных магнитов.

Цель работы Цель настоящей работы состояла в том, чтобы во время перехода в нормальное состояние провести экспериментальное изучение процессов разогрева обмоточного провода, условий теплопередачи между витками и характера изменения тока в различных частях обмоток сверхпроводящих магнитов. Анализ физических процессов, происходящих при диссипации энергии внутри обмоток с различными вариантами защиты, позволяет не только сделать выводы об эффективности традиционных методов защиты, но и выбрать налболее оптимальные способы защиты для различных типов и размеров обмоток.

Одна из задач состояла в том, чтобы исследовать разогрев провода с различной изоляцией при применении защиты путем разбиения обмотки на секции. Зависимость температуры разогрева различных точек обмотки от "количества секций й от величины шунтирующих сопротивлений позволит сделать выводы об эффективности такого метода защиты и об области его применения. .

Другая задача заключалась в том, чтобы найти для обмоток реальное соотношение между токовой нагрузкой и температурой. Решение этой задачи позволит не только упростить диагностику температурных полей в обмотке, но и для обмоток со сложной структурой приведет к более достоверным результатам при математическом Моделировании переходных процессов, происходящих в магните во время его перехода в нормальное состояние.

Практически важной является задача поиска методов защиты; обеспечивающих безопасную работу крупных CMC. В рамках этой задачи необходимо было изучить воздействие на характер разогрева, нового способа пассивной защиты при котором электрические шунты помещались внутрь обмотки.

Для успешного решения поставленных задач необходимо было создать методику, которая бы одновременно позволяла следить за заполнением обмотки нормальной зоной и измерять температуру, напряжение и токи на различных участках провода.

Научная новизна Создана методика, позволяющая впервые получить полную информацию о переходе в нормальное состояние сверхпроводящих магнитов с произвольной структурой обмотки.

Впервые исследованы особенности перехода в нормальное состояние магнитов со сложной структурой обмотки - пористая' изоляция проводника с

присутствием малого количества жидкого гелия в межпроволочном пространстве. Показано, что для достоверного описания характера перехода таких CMC, необходимо опираться на экспериментальные данные по распространению нормальной зоны п по разогреву провода на разных участках обмотки.

Проведено экспериментальное исследование соотношении температуры и токовой нагрузки. Впервые показано, что для магнитов с повышеннШл межвитковьш тепловым сопротивлением разогрев провода существенно отличается от адиабатического случая.

Впервые реализован метод внутренней зашиты с помощью шунтов, расположенных между слоями обмотки и электрически связанных с ней. Показано, .что оптимальное сочетание внешних а встроенных в обмотку шунтов обеспечивает эффективность защиты крупных CMC с высокой плотностью тока.

: Практическая ценность С помощью разработанной методики в процессе перехода »¿ожно одновременно снимать картину распределения нормальной зоны, уровень разогрева проводника в контрольных точках', Jtft рактер изменения токов на различных участках обмотки.

Показано, что в полностью ксашауидировашшх обмотках с проводпя ком, Имеющим кщаую эмалиевую изоляцию разогрев провода квазиаДйа батическяй и максимальную темЦер&туру ыожво оценить с помощью "то-■ ковой нагрузки".

Данные о характере разогрева сравнительно небольших соленоидов, изготовленных из провода с повышенной межвитковой изоляцией могут оказать вспомогательную роль для прогнозирования процессов разогрева в крупных магнитных системах и обмотках, работающих при азотных температурах.

Найденное реальное соотношение температуры в токовой нагрузки мозя-но использовать в программах по расчету переходных процессов в сверхпроводящих магшгпшх системах.

Экспериментальное исследование и модельные представления влияния особенностей заполнения магнита нормальной зоной и разогрева провода uft характер спада тока позволяют установить границы применимости метода защиты обмотки с помощью разбиения ее на секции.

Показано, что оптимальное сочетание онешиих и встроенных в обмотку шунтов обеспечивает эффективность защиты крупных CMC с высокой плотностью тока.

К защите представлены следующие основные положения: Термопарная методика, позволяющая получать полную информацию о переходе

в нормальное состояние сверхпроводящих магнитов с произвольной структурой обмотки. ^

Анализ и экспериментальные данные по распространению нормальной зоны и по разогреву провода на .разных участках обмотки магнитов с разными вариантами секционирования и разной структурой изоляции проводника.

Исследование реального соотношения температуры и токовой нагрузкп, методику расчета максимальной температуры.

