МОДУЛЬ СВЕРХПРОВОДЯЩЕГО РЕЗИСТИВНОГО ОГРАНИЧИТЕЛЯ ТОКА (ВАРИАНТЫ)
SUPER CONDUCTING RESISTIVE CURRENT LIMITER MODULE (VERSIONS)

Изобретения относятся к области электротехники, энергетики и могут быть использованы, в частности, в качестве элемента токоограничивающих устройств электрокоммутационной аппаратуры для защиты от перегрузок и снижения токов короткого замыкания в сети.
Принцип действия резистивного токоограничителя основан на эффекте перехода сверхпроводящего элемента из сверхпроводящего состояния в режим нормальной проводимости при превышении током, протекающим через него, критической величины. Такая ситуация возникает при коротком замыкании в сети, когда величина тока резко возрастает по сравнению с его номинальным значением.
Особую актуальность работы по сверхпроводящим токоограничителям получили после открытия высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП), рабочая температура которых лежит в области температуры кипения жидкого азота и может быть достаточно просто реализована на практике.
В качестве сверхпроводящего элемента могут применяться как изделия из керамики, так и ВТСП кабели. Основой для их изготовления является смесь порошков окислов висмута, бария, стронция и меди или смесь, где вместо висмута используют окислы иттрия. Последний тип керамики обладает хорошими характеристиками, но и стоимость его заметно выше стоимости висмутовой керамики. Наибольшее количество известных разработок, в том числе и реализованных в виде токоограничителей для установок мощностью ~10 МВт, выполнено с использованием висмутовой керамики. Элементы из сверхпроводящего материала размещаются в азотном криостате и соединяются между собой параллельно-последовательными коммутационными связями для получения соответствующих параметров по току и напряжению. При превышении током критических значений сверхпроводящий элемент переходит в нормальное состояние и ток резко уменьшается по сравнению с его значением при отсутствии этого элемента.
Известен модуль сверхпроводящего резистивного ограничителя тока, включающий трубчатый сверхпроводящий элемент, шунтирующий соленоид, концевые токопроводящие коммутирующие элементы [1] - прототип по первому варианту. В данном устройстве соленоид устанавливается вокруг сверхпроводящей трубки (коаксиально с ней) и подключается электрически параллельно.
При коротком замыкании в сети и начале перехода сверхпроводника в нормальное состояние в соленоиде возникает ток, который формирует внутри него в зоне расположения сверхпроводящего элемента магнитное поле, ускоряющее переход сверхпроводника в нормальное состояние. Удается снизить ток короткого замыкания в несколько раз уже в первом полупериоде тока после замыкания и увеличить напряженность поля на поверхности модуля в режиме короткого замыкания до 2,5-5 В/см. Результаты исследований влияния магнитного поля на критический ток сверхпроводников показывают сильную зависимость величины критического тока от величины магнитного поля. С увеличением магнитного поля величина критического тока уменьшается и, следовательно, процесс перехода из сверхпроводящего в нормальное состояние ускоряется. Величина максимального тока, протекающего через ограничитель тока в режиме короткого замыкания, при этом снижается.
Недостатком данного устройства является то, что возможность увеличения поля ограничена габаритными допустимыми размерами соленоида, величиной тока, протекающего через индуктивность, и др. Кроме того, в рассматриваемой конструкции отсутствуют элементы, стабилизирующие работу устройства в случае возможных случайных локальных переходов части сверхпроводника в номинальном режиме в нормальное состояние.
Технический результат заявленного изобретения по первому варианту - повышение надежности модуля ограничителя тока и уменьшение габаритов модуля при сохранении высокой напряженности электрического поля.
Указанный технический результат по первому варианту достигается тем, что модуль сверхпроводящего резистивного ограничителя тока, включающий трубчатый сверхпроводящий элемент, шунтирующий соленоид, концевые токопроводящие коммутирующие элементы, дополнительно содержит кольца из магнитомягкого материала, установленные по внутренней и внешней поверхности сверхпроводящего трубчатого элемента.
