Высоковольтный предохранитель с высокотемпературной сверхпроводящей вставкой и токоограничитель c таким предохранителем
HIGH-VOLTAGE FUSE WITH A HIGH-TEMPERATURE SUPERCONDUCTING INSERT AND A CURRENT LIMITER WITH SUCH A FUSE

Область техники
Групповое изобретение относится к области силовой аппаратуры, обеспечивающей защиту электрооборудования и линий электропередач от токов короткого замыкания (КЗ). В зависимости от характеристик защищаемого оборудования заявляемый предохранитель может быть использован как для полного отключения тока КЗ, так и для ограничения тока КЗ до момента аварийного отключения цепи установленным в ней выключателем после срабатывания штатной релейной защиты. В последнем случае заявляемый предохранитель используется в качестве основного элемента токоограничителя, в котором параллельно предохранителю подключен шунт из несверхпроводящего материала, сопротивление которого ограничивает ток КЗ после перегорания предохранителя.
Уровень техники
Неизбежным следствием развития энергетических систем и повышения их мощности является рост токов КЗ, уровень которых может превысить отключающую способность современных высоковольтных выключателей и поэтому становится критическим параметром - фактором, ограничивающим развитие электроэнергетических систем. Стратегический путь решения этой проблемы - установка в электросетях в качестве дополнительного оборудования токоограничивающих устройств (ТОУ), не влияющих на рабочие режимы сети, но ограничивающих токи КЗ.
Известны высоковольтные токоограничивающие устройства на основе высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП ТОУ), предназначенные для ограничения токов короткого замыкания в электрических сетях [RU158592, публ.20.01.2016; RU2639316, публ. 21.12.2017, RU183512,публ. 25.09.2018]. Указанные ВТСП ТОУ содержат размещенную в криостате сборку соосно установленных токоограничивающих модулей, каждый из которых выполнен в виде катушки из высокотемпературной сверхпроводящей ленты (ВТСП-ленты). ВТСП ТОУ ограничивает аварийные токи короткого замыкания в электрических сетях, повышает надежность электроснабжения, качество электроэнергии и снижает требования к высоковольтным выключателям. В основе действия ВТСП ТОУ лежит свойство сверхпроводника переходить из сверхпроводящего состояния с нулевым сопротивлением в состояние токоограничения с конечной проводимостью. Переключение не требует внешнего воздействия и происходит при превышении критического значения тока, уровень которого задается используемой конструкцией ВТСП-проводника.
Общий недостаток ВТСП ТОУ, ограничивающих ток короткого замыкания по вышеописанному принципу - большая суммарная длина ВТСП-ленты, возрастающая пропорционально напряжению сети и достигающая, при напряжениях высокого класса, нескольких десятков километров. Следствием этого является чрезвычайно высокая стоимость таких токоограничителей, препятствующая их широкому использованию в электроэнергетике.
На устранение этого недостатка направлено изобретение [CN102545141А, публ. 21.09.2016], согласно которому токоограничение предлагается осуществлять с использованием высоковольтного предохранителя, содержащего закрепленную между его концевыми контактами плавкую вставку в виде снабженных защитной металлической оболочкой лент высокотемпературного сверхпроводника на хастеллоевой подложке (ВТСП-вставку), предназначенную для размещения в криостате, и токоограничивающего шунта подключенного параллельно предохранителю (ВТСП ТОУ-П).
Это изобретение выбрано в качестве прототипа.
Преимуществом токоограничителя на базе предохранителя с ВТСП-вставкой (ВТСП ТОУ-П) перед вышеописанными токоограничителями ВТСП ТОУ является многократное уменьшение суммарной длины используемых ВТСП-лент и соответствующее снижение себестоимости, как минимум, на порядок.
