устройство обнаружения нормальной фазы в обмотке сверхпроводящей магнитной системы с циркуляционным охлаждением

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ОБНАРУЖЕНИЯ НОРМАЛЬНОЙ ФАЗЫ В ОБМОТКЕ СВЕРХПРОВОДЯЩЕЙ МАГНИТНОЙ СИСТЕМЫ С ЦИРКУЛЯЦИОННЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ, состоящее из последовательно включенных датчика нормальной фазы, подключенного к сверхпроводнику обмотки магнита, временного селектора и исполнительного устройства, отличающееся тем, что, с целью повышения помехозащищенности обнаружения в условиях импульсных магнитных полей, в него введены измеритель расхода хладагента, датчик перепада давлений хладагента, регулируемый сумматор, второй временной селектор, второе исполнительное устройство, двухвходовая схема И, причем вход измерителя расхода хладагента соединен с входом охлаждающего канала обмотки, входы датчика перепада давления соединены с входом и выходом охлаждающего канала обмотки, а выходы этих блоков соединены с входами регулируемого сумматора, последовательно соединенного с вторым временным селектором и исполнительным устройством, выход которого соединен с первым входом схемы И второй вход которой соединен с выходом первого исполнительного устройства, а выход которой является выходом устройства.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технической серхпроводимости и может быть использовано при построении защиты и диагностики электромагнитной системы термоядерных реакторов.

Известны устройства обнаружения нормальной фазы (УОНФ), основанные на измерении давления в криостате, полного напряжения на обмотке, затухания тока магнита. Указанные способы обладают низкой чувствительностью обнаружения нормальной фазы, и применяются поэтому как дополнительные-резервные.

Наиболее близкими к предлагаемому являются способ и устройство, основанные на измерении активной составляющей электрического напряжения на обмотке магнита с применением компенсации реактивного напряжения, для чего формируют специальное компенсирующее напряжение, пропорциональное скорости изменения тока или поля магнита, и не содержащего напряжения нормальной фазы, и уравновешивают его с полным напряжением на исследуемой части обмотки. Способ хорошо разработан и используется как основной для диагностики сверхпроводящих магнитных систем.

Недостатком описанных устройств является низкая помехозащищенность обнаружения нормальной фазы при работе защищаемой магнитной системы в условиях интенсивных внешних импульсных магнитных полей. Такие поля создают электромагнитную наводку на обмотку защищаемой магнитной системы, которая ограничивает чувствительность обнаружения. Типичным примером, поясняющим сказанное является термоядерный реактор типа "Токамак" со сверхпроводящей электромагнитной системой, где блоки обмотки тороидального поля работают в условиях воздействия на них полоидальных полей, поля плазмы и т.д. Такая ситуация делает неприемлемым применение традиционных методов обнаружения нормальной фазы т.к. влияние указанных полей, а особенно во время переходных режимов (при начале, окончании полоидального импульса, в точке перегиба, при срыве тока плазмы) приводит к образованию электромагнитных наводок на блоки, превышающих установленные порог и время срабатывания защиты, что приводит в конечном итоге к ложным срабатываниям защиты обмотки тороидального поля.

Целью настоящего изобретения является повышение помехоустойчивости обнаружения фазы в обмотке магнитной системы в условиях импульсных магнитных полей. Автором не выявлено технических решений с признаками, аналогичными предлагаемым.

Сущность изобретения заключается в том, что для окончательного принятия решения о переходе обмотки в нормальное состояние осуществляют контроль ее состояния по нескольким параметрам, причем в качестве дополнительного параметра (кроме напряжения нормальной фазы) - выбрано изменение гидравлического сопротивления охлаждающих каналов сверхпроводящего кабеля обмотки.

На чертеже изображена структурная схема устройства. Устройство состоит из датчика нормальной фазы 1, подключенного к сверхпроводнику обмотки, первого временного селектора 2 и первого исполнительного устройства 3, включенных последовательно. Кроме этого в него введены измеритель расхода хладагента 4, включенный на входе охлаждающего потока в обмотку магнита, датчик перепада давления хладагента между входом и выходом охлаждающих каналов обмотки 5, регулируемый сумматор 6, второй временной селектор 7 и второе исполнительное устройство 8, включенные последовательно, а также двухвходовая схема И 9, ко входам которой подключены выходы первого и второго исполнительных устройств.

