Szupravezetők, a mágneses tér hatása a szupravezetőkre

Hasonló dokumentumok
Szupravezetők, a mágneses tér hatása a szupravezetőkre

A szupravezetők osztályozása. A lebegtetési kísérletek tapasztalatai. Fluxusörvények II. típusú szupravezetőkben

Szupravezetők a mindennapokban

Közreműködők Erdélyi István Györe Attila Horvát Máté Dr. Semperger Sándor Tihanyi Viktor Dr. Vajda István

Szupravezetés Vajda István: A szupravezetők alkalmazásai "Fizikus Napok", Debrecen, március 6.

TARTALOMJEGYZÉK. Előszó 9

1 kérdés. Személyes kezdőlap Villamos Gelencsér Géza Simonyi teszt május 13. szombat Teszt feladatok 2017 Előzetes megtekintés

Szupravezetés. Mágneses tér mérő szenzorok (DC, AC) BME, Anyagtudomány és Technológia Tanszék. Dr. Mészáros István. Előadásvázlat 2013.


LI 2 W = Induktív tekercsek és transzformátorok

FIATAL MŰSZAKIAK TUDOMÁNYOS ÜLÉSSZAKA

7. L = 100 mh és r s = 50 Ω tekercset 12 V-os egyenfeszültségű áramkörre kapcsolunk. Mennyi idő alatt éri el az áram az állandósult értékének 63 %-át?

Az elektromágneses tér energiája

2.) Fajlagos ellenállásuk nagysága alapján állítsd sorrendbe a következő fémeket! Kezd a legjobban vezető fémmel!

MÁGNESES TÉR, INDUKCIÓ

ELEKTROTECHNIKA II. ZH ( félév) A tanszék által a második zárthelyire kiadott adott ellenőrző kérdések

Mágneses erőtér. Ahol az áramtól átjárt vezetőre (vagy mágnestűre) erő hat. A villamos forgógépek mutatós műszerek működésének alapja

Négypólusok helyettesítő kapcsolásai

Fizika M1 - A szilárdtestfizika alapjai. Gépészmérnök és Energetikai mérnök mesterszak

PhD értekezés tézisei

A 27/2012 (VIII. 27.) NGM rendelet 29/2016 (VIII.26) NGM rendelet által módosított) szakmai és vizsgakövetelménye alapján.

ELSŐ ZH-kédések kidolgozása: BY HENTES

(Az 1. példa adatai Uray-Szabó: Elektrotechnika c. (Nemzeti Tankönyvkiadó) könyvéből vannak.)

Elektrotechnika 9. évfolyam

évfolyam. A tantárgy megnevezése: elektrotechnika. Évi óraszám: 69. Tanítási hetek száma: Tanítási órák száma: 1 óra/hét

FIATAL MŰSZAKIAK TUDOMÁNYOS ÜLÉSSZAKA

A 27/2012 (VIII. 27.) NGM rendelet (12/2013 (III.28) és a 29/2016 (VIII.26) NGM rendelet által módosított) szakmai és vizsgakövetelménye alapján.

Tekercsek. Induktivitás Tekercs: induktivitást megvalósító áramköri elem. Az induktivitás definíciója: Innen:

Állandó permeabilitás esetén a gerjesztési törvény más alakban is felírható:

Elektrotechnika 11/C Villamos áramkör Passzív és aktív hálózatok

2. Ideális esetben az árammérő belső ellenállása a.) nagyobb, mint 1kΩ b.) megegyezik a mért áramkör eredő ellenállásával

Elektrotechnika. Ballagi Áron

Használható segédeszköz: szabványok, táblázatok, gépkönyvek, számológép

4. /ÁK Adja meg a villamos áramkör passzív építő elemeit!

4. /ÁK Adja meg a villamos áramkör passzív építő elemeit!

9. évfolyam. Osztályozóvizsga tananyaga FIZIKA

Szupravezető anyagok alkalmazása villamos gépekben

A 27/2012 (VIII. 27.) NGM rendelet (12/2013 (III.28) és a 29/2016 (VIII.26) NGM rendelet által módosított) szakmai és vizsgakövetelménye alapján.

N I. 02 B. Mágneses anyagvizsgálat G ép A mérés dátuma: A mérés eszközei: A mérés menetének leírása:

Használható segédeszköz: szabványok, táblázatok, gépkönyvek, számológép

Az alacsony hőmérséklet előállítása

Villamos gépek működése

Az önindukciós és kölcsönös indukciós tényező meghatározása Az Elektrotechnika tárgy 7. sz. laboratóriumi gyakorlatához Mérésvezetői segédlet


Újpesti Bródy Imre Gimnázium és Ál tal án os Isk ola

Elektromechanika. 4. mérés. Háromfázisú aszinkron motor vizsgálata. 1. Rajzolja fel és értelmezze az aszinkron gép helyettesítő kapcsolási vázlatát.

