СВЕРХПРОВОДНИКОВЫЙ ОГРАНИЧИТЕЛЬ ТОКА РЕЗИСТИВНОГО ТИПА

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использовано для защиты электрических сетей от токовых перегрузок или короткого замыкания.
Ограничение тока перегрузки или короткого замыкания с использованием сверхпроводникового ограничителя тока (СОТ) резистивного типа основано на эффекте перехода его сверхпроводникового элемента из сверхпроводящего состояния с практически нулевым сопротивлением в режим обычного проводника при превышении током критического значения.
Сопротивление сверхпроводникового элемента при этом резко возрастает, за счет чего ток в сети снижается до безопасных значений. Сверхпроводниковый элемент СОТ резистивного типа обычно изготовлен из ленточного высокотемпературного сверхпроводника (ВТСП), способного нести большой ток при температуре жидкого азота [1].
Основными проблемами, возникающими при разработке СОТ резистивного типа, являются необходимость компактного размещения достаточно длинного сверхпроводника в криостате, заполненном хладагентом, а также желательное устранение воздействия магнитного поля, влияющего как на сверхпроводящие свойства проводника, так и на общую запасенную энергию, значительная величина которой принципиально ограничивает быстродействие устройства. При этом большая величина рабочего тока обуславливает существенное силовое воздействие магнитного поля на проводник и обеспечение неизменности пространственной конфигурации сверхпроводника также становится проблематичным. Необходимость быстрого возврата СОТ резистивного типа в сверхпроводящее состояние после срабатывания требует создания условий для быстрого охлаждения сверхпроводника, сводящихся к максимально возможному увеличению площади поверхности, омываемой хладагентом, беспрепятственной эвакуации возникающих при кипении хладагента - жидкого азота - пузырей, ухудшающих охлаждение [2] и увеличивающих вероятность электрического пробоя, что может привести к выходу устройства из строя [3].
Известны конструкции СОТ резистивного типа [4], [5] с сверхпроводниковым элементом, набранным из прямолинейных отрезков ВТСП.
Необходимость компенсации магнитного поля за счет создания противоположно направленных токов в соседних параллельных друг другу отрезках ВТСП ленты приводит к выполнению всего устройства с перемычками из несверхпроводящего материала. Хотя это и позволяет частично скомпенсировать магнитное поле, но явно ухудшает рабочие характеристики из-за наличия несверхпроводящих участков.
Известны также цилиндрические конструкции [6], где несверхпроводящие элементы исключаются, проводник спирально наматывается на поверхность диэлектрического цилиндрического каркаса, выведение двух концов проводника из центра цилиндра позволяет при встречном направлении токов в смежных витках обмотки обеспечить необходимую компенсацию магнитного поля. Главным недостатком цилиндрических конструкций является то, что они требуют большого криостатируемого объема.
Дальнейшее улучшение характеристик СОТ резистивного типа достигается при использовании уже сформированной (заранее скрепленных по одной из продольных поверхностей сверхпроводящей ленты) пары ленточных ВТСП с встречным направлением токов, образующих бифилярный проводник. Такой проводник может быть намотан в виде дисковой катушки, между витками которой имеются зазоры для лучшего доступа хладагента [7]. И хотя в данном случае рабочие характеристики действительно улучшаются, но возникающая сила расталкивания витков сверхпроводника обуславливает применение достаточно жестких силовых каркасов (устройств фиксации) для удержания желаемой геометрической формы. Из-за этого держатели устройства фиксации охватывает ленточный сверхпроводник с двух сторон, образуя неохлаждаемые с обеих сторон участки. Кроме того, в устройстве фиксации легко обнаруживаются не связанные друг с другом каналы течения хладагента, что ухудшает его перемешивание и затрудняет эвакуацию пузырей в случае закипания, что в свою очередь увеличивает возможность пробоя и выхода устройства из строя. Длина незакрепленных участков на периферии обмотки и в ее центре существенно различается, что приводит к различию в механических напряжениях на участках, это ведет к потере воспроизводимости ограничительных свойств устройства, а следовательно, к снижению надежности и срока безотказной работы.
Таким образом, устройство обладает невысокой надежностью и небольшим сроком безотказной работы, причем длительность процесса восстановления рабочего состояния после срабатывания может оказаться недопустимо большой.
Целью технического решения, представленного в полезной модели СВЕРХПРОВОДНИКОВЫЙ ОГРАНИЧИТЕЛЬ ТОКА РЕЗИСТИВНОГО ТИПА, является повышение надежности и продление срока безотказной работы сверхпроводникового ограничителя тока резистивного типа, а также сокращение времени восстановления рабочих характеристик устройства после его срабатывания.
Поставленная цель достигается посредством увеличения охлаждаемой поверхности сверхпроводника, исключения несвязанных между собой каналов охлаждающей жидкости, а также сведения к однородным механических напряжений в сверхпроводнике.
Для этого сверхпроводниковый ограничитель тока резистивного типа содержит устройство фиксации, образованное непроводящими фланцами с набором непроводящих стоек между ними, при этом сами стойки перпендикулярны плоскости фланцев, а намотка осуществляется с попеременной опорой на внутреннюю и внешнюю стороны стоек плоскими поверхностями ВТСП ленты. Расстояния между стойками выбраны для обеспечения равномерного натяжения сверхпроводника в условиях его допустимого изгиба.
