СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ ОГРАНИЧИТЕЛЬ ТОКА КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ

Полезная модель относится к области электротехники, а конкретнее - к силовым ограничителям тока и предназначена для защиты электрооборудования от токов короткого замыкания (КЗ), в том числе, в режимах повторного автоматического включения (АПВ) в сетях среднего и высокого напряжения постоянного и переменного тока. Такие устройства существенно ограничивают ток КЗ за счет быстрого, за время около 1 мс, ввода в сеть большого активного сопротивления при этом облегчая работу выключателей по полному прерыванию тока на объекте.
В современных сверхпроводящих ограничителях тока (СОТ) короткого замыкания в качестве активного элемента используются высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) при температуре, близкой к температуре жидкого азота, ленточного типа с нанесенными на подложку: буферными слоями, слоем сверхпроводящей керамики и наружным защитным тепло и электропроводным слоем.
Требования 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 уменьшения индуктивного сопротивления СОТ лента ВТСП в них наматывается в виде бифиляров.
Предлагаемая полезная модель относится к рамной конструкции модулей СОТ с намоткой ленты ВТСП в бифиляры через ролики. При этом петли бифиляров образуются плоскими сторонами ленты. Предлагаемая конструкция позволяет решить одну из главных проблем - компенсацию температурных деформаций для СОТ рамного типа.
Известен СОТ резистивного типа (заявка US 2007/0205857; Кл. 338/13 Кл. 361/19, МПК Кл Н01С 7/00, опубл. 2001-09-06) [1], в котором предложена конструкция бифилярной намотки лент с прямолинейными участками и петлями, опирающимися на стойки в виде эллипсоидов вращения. Такая конструкция обеспечивает хорошие условия охлаждения. Но при жестком закреплении концов бифиляров возможен перегиб ленты у мест закрепления, особенно при ее быстром удлинении в момент ограничения тока. На крайние прямолинейные участки действуют некомпенсированные пондеромоторные силы от протекающего тока, что при отсутствии опирания на каркас делает удлинение участков неравномерным в середине и по краям бифиляра. Такой недостаток можно компенсировать увеличением количества промежуточных стоек, что увеличит габариты СОТ, ухудшит условия охлаждения и увеличит трудоемкость изготовления и сборки.
Известен сверхпроводящий ограничитель тока короткого замыкания резистивного типа (заявка на патент US 2009156409; Кл. МПК Н01В 12/00, опубл. 2009-06-18) [2], принятый за прототип в котором прямолинейные и криволинейные участки высокотемпературной сверхпроводящей ленты образуют бифилярные петли, между двух рядов роликов, установленных на оси по четыре штуки. Оси одного ряда роликов установлены в отверстиях верхней горизонтальной рамы, а оси другого ряда - в отверстиях нижней горизонтальной рамы. Эти рамы вместе со стойками образуют параллелепипед изоляционного каркаса. Четыре бифиляра в вертикальных плоскостях образуют четыре параллельные цепи. По середине каркаса в стойках закреплена горизонтальная изоляционная пластина с пазом для каждого параллельного ряда прямолинейных участков. Токоподвод к СОТ осуществляется двумя горизонтальными шинами.
Главный недостаток конструкции - отсутствие возможности относительного перемещения роликов нижнего и верхнего рядов, что не позволяет компенсировать удлинение ленты при ее нагреве в режиме токоограничения. В случае выполнения стоек из материала с ТКР, больше, чем у ленты, при первоначальной сборке СОТ бифиляры ленты должны быть натянуты, но усилие натяга неконтролируемо. После заполнения криостата жидким азотом, лента провиснет; это провисание увеличится при токоограничении. Как отмечено выше, действие неуравновешенных сил на крайних лентах бифиляра приведет к ее прогибу и неравномерному удлинению разных участков ленты и их скольжению относительно роликов и горизонтальных пластин. Почти половина лент будет тереться тонким слоем серебра и после его быстрого истирания трению подвергнется ВТСП слой, что приведет к выходу из строя СОТ. Отсюда следкет, что длина прямолинейных участков может браться небольшой, а это, прежде всего, приводит к увеличению поперечных размеров СОТ и диаметра криостата.
Целью предлагаемой полезной модели является устранение указанных недостатков, а именно: уменьшение поперечных размеров СОТ и диаметра криостата, повышение надежности за счет компенсации температурных удлинений ВТСП ленты во всех режимах, дающей возможность существенного удлинения бифиляров и их постоянное натяжение.