Gépészmérnöki alapszak, Mérnöki fizika 2. ZH, december 05. Feladatok (maximum 3x6 pont=18 pont)

a) A kritikus állapot modellje (CSM) b) Példák c) Kiterjesztett CSM d) AC veszteségek e) Szupravezetős állandó mágnesek

Mágneses szuszceptibilitás mérése

SZUPRAVEZETŐS INDUKTÍV ZÁRLATIÁRAM-KORLÁTOZÓ ÉS

Elektromágnesség tesztek

ELEKTROTECHNIKA-ELEKTRONIKA ELEKTROTECHNIKA

= Φ B(t = t) Φ B (t = 0) t

Az elektromos töltések eloszlása atomokban, molekulákban, ionokon belül és a vegyületekben. Vezetők, félvezetők és szigetelők molekuláris szerkezete.

Szigetelés Diagnosztikai Konferencia Nagyteljesítményű turbógenerátorok állapot és diagnosztikai vizsgálatainak rendszere KTT

EGYFÁZISÚ VÁLTAKOZÓ ÁRAM

VILLANYSZERELŐ KÉPZÉS MÁGNESES TÉR ÖSSZEÁLLÍTOTTA NAGY LÁSZLÓ MÉRNÖKTANÁR

Mágnesesség, elektromágnes, indukció Tudománytörténeti háttér Már i. e. 600 körül Thalész felfedezte, hogy Magnesia város mellett vannak olyan talált

12.A 12.A. A belsı ellenállás, kapocsfeszültség, forrásfeszültség fogalmának értelmezése. Feszültséggenerátorok

Magnesia. Itt találtak már az ókorban mágneses köveket. Μαγνησία. (valószínű villámok áramának a tere mágnesezi fel őket)

Elektromos áramerősség

Oszcillátorok. Párhuzamos rezgőkör L C Miért rezeg a rezgőkör?

Programozható vezérlő rendszerek. Elektromágneses kompatibilitás II.

Alapfogalmak, osztályozás

Az elektromágneses indukció jelensége

Megújuló energiák villamos rendszerei (BMEVIVEM262)

Használható segédeszköz: szabványok, táblázatok, gépkönyvek, számológép

A mágneses tulajdonságú magnetit ásvány, a görög Magnészia városról kapta nevét.

Köztestületi Stratégiai Programok. III. Energetikai kutatások. Adalékok a jövőképhez: a szupravezetők villamosipari alkalmazásai

azonos sikban fekszik. A vezetőhurok ellenállása 2 Ω. Számítsuk ki a hurok teljes 4.1. ábra ábra

MÉSZÁROS GÉZA okl. villamosmérnök villamos biztonsági szakértő

Időben állandó mágneses mező jellemzése

VILLAMOS ENERGETIKA VIZSGA DOLGOZAT - A csoport

= f p képlet szerint. A gép csak ezen a szögsebességen tud állandósult nyomatékot kifejteni.

Érzékelők és beavatkozók

Gyakorlat 30B-14. a F L = e E + ( e)v B képlet, a gravitációs erőt a (2.1) G = m e g (2.2)

Mérési útmutató Az önindukciós és kölcsönös indukciós tényező meghatározása Az Elektrotechnika c. tárgy 7. sz. laboratóriumi gyakorlatához

-2σ. 1. A végtelen kiterjedésű +σ és 2σ felületi töltéssűrűségű síklapok terében az ábrának megfelelően egy dipól helyezkedik el.

Bevezetés az analóg és digitális elektronikába. III. Villamos és mágneses tér

Fizika 1 Elektrodinamika beugró/kis kérdések

A SZUPRAVEZETÉS. Fizika. A mágneses tér hatása a szupravezető állapotra

A kísérlet, mérés megnevezése célkitűzései: Váltakozó áramú körök vizsgálata, induktív ellenállás mérése, induktivitás értelmezése.

Orvosi jelfeldolgozás. Információ. Információtartalom. Jelek osztályozása De, mi az a jel?

Fejlesztések a zárlati méréstechnikában

Háromfázisú aszinkron motorok

A II. kategória Fizika OKTV mérési feladatainak megoldása

Mérnöki alapok II. III. Rész Áttekintés az energiaátalakításokról és az energia-átalakítókról

Épületinformatika â 1880 Edison

Vezetők elektrosztatikus térben

1. Milyen módszerrel ábrázolhatók a váltakozó mennyiségek, és melyiknek mi az előnye?

Mérési útmutató. A transzformátor működésének vizsgálata Az Elektrotechnika tárgy laboratóriumi gyakorlatok 3. sz. méréséhez

Hálózati akkumulátoros energiatárolás merre tart a világ?

BME-VIK villamosmérnök BSc, 3. félév Elektrotechnika - 1. ZH

SUPERTECH LABORATÓRIUM VILLAMOS ENERGETIKA TANSZÉK BUDA PESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGY ETEM

A 27/2012 (VIII. 27.) NGM rendelet 29/2016 (VIII.26) NGM rendelet által módosított) szakmai és vizsgakövetelménye alapján.