При этом ширину, толщину, шаг установки и количество колец выбирают в зависимости от толщины и диаметра трубчатого сверхпроводящего элемента.
Известен также модуль ВТСП токоограничителя CURL-10 [2] - прототип по второму варианту, выполненный в виде керамической трубки из BSCCO-2212, на наружной поверхности которой укреплена металлическая трубка, обеспечивающая стабильную работу сверхпроводникового элемента при локальном переходе части сверхпроводящего материала в нормальное состояние. Благодаря этому ток из сверхпроводника на время существования нестабильности обтекает эту область по шунту, а после исчезновения нестабильности вновь течет по основной массе сверхпроводника. Сверхпроводящая трубка вместе с нанесенной на нее металлической трубкой или электропроводящим покрытием выполнена в виде двухзаходной спирали для увеличения электрической напряженности вдоль трубки и снижения суммарной длины сверхпроводящих элементов, которые определяются падением напряжения на шунте в режиме перехода из сверхпроводящего в нормальное состояние. Выполнение двухзаходной спирали достигается за счет формирования в вышеуказанной двухслойной трубке спиральной канавки, причем торцевые части этих спиралей электрически замыкаются, образуя бифиляр, который обеспечивает отсутствие магнитного поля при протекании по нему тока. Для стабилизации работы устройства, в случае возможных случайных локальных переходов части сверхпроводника в номинальном режиме в нормальное состояние, сверхпроводящие элементы шунтированы сплошной по длине металлической оболочкой, имеющей хороший электрический контакт по всей длине оболочки и с токоподводящими элементами.
Недостатком данного устройства является низкая напряженность поля (<1 В/см), что требует использования достаточно большого количества сверхпроводника, т.е. увеличивает габариты модуля. Кроме того, сплошное шунтирование сверхпроводящего элемента по всей длине приводит к заметным потерям мощности, связанным омическими с потерями мощности в шунтирующем элементе.
Технический результат заявленного изобретения по второму варианту - повышение надежности модуля ограничителя тока и уменьшение габаритов модуля при сохранении высокой напряженности электрического поля.
Указанный технический результат по второму варианту достигается тем, что в модуле сверхпроводящего резистивного ограничителя тока, включающем трубчатый сверхпроводящий элемент, шунтирующий соленоид, концевые токопроводящие коммутирующие элементы, часть трубчатого сверхпроводящего элемента содержит, по меньшей мере, одну металлическую оболочку, изолированную от концевых токопроводящих коммутирующих элементов модуля.
При этом часть трубчатого сверхпроводящего элемента выполнена с внутренней и/или внешней металлической оболочкой.
По поверхности, по меньшей мере, одной металлической оболочки сверхпроводящего трубчатого элемента дополнительно могут быть установлены кольца из магнитомягкого материала.
В предлагаемых вариантах выполнения модуля, с шунтированием сверхпроводящей трубки индуктивностью, указанные выше недостатки аналогов устраняются с помощью усиления магнитного поля внутри соленоида и омическим шунтированием сверхпроводящего элемента, который при переходе последнего в нормальное состояние электрически изолирован от цепи. Установка колец из магнитомягкого материала по внутренней и внешней поверхности сверхпроводящего трубчатого элемента (по первому варианту выполнения) или наличие на части трубчатого сверхпроводящего элемента, по меньшей мере, одной металлической оболочки, изолированной от концевых токопроводящих коммутирующих элементов модуля (по второму варианту выполнения) позволяет повысить напряженность электрического поля, не увеличивая габаритные размеры соленоида и вне зависимости от величины тока, протекающего через индуктивность и др. А также такое выполнения модуля обеспечивает стабильную работу модуля в случае возможных случайных локальных переходов части сверхпроводника в номинальном режиме в нормальное состояние, что повышает качество и надежность устройства в целом.
В соответствии с первым вариантом выполнения для локального усиления поля в сверхпроводящем элементе по его внешней и внутренней поверхности устанавливаются элементы из магнитомягких материалов, обладающих высокой магнитной проницаемостью и малой остаточной намагниченностью. Известно, что распределение магнитного поля зависит от свойств среды. Размещение материала с высокой магнитной проницаемостью приводит к концентрации магнитного поля в области расположения материала и к увеличению магнитного поля в его окрестности.
