Thermisches Verfahren zum schnellen Überführen einer supraleitenden Wicklung vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Abstract

 Die gesamte in einem Vakuumraum angeordnete, von einem kryogenen Medium gekühlte supraleitende Wicklung einer elektrischen Einrichtung wird von dem supraleitenden Betriebszustand in den normalleitenden Zustand mittels Erwärmung der gesamten Wicklung überführt, falls in einem Störungsfall ein Normalleitendwerden mindestens eines bis dahin supraleitenden Wicklungsbereiches auftritt. Um dies auf einfache Weise zu erreichen, ist gemäß der Erfindung vorgesehen, daß in den Vakuumraum (4) eine solche vorbestimmte Menge eines auf einer höheren Temperatur befindlichen, bei der supraleitenden Betriebstemperatur ausgefrierenden Gases eingeleitet wird, daß die supraleitfähigen Teile der Wicklung (2) über die für die Supraleitung charakteristische kritische Sprungtemperatur erwärmt werden. Hierbei kann vorteilhaft in den das kryogene Medium (M) aufnehmenden Räumen (3) der Druck (p) um einen solchen vorbestimmten Wert erhöht werden, daß ein Sieden des kryogenen Mediums (M) bei der Erwärmung der supraleitfähigen Teile bis mindestens auf die kritische Sprungtemperatur unterdrückt wird.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum schnellen Überführen der gesamten in einem Vakuumraum angeordneten, von einem kryogenen Medium gekühlten supraleitenden Wicklung einer elektrischen Einrichtung von dem supraleitenden Betriebszustand in den normalleitenden Zustand mittels Erwärmung der gesamten Wicklung bei einem in einem Störungsfall auftretenden Normalleitendwerden mindestens eines bis dahin supraleitenden Wicklungsbereiches. Ein solches Verfahren ist aus der Zeitschrift "Cryogenics", August 1979, Seiten 467 bis 471 bekannt. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

[0002] In großen supraleitenden Wicklungen von elektrischen Einrichtungen wie z.B. von Magneten oder Maschinen können sehr große Energiemengen von beispielsweise 10⁹ Joule gespeichert werden. Geht in einem Störungsfall ein begrenztes Leiterstück einer solchen Wicklung vonseinem supraleitenden Betriebszustand in den normalleitenden Zustand über, so besteht die Gefahr, daß an diesem Leiterstück nach Einsetzen der Normalleitung,. auch Quench genannt, große Energiemengen in.Form von Wärme umgesetzt werden, so daß es zu einem Durchschmelzen des Leiterstückes kommt.

[0003] In einem solchen Störungsfalle darf also die eingespeiste Energie im allgemeinen nicht lokal umgesetzt werden, da dies zu einer Zerstörung oder Beschädigung der Wicklung führen kann, falls nicht geeignete Schutzmaßnahmen ergriffen werden. Unter einer Reihe von möglichen Maßnahmen wird für große stabilisierte Magnete die schnelle Auskopplung der Energie in äußere Parallelwiderstände vorgesehen ("Cryogenics", Juni 1964, Seiten 153 bis 165). Auch eine Energieauskopplung auf induktivem Wege ist als Schutzmaßnahme bekannt ("Cryogenics", Dezember 1976, Seiten 705 bis 708). Bei diesen Maßnahmen treten jedoch bei sehr großen gespeicherten Energien isolationstechnische Probleme auf.

