МОДУЛЬ СВЕРХПРОВОДЯЩЕГО ОГРАНИЧИТЕЛЯ ТОКА

Полезная модель относится к области электротехники, предпочтительная область использования в силовых сверхпроводящих ограничителях тока (СОТ) короткого замыкания (КЗ) с использованием высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) ленточного типа, в том числе, в режимах автоматического повторного включения (АПВ) в сетях среднего и высокого напряжения, постоянного и переменного тока.
Наиболее широко применяется лента сверхпроводника с последовательно расположенными по толщине слоями: подложка; буферные слои; сверхпроводящая керамика на основе иттрия; наружный защитный электропроводящий слой, преимущественно серебряный.
Для уменьшения индуктивного сопротивления СОТ лента ВТСП в них выполняется в виде бифиляров, т.е. параллельных или эквидистантных проводников, соединенных электрически последовательно и в которых ток течет в разных направлениях.
Известен модуль СОТ КЗ, который содержит электроизоляционный каркас, состоящий из плоских электроизоляционных пластин прямоугольной формы, на которые наклеены пластины, полученные с помощью прессования и спекания из сверхпроводящего порошка на основе висмута и разделенные разрезанием на ленты сверхпроводника в виде меандров, соединенных между собой электропроводящими шинами, выполненными с возможностью образования из отрезков лент сверхпроводника параллельных и последовательных электрических цепей, конструктивно выполненным аналогично бифилярам (см. патент РФ на изобретение № RU 2126568 С1, заявитель АББ РИСЕРЧ ЛТД., опубл. 20.02.1999) [1]. Эту конструкцию сложно изготавливать, потому что такие меандры на плоских электроизоляционных пластинах имеют ограничения по габаритным размерам из-за сложности технологического оборудования.
Существенным недостатком такой конструкции является сложность изготовления и практическая невозможность получения длинных бифиляров - длиной в метры из-за технологии изготовления пластин, что необходимо для ограничения тока КЗ в сетевых СОТ при больших напряжениях и токах. К увеличению габаритов также ведет противостоящее положение токоподвода бифиляра с одной стороны изоляционной пластины с токовыводом бифиляра с другой стороны пластины.
Наиболее близкой по решаемой задаче и наибольшему числу сходных признаков предлагаемому техническому решению является сверхпроводящий ограничитель тока короткого замыкания (см. патент РФ на полезную модель RU 97876 U1, заявитель Общество с ограниченной ответственностью "СПИН", опубликованный 20.09.2010) [2], где описана конструкция модуля СОТ, которая содержит отрезки из ленты ВТСП на основе иттрия, опирающиеся подложками на участки плоского изоляционного каркаса и прижатые к нему вместе с соединительными шинами на концах лент ВТСП. Поверхности защитного серебряного слоя ленты ВТСП свободно омываются жидким азотом. С каждой стороны плоского изоляционного каркаса концевые участки отрезков лент ВТСП прикреплены к каркасу винтами и прижимами, электрически соединены и расположены конструктивно параллельно на одной стороне пластины один напротив другого, образуют вместе с соединительными шинами последовательные бифиляры в виде проводников, расположенных симметрично относительно плоских частей каркаса, объединенные в единый модуль с двумя параллельными электрическими цепями, расположенными в параллельных плоскостях. Недостатки указанной конструкции будут возникать из-за неплотного прилегания лент ВТСП к несущему изоляционному каркасу и возможности проникновения под них жидкого азота и образование паровой пленки, которая будет затруднять теплоотвод в материал изоляционного каркаса от подложки в зазоре между лентой ВТСП и каркасом, а также там будут возникать импульсы давления под лентой ВТСП из-за неравномерного парообразования.
Конструкция недостаточно жестка для гашения в лентах ВТСП колебаний, возникающих от пондеромоторных периодических сил под воздействием переменного тока и импульсных сил от тока КЗ, что может привести к ухудшению рабочих свойств ленты ВТСП или даже к поломке ее жесткого сверхпроводящего керамического слоя у мест крепления петель бифиляров. Из-за расположения лент ВТСП в бифилярах по их ширине - габариты и индуктивность модуля СОТ будут увеличены.
Задачей полезной модели является повышение работоспособности и надежности модуля сверхпроводящего ограничителя тока.