Fizika minta feladatsor

Rogowski-tekercses árammérő rendszer tervezése és fejlesztése

EGYENÁRAMÚ GÉP VIZSGÁLATA Laboratóriumi mérési útmutató

Tételek Elektrotechnika és elektronika I tantárgy szóbeli részéhez 1 1. AZ ELEKTROSZTATIKA ALAPJAI AZ ELEKTROMOS TÖLTÉS FOGALMA 8 1.

Elektrotechnika - Bemutatkozás

Átírás:

Az elektrotechnika XIX. századi fejlődése során a fémek nagyon alacsony hőmérsékleti villamos ellenállása is foglalkoztatta a tudósokat. A század második felében több elmélet született. Matthiessen 1 1864-ben azt feltételezte, hogy az ellenállás csökkenésében valamilyen telítési jelenség van, ami a rácshibáktól és a szennyeződéstől függ. Kelvin 2 szerint (1902) ellenállás nagysága a végtelen felé tart, mert az elektronok befagynak, Dewar 3 1904-ben ennek ellenkezőjére gondolt: az atomok befagyása miatt zérus lesz az ellenállás. A választ a hélium cseppfolyósítása utáni kísérleti vizsgálatok adták meg. Elméletek a fémek alacsony hőmérsékleti ellenállására Néhány fém villamos ellenállása 0 K közelében I. Történeti áttekintés - 1908 Onnes 4 : A hélium cseppfolyósítása (forráspontja T fhe = 4,2 K). Lehetővé tette anyagi jellemzők vizsgálatát a folyékony hélium hőmérsékletén. - 1911 Onnes: A higany szupravezető tulajdonságának felfedezése. Nem szupravezető fémnél (pl. platina) 0 K közelében maradó ellenállás mérhető. - 1933 Meissner 5 és Ochsenfeld 6 : A Meissner-effektus felfedezése. - 1935 London 78 fivérek: A Meissner-effektus magyarázata. - 1986 Bednorz 9 és Müller 10 : A magashőmérsékletű szupravezetők felfedezése T c >30 K. - 1987 ittrium (Y) alapú szupravezetők T c ~93 K. 1 Matthiessen, Augustus angol fizikus, kémikus (1831. I. 2. 1870. X. 6.) 2 Thomson, Baron Kelvin, William angol fizikus (1824. VI. 26. 1907. XII. 17.) 3 Dewar, James skót fizikus, kémikus (1842. IX.. 20 1923. III. 27.) 4 Onnes, Heike Kammerlingh holland fizikus, Nobel-díjas (1853. IX. 21. 1926. II. 21.) 5 Meissner (Meißner), Fritz Walther német fizikus (1882. XII. 16. - 1974. XI. 16.) 6 Ochsenfeld, Robert német fizikus (1901. V. 18. - 1993. XII. 5.) 7 London, Fritz Wolfgang német-amerikai fizikus (1900. III. 7. - 1954. III. 30.) 8 London, Heinz német-amerikai fizikus (1907. XI. 7. -1970. VIII. 3.) 9 Bednorz, Johannes Georg német fizikus, Nobel-díjas (1950. V. 16. - ) 10 Müller, Karl Alexander svájci fizikus, Nobel-díjas (1927. IV. 20. - )

VIVEMA13 Váltakozó áramú rendszerek 2018 T c >77 K anyagoknál a hűtés folyékony nitrogénnel történhet a nagyon drága folyékony hélium helyett. Alkalmazott hűtőfolyadékok: hűtőanyag forráspont T f (K) hélium He 4,2 neon Ne 24,5 hidrogén H 33 nitrogén N 77,36 II. Szupravezetők tulajdonságai 1. ellenállás-mentes áramvezetés 2. ideális diamágneses tulajdonság - a mágneses tér kiszorul a szupravezető anyagból alkalmazás: lebegtetés - a mágneses tér befagy a szupravezetőbe alkalmazás: szupravezető mágnes A szupravezetőkre jellemző mennyiségek: T c kritikus hőmérséklet, J c kritikus áramsűrűség (vagy I c kritikus áram), B c kritikus indukció (vagy H c kritikus térerősség). J c és B c a hőmérséklet emelkedésével csökken, J c a külső mágneses térerősség növekedésével is csökken. hőmérséklet, T szupravezetési tartomány T c áramsűrűség, J J c (I c ) H c (B c ) A szupravezető állapot kritikus felülete térerősség, H 2