Преимуществом предохранителей с ВТСП-вставкой перед предохранителями с металлической плавкой вставкой является возможность достижения более высокого быстродействия, при котором время срабатывания предохранителя (разрушения ВТСП-вставки) существенно меньше времени задержки отключения аварийной цепи установленным в ней высоковольтным выключателем (то есть суммы времени срабатывания релейной защиты и времени отключения выключателя). Это позволяет снизить высокие требования к быстродействию используемого высоковольтного выключателя и к величине отключаемого им тока.
В прототипе ВТСП-вставка, размещенная в криостате, выполнена из нескольких параллельных ВТСП-лент, соединенных медными шинами, которые закреплены в открытой рамной конструкции. С помощью клемм (концевых контактов) и токопроводящих кронштейнов медные шины подключены к криогенным токовводам криостата.
Токоограничивающий шунт в прототипе выполнен в виде реактора.
В нормальном режиме защищаемой цепи ток через ВТСП-вставку не превышает суммарного критического тока ее ВТСП-лент. При этом ВТСП-ленты, охлаждаемые заполняющим криостат криоагентом (жидким азотом), находятся в сверхпроводящем состоянии, то есть имеют нулевое сопротивление. При возникновении КЗ в защищаемой цепи ток через ВТСП-вставку возрастает до величины, превышающий ее критический ток, определяемый критическими токами и схемой соединения ВТСП-лент. В результате ВТСП-ленты переходят из сверхпроводящего в нормальное состояние с ненулевым сопротивлением электрическому току и разогреваются выделяющимся на их активном сопротивлении джоулевым теплом. Вследствие высокой скорости перехода ВТСП-лент из сверхпроводящего состояния в нормальное и их быстрого разогрева ВТСП-вставка разрушается в результате электровзрывного процесса. Ток через нее прекращается и вытесняется в шунт, подключенный параллельно ВТСП-вставке, сопротивление которого ограничивает ток защищаемой цепи. После отключения сработавшего предохранителя от источников напряжения рамная конструкция с разрушенной ВТСП-вставкой может быть заменена.
Недостаток прототипа состоит в том, что при каждом срабатывании предохранителя мощная ударная волна от электровзрыва ВТСП-лент, возникающая в жидком азоте, воздействует на криостат с риском его повреждения, а мелкодисперсионные продукты электровзрыва ВТСП-лент остаются в криостате, способствуя затягиванию процесса горения дуги при последующих срабатываниях заменяемых предохранителей. По вышеизложенным причинам надежность функционирования прототипа падает настолько, что возникает необходимость перед заменой сгоревшего предохранителя производить чистку криостата и смену криоагента.
Надежность токоограничителя ВТСП ТОУ-П, предложенного в прототипе [CN102545141А], дополнительно снижается (помимо снижения надежности, являющегося следствием использования вышеописанного предохранителя) из-за значительных перенапряжений, возникающих на шунтирующем реакторе, подключенном к токовводам криостата, при ускоренном разрушении ВТСП-вставки.
Сущность изобретения
Технический результат, достигаемый по отношению к вышеописанному прототипу как в заявляемом предохранителе, так и в использующем его токограничителе - повышение надежности функционирования устройства и защиты электрооборудования.
Предметом первого изобретения заявляемой группы является предохранитель, предназначенный для установки во внутренней полости криостата между его токовводами и содержащий закрепленную между концевыми контактами предохранителя плавкую вставку из, по меньшей мере, одной ленты высокотемпературного сверхпроводника на хастеллоевой подложке в защитной металлической оболочке, отличающийся тем, что указанная вставка заключена в патрон из электроизоляционного материала, сохраняющего упругость при температуре жидкого азота, при этом патрон снабжен отверстиями, предназначенными для сообщения полости патрона с внутренней полостью криостата, плавкая вставка установлена эксцентрично относительно продольной оси патрона с возможностью предотвращения возврата ударной волны, отраженной от стенок патрона, в межконтактный промежуток, толщина хастеллоевой подложки лежит в пределах 35÷45 мк, а толщина защитной металлической оболочки составляет 0,5÷1,5 мк со стороны подложки и 2,0÷6,0 мк со стороны высокотемпературного сверхпроводника.