Экспериментальное исследование п модельные представления влияния особенностей заполнения магнита нормальной зоной и разогрева провода на характер спада тока:

Экспериментальные результаты и анализ эффективности метода внутренней защиты с помощью шуитов, расположенных между слояып обмотки и электрически связанных с ней.

Апробация работы и публикации. Материалы диссертация докладывались и обсуждались на Ш"сти международных конференциях. По материалам выполненных исследований опубликовано 13 печатных работ. Сип-сок работ и материалов конференций приведены в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы пз104наименований. Работа содержат 109 страниц текста, 61 рисупск, 13. таблиц.

2 Содержание диссертации

Во ввеяенип обоснована актуальность темы работы, сформулированы цели и задачи исследования, научная новизна й практическая ценность результатов работы, приведены основные положения, выдвигаемые на защиту.

В первой главе приведен краткий литературный обзор.

В первой части рассмотрены проблемы, связанные с созданием и эксплуатацией магнитов с адиабатическими обмотками.

Во второй части рассмотрены различные методы защиты. Показано, что для магнитов е конструктивной плотностью тока 104Д/стп2 необходимо разрабатывать методы внутренней зашиты, при которых енчженно напряжений и максимальных температур происходит при равномерном вы-делениии запасенной энергии по обмотке. Одним из таких методов является разбиение обмотки на секции с шунтированием каждой секций низкоомны-ми сопротивлениями. В ряде случаев этот метод позволяет по различным секциям более равномерно диссипировать запасенную энергию. Однако при

увеличении размеров обмотки секционирование недостаточно для обеспечения надежной защиты магнита, в этом случае необходима разработка и применение новых методов защиты.

В третьей части рассмотрены методы оценки максимальной температуры. Показано, что в большинстве работ максимальная температура оценивается с помощью " токовой -нагрузки" ([7]), в предположении адиабатического разогрева'провода. Такой подход дает удовлетворительное согласйб с экспериментом ври тонкой межвитковой изоляции. При увеличении толщины изоляции для достоверной оценки температуры необходимо знать .реальное соотношение между температурой и токовой нагрузкой.

Вторая глава посвящена описанию методики измерения температуры внутри-обмотки магнита.

В цервой части приведены характеристики термопар Си — Аи+0.07%.Ге и дано обоснование их применения для температурной диагностики. Получена зависимость напряжения от-температуры ддя различных заводск&х партий Аи+0.007%Ре. Описана процедура калибровки термопар. Оцей®о влияние магнитной поля на термоЭДС. Экспериментально показайо, ' при температурах более 20 К добавка к термоЭДС за счет магнитного ноля составляет 13:лкВ/Т. Приведены рекомендации с» конструкция терййУ пары п располоххшио ее в обмотке. Покачано, Ч^чййЪал, наводимый ® цепи термопары при изменении впйШего поля до 1О^'е, пе превышает ■50мкВ. Оценка показала, что отличие между температурой провода и показаниями паянной термопары не превышает 1%.

Во второй части даяо описание 4-х экспериментальных магнитов. Каждый магнит представлял собой короткий солейойд, намотанный на каркас ез нержавеющей стали композитным сверхпроводящим проводом в медной матрице. Характеристике в размеры магпптов приведены в таблице 1. От каждого слоя соленопдоз №-N4 ьыиодились электрические контакты - рис Л, К некоторым из этих выводов Подключались внешние пли вну-тренйяе (нержавеющие пли латушше ленты, смонтированные в обмотку) шунты. Изучение влияния различных вариантов секционирования на поведение токов и разогрев обмотки было одним из направлений нашего исследования. Для этой цели в обмотке располагались потенциальные контакты, нагреватели'п термпопары.

• В третьей части приведена блок-схема измерительного комплекса. В частности показана схема измерения температуры. Один спай термопары припаивался к обмоточному проводу, а на другом поддерживалась гелиевая температура. Во время перехода магнита, через блок гальванической развязки и усилитель сигналы с термопар поступали на многоканальный

Таблиц* 1: Размеры, технические характеристики и наличие датчиков в экспериментальных магнитах

магнит N1 магнит N2 магнит N3 магнит N4

Провод обмотки: _

состав псх.асил НТ50 + Си НТ50 + Си НТ50 + Си НТ50 + Си

НТ50/медь 3/7 • 1/1 1/1 ' 1/1

кол-во жил 1 6 6 "6

диаметр жилы мм 1.0 0.5 0.5 0.5

Изоляц. провода

состав эмаль лавсан. лавсан. лавсан.