Величина индукции в районе расположения образца зависит от его формы и размеров, в данном случае от толщины и длины колец, которые в рассматриваемой конструкции практически не имеют ограничений и могут быть оптимально подобраны.
Установка таких колец инициирует локальный переход сверхпроводящего материала в нормальное состояние, которое стимулирует переход в это состояние и всего объема сверхпроводника.
Для обеспечения этого перехода сразу в нескольких областях, что, очевидно, приведет к уменьшению времени перехода всего образца, кольца устанавливают периодически по всей длине сверхпроводящей трубки с учетом их оптимальной ширины и необходимого количества центров перехода. Установка колец не снижает рабочих характеристик токоограничителя и не требует применения специальных технологий для установки.
Так как кольца выполнены из материала с малой остаточной индукцией, они не оказывают влияния на функционирование сверхпроводящего элемента в номинальном режиме.
В соответствии со вторым вариантом выполнения для решения проблемы стабилизации сверхпроводящего элемента от случайных локальных переходов части сверхпроводника в нормальное состояние используется шунтирование сверхпроводника, по меньшей мере, одной металлической оболочкой, которая, однако, электрически не соединена с элементами цепи и не шунтирует индуктивность. Край металлической оболочки всегда отделен от концевых токопроводящих элементов модуля токоограничителя, между ним и концевым элементом существует участок сверхпроводящей трубки, на которую он не нанесен. В номинальном режиме металлическая оболочка шунтирует область с локальным переходом сверхпроводника в нормальное состояние и ток из сверхпроводника через контакт на время существования обратимого перехода протекает по металлической оболочке, что останавливает процесс обвального перехода сверхпроводника. После восстановления сверхпроводимости в этой области картина распределения токов возвращается в исходное состояние.
При переходе в режим короткого замыкания сети все сверхпроводники переходят в нормальное состояние и участки сверхпроводящей трубки, свободные от оболочки, снова приобретают высокое сопротивление, которое и обеспечивает электрический отрыв стабилизирующей металлической оболочки от цепи, поведение которой определяется параметрами включенной в них шунтирующей индуктивности. Размер этого электроизолирующего участка определяется отсутствием поверхностного разряда по керамике, который зависит от напряжения на модуле токоограничителя, и пробойными характеристиками керамики.
-8
Контакт между металлической оболочкой и сверхпроводящей трубкой может обеспечиваться пайкой, которая дает достаточно низкое электрическое сопротивление контакта для перетекания электрического тока и тепла в момент восстановления сверхпроводящего состояния. Участок сверхпроводящего трубчатого элемента, не закрытый шунтирующими оболочками, имеет большую толщину, чем остальная часть трубки. Это приводит к снижению плотности тока, протекающего по ней в сверхпроводящем режиме, что снижает риск ее перехода в нормальное состояние. Могут быть использованы варианты с использованием на части трубчатого сверхпроводящего элемента как только одной из металлических оболочек (внутренней или внешней), так и с использованием обеих металлических оболочек. Так, для тонких сверхпроводящих трубок, когда толщина обеспечивает приемлемые величины сопротивления и перепада температуры, может быть использован вариант с одной оболочкой. В качестве материала оболочки могут быть выбраны материалы с низким удельным электрическим сопротивлением. Наиболее оптимальным является материал с удельным электрическим сопротивлением менее 2·10 Ом·м - серебро, медь и т.п.
Для еще большего усиления поля в сверхпроводящем элементе (в соответствии со вторым вариантом выполнения) по поверхности внутренней и/или внешней металлической оболочки сверхпроводящего трубчатого элемента дополнительно могут быть установлены кольца из магнитомягкого материала. При этом размеры, количество и расстояние между кольцами выбирают по тому же критерию, как в первом варианте исполнения. За счет колец из магнитомягкого материала величина индукции магнитного поля в окрестности колец увеличивается, что приводит к снижению величины критического поля в этих областях, при этом переход сверхпроводника в нормальное состояние происходит за более короткое время и достигается более сильное, чем в прототипе, снижение тока короткого замыкания.