Это позволяет получить вышеуказанный технический результат в заявляемом предохранителе.
Развития первого изобретения группы состоят в том, что:
- по меньшей мере, одно отверстие в патроне выполнено в виде продольной щели;
- защитная металлическая оболочка ленты выполнена, по меньшей мере, из одного металла группы медь, серебро.
Предметом второго изобретения заявляемой группы является токоограничитель, содержащий предохранитель с высокотемпературной сверхпроводящей вставкой, включенной между токовводами криостата в его внутренней полости, и шунт, подключенный к токовыводам указанного криостата, отличающийся тем, что предохранитель выполнен в соответствии с первым изобретением группы.
Это позволяет получить вышеуказанный технический результат в заявляемом токоограничителе.
Развитие второго изобретения группы, состоит в том, что шунт выполнен в виде резистора.
Это позволяет снизить перенапряжения на токовыводах криостата и, тем самым, дополнительно повышает надежность токоограничителя.
Осуществление изобретения с учетом его развитий
На фиг.1 показана конструкция заявляемого предохранителя.
На фиг.2 показан заявляемый предохранитель, установленный во внутренней полости криостата между его токовводами.
На фиг.3 показана схема токоограничителя, использующего заявляемый предохранитель.
На фиг.4 показана общая структура ВТСП-лент второго поколения, используемых в ВТСП-вставке.
На фигурах обозначено:
1 - плавкая ВТСП-вставка;
2 - криостат с двойными стенками и термоизоляцией, например, вакуумной, в межстеночной полости;
3 - внутренняя полость криостата 2;
4 - криогенные токовводы криостата 2 с электро- и термоизоляцией 5; предотвращающей приток внешнего тепла в полость 3 и изолирующей стенки криостата 2 от токовводов 4 (в случае использования металлического криостата);
6 - патрон из упругого электроизоляционного материала, сохраняющего упругость при температуре жидкого азота, например, из политетрафторэтилена (торговая марка фторопласт-4) или сверхвысокомолекулярного полиэтилена (торговая марка СВМПЭ);
7 - полость патрона 6;
8 и 9 - отверстия, выполненные в патроне 6 для сообщения полости 7 с полостью 3. Отверстие 9, выполнено в виде продольной щели.
Вставка 1 может быть выполнена из одной ВТСП-ленты или нескольких параллельно-последовательных ВТСП-лент, соединенных с токовводами 4, например, с помощью токопроводящих шин (как в прототипе) или, как показано на фиг.1 и фиг.2, с помощью концевых контактов 10 (например, ножевого или колпачкового типа), закрепленных в торцах патрона 6. Контакты 10 предназначены для введения в ответные контакты 11, соединенные с токовводами 4 в полости 3 криостата 2. Поверхности контактов 10 вблизи вставки 1, располагаемые внутри криостата 2, могут быть частично покрыты защитными изоляционными колпачками 12.
Вставка 1 установлена эксцентрично относительно продольной оси 13 патрона 6 (то есть продольная ось вставки 1 смещена относительно оси 13) так, чтобы исключить возможность возврата ударной волны, отраженной от стенок патрона 6 в межконтактный промежуток (промежуток между контактами 10).
Устройство подготавливают к работе следующим образом.
Патрон 6 с заключенной в него плавкой ВТСП-вставкой 1, представляет собой сменный модуль, который устанавливают в криостат 2, вводя контакты 10 (на фигурах показаны контакты 10 ножевого типа) в ответные контакты 11.
К внешним выводам токовводов 4 параллельно предохранителю подключают шунт 14 в виде резистора, расположенного вне криостата 2 (фиг.3).