оплетка оплетка оплетка

толщина мм 0.05 0.3 0.3 0.3

Внутр.радиус см 28.0 ' 28.0 28.0 35.7

Внешн.раднус см 31.3 32.0 31.9 44.6

Высота см - 6.2- 7.7 7.4 18.3

Кол-во слоев 30 • 18 18 44

Кол-во витков 1659 • 606 590 3671

Кол-во секции 1 -6 ■ 1-18 1 18 44

Индуктивн. Гн 2.9 , 0.37 0.3 13.6

к» Э/А 141 40 45 120

Крит, ток А 350 1000 1000 540 '

Колцч, термопар 10 7 17 -11

Шунты:

• расположение внешние внешние внеш внутр внутренние

материал н.сталь нерж..ст н.ст н.ст латунь

□лошадь см2 - 1*16 1*18.5

количество 6 . 18 18 18 ' 88+2

сопротивлен. Ом 0.35 0.015 0.12 0.12 0.022

(20С) • (20С) 0.015 (4К) (4К)

I ЛИТ -1 Ко >

Й^шние шунты _

Слоя магнита

\ ■ -ч Т Л

1Н ./<■ Г Внутренние #унгы

Рис. 1: Подсоединение шунтов при сскционаровании магнита

самописец с временной протяжкой ленты. На эти же самописцы поступали следующие сигналы: реперный сигнал с ни шлифующего переход нагревателя, потенциальные напряжения с отдельных витков, напряжения с шунтов и напряжение, пропорциональное общему току соленоида. Таким образом, во время перехода мы получали синхронную запись температур в различных точках обмоткп, напряжений и токов в секциях. Благодаря таким измерениям в каждый момент времени можно было сопоставить между собой температуру в токовую нагрузку.

В четьертой части проведена оценка погрешности в измерении температуры, тоха п токовой нагрузки. Показано, что ошибка в измерении температуры не превышает 10%, в токе - 5%, d токовой нагрузке -10%.

В третьей главе приведены результаты исследования реального соотношения температуры T{t) и токовой нагрузки G(t) = (I(t) -изменение тока в секции, Stj - сечение сверхпроводппка в проводе). В большинстве работ при оценке максимальной температуры считается, что вся гнергия, выделившаяся в проводе идет на его разогрев ([7]). Но для мягни-YOB, в которых время тепловой диффузии сравнимо с временем тепловых процессов такая оценка дает большую ошибку. Показано, что для магнита Г42 при температурах 15 - 25К более 80% мощности отводится от пробела. Зависимость T(G) для разных слоев, вариантов секционирования и уровней тока приведена па рисунке 2 (Т1 - термопара вблизи нагревателя, Т2 - термопара иа центральном витке первого слоя, ТЗ - термопара ва четвертом слое). Из рисунка видно, что наибольшие отклонепия T(G) от кривой для адиабатического разогрева происходит на начальной стадии перехода, когда соседние витки находятся в сверхпроводящем состоянии и существует максимальный теплоотток от витка с нормальной зоной. В четвертом слое отклонение T(G) к адиабатической кривой происходит при меньшей токовой нагрузке - при удалении от точки зарождения нормальной зоны снижается тегоюотох от провода. Для каждой термопары разброс T(G) при изменении тока в диапазоне 0.3—0.9/*р для различных вариантов секционирования магнита представлен на рис.2. Верхняя кривая в каждой области данных соответствует переходным процессам с малыми характерными временами (большие токи и разбиение на одно-двух слойные секции). Снизу эти области ограничены кривыми, отражающими переход олносек-ционного варианта магнита с малых токов. Данные для T(G) в четвертом слое'приведены для переходов 6-ти секционного магнита.. В этом случае четвертый слой был первым слоем второй секции, в нем была наиболее высокая токовая нагрузка и наблюдались высокие разогревы.

На основе -анализа переходов магнитов с различной тощиной изоляции

Рнс. 2: Зависимость, температуры от токовой нагрузки для различных вариантов секционирования магнита

провода в поведении Т(б) можно выделить несколько стадий: на начальной стадии перехода от провода идет теплоотток в среду, где отсутствуют дополнительные источники тепла, длительность этой стадии зависит от времени "перескока" нормальной зоны от витка к витку; вторая стадия связана с теплоотводом в узкую область изоляции, разогрев провода при этом близок к адиабатическому; на третьей стадии уровень тепловыделений сравнивается с теплоотводом в гелиевую ванну и рост токовой нагрузки не приводит к росту температуры.