Ha a T hőmérséklet, J áramsűrűség és B indukció közül bármelyik változó meghaladja az adott anyagra jellemző kritikus értéket (átmeneti értéket), megszűnik a szupravezető állapot, az anyag normál állapotba kerül. A szupravezető anyagok fajlagos ellenállása normál állapotban általában nagyobb, mint a jó vezetőké (például a rézé) A nem szupravezető anyagok fajlagos ellenállásának hőmérséklet függése közelítőleg: ρ n =ρ 0n +a n T, a n áll. szupravezető anyagoknál: ρ s =ρ 0s +a s T ha T > T c, a s áll. ρ s =0 ha T < T c. ρ szupravezető ρ 0s ρ 0n normál vezető 0 T c A fajlagos ellenállás változása a hőmérséklet függvényében Diamágneses anyagoknál az atomi elektronpályákon a külső mágneses tér hatására bekövetkező spin változások a külső fluxust csökkentik, a mágnesezettség a külső térrel ellentétes irányú. Jóllehet minden anyag diamágneses, de ezt a gyenge hatást elrejtheti egy másik, erősebb mágneses (pl. ferromágneses) tulajdonság. A diamágneses anyagban gyenge negatív szuszceptibilitás és egynél valamivel kisebb relatív permeabilitás lép fel. T A diamágnesség illusztrációja normál fém szupravezető 3

VIVEMA13 Váltakozó áramú rendszerek 2018 I. típusú szupravezetők Két vezetési állapotuk van: - normál (rezisztív) állapot - szupravezető állapot II. típusú szupravezetők Három vezetési állapotuk van: A II. típusú szupravezetők általában fémes vegyületek. A legfontosabb különbség az I. és a II. típusú szupravezetők között a mágneses viselkedésükkel kapcsolatos. Ellentétben az I. típusú szupravezetőkkel, a II. típusú szupravezető esetében két kritikus mágneses indukció értéket (B c1, B c2 ) különböztetünk meg. B c1 alatt a szupravezető teljesen kiszorítja a mágneses mezőt magából (diamágneses). Ha a mágneses indukció nagysága B c1 és B c2 között van (B c1 <B<B c2 ), a szupravezető kevert állapotba kerül, a külső mező ugyan behatol a szupravezetőbe, de annak ellenállása még nem tér vissza, az csak B>B c2 indukciónál történik meg. I. (a) és II. (b) típusú szupravezetők Meissner hatás Egy szupravezetőt mágneses térbe helyezve a tér csak bizonyos mélységig hatol be az anyagba, a szupravezető belseje felé a tér exponenciálisan csökken. Ezt úgy értelmezik, hogy a szupravezető felszínén olyan áram alakul ki, amelyik a külsővel ellentétes irányú mágneses teret hoz létre (tehát nem kizárólag az elektron spinnel magyarázzák). A külső mágneses tér erősségének növelésével a behatolási mélység (London féle behatolási mélységnek is nevezik) nő. Ez a jelenség nem azonos a váltakozó mágneses tér kapcsán a fém vezetőknél megismert behatolási mélységgel, a Lenz törvénnyel is magyarázható szkin hatással. A Meissner hatás időben állandó indukció mellett is jelentkezik és időben szintén állandó. A szupravezető belsejében a mágneses tér közel nulla, így tökéletes diamágnesként viselkedik, mágneses szuszceptibilitása λ=-1. A II. típusú szupravezető anyagok mágneses tulajdonságai Az indukció növelésének hatása Kis mágneses terek (B < B c1 ) esetén a fluxus kiszorul a szupravezető állapotban lévő anyag belsejéből (fluxus kiszorítás), B c1 alsó kritikus indukció. 4

A mágneses tér növekedésével a fluxus részlegesen behatol a kevert állapotúvá váló szupravezető belsejébe (fluxus behatolás) és az erővonalak az ott lévő rácshibákon rögzülnek (fluxus rögzítődés - pinning), ami lényegében kijelöli a fluxuscsatornát. Az ilyen módon rögzített fluxus elmozdítható a mágneses tér változtatásával a mágneses tér és a szupravezető áramának kölcsönhatásaként létrejövő erőhatással. Az indukció felső kritikus értékénél a szupravezető normál állapotba kerül (értéke B c2 több tesla nagyságú is lehet). A kevert állapot egyik egyszerűsített modellje szerint a fluxusvonalak közvetlen környezetében az anyag normál állapotú, a fluxusvonalak között pedig szupravezető állapotú. A fluxust egy rögzítő erő az anyag rácshibáihoz köti, amely erő az előállítási technológiától függ és tervezhető. Az áramsűrűség növelésének hatása A J c kritikus áramsűrűség elérésekor az anyag normál állapotba kerül. Minél nagyobb a rögzítő erő annál nagyobb a kritikus áramsűrűség. Egy állandó mágnest szupravezetőhöz közelítve B<B c1 indukciónál teljes fluxus kiszorítás van (diamágnes) ezért taszítóerő lép fel a mágnes és a szupravezető tárgy között. Ez a lebegtetés fizikai háttere. Az állandó mágnes további közelítésével B>B c1 értéknél a fluxus fokozatosan behatol a kevert állapotú szupravezető anyag belsejébe. A rögzítődés a fluxus növelését is és csökkentését is akadályozza, a szupravezető anyag a részleges behatolás tartományában is diamágnesként viselkedik. A szupravezető mágnesezettsége a mágneses tér további növelésével a teljes behatolásig nő, amikor a mágneses tér már a teljes keresztmetszetben jelen van. Teljes behatolás után Az állandó mágnest távolítva, a külső mágneses tér csökkenésekor a szupravezető anyag belsejében a mágneses tér nem változik, a szupravezető az állandó mágnes felé vonzóerőt fejt ki. Ez a mágneses függesztés fizikai háttere. A külső mágneses tér nullára csökkenése, az állandó mágnes teljes eltávolítása után a szupravezetőben maradó mágneses teret befagyott mágnesezettségnek nevezik. A teljes átmágnesezési ciklus hiszterézises (a hurok jellege hasonló, de más alakú, mint a ferromágneses anyagoknál). A szupravezetők felmágnesezése és hűtési módok - ZFC (zero field cooled) módszer a hűtés mágneses tér mentes környezetben történik, a lehűtött anyag felmágnesezését állandó mágnessel vagy impulzus üzemben gerjesztett elektromágnessel végzik. Néhány T nagyságú teret lehet létrehozni a szupravezetőben. - FC (field cooled) módszer a hűtés állandó mágneses térben történik, így stabilabb, de csak kisebb teret lehet létrehozni, mivel az impulzus üzem nem járható. A szupravezető tehát "emlékszik" a hűtési folyamatnál, az állapot-átmenetkor alkalmazott mágneses térre. A hűtés teljesítményigénye (1 W hőteljesítmény szobahőmérsékletű környezetbe történő elvezetéséhez szükséges teljesítmény) - 4,2 K hőmérsékleten (hélium hűtés) 1 kw, 5

