ТОКООГРАНИЧИВАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО НА ОСНОВЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ СВЕРХПРОВОДИМОСТИ
CURRENT-LIMITING DEVICE BASED ON HIGH-TEMPERATURE SUPERCONDUCTIVITY

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ.
Изобретение относится к области электротехники, в частности к высокотемпературным сверхпроводящим токоограничивающим устройствам (ТОУ), работающим в среде жидкого азота.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ.
Режим ограничения тока является возможным благодаря уникальному свойству сверхпроводников, а именно нелинейности возрастания сопротивления материала. В зависимости от рода и типа сверхпроводника ограничение тока может протекать при разных условиях, с различными потерями и разным временем ограничения, но основной принцип в них один и тот же: при протекании тока выше, чем критический ток заложенного в устройство сверхпроводника, материал начинает переходить из сверхпроводящего состояние в нормальное, вследствие чего возникает сопротивление, препятствующее возрастанию тока.
Необходимым условием функционирования ТОУ на основе высокотемпературной сверхпроводимости является создание низкой температуры, при которых сверхпроводник переходит в сверхпроводящее состояние. В случае с применением высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) достаточное и эффективное охлаждение организуется за счет использования жидкого азота в качестве хладагента. Помимо безопасности и дешевизны, жидкий азот также обладает хорошими электроизоляционными свойствами, по своим характеристикам являясь близким к широко применяемому трансформаторному маслу.
В патенте RU 2639316 раскрывается токоограничивающее сверхпроводящее устройство на основе высокотемпературной сверхпроводимости, включающее сборку установленных в криостате сверхпроводящих модулей ограничителя тока, подводящую и отводящую шины и токовводы, где сверхпроводящие модули электрически и механически связаны с подводящей и отводящей шинами с образованием электрического параллельного соединения сверхпроводящих модулей, при этом упомянутые шины снабжены контактными выводами, расположенными на противоположных концах подводящей и отводящей шин и соединенными с токовводами.
Данное устройство обеспечивает стабильную эксплуатации сильноточного сверхпроводящего ограничителя тока за счет реализации одинакового подводящего и отводящего сопротивления в цепи к каждому модулю ограничителя тока, а также уменьшение габаритов конструкции и ее упрощение.
Наиболее близким высоковольтным ТОУ к предложенному является токоограничивающее сверхпроводящее устройство на основе высокотемпературной сверхпроводимости по патенту на полезную модель RU 183512.
Токоограничивающее устройство на основе высокотемпературной сверхпроводимости в соответствии с данным патентом содержит цилиндрический криостат, установленную в криостате сборку сверхпроводящих токоограничивающих модулей, соосно размещенных относительно горизонтальной оси криостата, колодцы, размещенные в верхней части криостата и установленные в колодцах подводящий и отводящий изолированные токовводы, где каждый токоввод одним концом соединен со сборкой упомянутых модулей, а вторым концом - с электрической сетью. Данная полезная модель обеспечивает стабильную эксплуатацию ВТСП ТОУ на напряжениях 220 кВ и более, а также позволяет упростить конструкцию ВТСП ТОУ. Однако в известном ВТСП ТОУ проблемой является возникновение достаточно ощутимой напряженности электрического поля между сборкой модулей и стенками криостата, вызванной возникающей неоднородностью электрического поля между указанными элементами за счет наличия мелких остроконечных, находящихся под потенциалом, элементов модулей и отсутствием сглаживающих электрические поля поверхностей, что снижает электрическую прочность токоограничивающего устройства. Избежать негативных последствий можно увеличивая габариты устройства, однако, в этом случае будет затруднена доставка данного устройства к месту эксплуатации, монтаж и использование, а также возрастет как минимум стоимость изготовления криостата, и следовательно, и самого устройства.
Все вышеперечисленные недостатки известного технического решения являются технической проблемой при реализации высоковольтных ТОУ.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ.
Устраняемой изобретением технической проблемой является уменьшение напряженности электрического поля между сборкой токоограничивающих модулей и заземленными стенками криостата в среде жидкого азота, которая применяется как хладагент для токоограничивающего элемента, вследствие чего повышается электрическая прочность токоограничителя, а также осуществляется уменьшение размеров криостата и сверхпроводящего токоограничивающего устройства.
