Обеспечение надежности работы криогенных линий стабилизацией проводников

Наиболее опасными аварийными режимами сверхпроводящей кабельной линии являются режимы, при которых сверхпроводник может перейти в нормальное состояние и начнется выделение большого количества тепла. Если не принять никаких защитных мер, то такие режимы будут приводить к повреждению всего кабеля. Одна из основных причин перехода сверхпроводника в нормальное состояние заключается в увеличении тока до значения больше критического. Такое увеличение тока может произойти по разным причинам: в рабочем режиме линии из-за скачка потока на «слабом» участке сверхпроводника, критические свойства которого ниже критических свойств остальной части проводника; при коротком замыкании в сверхпроводящем кабеле; при сквозном коротком замыкании и др.
Для предотвращения повреждения кабеля в таких режимах могут быть использованы различные способы. Один из наиболее рациональных в техническом и экономическом отношениях способов заключается в тепловой стабилизации сверхпроводника.
Принцип тепловой стабилизации заключается в том, что сверхпроводник наносят на подложку из металла с высокой электропроводностью при низких температурах. В аварийных режимах, когда сверхпроводник переходит в нормальное состояние, ток возникает в подложке. Путем выбора параметров подложки можно добиться состояния, при котором температура проводников в аварийном режиме не будет превышать заданной, а после устранения причины аварийного режима сверхпроводник: возвратится из нормального состояния в сверхпроводящее, т. е. восстановится нормальный рабочий режим линии.
В режиме, когда ток вытесняется из сверхпроводника в подложку, в ней будет выделяться тепло
О = р /2
где р — удельное сопротивление материала подложки при^низких температурах; sn — сечение подложки; /к — критический ток сверхпроводника при произвольной температуре. Это тепло отводится хладагентом. Равновесие наступит при некоторой температуре, при которой тепловой поток с поверхности проводника/ станет равным теплу, выделяющемуся в подложке:
где h — коэффициент теплоотдачи с поверхности проводника хладагенту; р — периметр проводника; Граб — рабочая температура хладагента.
Для выбора принципа стабилизации сверхпроводника используют безразмерный критерий стабильности Стекли: где Гк — критическая температура сверхпроводника.
При заданных значениях  ТКу р и h значение параметра а зависит только от количества нормального металла в подложке, т. е. от величин Su и р. Чем больше нормального металла в подложке, тем меньше значение параметра а.
Специальные исследования показали, что при а=1 сверхпроводимость при любых токах вплоть до критического тока сверхпроводника при рабочей температуре /к.раб восстанавливается сразу после устранения причины аварийного режима, т. е. сверхпроводник остается в сверхпроводящем состоянии при токах /</к.раб. Такие проводники называют полностью стабилизированными.
Если а>1 и нормальная зона в сверхпроводнике появляется из-за скачка потока, то сверхпроводимость будет восстанавливаться после устранения причины аварийного режима лишь при токе, где минимальный ток существования нормальной зоны
Следовательно, сверхпроводник будет оставаться в сверхпроводящем состоянии лишь при токах. Если значение тока превысит, то сверхпроводник перейдет в нормальное состояние и не возвратится в сверхпроводящее состояние даже после устранения причины появления нормальной зоны. Проводники, у которых стабилизация соблюдается лишь до тока, называются частично стабилизированными.
При а<1 проводник является полностью стабилизированным и обеспечивается гарантия от перехода в нормальное состояние при токах вплоть до /к.раб- При превышении критического тока проводник будет возвращаться в сверхпроводящее состояние после устранения причины, вызвавшей переход в нормальное состояние.
Таким образом, задаваясь параметрами подложки (сечением sn и периметром р), можно выяснить условия стабилизации сверхпроводников криогенной кабельной линии.