VIVEMA13 Váltakozó áramú rendszerek 2018-77 K hőmérsékleten (nitrogén hűtés) 20 W. Nagy teljesítményeken a szupravezető hűtéséhez szükséges energia részaránya kicsi a nemszupravezetőben keletkező veszteségi energiához képest. Például: 20 T indukció előállításának teljesítményigénye réz tekerccsel: 20 MW, szupravezetővel: < 1 kw. III. Szupravezető anyagok Alacsony hőmérsékletű szupravezetők (AHS) Low Temperature Superconductors (LTS) T c <30 K. Alumínium (T c =1,18 K), ón (T c =3,72 K), higany (T c =4,15 K), ólom (T c =7,19 K), a kritikus indukció B c 0,0105-0,0803 T. A folyékony héliummal hűthető ötvözetek: neobium-titán NbTi (T c =8-10 K), neobium-ón Nb 3 Sn (T c =18-23 K), a további kritikus értékek: B c 9-45 T, J c 100 A/mm 2. Közepes hőmérsékletű szupravezetők (KHS) Medium Temperature Superconductors (MTS) T c =30-90 K. Magnéziumdiborid MgB 2 (T c =39 K), B c 14 T, J c 100-1000 A/mm 2 az indukciótól függően. Magashőmérsékletű szupravezetők (MHS) High Temperature Superconductors (HTS) T c =90-110 K. A hűtőközeg folyékony nitrogén is lehet. Ittrium-bárium-réz-oxid Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7 (YBCO 123) Bizmut-stroncium-kálcium-réz-oxid Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 8 (BSCCO 2223) B c =100 T, J c =500 A/mm 2 is lehet, ha T 0. (Hg alapú anyaggal végzett kísérletnél T c =164 K is előfordult) Szupravezető anyagok fejlesztése 6

IV Szupravezető alkalmazások 1. Zárlatkorlátozó-ZÁK (Fault Current Limiter - FCL) Zárlatkorlátozás nélkül a hálózatvédelem készülékeinek, berendezéseinek megszakító-képességét a független zárlati áramra ami a névleges érték 5-20 szorosa is lehet kell tervezni. Minél gyorsabban működik a zárlati áram korlátozás, annál kisebb mértékben kell megnövelni a beépített készülékek megszakító-képességét a névleges hálózati áramhoz képest, ami jelentős beruházási költségcsökkentést jelenthet. Követelmények: - üzemi áramnál kis impedancia, - zárlati áramnál nagy impedancia, - gyors működés (már az első áramcsúcs korlátozása), - a hálózat helyreállása után gyors visszatérés szupravezető állapotba. Magashőmérsékletű szupravezetőknél gyakran azt az áram értéket értelmezik I c kritikus áramnak, amelynél a U c fajlagos feszültségesés eléri az 1 µv/cm értéket. U U c A kritikus áram értelmezése MHS anyagoknál 1.1 Rezisztív szupravezetős zárlatkorlátozó Ez a változat sorosan beiktatott elem. Üzemi áramnál szupravezető állapotban van, R~0, zárlati áramnál, amikor az áramsűrűség a kritikus érték fölé növekszik J>J c, normál állapotúvá válik, ezzel megnöveli a hálózati impedanciát. Össze kell hangolni a hálózat többi védelmi elemével (megszakító képesség, túlterhelhetőség szempontjából). A zárlat megszűnte után vissza kell állítani a szupravezető állapotot. Problémák: - átfolyik rajta a teljes áram, így a zárlati is, - a normál állapotba való átmenet nem homogén, emiatt az átmenet alatt egyenlőtlen a szupravezető anyag áramsűrűsége és a túlmelegedése, ami gátolja a visszatérést és károsodást is okozhat, - váltakozó áramnál hiszterézis veszteség keletkezik, - a szupravezetős korlátozó áramkörbe iktatásához szükséges jó minőségű kerámia-fém csatlakozás kialakítása körülményes, - erősen induktív hálózatnál nem érvényesül megfelelően az ohmos ellenállás korlátozó hatása. I c I 7