В четвертой главе приведен анализ поведения токов во время перехода манита в нормальное ¿остоянпе!

В первой части, на основе упрощенной модели Вильсона ([3]) для начальной стадии перехода, получен аналитический вид изменения тока в первой секции: 4

'-Ч'-яЗЫ-Ч-З

(1)

где: /о - начальный ток соленоида; /?(<) - сопротивление области, находящийся в нормальном состоянии; Еш - сопротивление шунта первой секции; т*2 - характерное время спада тока.

Во второй части на основании экспериментальных данных проанализирован характер нарастания объема нормальной! зоны в первой секции. Показано, что при прохождении нормальной зоны по первому витку и после того как она появляется в последнем слое секции нарастание объема нормальной- зоны идет линейно со временем, а при разогреве менее 30К 11(1) пропорционально этому объему и для оценки спада тока можно воспользоваться выражением 1.

В третьей части проведено сравнение экспериментального изменения гока в различных вариантах магнитов с оценкой спада тока по формуле 1. При том использовались экспериментально полученные значения скоростей, с помощью которых описывался характер нарастания нормальной ■зовы в обмотке. Показано, что при разогреве провода до ЗОК модель удовлетворительно описывает затухание тока в магните.

В четвертой части приведена оценка затухания тока для тех случаев, когда разогрев провода превышает ЗОЙ". При этом привлекались следующие экспериментальные данные: характер заполнения обмотки нормальной зоной; распределение температуры внутри объема, заполненного нормальной зоной; реальная зависимость температуры от токовой нагрузки. Сравне-ине затухания тока при переходе секционированного магнита с большими шунтами (когда ток затухает слабо и даже на начальной стадии происходит существенный разогрев) с моделью, учитывающей температурную

1?

компоненту сопротивления, показывает удовлетворит ельное согласие экс- ■ периментального изменения тока с затуханием тока, описываемого выражением 1. "

В пятой главе проведение) исследование особенностей разогрева, обмоток различных вариантов магнитов.

Наиболее детально изучались магниты N2 и N3, где достигались максимальные разогревы и была возможность менять варианты защиты при неизменных размерах и структуре обмотки. Магнит N2 в различных испытаниях разбивался на 1,2,3,6,9,18 одинаковых секций, каждая из которых шунтировалась внешним ниэкооиным сопротивлением. В магните N3 использовались как внешние шунты так и внутренние шунты-нагреватели.

В первой части показано, что затухание тока несекпионированного магнита идет на сопротивлении нормальной зоны. .Это сопротивление состоит из двух компонент. Первая составляющая связана с увеличением обема нормальной зоны, вторая - с сопротивлением, сосредоточенным в.той области,-где разогрев провода превышает 30К.- Вторая" компонента растет гораздо быстрее и существует время г, после Которого.она вносит доминирующий вклад в сопротивление, что приводит к резкому спаду тока. Основное сопротивление будет.сосредоточено, в области, на которую, нормальная зона распространилась за время г. Соотношение объема этой области и объема обмотки указывает на степень защищенности магнита. -

Во второй части приведены результаты исследования влияния секционирования на распределение температуры по обмотке и на снижение максимального разогрева. На рисунках 3 и 4 приведены характер спада тока и профиль температуры для несекцпонпрованного магнита. На рисунках 5 и 6 приведены аналогичные кривые для шестпсекиионного магнита, как видно из рисунков на начальной стадии перехода, когда нормальная зона . распространяется тепловым образом, характер спада тока и распределения температуры для различных' вариантов магнитов мало отличается. В определенный момент времени наведенный- токи в секционированном магните достигают критических значений (начинается Т.н." электромагнитная лавина") - рис. 5, заполнение обмотки нормальной зоной в радиальном направлении ускоряется - рис, 6, что увеличивает скорость спада тока, снижает максимальную температуру и долю температурной компоненты со-" противления. Влияние начального уровня тока на характер распределения, температуры дано па примере 9-ти секппонного магнита - 7. Как видно из рисунка, на малых уровнях тока перераспределение энергии между секци- ..