Задача решается с достижением указанных ниже технических результатов тем, что модуль сверхпроводящего ограничителя тока, содержащий изоляционный каркас, выполненный из плоских изоляционных пластин, которые жестко соединены между собой и на которых размещены отрезки лент сверхпроводника, соединенные между собой электропроводящими шинами, с возможностью образования из отрезков лент сверхпроводника параллельных и последовательных электрических цепей бифиляров. Модуль сверхпроводящего ограничителя тока дополнительно содержит крайние изоляционные пластины и внутренние электроизоляционные пластины, выполненные из электроизоляционного материала с высокой теплопроводностью и теплоемкостью. Отрезки лент сверхпроводника приклеены к каждой внутренней электроизоляционной пластине с обеих ее сторон с помощью препрега с наполнителем из микродисперсного электроизоляционного кристаллического материала с высокой теплопропроводностью. Одни концы отрезков лент сверхпроводника с обеих сторон каждой внутренней электроизоляционной пластины на одном ее конце электрически соединены между собой нижней шиной, с возможностью образования параллельных электрических цепей отрезков лент сверхпроводника в виде бифиляров, а другие концы отрезков лент сверхпроводника на другом конце соответствующей внутренней электроизоляционной пластины на каждой из ее плоских сторон присоединены к соответствующим верхним шинам, которые выполнены с возможностью соединения между собой верхних шин смежных поверхностей внутренних электроизоляционных пластин в последовательные электрические цепи бифиляров. Внешние изоляционные и внутренние электроизоляционные пластины стянуты электроизоляционными болтами в области верхних шин непосредственно, а в средней части этих пластин и в области нижних шин они соединены через электроизоляционные вставки из материала с высокой теплопроводностью и теплоемкостью.
Модуль сверхпроводящего ограничителя тока, в котором верхние и нижние шины соединены с концами отрезков лент сверхпроводника пайкой низкотемпературным припоем.
Модуль сверхпроводящего ограничителя тока, в котором препрег преимущественно имеет в своей основе синтетическую смолу с микродисперсным электроизоляционным кристаллическим материалом с высокой теплопропроводностью и теплоемкостью.
Повышение жесткости конструкции достигается тем, что модуль сверхпроводящего ограничителя тока содержит изоляционный каркас, выполненный из плоских изоляционных пластин, которые жестко соединены между собой и на которых размещены отрезки лент сверхпроводника, соединенные между собой электропроводящими шинами, также модуль СОТ дополнительно содержит крайние изоляционные пластины и внутренние электроизоляционные пластины, которые повышают жесткость и прочность каркаса. При этом отрезки лент сверхпроводника приклеены к каждой внутренней электроизоляционной пластине с обеих ее сторон и соединены нижними шинами, другие концы отрезков лент сверхпроводника на другом конце соответствующей внутренней электроизоляционной пластины на каждой из ее плоских сторон присоединены к соответствующим верхним шинам пайкой низкотемпературным припоем, что позволяет устранить изгибные деформации лент ВТСП в режиме ограничения тока КЗ. Внешние и внутренние пластины стянуты электроизоляционными болтами в области верхних шин непосредственно, а в средней части пластин и в области нижних шин они соединены через электроизоляционные вставки.
Ускорение охлаждения после режима ограничения тока КЗ достигается тем, что модуль сверхпроводящего ограничителя тока содержит внутренние электроизоляционные пластины, выполненные из электроизоляционного материала с высокой теплопроводностью и теплоемкостью, при этом отрезки лент сверхпроводника приклеены к каждой внутренней электроизоляционной пластине с обеих ее сторон с помощью препрега с наполнителем из микродисперсного электроизоляционного кристаллического материала с высокой теплопропроводностью, причем одни концы отрезков лент сверхпроводника с обеих сторон каждой внутренней электроизоляционной пластины на одном ее конце электрически соединены нижней шиной пайкой, с возможностью образования параллельных электрических цепей отрезков лент сверхпроводника в виде бифиляров, а другие концы отрезков лент сверхпроводника на другом конце соответствующей внутренней электроизоляционной пластины на каждой из ее плоских сторон присоединены к соответствующим верхним шинам пайкой, которые выполнены с возможностью соединения между собой верхних шин смежных поверхностей средних пластин в последовательные электрические цепи бифиляров, кроме того внешние и внутренние пластины стянуты электроизоляционными болтами в области верхних шин непосредственно, а в средней части пластин и в области нижних шин они соединены через электроизоляционные вставки из материала с высокой теплопроводностью и теплоемкостью, за счет поглощения тепла указанными материалами и теплопередачи в жидкий азот.