VIVEMA13 Váltakozó áramú rendszerek 2018 1.2 Rezisztív szupravezetős zárlatkorlátozó párhuzamos fojtótekerccsel A normál működés során (névleges üzemi viszonyok között) a teljes i áram az R s szupravezető ellenálláson folyik. Meghibásodásnál az áram növekszik és a szupravezető normál állapotba kerül, aminek következtében az áram döntő része i f a nagy X f reaktanciájú fojtón fog folyni, mivel a szupravezető normál állapotú ellenállása lényegesen nagyobb a fojtó reaktanciájánál. i(t) R s i(t) i f (t) X f (Z f ) Szupravezetővel párhuzamos fojtótekercs (A fojtótekercs nem elhanyagolható ellenállása esetén helyesebb a Z f impedanciáról beszélni.) Ezzel a megoldással elérhető a zárlati áram korlátozása 1 perióduson belül. Az átbillenés során keletkező hőmennyiséget el kell vezetni a szupravezetőből, ennek hatékonyságától függ a szupravezető állapot helyreállásához szükséges idő. Ennél a megoldásnál kisebb áram folyik át a szupravezetőn, mint tisztán rezisztív esetben. 1.3 Induktív szupravezetős zárlatkorlátozó Induktív csatolású, egymással mágneses kapcsolatban levő fém (Cu, Al) tekercs (primer) és szupravezető gyűrű(k)ből (szekunder) áll. I 1 I 2 Rs Az induktív szupravezetős zárlatkorlátozó elve Üzemi áramnál az MHS gyűrű szupravezető állapotban van (R s =0), áramával ellensúlyozza a primer tekercs gerjesztését, ezért az áthidaló főmező ág I m árama közel zérus, I2 ~ I1. Tulajdonképpen egy szekunder oldalán rövidrezárt transzformátorként viselkedik. Zárlati áramnál, J>J c elérésekor a szekunder tekercs normál (rezisztív) állapotba kerül, árama lecsökken I2 << I1, nem képes ellensúlyozni a primer tekercs áramnövekedés miatt megnövekedett gerjesztését, az I m áram megnő, a nagy X m reaktanciájú áthidaló ág belép az áramkörbe. 8

I 1 R1 jx s1 jx s2 R 2 I 2 U 1 I m jx m A transzformátor egyszerűsített áramköri vázlata Előnyei a rezisztív változathoz képest: - nincs szükség galvanikus kapcsolatra a védendő áramkör és a (kerámia) szupravezető anyag között, - a szupravezető anyagban nem folyik át a teljes áram, zárlatnál az árama csökken, - a primer oldali menetszámmal (a menetszám áttétellel) a megszólalási áram beállítható. Üzemi áramnál a ZÁK rövidzárásban van, a zárlati impedancia Z rz ~X s1 +X s2, míg zárlati áramnál közel üresjárásba kerül, az üresjárási impedancia Z 0 ~X m (amennyiben R 1 elhanyagolható a reaktanciák mellett). Az X s szórási reaktancia és az X m főmező reaktancia megfelelő geometriai kialakítással a szükséges értékre tervezhető, a X m >>X s viszony biztosítható. 2. Szupravezetős mágneses energiatároló (SMES - Superconducting Magnetic Energy Storage) Alkalmazás: a hálózati zavarok áthidalására 1-2 s időtartamig. Ha például egy folyékony héliummal 4,2 K hőmérsékletre lehűtött, L induktivitású NbTi tekercsben állandó I egyenáram folyik, a tárolt mágneses energia: W m =0,5LI 2. A tárolt energiát a hálózati feszültség letörése esetén használják fel. Jellemzői: - kis reakcióidő, - több MW teljesítmény tárolható, - biztonságos működésű, nem környezetszennyező, - nem tartalmaz mozgó alkatrészt, - a hálózati zavarok gyakorisága, száma és mértéke nem befolyásolja az élettartamot. 3. Szupravezetős lendkerekes kinetikai energiatároló Alkalmazás: feszültség letörések áthidalása 15-120 s időtartamig, a dízelaggregátok belépéséig. Egy Θ tehetetlenségi nyomatékú, w szögsebességgel forgó test kinetikai energiája: W kin =0,5Θw 2, a fordulatszám n=50,000 fordulat/perc vagy több is lehet. A mechanikai (súrlódási) veszteségek csökkentése érdekében mágnesesen lebegtetett szupravezetős csapágyazással készítik, a légsúrlódás vákuumkamrában csökkenthető. A lendkerék felgyorsítása (a tároló feltöltése) és a veszteségek pótlása villamos motorral történik, az energia visszanyerés (a tároló kisütése) generátorral és teljesítményelektronikai átalakítóval. A motor és a generátor lehet azonos egység és a lendítő tömeg lehet a motor/generátor forgórésze is. Jellemzői: - nem érzékeny a töltés/kisütés ciklusok számára és gyakoriságára, - nem érzékeny a kisütés mélységére, - üzeme nem függ jelentősen a környezeti hőmérséklet változásától, 9