[0004] Bei einer gleichmäßig auf die gesamte Wicklung verteilten Umsetzung der in Großmagneten gespeicherten Energie in Wärme ist die damit verbundene Temperaturerhöhung bekanntlich verhältnismäßig gering, so daß eine Beschädigung der Wicklung und damit der sie enthaltenden elektrischen Einrichtung nicht zu befürchten ist. Man ist deshalb bestrebt, beim Auftreten von Normalleitung in einem einzelnen Bereich der supraleitenden Wicklung die gespeicherte Energie nicht nur in diesem Bereich, sondern in der gesamten Wicklung umzusetzen, indem die gesamte Wicklung möglichst schnell in den normalleitenden Zustand überführt wird. Gemäß der eingangs genannten Veröffentlichung aus "Cryogenics", 1979, sind hierzu in der Wicklung von vornherein besondere Heizelemente eingebaut, mit deren Hilfe bei einem Störungsfall die gesamt Wicklung gleichmäßig erwärmt werden kann. Die Anordnung entsprechender Heizelemente in der Wicklung ist jedoch verhältnismäßig aufwendig und kann ebenfalls zu isolationstechnischen Problemen führen.

[0005] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, das eingangs genannte Verfahren zu vereinfachen.

[0006] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in den Vakuumraum eine solche vorbestimmte Menge eines auf einer höheren Temperatur befindlichen, bei der supraleitenden Betriebstemperatur ausgefrierenden Gases eingeleitet wird, daß die supraleitfähigen Teile der Wicklung über die für die Supraleitung charakteristische kritische Sprungtemperatur erwärmt werden.

[0007] Das bei einem Auftreten eines normalleitenden Bereiches in der supraleitenden Wicklung zugeführte warme Gas kondensiert dann an den durch das kryogene Medium gekühlten Flächen der Wicklung und gibt dabei seine gespeicherte Energie, d.h. Enthalpie und Verdampfungswärme an diese.ab. Wegen der vorherbestimmten Menge des warmen Gases kann dabei eine nachhaltige Verschlechterung des Isoliervakuums in dem Vakuumraum vermieden werden. Über das somit entsprechend erwärmte kryogene Medium wird die gesamte Wicklung über die Sprungtemperatur seiner Supraleiter hinaus erwärmt, so daß die bisher noch supraleitenden Teile der Wicklung ebenfalls in den normalleitenden Zustand übergehen.

[0008] Die mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Verfahrens verbundenen Vorteile sind insbesondere darin zu sehen, daß jede supraleitende Wicklung, .selbst eine mit kompliziertester Wickeltechnik hergestellte Wicklung, ohne weiteres sehr schnell in den normalleitenden Zustand überführt werden kann. Auch bei bereits bestehenden elektrischen Einrichtungen mit supraleitenden Wicklungen kann dieses Verfahren angewandt werden. Dabei sind keine besonderen Maßnahmen erforderlich, auf die bei der Auslegung der Wicklung Rücksicht genommen werden müßte. Insbesondere gibt es keine besonderen elektrischen Zuleitungen und damit keine Probleme mit isolierten kalten Zuleitungen, der Spannungsfestigkeit und einer dauernden Wärmeeinleitung im Betriebsfalle.

[0009] Besonders vorteilhaft ist es, wenn man gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens nach der Erfindung in den das kryogene Medium aufnehmenden Räumen den Druck um einen solchen vorbestimmten Wert erhöht, daß ein Sieden des kroygenen Mediums bei der Erwärmung der supraleitfähigen Teile bis mindestens auf die kritische Sprungtemperatur unterdrückt wird. Trotz der durch das warme Gas zugeführten Wärme bleibt dann das kryogene Medium mindestens bis Erreichen der Sprungtemperatur einphasig. Damit ist ein guter Wärmeaustausch zwischen dem erwärmten kryogenen Medium und den Supraleitern der Wicklung zu gewährleisten.