Работает устройство следующим образом. В исходном состоянии установившийся режим охлаждения обмотки магнита характеризуется величиной массового расхода хладагента G и перепадом давления dP между входом и выходом каналов охлаждения обмотки. Эти величины отражают гидравлическое сопротивление каналов охлаждения, которое изменяется в зависимости от тепловых процессов, происходящих в обмотке (например-возникновение нормальной фазы). Таким образом, при переходе магнита в нормальное состояние вместе с появлением активного напряжения на обмотке изменяется гидравлическое сопротивление каналов охлаждения обмотки. Это обстоятельство предлагается использовать для повышения помехозащищенности обнаружения перехода обмотки в нормальное состояние в условиях воздействия импульсных электромагнитных полей. Импульсные поля (например работа полоидальных обмоток в установке типа Токамак) создают электромагнитную наводку на обмотку на защищаемого магнита, которая при использовании устройства-прототипа приведет к ложному срабатыванию защиты и к выведению энергии из магнитной системы. В применении к установкам типа Токамак это приведет к нарушению режима работы, что является недопустимым. Контроль гидравлического сопротивления каналов охлаждения обмотки позволит выработать дополнительный критерий для обнаружения перехода в нормальное состояние и устранить ложные срабатывания.

В исходном состоянии до заведения тока предлагается осуществить настройку устройства путем балансировки электрических аналогов, получаемых с датчиков расхода хладагента 4 и перепада давления между входом и выходом обмотки 5, что выполняется с помощью регулируемого сумматора 6, на входы которого в противофазе подаются указанные сигналы. Коэффициенты передачи по входам сумматора 6 выбираются так, чтобы на его выходе напряжение в исходном режиме стремилось к нулю

U = K₁*G-K₂*dP = 0, где K₁, K₂ - коэффициенты передачи регулируемого сумматора по разным входам.

Такая настройка увеличивает чувствительность контроля гидравлического сопротивления каналов охлаждения, а также позволяет избежать ложных срабатываний в случае подстройки режима работы системы охлаждения (регулировании расхода) в небольших пределах. При возникновении нормальной фазы гидравлическое сопротивление обмотки увеличится, так как по меньшей мере в одном из параллельно включенных каналов охлаждения под действием тепловыделений на нормальной фазе возникает паровая зона, тормозящая движение потока. Соотношение между расходом и перепадом давления изменится, на выходе сумматора 6 появится сигнал раскомпенсации, сработает временной селектор 7-необходимый для устранения ложных срабатываний от импульсных помех, в результате чего через установленное время задержки сработает исполнительное устройство 8. Аналогичный процесс обнаружения произойдет в электрическом канале, подключенном к обмотке магнита, в результате чего сработает исполнительное устройство 3. Срабатывание обоих исполнительных устройств гарантировано говорит о возникновении нормальной фазы в обмотке, в результате чего на выходе схемы И появляется сигнал для управления системой защиты магнита. При одиночном срабатывании исполнительных устройств 3 (от помехи, связанной с воздействием импульсного магнитного поля) или 8 (при технологической перестройке режима охлаждения обмотки, забивке каналов охлаждения и др.) система защиты срабатывать не будет.

Использование данного изобретения позволит организовать надежную защиту и диагностику сверхпроводящих магнитных систем, работающих в условиях импульсных магнитных полей. Такая ситуация возникает, например, при защите сверхпроводящей обмотки тороидального поля в установках типа Токамак, где работа полоидальных обмоток создает интенсивные помехи на тороидальную обмотку, что делает неприемлемым применение традиционных методов обнаружения нормальной фазы из-за большой вероятности ложных срабатываний.

Экономический эффект может быть подсчитан от уменьшения вероятности ложных срабатываний системы защиты сверхпроводящих обмоток входящих в состав термоядерного реактора, что будет приводить к перерывам в работе электростанции. Конкретная сумма экономического эффекта может быть определена после завершения проектирования всего комплекса электростанции на основе термоядерного реактора.