Для этого токоограничивающее устройство на основе высокотемпературной сверхпроводимости, содержит:
цилиндрический криостат, выполненный с возможностью заполнения его криогенной средой;
установленную в криостате сборку сверхпроводящих токоограничивающих модулей, соединенных между собой, где каждый модуль выполнен в виде катушки намотанной высокотемпературной сверхпроводящей ленты;
защитный экран, размещенный вокруг упомянутой сборки соосно оси - упомянутой сборки и выполненный в виде полого цилиндрического элемента с торцевыми фланцами, где цилиндрический элемент изготовлен составным из деталей в форме эллиптического полутора, а каждый торцевой фланец выполнен в виде полуэллипсоида вращения;
подводящий и отводящий изолированные токовводы, где каждый токоввод одним концом соединен со сборкой упомянутых модулей, а вторым концом - с электрической сетью.
В частных воплощениях изобретения поставленная задача решается токоограничивающим устройством, в котором упомянутый защитный экран выполнен из металла или сплава, стойкого к криогенным средам.
Высоковольтное токоограничивающее устройство в котором криостат может иметь горизонтальную ориентацию и может быть выполнен с колодцами, смонтированными в верхней части криостата с возможностью размещения в них упомянутых изолированных токовводов.
Токоограничивающее устройство, в котором, в частных воплощениях, изолированные токовводы могут быть выполнены в твердой изоляции.
Токоограничивающее устройство, в котором, в частных воплощениях, модули в сборке могут быть соединены соединительными шинами.
Токоограничивающее устройство, в котором, в частных воплощениях, сборка модулей может быть соединена с отводящим и подводящим тоководами посредством отводящей и подводящей шин.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ.
На фиг. 1 приведено схематическое изображение сверхпроводящего ограничителя тока.
На фиг. 2 приведено изображение защитного экрана токоограничивающего элемента без торцевых фланцев.
На фиг. 3 приведено изображение защитного экрана токоограничивающего элемента с торцевыми фланцами.
На фиг. 4 приведено изображение детали «Кольцо»
На фиг. 5 представлены данные по сравнению средней напряженности электрического поля для идентичного токоограничивающего элемента, но разного типа экранов «Кольцо»: в виде традиционного кольца и в виде эллиптического полутора.
Позиции на фигурах означают следующее.
1. Криостат
2. Внутренняя стенка криостата
3. Внешняя стенка криостата
4. Объем для размещения криогенной среды
5. Сборка сверхпроводящих токоограничивающих модулей
6. Сверхпроводящий токоограничивающий модуль
7. Составной защитный экран
8. Цилиндрический элемент защитного экрана
9. Деталь защитного экрана в форме полутора (деталь «Кольцо»)
10. Торцевые фланцы защитного экрана (деталь «Торцевой фланец»)
11. Отверстия для подводящих и отводящих шин, соединяющие сборку сверхпроводящих токоограничивающих модулей и токовводы.
12. Подводящий токоввод
13. Отводящий токоввод
14. Колодец
15. Подводящая шина
16. Отводящая шина
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ.
Режим ограничения тока является возможным благодаря уникальному свойству сверхпроводников, а именно нелинейности возрастания сопротивления материала. В зависимости от рода и типа сверхпроводника ограничение тока может протекать при разных условиях, с различными потерями и разным временем ограничения, но основной принцип в них один и тот же: при протекании тока выше, чем критический ток заложенного в устройство сверхпроводника, материал начинает переходить из сверхпроводящего состояние в нормальное, вследствие чего возникает сопротивление, препятствующее возрастанию тока.
Необходимым условием функционирования сверхпроводящего ограничителя тока является создание низкой температуры, при которых сверхпроводник переходит в сверхпроводящее состояние. В случае с применением высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) достаточное и эффективное охлаждение организуется за счет использования жидкого азота в качестве хладагента. Помимо безопасности и дешевизны, жидкий азот также обладает хорошими электроизоляционными свойствами, по своим характеристикам являясь близким к широко применяемому трансформаторному маслу.