[0010] Die Mengen des zuzuführenden warmen Gases und die gegebenenfalls vorzunehmende Druckerhöhung in den Kühlmittelräumen hängen hauptsächlich von der räumlichen Ausdehnung der zu erwärmenden Teile der Wicklung und von den Betriebsdaten der Supraleiter ab. Werden nämlich für die Supraleiter im normalen Betriebszustand Betriebswerte vorgesehen, die verhältnismäßig nahe dem sogenannten Sprungpunkt des verwendeten supraleitenden Materials liegen, so sind nur geringere Wärmemengen und eine geringerere Druckerhöhung erforderlich als im Falle, daß die Betriebswerte von dem Sprungpunkt weiter entfernt liegen. Der Sprungpunkt des supraleitenden Materials ist dabei der in einem I-H-T-Raum durch die kritische Stromdichte I_c, kritische Feldstärke H und kritische Sprungtemperatur T festgelegte Punkt, an dem das supraleitende Material vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand übergeht (vgl. z.B. DE-OS 29 01 333).

[0011] Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens nach der Erfindung gehen aus den restlichen Unteransprüchen hervor.

[0012] Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und deren in den Unteransprüchen gekennzeichneten Weiterbildungen wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Figur schematisch für eine supraleitende Magnetspule eine Schutzvorrichtung veranschaulicht ist, die nach dem Verfahren gemäß der Erfindung arbeitet.

[0013] Gemäß dem schematischen Ausführungsbeispiel nach der Figur ist eine Badkühlung für einen supraleitenden Magneten vorgesehen. Die stabilisierten Supraleiter seiner Magnetwicklung 2 sind deshalb in einem Gefäß 3 in flüssiges Helium als kryogenem Medium M eingetaucht, das im Betriebszustand der Wicklung das supraleitende Material auf einer Temperatur unterhalb der kritischen Temperatur hält. Um eine Wärmeeinleitung von-außen zu begrenzen, ist das Gefäß 3 mit der in ihm befindlichen Magnetwicklung 2 von einem Vakuum in einem Vakuumraum--4 eines Vakuumgefäßes 5 umgeben. Zusätzlich ist in dem Vakuumraum 4 ein thermischer Strahlungsschild 6 vorgesehen, der von einem weiteren Kühlmittel auf einer Zwischentemperatur zwischen der außerhalb des Vakuumgefäßes 5 herrschenden Raumtemperatur und der kryogenen Betriebstemperatur in dem Gefäß 3 gehalten wird. Dieses Kühlmittel kann z.B. Helium-Abgas aus dem Gefäß 3 mit einer Temperatur von etwa 20 K oder flüssiger Stickstoff mit etwa 78 K sein.

[0014] Um die gesamte Magnetwicklung in einem Störungsfalle gemäß der Erfindung von dem supraleitenden Betriebszustand in den normalleitenden Zustand überführen zu können, ist an den Vakuumraum 4 ein über ein Magnetventil 7 zuschaltbarer Vorratsbehälter 8 angeschlossen. In diesem Vorratsbehälter ist eine vorbestimmte Menge eines warmen Gases, das bei der supraleitenden Betriebstemperatur der Wicklung 2 ausgefriert, gespeichert. Bei diesem Gas, dessen Temperatur vorteilhaft um'mindestens 100 K höher liegt als die Sprungtemperatur des supraleitenden Materials, kann es sich beispielsweise um wasserfreies Stickstoff-Gas mit Raumtemperatur handeln. Wird nun mittels einer Elektronik 9 in einem Bereich der Magnetwicklung 2 ein Quench, d.h. ein Übergang von dem supraleitenden in den normalleitenden Zustand registriert, so wird mit Hilfe der Elektronik das Magnetventil 7 geöffnet, und der Stickstoff-Vorrat aus dem Behälter 8 strömt in den Vakuumraum 4. Dort kondensiert er an den heliumkalten Flächen des Gefäßes 3, wobei er seine Enthalpie und Verdampfungswärme an das Heliumbad abgibt. Zugleich erfolgt auch eine entsprechende Erwärmung des Strahlungsschildes 6. Ferner wird zweckmäßigerweise mit der Einleitung des wärmeren Gases gleichzeitig in dem Gefäß 3 der dort bisher herrschende Druck p um einen vorbestimmten Wert erhöht. Dies kann zum Beispiel dadurch geschehen, daß die Ausleitung des in dem Gefäß 3 erzeugten Abgases A unterbrochen bzw. gedrosselt wird. Hierzu dient ein Drosselventil 10 in einer entsprechenden Abgasleitung 11, das über einen von der Elektronik 9 ebenfalls gesteuerten Steller 12 eingestellt wird. Gegebenenfalls ist eine Druckerhöhung auch dadurch zu erreichen, daß man dem Druckraum des in dem Gefäß 3 befindlichen Heliumbades Heliumgas mit erhöhtem Druck zuführt, beispielsweise ein druckbehaftetes Zusatzvolumen zuschaltet. Mit diesen Maßnahmen wird erreicht, daß trotz der Erhöhung der Temperatur des Heliumbades in dem Gefäß 3 mittels des zugeschalteten Heliumvorrates ein Sieden des Heliums zumindest solange vermieden wird, bis die gesamte Wicklung den kritischen Sprungpunkt des supraleitenden Materials erreicht hat. Wegen der geringen Wärmekapazität und der erfolgten Druckerhöhung im Heliumbad werden also das Heliumgefäß 3 und das Helium selbst sehr schnell aufgeheizt. Damit werden die Teile der Wicklung, die in unmittelbarem thermischen Kontakt mit dem Kühlhelium stehen, über ihre kritische Temperatur hinaus erwärmt, so daß von ihnen aus eine gleichmäßige Ausbreitung des Quenches über die gesamte Magnetwicklung innerhalb kürzester Zeit zu gewährleisten ist.