VIVEMA13 Váltakozó áramú rendszerek 2018 - hosszú élettartamú, - egyszerűen felügyelhető (távolról is), - környezetbarát, - nagy energiasűrűségű, - megbízható működésű. A szupravezetős lebegtetett csapágyazásnak az a jelentősége, hogy nagy mértékben csökkenthető (vagy ki is küszöbölhető) a stand-by üresjárási (súrlódási) veszteség. Maga a lebegtetett csapágy nem kopik, stabil, a veszteséget csak a hűtés energiaigénye jelenti. A motor és a generátor ugyanaz a gép is lehet: - állandó mágneses szinkrongép (vasmentes kivitelben nincs vasvesztesége, ami a normál kivitelű gépeknél az üresjárási veszteség domináns része), - reluktancia gép (üresjárásban nincs vasvesztesége). A tárolóképesség jóságának jellemzésére használt mutatók: - üresjárási veszteség beleértve a szupravezetők hűtőteljesítményét, - leadható/felvett teljesítmény aránya (tárolási hatásfok), - tárolási veszteség a névleges tárolt energiára vonatkoztatva (hagyományos tárolónál: 1-2 %/óra, szupravezetősnél: 0,1 %/óra). A csapágy µ s súrlódási tényezője (a mozgást akadályozó erő és a súrlódó felületeket összeszorító erő hányadosa): - golyós csapágynál µ s =10-3, - elektromágneses csapágynál µ s =10-4, - MHS csapágynál µ s =10-9. Itt az ekvivalens súrlódási tényező (ha a nitrogén hűtés teljesítményét veszteségként számítjuk) µ s =2 10-6. 4. Villamos forgógépek homopoláris egyenáramú gép szupravezetős gerjesztéssel, szinkron gép szupravezetős gerjesztéssel. AHS alkalmazásakor elérhető áramsűrűség J c néhány ka/mm 2, MHS alkalmazásakor J c néhány 0,1 ka/mm 2. Mivel a légrésindukció nagyobb, mint a hagyományos vagy az állandó mágneses gépekben, ezért vasmentes kialakítással készítik, mert a vasmag telítődne. Légréstekercselésnél a vezetők száma nagyobb, mint vasmagosnál, ugyanis a fogak helyére is vezetők kerülnek, ennek eredményeként nagyobb állórész kerületi áramsűrűség, nagyobb indukált feszültség és nagyobb egységteljesítmény érhető el. A szigeteléssel szembeni követelmények is változnak. Mivel hiányzik a földelt vastest, a kapocsfeszültség növelhető, generátornál akár el is hagyható a kimeneti (a generátor és a távvezeték közötti) transzformátor. MHS anyagú gépeknél is alkalmaznak folyékony héliumot (zárt rendszerben) a nagyobb áramsűrűség és a nagyobb termikus stabilitás (hőmérsékleti tartalék) érdekében. Elérhető, hogy néhány K helyett több 10 K legyen a tartalék (T c -T f ), ezzel javuljon a túlterhelhetőség. 5. További alkalmazások - MRI (Magnetic Resonance Imaging) orvosi diagnosztikában, zárt kialakításnál 1-3 T, nyitottnál 0,3 T indukció, NbTi (T c =9 K) vagy MgB 2 szupravezetővel, 10

- PET (Positron Emission Tomography) orvosi tomográfia, daganat terápia, Nb 3 Sn szupravezetővel, - MagLev train, Japán mágnesesen lebegtetett vasút, szupravezetős tekercselt mágnesekkel, - Yamanashi teszt pálya (a Tokyo-Osaka vonal egy 33 km hosszú szakaszán) v>500 km/h, - ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) termonukleáris fúzió, B=13 T indukciójú szupravezetős mágnessel, - 37 MW HTS motor Navy Ship 2007, BSCCO 2223 szupravezetővel, - szélgenerátoroknál a nehéz és drága ritkaföldfém mágnesek kiváltása 6 MW teljesítmény felett lehet gazdaságos, - LHC (Large Hadron Collider, CERN European Council for Nuclear Research) részecske gyorsító, 27 km alagútban 1500 t szupravezető kábel, 5000 db szupravezetős mágnes (impulzus üzemben 8,36 T indukció), NbTi szupravezetővel. 11