Как уже отмечалось, в конструкциях ВТСП ТОУ, применяющихся для последовательного включения в сеть 220 кВ для ограничения токов короткого замыкания, одной из основных проблем является возникновение достаточно ощутимой напряженности электрического поля между сборкой модулей и стенками криостата.
Частично это проблема решается увеличением габаритов конструкции, однако результаты не всегда удовлетворительны.
В настоящем техническом решении предлагается иное решение данной проблемы, а именно, данная проблема устраняется установкой защитного экрана, размещенного вокруг сборки токоограничивающих модулей соосно оси сборки и выполненного в виде полого цилиндрического элемента с торцевыми фланцами. Для этого цилиндрическая часть экрана выполнена составной, а именно, из деталей в форме эллиптического полутора, установленных друг за другом с некоторым зазором или примыкающих друг к другу (далее по тексту «Кольцо»).
Торцевые фланцы защитного экрана выполнены в виде полуэллипсоидов вращения (далее по тексту «Торцевой фланец»).
Подбор деталей двух различных форм («Кольца» и «Торцевого фланца») для создания защитного экрана обеспечивает минимальную напряженность электрического поля.
Предложенное устройство осуществляется следующим образом.
Высоковольтное токоограничивающее устройство (см. фиг. 1) на основе высокотемпературной сверхпроводимости включает горизонтальный цилиндрический криостат (1) с внутренней (2) и внешней (3) стенками и объемом (4) для размещения криогенной среды.
В криостате (1) установлена сборка (5) соосно размещенных сверхпроводящих токоограничивающих модулей.
Каждый сверхпроводящий токоограничивающий модуль (6) (см. фиг. 2) представляет собой катушку намотанной высокотемпературной сверхпроводящей ВТСП ленты. Модули (6) соединены в сборку посредством соединительных шин (не показаны).
Сборка модулей (5), в зависимости от конструктивных особенностей криостата (1), может быть установлена соосно оси криостата или параллельно его оси.
Вокруг сборки модулей (5) размещен защитный экран (7). Он расположен вокруг сборки (5) соосно оси упомянутой сборки.
Защитный сборный экран может быть выполнен из любого сплава, стойкого к криогенным средам. К таким сплавам, в частности, относятся такие, как сплавы алюминия, например, марки 6061, стали марок 06Н3А, 0Н6А, 0Н9А, AISI304, а также 12ХН3А и 18Х2Н4ВА.
Кроме того, защитный экран могут быть выполнен с нанесением металлической пленки (алюминий, медь, серебро, золото) на его поверхность.
Выбор материала и толщины экрана (7) обусловлен такими факторами, как сложность обработки материала и его прочность в среде жидкого азота, прочность устойчивость к деформации и масса конечного продукта, а также его стоимость.
Экран (7) включает полый составной цилиндрический элемент (8), изготовленный из деталей в форме эллиптического полутора (деталь «Кольцо») (9) и два торцевых фланца (деталь «Торцевой фланец») (10), выполненных в виде полуэллипсоидов вращения или полусфер.
Деталь экрана типа «Кольцо» (9) представляет собой кольцо с выпуклой поверхностью в форме эллиптического полутора, вырезанного из полого открытого эллиптического тора (см. фиг. 4) цилиндром, соосным с главной осью тора (ось С на фиг. 4), и радиусом, равным радиусу построенному по центру эллипсов (радиус r на фиг. 4), составляющих основное тело тора.
Выбор формы детали «Кольцо» (9) в виде эллиптического полутора является оптимальным для регулирования напряженности электрического поля. Как следует из фиг. 5, деталь экрана «Кольцо» (9) в форме эллиптического полутора уменьшает напряженность электрического поля более эффективно, чем деталь в форме кольца с плоской поверхностью: среднее значение напряженности электрического поля различно (2.36 кВ/мм для экранов по типу «выпуклого кольца» против 2.40 кВ/мм для экранов «плоских колец»). В зависимости от условий эксплуатации устройств, данное различие может быть больше и играть важную роль для электрической прочности устройства.