[0015] Bei der in der Figur dargestellten Schutzvorrichtung sind zwar Maßnahmen zur Druckerhöhung in den das kryogene Medium M aufnehmenden Räumen, d.h. in dem Gefäß 3 vorgesehen. Gegebenenfalls kann jedoch bei dem Verfahren nach der Erfindung auf diese Maßnahmen verzichtet werden, falls die bessere Wärmeleitung des bei einem Sieden auftretenden Heliumgases im Vergleich zum flüssigen Helium ausgenutzt werden soll.

[0016] Das Verfahren nach der Erfindung läßt sich vorteilhaft bei beliebigen Supraleitungsmagneten anwenden, ohne daß bei der Auslegung deren Wicklung besondere Gestaltungsmaßnahmen zu ergreifen sind. Gemäß einem konkreten Ausführungsbeispiel sei ein bekannter badgekühlter Supraleitungsmagnet vorgesehen (vgl. _z._B. "Eisenbahntechnische Rundschau", Band 27, Heft 3, 1978, Seiten 150 bis 153). In diesem Magneten ist eine Energie von 2 MJ bei einem Nennstrom von 1000 A und einer effektiven Stromdichte in der Wicklung von 86 A/mm² zu speichern. Mit etwa 270 g trockenem Stickstoffgas, das sind etwa ₂00 1 bei Raumtemperatur und 1 bar, läßt sich dann innerhalb von 600 msec die gesamte Magnetwicklung vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand überführen, ohne daß es zu einer gefährlichen Überhitzung einzelner Teile der Wicklung kommt. Durch die Einleitung des warmen Stickstoffgases in den _Vakuumraum des Magneten wird hierbei auch die Temperatur des dort vorhandenen Strahlungsschildes von ursprünglich 20 K auf etwa 80 K erhöht.

[0017] Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach der Figur wurde davon ausgegangen, daß für die supraleitende Magnetwicklung 2 eine Badkühlung vorgesehen ist. Das Verfahren nach der Erfindung eignet sich jedoch ebensogut auch für forciert gekühlte supraleitende Magnetwicklungen, d.h. die das kryogene Medium M aufnehmenden Räume sind nicht wie bei einer Badkühlung-ein Badkryostat bzw. das Gefäß 3, sondern die Hohlräume in oder an den Supraleitern, durch die das kryogene Medium gefördert wird. Auch solche Magnetwicklungen sind von einem Vakuumraum umgeben, in den zur kurzfristigen Auslösung eines allgemeinen Quenches eine vorbestimmte Menge eines warmen Gases eingeleitet werden kann. Bei diesem Kühlverfahren kann zugleich der Druck in dem Heliumkreislauf durch die oder an den einzelnen Leiter erhöht werden. Dies läßt sich beispielsweise dadurch erreichen, daß man den Heliumaustritt aus dem Kreislauf drosselt oder Helium mit erhöhtem Druck in den Kreislauf einspeist.

