16. МНОГОАМПЕРНЫЕ ТОКОВЫЕ ВВОДЫ СВЕРХПРОВОДЯЩИХ СИСТЕМ
Для успешной эксплуатации криогенных систем основное значение имеет ограничение притока теплоты в криостат. При значении тока порядка 100 кА доминирующими становятся тепловые потери за счет токовых вводов в устройство.
Поэтому столь актуальна задача разработки оптимальной конструкции токовводов, которая бы обеспечивала минимальный поток теплоты в холодную зону при заданном электрическом токе. Поток теплоты по токовводу обусловливается двумя причинами; теплопроводностью и выделением джоулевой теплоты. При этом первая составляющая общего потока обратно пропорциональна отношению длины токоввода к его сечению, а вторая составляющая — прямо пропорциональна этому отношению.
Уменьшение джоулевой теплоты и получение развитой поверхности охлаждения токоввода требует увеличения площади его поперечного сечения. Для уменьшения теплового потока, обусловленного теплопроводностью из зоны с более высокой температурой к зоне с низкой температурой, требуется уменьшение площади поперечного сечения токоввода.
Трудности расчета оптимальной конструкции связаны с тем, что теплопроводность и электропроводность материала токоввода зависят от распределения температуры вдоль его длины.
Поле температур, в свою очередь, зависит от значения тока и определяется условиями теплообмена между поверхностью токоввода и охлаждающим газом.
Приток теплоты в низкотемпературную зону можно значительно снизить, если охлаждать ввод испаряющимся хладагентом.
Особенно эффективно охлаждение токовводов парами гелия, для которого велико отношение
где Ст — удельная теплоемкость; rи — скрытая теплота испарения;
.
Газообразный гелий, нагреваясь при соприкосновении с боковой поверхностью токоввода, отводит часть теплоты, выделяющейся во вводе при прохождении по нему тока. Приток теплоты к жидкому хладагенту при этом уменьшается.
Установлено [34], что хороший теплообмен происходит при выполнении условия
где Σ — боковая поверхность токоввода, см2; Uoпт, Iопт — соответственно оптимальные напряжения, В, и ток, А, в токовводе.
Токоввод, удовлетворяющий этому условию, является оптимальным.
Задача оптимизации параметров токовводов связана с минимизацией притоков теплоты по ним и включает в себя следующие мероприятия; выбор материала; определение оптимальных геометрических размеров; выбор оптимального режима охлаждения.
Материал токоввода.
Материалом токонесущих элементов токовводов является медь или ее сплавы с хорошей электропроводностью (например, латунь).
Использование чистой меди (или обычной электротехнической) позволяет получать малые удельные тепловые потоки (примерно 1 мВт/A) при работе с оптимальным током.
При увеличении тока (например, трехкратном) температура холодной части токоввода возрастает с 4,2 до 300 К. Такой рост температуры увеличивает электрическое сопротивление меди в 80 раз. Это объясняется большим температурным коэффициентом сопротивления этого металла. Рост электрического сопротивления токоввода приводит к увеличению притоков теплоты в систему и нарушению ее работы. То же самое происходит при токах, меньших Iопт.
Латунные токовводы обладают более низким температурным коэффициентом электрического сопротивления по сравнению с медью, что обеспечивает их высокую тепловую стабильность. Однако недостатком латунного токоввода является то, что его оптимальная плотность тока jопт.л меньше jопт.м медных токовводов.
Таким образом, известные конструкции мерных или латунных токовводов, рассчитанные на номинальный режим работы, не обеспечивают минимальных притоков теплоты в широком диапазоне токов, особенно при перегрузках, что нарушает оптимальные условия работы криогенных электрических устройств.
Чтобы исключить эти нарушения, предложена конструкция токоввода, обеспечивающего оптимальные условия работы устройств как при номинальном токе, так и при перегрузках. Для этой цели токонесущая система токового ввода выполнена составной: из медных и латунных проводников, при этом сечение и число медных и латунных элементов токоввода выбирается из уравнений:
где mв — число единичных элементов медной части токоввода; — общее число единичных элементов составного токоввода; γв — отношение удельных тепловых потоков через единичные элементы латунной и медной частей токоввода
; ku — коэффициент перегрузки энергосистемы; Sм, Sл — сечения единичных элементов соответственно, медной п латунной частей токоввода; рм, рл — удельные электрические сопротивления, соответственно медной и латунной частей токоввода.
Выполненные исследования подтвердили вывод большинства авторов [35,36], что для уменьшения притока теплоты в жидкий хладагент необходимо нижнюю часть токовводов, находящуюся вблизи уровня жидкого хладагента (гелия), шунтировать сверхпроводником.