На фиг. представлен фрагмент конкретной реализации устройства.
Здесь устройство фиксации обмотки СОТ резистивного типа образовано непроводящими фланцами (1) и (2) с набором непроводящих стоек (3) между ними, при этом сами стойки перпендикулярны плоскостям фланцев. Намотка ВТСП ленты (4) осуществлена вплетением между стойками с попеременной опорой на внутреннюю и внешнюю стороны стоек плоскими поверхностями этой ленты. Расстояния между стойками (3) выбраны для обеспечения равномерного натяжения сверхпроводника в условиях его допустимого изгиба.
На фиг. отмечен также набор дополнительных стоек (5), при помощи которого вплетена лента из диэлектрического пленочного материала (6) для изоляции витков ВТСП ленты (4) друг от друга; ширина изоляционной ленты превышает ширину ВТСП ленты для уменьшения вероятности пробоя. Устройство работает следующим образом.
В соответствии с принципом СОТ резистивного типа, при протекании электрического тока допустимой величины ВТСП лента (4) находится в сверхпроводящем состоянии, падение напряжения на обмотке практически равно нулю, устройство не оказывает влияния на работу электросети. Однако, при превышении допустимой величины, соответствующей критическому току сверхпроводника, происходит его переход в нормальное состояние, у ВТСП ленты появляется электрическое сопротивление, что и защищает электросеть от возникшей перегрузки. Тепло, выделяющееся при этом в ВТСП ленте, поглощается хладагентом, в который погружено устройство, что может приводить к образованию большого количества пузырей при кипении хладагента.
Устройство фиксации оставляет практически всю площадь поверхности сверхпроводника доступной для хладагента, что обеспечивает отсутствие локальных теплоизолированных участков сверхпроводника, которые могут быть повреждены из-за перегрева во время срабатывания СОТ резистивного типа, а значит способствует повышению надежности и увеличению срока безотказной работы а также создает наилучшие условия для охлаждения сверхпроводника хладагентом и способствует сокращению времени возврата СОТ резистивного типа в рабочее состояния после срабатывания.
При этом все возможные каналы течения хладагента оказываются взаимосвязанными, что в свою очередь способствует эффективной эвакуации пузырей, образующихся при кипении хладагента и уменьшает возможность перегрева сверхпроводника и возникновения пробоя, а следовательно, способствует повышению надежности и увеличению срока безотказной работы а также создает наилучшие условия для охлаждения сверхпроводника и способствует сокращению времени возврата СОТ резистивного типа в рабочее состояния после срабатывания.
Механические напряжения в сверхпроводнике при температурных и полевых воздействиях оказываются практически одинаковыми (однородными) по всей длине, что приводит к повышению надежности и увеличению срока безотказной работы СОТ резистивного типа. Равномерность напряжений реализуется вместе с соблюдением условий допустимого изгиба ВТСП, что достигнуто выбором расстояний между стойками (3), а также выполнением скруглений опорных поверхностей стоек, причем радиус скруглений соответствует допустимому радиусу изгиба сверхпроводника (скругления на фиг. схематически не показаны).
Литература
1. M. Noe, M. Steurer, High-temperature superconductor fault current limiters: concepts, applications, and development status, Topical Review, Supercond. Sci. Technol. 20 (2007), R15-R29.
2. Heesun Kim, Ji-Young Lee, Hye-Rim Kim, Seong-Eun Yang, Seung-Duck Yu, Woo-Seok Kim, Ok-Bae Hyun, Junseok Ko, and Hankil Yeom, "An Effect of HTS Wire Configuration on Quench Recovery Time in a Resistive SFCL", IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol. 23, No. 3, June 2013.
3 S. Li, J. Sheng, Y. Chen, Z. Jin, Y. Yin, L. Yao, and Z. Hong, "Bubble Behavior and Its Influence on Insulation Properties of Liquid Nitrogen for Superconducting Power Apparatus" IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol. 23, No. 3, June 2013.
4. "Superconductivity for electric systems." Peer Review. US. Department of energy. August 7-9.2007.
5. Патент РФ на полезную модель №: 97876, МПК H02H 9/02, авторы: Будовский А.И., Алферов Д.Ф., Иванов В.П., Кацай А.В., Комарков Д.Α., Сидоров В.Α., Фишер Л.М., Волошин И.Ф., опубл. 20 Сентября, 2010.
6. Min Cheol Ahn, Dong Keun Park, Seong Eun Yang, and Tae Kuk Ko, Impedance Characteristics of Non-inductive Coil Wound With Two Kinds of HTS Wire in Parallel, IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol. 18, No. 2, June 2008, pp. 640-643.
7. Young Jin Hwang, Sukjin Choi, Jae Young Jang, Duck Kweon Bae, Tae Kuk Ko, Experimental analysis of AC loss and recovery characteristics for proposal of effective thickness of spacers in pancake type, Cryogenics, 51, 2011, 266-271.
8. C. Schacherer, J. Langston, M. Steurer, M. Noe, Power Hardware-in-the-Loop Testing of a YBCO Coated Conductor Fault Current Limiting Module, IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 19, no. 3, pp. 1801-1805, 2009