Время с

'ис. 3: Затухание тока при переходе несекцвонированного магнита(/о = 00Л)

И

Витки Слои

1'ис. 4: Распределение температуры по обмотке во время перехода несекци нировашюго магнита

1Л

800

^ 600 <

«

О Е-

400

200

8.

Время с

Рис. 5: Изменение токов в секциях при переходе 6 секционного махпита(Л) = 580Л, Лш = 0.0150л)

16

Витки Слои

Рис. 6: Распределение температуры по обмотке во время перехода шестисек-ционного магнита

17

Рис. 7: Распределение температуры по обмотке во.время перехода л«'няш-секаиоиного магнита с. разных уровней тока

18

Рис. 8: Зависимость максимальной температуры от начального уровня тока для различных вариантов секционирования магнита

ами приводит к тому, что разогрев по обмотке практически равномерный. При дальнейшем повышении тока (до йЛЫкр) растет неравномерность разогрева, даже при проявлении электромагнитной лавины - температурная компонента сопротивления доминирует, хотя ее доля и меньше чем в пе-секционлрованном магните. Прп больших токах электромагнитная лавина проявляется в большей части обмотки, что приводит к более равпомер-; ному распределению температуры и снижению максимального разогрева. Обзорные данные зависимости максимальной температуры Тм от начального уровня тока /о Для различного количества секций в магните N2 приведены на рисунке 8. Поскольку температура однозначно связана с токовой | нагрузкой (глава 3), а токовая нагрузка лпляется функцией тока, то поведе-; нне температуры на рис.8 характером спада тока в первой секции (где зарождается переход п наблюдаются максимальные значения температуры). В изменении тока первой секции можно выделить несколько временных ! диапазонов. На первой стадии в течении времени т\ (глава 4) ток практически не меняется. Токовая иагрузка па этой стадии линейно связана с !tj, которое пропорционально ¡размеру секции. На второй стадии характерное время спада тока слабо' зависит от размера секцпп. Поэтому прп токах /о < 0Ыкр разлщчэ» в наклоне Тм для разных вариантов секционирования связано с различием в При начальных-токах Iq > 0.5Ij<p в секционированном магните начинает проявляйся электромагнитная лавина, которая способствует уменьшению длительности третьей стадии, на которой ток в секции синхронно изменяется с общим Током млгнпта. Уменьшение токовой нагрузки на третьей стадии снижает и рост Ти(1ц). Однако даже при самом эффективном секционировании максимальиая температура в несколько раз выше температуры при равномерной диоезшяции энергин. Если увеличить длину соленоида то секционирование не даст удовлетворительную защиту от пережога. Для планирования защиты таких систем необходимо последовать новый метод защиты - поместить шупты внутрь обмотки (внутренние шупты) п использовать их в качестве укоряющих переход нагревательных элементов.

В шестой главе приведены экспериментальные данные, и пропиалпзи-рованы различные аспекты защиты обмотки с помощью внутренних шунтов.

В первой части приведены методические исследования зависимости разогрева обмотки от тепловыделений во нутренних шунтах. Для магнитов N3 и N4 найдена эмпирическая связь между тепловыделениями в шунте и температурами шунта и обмоточного провода. Эта зависимость мгьто меняется п тогда, когда напряжение на внутренние шуцты подается с секций

Напряжение (В)

я s>

а

H

ч

я •о к

Напряжение (В)

Ток в магните (А)

Витки Слои

Рис. 11: Распределение температуры по обмотке при переходе магнита с внутренними шунтами

магнита во врем« его перехода в нормальное состояние.

Во второй части показано воздействие внутреннних. шунтов на характер перехода сеКЦйоаярованного магнита. На рисунках 9 и 10 показано изменение напряжения на шунтах одинаковой величины, но с внутренним и внешним секционированием. На рисунке 11 приведено распределение температуры по обмотке магнита при внутреннем секционировании. На начальной стадий перехода шунты не влияют на распространение нормальной зоны по обмотке. При плотности тепловыделений в шунтах 0.03Дж/см2пропсходпт ускорение продвижения нормальной зоны. При тепловыделениях 0.2—О.ЬДж/ см2 происходит "срабатывание" шунтов - через 0.4с нормальная зона появляется во всех витках рдоя - рис.11, это приводит к ускорению роста сопротивления и спада тока в,первой секции - рис.10. ; При 0.6-0.8с "срабатывают" шунты в дальних ?йкцпях, чтовызывает спад общего тока и ограничение максимальной темдературы» Таким образом, внутренние шунты могут повышать равномерность диссипации энергии • как между секциями, так п внутри Каждой секции.