Таким образом, деталь типа «Кольцо» (9) в форме эллиптического полутора покрывает все острые кромки токоограничивающего элемента, выравнивает электрическое поле, и обеспечивает необходимую электрическую прочность между токоограничивающим элементом и внутренней стенкой криостата.
Выбор размера защитного экрана (7) обусловлен конкретными задачами и условиями функционирования ТОУ. Число деталей типа «Кольцо» (9) подбирается таким образом, чтобы уменьшить разность потенциалов между защитным экраном (7) и токоограничивающим модулем (5) и может варьироваться в зависимости от размера токоограничивающего модуля.
Деталь экрана типа «Торцевой фланец» (10) располагается по двум краям сборки модулей (5), замыкая цилиндрический элемент экрана (8) и представляет собой полуэллипсоид. Данная форма экранирует не только острые края токоограничивающего элемента, а также соединения подводящей и отводящей шин и токоограничивающего элемента - в деталях экрана типа «Торцевой фланец» размещены отверстия (11) с закругленными краями, куда подводятся подводящая и отводящая шина оттоковводов (13, 14).
При таком выполнении деталей защитного экрана (8, 9) контур стенки защитного экрана (7) повторяет контур сборки модулей (5).
Кольца (9) в цилиндрическом элементе и детали экрана типа «Торцевой фланец» (10) могут быть установлены с некоторым зазором по отношению друг к другу.
В корпусе криостата (1) размещают подводящий (12) и отводящий (13) в изолированные токоотводы и каждый из них соединяют со сборкой соосно размещенных сверхпроводящих токоограничивающих модулей (5). Для установки токовводов в криостате (1) используют колодцы (14).
Токовводы (12) и (13) выполняют в изоляции, в частности, в твердой изоляции. Однако, выбор изоляции не исчерпывается только применением твердой изоляции, возможно также использование любой другой возможной изоляции, например, газовой. Модули в сборке (5) соединены между собой соединительными шинами. Подводящий токоввод (12) соединен со сборкой модулей (5) посредством подводящей шины (15), а отводящий токоввод (12) соединен с набором модулей посредством отводящей шины (16).
Монтаж и работа ТОУ осуществляются следующим образом.
Для изготовления защитного экрана был использован сплав на основе алюминия в виде листа, толщиной 8 мм. Поверхность листа была обработана до шероховатости Ra3.2.
Было выполнено 10 защитных деталей экранов типа «Кольцо» и 2 защитных экрана типа «Торцевой фланец».
Установка сборки модулей (5) и защитного экрана (7) проходила непосредственно в криостате (1).
Каждая деталь «Кольцо» (9) соосно закреплялась на соответствующем сверхпроводящем токоограничивающем модуле (6) при помощи электрически изолированных металлических контактов. Такое решение позволяет снизить разность напряжений между соседними экранами, и повысить электрическую прочность устройства.
Детали типа «Кольцо» (9) с соответствующим модулем (6) устанавливались одна за другой на осевое крепление (не показано) с образованием цилиндрического элемента защитного экрана (8) с заключенной внутри его сборкой модулей (5). Цилиндрический элемент экрана (8) со сборкой модулей (5) подсоединялся к торцевым фланцам (9) защитного экрана при помощи гибких металлических тонких шин.
Торцевые фланцы (10) крепились на то же осевое крепление, на котором крепятся и сверхпроводящие токоограничивающие модули (6) и располагались соосно цилиндрическому элементу (8) и сборке модулей (5).
Затем сборка модулей (5), заключенная в защитный экран (7), через отверстия (11) в торцевых фланцах (10) подсоединяется к токовводам (13, 14), установленным в колодцах (14), с помощью подводящей и отводящей шин (15, 16). Затем в криостат заливается криогенная жидкость (4), а токовводы включаются в сеть. Таким образом, описанное высокотемпературное токоограничивающее устройство с защитным экраном в среде жидкого азота позволяет существенно уменьшить размеры сверхпроводящего устройства за счет уменьшения разности напряжений и повысить электрическую прочность устройства, что, в конечном итоге, сокращает расходы на дорогостоящее криогенное оборудование, уменьшает стоимость эксплуатации сверхпроводящего ограничителя тока, а также увеличивает надежность и долговечность эксплуатации устройства в среде жидкого азота.