Повышение надежности достигается тем, что модуль сверхпроводящего ограничителя тока содержит внутренние электроизоляционные пластины, выполненные из электроизоляционного материала с высокой теплопроводностью и теплоемкостью, при этом отрезки лент сверхпроводника приклеены к каждой внутренней электроизоляционной пластине с обеих ее сторон с помощью препрега с наполнителем из микродисперсного электроизоляционного кристаллического материала с высокой теплопропроводностью, причем одни концы отрезков лент сверхпроводника с обеих сторон каждой внутренней электроизоляционной пластины на одном ее конце электрически соединены между собой нижней шиной пайкой, с возможностью образования параллельных электрических цепей отрезков лент сверхпроводника в виде бифиляров, а другие концы отрезков лент сверхпроводника на другом конце соответствующей внутренней электроизоляционной пластины на каждой из ее плоских сторон присоединены к соответствующим верхним шинам пайкой, которые выполнены с возможностью соединения между собой верхних шин смежных поверхностей средних пластин в последовательные электрические цепи бифиляров, кроме того внешние и внутренние пластины стянуты электроизоляционными болтами в области верхних шин непосредственно, а в средней части пластин и в области нижних шин они соединены через электроизоляционные вставки из материала с высокой теплопроводностью и теплоемкостью. Надежность повышается из-за устранения изгибных деформаций лент сверхпроводника (ВТСП), улучшения теплопоглощения, теплопроводности во внутренние электроизоляционные пластины, теплопередачи в жидкий азот и быстрого восстановления свойств сверхпроводимости лент ВТСП и работе в режиме автоматического повторного включения.
Улучшение технологичности достигается тем, что модуль сверхпроводящего ограничителя тока содержит верхние и нижние шины соединенные с концами отрезков лент сверхпроводника пайкой низкотемпературным припоем, что позволяет при сборке проводить полимеризацию клея в препреге одновременно с пайкой.
Снижение активных потерь на активных сопротивлениях достигается тем, что в модуле сверхпроводящего ограничителя тока одни концы отрезков лент сверхпроводника с обеих сторон каждой внутренней электроизоляционной пластины на обоих ее концах электрически соединены между собой нижней и верхними шинами методом пайки.
Уменьшение габаритных размеров всех соединений и модуля СОТ в целом происходит из-за, того что отрезки лент сверхпроводника приклеены к каждой внутренней электроизоляционной пластине с обеих ее сторон с помощью препрега с наполнителем из микродисперсного электроизоляционного кристаллического материала с высокой теплопропроводностью, причем одни концы отрезков лент сверхпроводника с обеих сторон каждой внутренней электроизоляционной пластины на одном ее конце электрически соединены между собой нижней шиной методом пайки с возможностью образования параллельных электрических цепей отрезков лент сверхпроводника в виде бифиляров, а другие концы отрезков лент сверхпроводника на другом конце соответствующей внутренней электроизоляционной пластины на каждой из ее плоских сторон присоединены к соответствующим верхним шинам пайкой, которые выполнены с возможностью соединения между собой верхних шин смежных поверхностей внутренних пластин методом пайки в последовательные электрические цепи бифиляров,
Оптимизация габаритных размеров криостата достигается тем, что модуль сверхпроводящего ограничителя тока содержит признаки, позволяющие уменьшить габариты модуля СОТ.
На фиг.1 показан общий вид модуля СОТ; на фиг.2 показан общий вид по стрелке А фиг.1; на фиг.3 более подробно показан в увеличенном масштабе узел Б фиг.1; на фиг.4 более подробно показан узел В на фиг.3.
Модуль СОТ содержит (фиг.1) изоляционный каркас, который состоит из двух плоских крайних изоляционных пластин 1 из изоляционного материала и пяти плоских внутренних электроизоляционных пластин 2 из электроизоляционного материала с хорошей теплопроводностью и теплоемкостью, к которым с каждой стороны соответствующей внутренней электроизоляционной пластины 2 с помощью препрега 3 своими подложками 4 (фиг.4) приклеены отрезки лент 5 ВТСП. На каждой внутренней электроизоляционной пластине 2 со стороны защитного слоя 6 отрезков лент 5 ВТСП припаяны нижние шины 7 из меди с нанесенным на них низкотемпературным припоем, которые объединяют отрезки лент 5 ВТСП каждой пластины 2 в параллельные электрические цепи бифиляров. К верхним концам лент 5 ВТСП (фиг.1) с каждой стороны внутренней электроизоляционной пластины 2 раздельно припаяны две медные покрытые низкотемпературным припоем верхние шины 8 или крайние шины 9. Последовательно соединенные крайние шины 9, нижние шины 7, верхние шины 8, а также верхние шины 8, нижние шины 7, верхние шины 8 следующей пластины и отрезки лент 5 ВТСП между ними образуют цепи бифиляров. Верхние шины 8 смежных пластин 2 модуля СОТ прижаты друг к другу и дополнительно спаяны, образуя вместе с крайними шинами 9 последовательные электрические цепи бифиляров. Крайние шины 9 служат для соединения модулей в группы, составляющие параллельные и последовательные цепи СОТ. В верхней, средней и нижней частях изоляционный каркас стянут электроизоляционными болтами 10, соответственно в верхней части он стянут через крайние пластины 2, крайние шины 9 и верхние шины 8, в средней и нижней частях - через крайние пластины 2, нижние шины 7 через электроизоляционные вставки 11 из материала с высокой теплопроводностью и теплоемкостью; стяжка позволяет не только увеличить жесткость конструкции модуля СОТ, но и повысить надежность соединения отрезков лент с шинами в случае низкокачественной пайки.