В третьей части ДАН анализ и йрйведены экспериментальные данные по ЙЛЙЯЙЙЮ ptóiepа сйсйня й «опрйпйзлейяя внутренних шунтов на равномер-Hdctt. ípáSorlpena Йа óctiofte модели, описывающей поведение токов

!й iteyü'r&x i, Еолу-Шб й^ажеййй,^языйазощее ТепЛбвыЙелеппя в шунтах •с ttx йгфаметрайй й t Посздййййй!, ^гжзт^вйзйзя. ^¿рактер заполйенця йормалУйой ЗДйо'й. Согласно Ь'дЛу^йному выражению проведена ЪйейА ^еййслййеййййа Ъ ttyftVax дл'а tíraritoVoB с разцым Шщионировапи-ем й t tfoÜpseWtóÜéftftéM внешийк яг вйУтреннпх йу'ятов. Получено

удовлетворительное wotjftfcire с эЕспершхейт^.ЛЬйьгмп Дойными. Показано, что на начальном ЭТ&Пе перехода теп поводе леййя Й йу'нте пропорщюналь-ны квадрату начального тока й Йб^йтпо иропорциойальны размеру секшш. Мощность тепловыделений в шунтах максимальна, á распределение температуры по обмотке наиболее равномерно, если сопротивление шунта равно сопротивлению нормальной зопы в момент "срабатывания".

В заключении сформулировали основные итоги работы:

1. Создана методика, позволяющая впервые получить полную информацию о переходе в нормальное состояние сверхпроводящих магнитов с произвольной структурой обмотки. С помощью этой методики в процессе перехода можно одновременно снимать картину распределения нормальной зоны, уровень разогрева проводника в контрольных точках, характер изменения токов на различных участках обмотки.

2. Методика применена для изучения перехода полностью компаундированных обмоток с проводником, имеющим тонкую эмалиевуот нзоля-

24

цюо. Показано, что для таких обмоток максимальную температуру можно оценить с помощью "токовой нагрузки".

3. Впервые исследованы особенности перехода в нормальное состояние магнитов со сложной структурой обмотки - пористая изоляция проводника с присутствием малого количества жидкого гелия в межпроволочном пространстве. Показано, что для достоверного описания характера перехода таких CMC, необходимо опираться на экспериментальные данные по распространению нормальной зоны и по разогреву провода на разных участках обмотки.

4. Проведено исследование соотношения температуры и токовой нагрузки. Эти результаты позволили уточнить методику расчета максимальной температуры и дали возможность углубить понимание процесса разогрева обмоток со сложной структурой.

5. Путем экспериментального исследования показано влияние особенностей заполнения магнита нормальной зоной и разогрева провода на характер спада тока. На основе этого анализа установлены границы применимости метода защиты обмотки с помощью разбиения ее на секции.

6. Впервые реализован метод внутренней защиты с помощью шунтов, расположенных между слоями обмотки и электрически связанных с ней. Показано, что оптимальное сочетание внешних и встроенных в обмотку шунтов обеспечивает эффективность защиты крупных CMC с высокой плотностью тока.

7. Изучение распределения температуры по обмотке с повышенной меж-витковой изоляцией и поиск оптимального метода ее защиты позволило представить процессы разогрева магнитов, в которых существует опасность-пережога обмотки. Было показано, что возможным методом защиты таких магнитов может быть включение в их обмотку внутренних шунтов-нагревателей.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Konjukhov А.А., Malginov V.A., Matokhin V.V., Karasik V.R. -Quenching of multisection superconducting magnets with internal and external shunt resistors. - IEEE Trans. Magn., 1989, v.Mag.-25, N2., p.1538-1540.

2. Конюхов А.Д., Малытшов В.А., Матохпн В.В., Карасдк В.Р. - Защита сверхпроводящего магнита секционированием с внутренними шунтами. - Труды ФИАН, 1991, Т.205, с.73-90.

3. Агацоп Г.И., Высоцкяй B.C., Мальгннов В.А. п др. ^ Стенд для исследований сверхпроводящих устроЗстз. - Труды ФИАН, 1984, т. 150, с.111-123.

4. Мальгпнов В.А., Матохпн В.В., Карасях В.Р., Конюхов A.A. - Исследование процесса перехода в нормальное состожнпо сверхпроводящего магнита методом термопарного зондирования. - Труды 11 Всесоюзной конференции по техническому использованию сверхпроводимости.