Формирование в конструкции омического шунта для стабилизации сверхпроводника от случайных локальных переходов сверхпроводника в нормальное состояние, электрически изолированного после короткого замыкания в сети, позволяет решить задачу стабилизации без ухудшения напряженности поля в сверхпроводнике, а значит, при меньших длинах и размерах сверхпроводника.
Установка магнитомягких колец в соответствии с первым и вторым вариантом выполнения не требует применения специальных методов крепления. Они должны обеспечить только фиксацию положения этих колец относительно сверхпроводящей трубки с учетом возможных нагрузок при транспортировке, монтаже и кипении азота.
Кольца изготавливаются из магнитомягкого материала, имеющего малую остаточную намагниченность. Наиболее оптимальным является материал, имеющий остаточную намагниченность не менее 0,025 Тл, например сталь-3.
Предложенное техническое решение поясняется фиг.1-2, на которых изображены:
на фиг.1 - вариант модуля сверхпроводящего резистивного ограничителя тока с кольцами из магнитомягкого материала, установленными со стороны внешней и внутренней поверхности сверхпроводящего элемента,
на фиг.2 - вариант модуля сверхпроводящего резистивного ограничителя тока с трубчатым сверхпроводящим элементом, выполненным с металлическими оболочками.
Модуль сверхпроводящего элемента резистивного ограничителя тока по первому варианту (фиг.1) включает трубчатый сверхпроводящий элемент 1, концевые токопроводящие коммутирующие элементы, выполненные, например, в виде втулок 2 и жестко соединенные со сверхпроводящим элементом 1, обладающим малым электрическим сопротивлением, колец 3 из магнитомягкого материала, установленных со стороны внешней и внутренней поверхности сверхпроводящего элемента 1. Вокруг сверхпроводящего элемента 1 коаксиально с ним установлен электрически параллельно включенный соленоид 4, формирующий продольное магнитное поле в области расположения сверхпроводящего элемента 1.
Модуль сверхпроводящего элемента резистивного ограничителя тока по второму варианту (фиг.2) включает трубчатый сверхпроводящий элемент 1, концевые токопроводящие коммутирующие элементы, выполненные, например, в виде втулок 2 и жестко соединенные со сверхпроводящим элементом 1, обладающим малым электрическим сопротивлением. Часть трубчатого сверхпроводящего элемента 1 выполнена, по меньшей мере, с одной металлической оболочкой, например с внутренней 3 и внешней 4 металлическими оболочками, изолированными от концевых токопроводящих коммутирующих элементов - втулок 2. Вокруг сверхпроводящего элемента 1 коаксиально с ним установлен электрически параллельно включенный соленоид 5, формирующий продольное магнитное поле в области расположения сверхпроводящего элемента 1.
Дополнительно по поверхности, по меньшей мере, одной металлической оболочки, например по внутренней 3 и внешней 4 металлическим оболочкам сверхпроводящего трубчатого элемента 1, дополнительно могут быть установлены кольца 6 из магнитомягкого материала.
Таким образом, использование заявленных технических решений позволяет при одинаковых с известными аналогами габаритах устройства уменьшить время перехода токоограничителя в нормальное состояние в аварийном режиме и улучшить стабильность работы токоограничителя в номинальном режиме.
Источники информации
1. Elschner S, Breuer F, Walter H and Bock J. Magnetic field assisted quench propagation as a new concept for resistive current limiting devices. J. of PhysicsS, Conf. series, (2006), 43,
917-920.
2. Bock J, Breuer F, Walter H, Elschner S, Kleimaier M, Kreutz R and Noe M. CURL 10: development and field-test of a 10 kV/10 MVA resistive current limiter based on bulk
MCP-BSCCO 2212. IEEE Trans. Appl. Supercond, (2005), 15, 1955-60.