Перед пайкой крайних, верхних или нижних шин концы отрезков лент 5 ВТСП целесообразно покрыть медью и затем низкотемпературным припоем. В этом случае пайку и приклейку препрегом можно объединить в один процесс при нагревании бифиляров и шин до (120…150)°С. При этом процесс может быть автоматизирован.
2
3
В модуле СОТ может быть использован слой препрега толщиной 50…100 мкм на основе синтетических смол горячего отверждения с кристаллическим микродисперсным наполнителем, состоящим из алмаза, лейкосапфира (AlO), кремния и т.д. Коэффициент теплопроводности таких композитов должен быть выше 50 Вт/м*К.
Устройство работает следующим образом:
При прохождении номинального тока ниже критического, составляющего для ленты 5 ВТСП 250-300 А, СОТ для напряжения 3.5 кВ имеет небольшое активное сопротивление, порядка десятков микроом от медных шин и индуктивное сопротивление порядка сотен микроом. При превышении током КЗ критической величины сопротивление ленты 5 ВТСП за сотни микросекунд увеличивается до нескольких Ом и продолжает расти по мере ее нагревания от проходящего тока, при этом возникающее активное сопротивление ограничивает ток КЗ.
После отключения тока выключателем через 5-10 мс начинается процесс остывания ленты 5 ВТСП при кипении жидкого азота. После остывания ленты 5 ВТСП до примерно 90°К, она практически восстанавливает свои сверхпроводящие свойства, после чего может снова пропускать номинальный ток. Для выполнения АПВ остывание ленты 5 ВТСП должно произойти за 2-3 с. Теплоотвод происходит по поверхности ленты ВТСП и по теплопроводящей поверхности внутренней электроизоляционной пластины 2, шин 7, 8 и 9 и вставок 11.
Во время режима КЗ при токе в 1000 А и расстоянии между лентами 5 ВТСП в 4 мм, равном толщине пластин 2, в бифиляре действуют пондеромоторные силы около 50 н/м. На те же ленты 5 ВТСП при переменном токе действуют переменные силы. Соединение внутренней электроизоляционной пластины 2 и лент 5 ВТСП клеем препятствует возникновению изгибающих - напряжений в материале лент ВТСП.
Действие этих сил на ленты 5 ВТСП внутри изоляционного каркаса уравновешены; но их полное усилие приходится на крайние отрезки лент 5 ВТСП, присоединяемых к крайним шинам 9. Поэтому сила приклейки лент 5 ВТСП препрегом должна удовлетворять указанным требованиям. Прочность и жесткость конструкции можно повысить увеличением количества электроизоляционных вставок 11 между крайними пластинами 1 и смежными им внутренними пластинами 2, но избыток соединений электроизоляционными вставками 11 ухудшит условия остывания лент 5 ВТСП после режима ограничения тока КЗ. Для оптимального теплоотвода при высокой жесткости достаточно иметь шаг между болтами 10 в 300-500 мм. Для хорошего охлаждения лент ВТСП достаточно иметь пространство жидкого азота между внутренними пластинами 3-5 мм.
Макет модуля сверхпроводникового ограничителя тока на 3,5 кВ по предлагаемой конструкции оказался на (20-30)% в поперечном сечении меньше, чем у прототипа. Время охлаждения при его испытаниях оказалось на (10-15)% меньше, чем у прототипа при сопоставимых нагрузках.
Требованиям АПВ лучше всего удовлетворяют конструкции СОТ рамного типа, обеспечивающие лучшие условия охлаждения и более быстрое восстановление сверхпроводящего состояния после прохождение тока КЗ, по сравнению с конструкциями цилиндрического типа и типа дисковых катушек.
Для удобства изготовления, монтажа и размещения в криостате СОТ выполняется в виде набора одинаковых модулей с электрическим соединением их в параллельные и последовательные цепи, которые позволяют использовать модули при различных видах (постоянного или переменного) и значениях рабочих токов и напряжений.