- Л.:ЛНИВЦ, 1984, т.1, с.320-325.

5. Мальгннов В.А., Матохпн В.В. - Диагностика разогрева магнита по времз его перехода нз сэёрхпрозодшцего в нормальное состояние. -Труды ФИАН, 1991,'т.205, с.147-152.

6. Мальгпнов P.A., Матохпн В.В., Конюхов A.A. - Зависимость температуры обмоткп сверхпроводяцего магнита от токовой нагрузки. -св. Тезисов Докладов Всесоюзного совещания "Научнотехппческпе п техиологнческпе вопросы создания свехпроводшшвого эиергетическо-

! го оборудования". - М.:ЭНИН, 1984, С.194--195.

7. Мальгннов В.А., Матохнн В.В., Конюхоп A.A., Караснк В.Р. - Разогрев сбмоткп секционированного магнита с усиленной меохвпткозой злгхтропзоляцпей в процессе его переходи, нэ сверхпрог.одацего в нормальное состояние. - Труды ФИАН,.1991, т.205, с.63-72.

8. Мальгннов В.А., Матохпн В.В., Караснк В.Р., Конюхов A.A. - Кинетика тепловых процессов в CMC прп их переходе в нормальное состояние.

- Труды ФИАН, 1984, т.150, с.48-56.

9. Караснк В.Р., Конюхов A.A., Мальгпнов В.А., Матохпн В.В. - Влияние секционирования на максимальную температуру разогрева сверхпроводящего магннта. - Труды 9 конференции с международный участием. - Kryogenika-88, Ferox n.p., Decía, 1988, suplement, p.9-11.

10. Karasik V.R., Kleshnina O.A., Konjukhov A.A., Malginov V.A., Matokhiti V.V., Sidorov M.V„ Vysotsky V.S. and Agapov G.I. - Superconducting magnets for energy devices. - Proc. of MT-11, 1989, Tsukuba, Japan, p.1312-1317.

11. Kacasik V.R., Deryagm S.G., Levit S.M.,Malginov V.A., Srjetynsky A.P. High current density superconducting magnet for gyrotron. - Proc. of MT-11,1989, Tsucuba, Japan.

12. Karasik V.R., Kleshnina O.A., Konjukhov A.A., Malginov V.A., Matokhin V.V., Sidorov M.V., Vysotsky V.S. High curent density superconducting magnet with 2.58 m bore. Adv.Cryog.Eng., 1992, v.37a, p.409-416.

13. Konjukhov A.A., Malginov V.A. The "use intenal shunts for quench protection. Cryogenics. 1992, V.32, ICEC Suplement, p.406-409.

Список литературы

[1] Сычев B.B., Зенкевич В.Б. - Магнитные системы на сверхпроводниках. - М.:Наука, 1972, С.260.

[2] Брехна Г. - Сверхпроводящие магнитные системы. - М.:Мнр, 1976, С.702. ~

[31 Уилсон М. - Сверхпроводящие магниты. - М.:Мир, 1986, С.407.

[4] Глебов И.А. - Использование явления сверхпроводимости в электротехнических устройствах. - Труды 11 Всесоюзной конференции по техническому использованию сверхпроводимости. - Л.:ЛНИВЦ, 1984, т.1, с.3-14.

[5] Джефферис М.Д., Локарис Э.Т. - Разработка обмотки ротора сверхпроводящего генератора переменного тока. - Труды конференции по техническому использованию сверхпроводимости. - М.:Атомиздат, 1977, т.З, с.33-39.

[6] Карасик В.Р., Кр^полуцкая Н.В., Русинов А.И. - Анализ электромагнит?!^ процессов в секционированном сверхпроводящем соленоиде. -Труды ФИАН, 1980, т.121, с.52-75.

[7] Maddok В.J., James G.B. - Protection and stabilisation of large superconducting coils. - Proc. IBB, 1968, v.115, p.543-548.

[8] Scliwall R.E. Protectition System for Iaductivly Coupled Magnets. IEEE TVans. on Mag. v.27, No2, p. 1700-1703, 1991.

[9] Iwasa Y., Bult Y.M. Normal zone propagation in adiabatic superconducting magnets over the temperature range 4.2-80K. Cryogenics. 1990, V.30, N1, p.37-40.