VIVEMA13 Váltakozó áramú rendszerek 2018 A témához kapcsolódó irodalom: 1. Semperger, S., Városi, I., Vajda, I.: Szupravezetés zárlati áramkorlátozók. Elektrotechnika 1999. 92. évfolyam 3. szám, 131-134 o. http://www.mee.hu/files/et/1999/et_1999_03t.pdf 2. Vajda, I., Szalay, A., Porjesz, T.: Szupravezetők az erősáramú iparban: Helyzet- és jövőkép. Elektrotechnika 2000. 93. évfolyam 7-8. szám, 279-281 o. http://www.mee.hu/files/et/2000/et_2000_07-08t.pdf 3. Schöttler, R., Papst, G., Vajda, I.: Az ipari energia minőségének javítása szupravezetős energiatárolókkal. Elektrotechnika 2000. 93. évfolyam 9. szám, 333-336 o. http://www.mee.hu/files/et/2000/et_2000_09t.pdf 4. Sokolovsky, V., Meerovich, V., Semperger, S., Vajda, I.: Magashőmérsékletű szupravezetős zárlati áramkorlátozók. Elektrotechnika 2000. 93. évfolyam 10. szám, 364-367 o. http://www.mee.hu/files/et/2000/et_2000_10t.pdf 5. Vajda, I., Györe, A.: Szupravezetős lendkerekes energiatárolók. Elektrotechnika 2000. 93. évfolyam 11. szám, 431-436 o. http://www.mee.hu/files/et/2000/et_2000_11t.pdf 6. Habisreuther, T., Kovalev, L., Kohári, Z., Vajda, I.: Szupravezetős Villamos Gépek. Elektrotechnika 2001. 94. évfolyam 2. szám, 63-69 o. http://www.mee.hu/files/et/2001/et_2001_02t.pdf 7. Semperger, S., Vajda, I.: Testing the Operation of High Tc Superconducting Fault Current Limiter in a Real System. Periodica Polytechnica-Electrical Engineering 45/3-4 (2001), 265-276. http://www.pp.bme.hu/ee/2001_3/pdf/ee2001_3_09.pdf 8. Vajda, I., Kohári, Z.: Szupravezetők a villamos gépekben. Elektrotechnika 2003. 96. évfolyam 9. szám, 234-240 o. http://www.mee.hu/files/et/2003/et_2003_09t.pdf 9. Zádor, I., Farkas, L.: Aktív és passzív mágneses vasúti lebegtetések különleges megoldásai. 1. rész. Elektrotechnika 2004. 97. évfolyam 5. szám, 156-159 o. http://www.mee.hu/files/et/2004/et_2004_05t.pdf 10. Zádor, I., Farkas, L.: Aktív és passzív mágneses vasúti lebegtetések különleges megoldásai. 2. rész. Elektrotechnika 2004. 97. évfolyam 6. szám, 179-181 o. http://www.mee.hu/files/et/2004/et_2004_06t.pdf 11. Györe, A., Péter, G., Vajda, I.: System Investigation of High Temperature Superconducting Self-limiting Transformer. 2006 J. Phys.: Conf. Ser. 43 966-970. http://www.iop.org/ej/article/1742-6596/43/1/236/jpconf6_43_236.pdf 12. Györe A.: Szupravezetős zárlatiáram-korlátozók és szupravezetős önkorlátozó transzformátor tesztelése a felhasznált szupravezető gyűrű szempontjából. Elektrotechnika 2008. 101. évfolyam 9. szám, 11-14 o. http://www.mee.hu/files/et/2008/et_2008_09.pdf 13. Eckroad S.: Superconducting Fault Current Limiters, Technology Watch 2009 1017793. Electric Power Research Institute. http://www.smartgridnews.com/artman/uploads/1/000000000001017793.pdf Összeállította: Kádár István 2018. április 12

Ellenőrző kérdések 1. Milyen tulajdonságok jellemzik a szupravezető állapotot? 2. Mit jelent az erős diamágneses tulajdonság? 3. Mely változók kritikusak a szupravezető állapot szempontjából? 4. Mi a jellegzetességük az I. és a II. típusú szupravezetőknek? 5. Milyen közeget használhatnak a különböző szupravezetők hűtéséhez? 6. Milyen eljárás alkalmazható a szupravezetők felmágnesezésére? 7. Hogyan működik a rezisztív szupravezetős zárlatkorlátozó, mik a negatívumai? 8. Hogyan működik a rezisztív szupravezetős zárlatkorlátozó párhuzamos fojtótekerccsel? 9. Hogyan viselkedik az induktív szupravezetős zárlatkorlátozó névleges üzemi áramnál? 10. Hogyan viselkedik az induktív szupravezetős zárlatkorlátozó zárlati áramnál? 11. Hogyan működik a szupravezetős mágneses energiatároló? 12. Hogyan működik a szupravezetős kinetikai energiatároló? 13. A szupravezetős villamos forgógépek konstrukciós sajátosságai. 14. A szupravezetős villamos forgógépek energetikai sajátosságai. 13