[0018] Gemäß einem konkreten Ausführungsbeispiel wird das Verfahren nach der Erfindung für einen bekannten, forciert zu kühlenden supraleitenden Magneten vorgesehen (vgl. "Handbuch Supraleitungstechnik", VDI-Bildungswerk BW 41-08-01 (BW 2802), Oktober 1974, Beitrag 12, Seiten 1 bis 9 oder "5th Internat. Cryogenic Engineering Conference", Mai 1974, Kyoto (Japan), Bericht B2, Seiten 28 bis 34). Dieser Magnet mit kupferstabilisierten NbTi-Leitern ist mit einem Nennstrom von 500 A bei 3,5 T und 4,5 K zu belasten, wobei die effektive Stromdichte in der Wicklung bei 81 A/mm² liegt. Die in der Magnetwicklung gespeicherte magnetische Energie beträgt 120 kJ. Mit ungefähr 80 g Stickstoff, das sind etwa 60 1 bei Raumtemperatur und 1 bar, kann das die Magnetwicklung kühlende Helium innerhalb von 600 msec um ca 1 K aufgewärmt werden. Diese Temperaturerhöhung reicht im allgemeinen aus, um die gesamte Magnetwicklung vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand zu überführen.

Ansprüche

1. Verfahren zum schnellen Überführen der gesamten in einem Vakuumraum angeordneten, von einem kryogenen Medium gekühlten supraleitenden Wicklung einer elektrischen Einrichtung von dem supraleitenden Betriebszustand in den normalleitenden Zustand mittels Erwärmung der gesamten Wicklung bei einem in einem Störungsfall auftretenden Normalleitendwerden mindestens eines bis dahin supraleitenden Wicklungsbereiches, dadurch gekennzeichnet , daß in den Vakuumraum (4) eine solche vorbestimmte Menge eines auf einer höheren Temperatur befindlichen, bei der supraleitenden Betriebstemperatur ausgefrierenden Gases eingeleitet wird, daß die supraleitfähigen Teile der Wicklung (2) über die für die Supraleitung charakteristische kritische Sprungtemperatur erwärmt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß in den das kroygene Medium (M) aufnehmenden Räumen (3) der Druck (p) um einen solchen vorbestimmten Wert erhöht wird, daß ein Sieden des kryogenen Mediums (M) bei der Erwärmung der supraleitfähigen Teile bis mindestens auf die kritische Sprungtemperatur unterdrückt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß in--den Vakuumraum (4) das Gas mit einer Temperatur eingeleitet wird, die mindestens um 100 K über der kritischen Sprungtemperatur liegt und insbesondere etwa Raumtemperatur ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß dem Vakuumraum (4) ein Vorratsgefäß (8) mit der vorbestimmten Menge an dem warmen Gas zugeschaltet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d _a - durch gekennzeichnet , daß in den Vakuumraum (4) wasserfreier Stickstoff eingeleitet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß den das kryogene Medium (M) aufnehmenden Räumen (3) ein druckbehaftetes Zusatzvolumen zugeschaltet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß der Abgasstrom (A) aus den das kryogene Medium (M) aufnehmenden Räumen (3) gedrosselt wird.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (9) zur Registrierung des Normalleitendwerdens von Bereichen der supraleitenden Wicklung (2) und durch Mittel zum Einspeisen der vorbestimmten Menge an wärmerem Gas in den Vakuumraum (4).

Zeichnung