Для достижения указанной цели в сверхпроводящем ограничителе тока короткого замыкания, содержащем прямолинейные и криволинейные участки из высокотемпературной сверхпроводящей ленты, образующие бифилярные петли, криволинейные участки которых опираются на два ряда роликов, оси одного ряда которых установлены в отверстиях поперечного участка изоляционного каркаса, предлагается оси второго ряда роликов установить в пазах другого поперечного участка каркаса и подпружинить их к нему с возможностью вращательного и поступательного движения вдоль рамы каркаса, при этом прямолинейные участки лент дистанцировать в средней части рамы с помощью гребенок.
Принципиальная конструкция рамного модуля СОТ представлена на фиг.1; на фиг.2а) дан вид А-А фиг.1 с частичным разрезом для двух бифиляров, образующих две параллельные цепи модуля СОТ; на фиг.2б) показан вид Б фиг.2а) на дистанцирующую гребенку для параллельных бифиляров.
Изоляционный каркас модуля рамы состоит из двух поперечных рамных участков 1 и 2 и вертикальных стоек 3. В отверстиях первого поперечного участка 1 установлены оси 4 с вращающимися на каждой из них двумя первыми роликами 5. Оси 6 второго ряда роликов 7 помещены в продольные пазы 8 второго поперечного участка 2. Между роликами натянуты бифилярные ветви ВТСП ленты 9 с крайними прямолинейными участками 10 и 11 которые могут опираться на вертикальные изоляционные рейки 12 каркаса, или, как вариант, на сегментные планки 13 с радиусом кривизны, большем критического для изгиба ленты. С помощью пружины 14 через шпильки 15, закрепленные на осях 6 роликов, осуществляется натяг бифиляров ленты. Шпильки свободно проходят сквозь планку 16, на которую опираются пружины. Усилие натяга регулируется с помощью гаек 17. На планке 18 закреплены гребенки 19, дистанцирующие ленты в параллельных бифилярах и воспринимающие как и ролики, усилия стягивания параллельных токов.
Токопроводящие шины 20 и 21 в отличие от прототипа сделаны вертикальными для уменьшения поперечных размеров СОТ и диаметра криостата. Подсоединение наружных цепей к шинам 20 и 21 осуществляется через проходные токовводы в крышке криостата (на рис.не показан). Весь СОТ крепится к крышке криостата с помощью шпилек 22.
Устройство работает следующим образом.
При прохождении номинального тока ниже критического, составляющего для ВТСП 250…300 А, СОТ имеет небольшое сопротивление, порядка десятков микроом от соединительных шин и индуктивное сопротивление в единицы микрогенри. При превышении током критической величины с началом короткого замыкания сопротивление ленты за сотни микросекунд увеличивается до нескольких Ом и продолжает расти по мере ее нагревания от проходящего тока, чем и определяется назначение СОТ по ограничению тока КЗ. При нагревании ленты 9, 10, 11 удлиняются, под действием пружин 14 оси 6 с роликами 7 движутся вниз в пазах 8, обеспечивая натяжение лент и предотвращая их выгибание и излом, как в прототипе, особенно для крайних лент 10 и 11 из-за неуравновешенных сил.
Применение вертикальных реек 12 или сегментных планок 13 для восприятия неуравновешенных сил F1 в крайних лентах бифиляров определяется условиями охлаждения этих участков: они лучше для планок. Для улучшения охлаждения ширину планок желательно брать минимальной, например, равной половине ширины ленты.
В прототипе ролики выполнены из электропроводного материала, что улучшает охлаждение петель, но исключает из процесса токоограничения участки ленты длиной в половину окружности ролика. Подвижные ролики 7 целесообразно брать из легких материалов.
Испытание макета с длиной прямолинейного участка бифиляра 0,8 м показали, что восстановление сверхпроводимости СОТ происходило за 0,6…0,8 с, что позволяет обеспечить режим неоднократного АПВ.
Информация, принятая во внимание при составлении заявки:
1. Заявка US 2007/0205857; Кл. 338/13 Кл. 361/19, МПК Кл Н01С 7/00, опубл. 2001-09-06.
2. Заявка US 2009156409; Кл. МПК Н01В 12/00, опубл. 2009-06-18. (прототип).