Размеры токоввода.
Между длиной ввода lв и площадью поперечного сечения токонесущей части ввода Sв должно быть оптимальное соотношение (lв/Sв)опт, при котором суммарный тепловой поток по токовводу минимален.
Рис. 40. Зависимость оптимального значения lвI/Sв от остаточного удельного электрического сопротивления рo для меди
Зависимость lвI/Sв от остаточного удельного сопротивления меди для двух различных значений температуры горячего конца (300 и 77 К) [37] представлена на рис. 40.
Для получения эффективного охлаждения токовво- дов потоком газа требуется такая геометрия ввода, благодаря которой поверхность теплообмена создает условия теплообмена, близкие к идеальным.
Выбор оптимального режима охлаждения.
Мощность рефрижератора (ожижителя) определяется суммарными притоками теплоты в низкотемпературную зону, которые необходимо отвести.
Необходимость охлаждения ввода испаряющимся хладагентом признается всеми исследователями. Охлаждение свободно испаряющимся хладагентом можно оптимизировать по минимальному притоку теплоты Qт.в от холодного конца токоввода в жидкий хладагент благодаря наилучшему использованию всего испарившегося газа (его энтальпии).
Если предположить, что охлаждение токовводов происходит по идеализированной схеме отвода теплоты (по циклу Карно), то минимальный удельный расход энергии в ожижителе составляет 1,83 Вт/А, в рефрижераторе — 0,34 Вт/А.
Охлаждение токовводов может происходить или парами жидкого хладагента, или с помощью рефрижератора, работающего по замкнутому циклу.
Конструкция токоввода.
В качестве элементов токовводов используются стержни, ленты, трубы и проволоки небольшого диаметра.
В настоящее время наибольшее распространение получили вводы [38], у которых токонесущими элементами являются оплетки, сделанные из посеребренных медных проволочек небольшого диаметра. Электрический ток проходит по системе параллельных оплеток, помещенных в кожух. Благодаря пористой структуре стенок оплеток поверхность токоввода эффективно омывается.
В работе [38] описан токоввод, рассчитанный па ток 2,5 кА. Токоввод сделан из набора медных лент шириной от 5 до 25 мм и толщиной 0,5 мм каждая. Эти лепты собираются в цилиндрический пакет и вставляются в трубу из нержавеющей стали.
Выступы на лентах, полученные выдавливанием, обеспечивают зазор 0,15 мм для прохода газа.
Существуют токовводы для большого магнита, рассчитанные па ток 6 кА. Этот токоввод состоит из медного стержня с нарезанными на нем дисками, газ проходит в продольном направлении.
В том случае, когда сверхпроводящий магнит предназначен для работы в режиме «замороженного ноля», можно применять токовводы, которые после перевода магнита в короткозамкнутый режим, удаляются из криостата (съемные токовводы).
Применение таких токовводов ограничено, так как при протекании больших токов в месте контакта съемной и неподвижной части выделяется много теплоты. Правда, ее влияние можно уменьшить, охлаждая место контакта циркулирующим по змеевику хладагентом, например азотом.
Основной недостаток токовводов, которые изготавливаются из медных плетенок диаметром 0,45 мм, — достаточно большие притоки теплоты. Однако при правильном конструировании и в этом случае можно добиваться удельного теплового потока, равного примерно 1 Вт/кА.
Токонесущая часть токовводов из стренг представляет собой набор медных скрученных проволочек диаметром 0,45 мм. Преимуществом токовводов из стренг является простота конструкции и высокий коэффициент заполнения. Основной недостаток — небольшая охлаждаемая поверхность. Расчет токовводов из стренг проще, чем токовводов из плетенки. Токонесущую часть токовводов из стренг образуют параллельные, контактирующие по всей длине проволоки. Ввиду плотной скрутки с большим шагом по отношению к диаметру жгута можно рассматривать токонесущую часть как состоящую из одного проводника. Длина и сечение токонесущей части определяются как длина и сечение токоввода.
Токовводы из перфоленты применяются на токи до нескольких десятков килоампер.
Особенностями этих токовводов являются: низкое значение удельного теплового потока (примерно 0,95 Вт/кА), возможность получения «нулевых» тепловых потоков, способность переносить перегрузки по току (1,5-кратные от оптимального). Недостаток — относительно большие габариты.
Результаты исследования таких систем токовводов приведены в табл. 30.
Пример 9.
Рис. 41. Графики для расчета охлаждаемого токоввода