Полость 3 криостата 2 заполняют криоагентом (жидким азотом), обеспечивающим сверхпроводящее состояние лент ВТСП-вставки 1.
С помощью коммутирующих устройств, подключенных к токовводам 4, (на фиг.3 условно показано одно коммутирующее устройство 15), токоограничитель 16 вводят в защищаемую электрическую цепь, содержащую источник 17 электропитания и нагрузку 18.
Токоограничитель, использующий заявляемый предохранитель, работает следующим образом.
В нормальном режиме защищаемой цепи ток через вставку 1 не превышает суммарного критического тока ее ВТСП-лент (критического тока ВТСП-вставки), и вставка 1, охлаждаемая заполняющим криостат 2 жидким азотом, находится в сверхпроводящем состоянии с нулевым электрическим сопротивлением. При возникновении КЗ ток, протекающий через вставку 1, возрастает до величины, превышающий критический ток ВТСП-вставки, в результате чего ее ВТСП-ленты переходят из сверхпроводящего состояния в нормальное с ненулевым сопротивлением электрическому току и разогреваются джоулевым теплом, выделяющемся на их активном сопротивлении.
Вследствие высокой скорости перехода из сверхпроводящего состояния в нормальное и малой толщины ВТСП-лент возникает электровзрывной процесс разрушения ВТСП-вставки 1 с зажиганием и погасанием электрической дуги в межконтактном промежутке.
Колпачки 12 препятствуют эмиссии электронов и ионов с поверхностей контактов 10, контактирующих с электрической дугой, и попаданию эмитируемых заряженных частиц в межконтактный промежуток.
Возникающая при электровзрыве ударная волна распространяется в криоагенте (жидком азоте), заполняющем патрон 6. Благодаря упругости материала патрон 6 демпфирует ударную волну, снижая энергию ее воздействия на стенки криостата 2. При этом мелкодисперсионные продукты электровзрывного сгорания ВТСП-вставки 1, которые в устройстве-прототипе полностью попадают в полость 3 криостата 2, в заявляемой конструкции ВТСП-предохранителя оседают на внутренней поверхности патрона 6 и не влияют на процесс горения дуги при последующих срабатываниях заменяемых ВТСП-предохранителей.
Как показали проведенные расчеты и эксперименты, отраженная ударная волна обладает достаточной мощностью для сжатия и возврата разлетающихся продуктов сгорания ВТСП-лент в межконтактный промежуток, что способно инициировать возникновение повторной электрической дуги в межконтактном промежутке. Смещение оси ВТСП-вставки относительно оси 13 патрона 6 направлено на предотвращение этого явления, способствующего затягиванию процесса срабатывания предохранителя.
В результате сгорания ВТСП-вставки 1 ток КЗ прекращает протекать через предохранитель и вытесняется во внешний шунт 14 (фиг.3). Сопротивление резистора, используемого в качестве шунта 14, ограничивает ток защищаемой цепи до уровня, обеспечивающего срабатывание релейной защиты и комфортные условия работы выключателей, установленных в защищаемой цепи. При использовании процедуры автоматического повторного включения (АПВ) ток, определяемый сопротивлением шунта 14, должен обеспечить повторное срабатывание релейной защиты в случае неуспешного АПВ.
После отключения коммутирующими устройствами токовводов 4 от высокого напряжения патрон 6 со сгоревшей вставкой 1 может быть заменен.
Для того, чтобы обеспечить упомянутые выше комфортные условия работы выключателя, отключаемый им ток не должен превышать отключающую способность выключателя, то есть предохранитель должен срабатывать (ВТСП-вставка 1 должна разрушаться, а ток через между контактами 10 прекращаться) до того. как возрастающий ток КЗ превысит отключающую способность выключателя, установленного в защищаемой цепи.
Серия расчетов, проведенная по программе численного моделирования режимов КЗ для различных электрических сетей, показала следующее. Для того, чтобы разорвать защищаемую цепь до достижения током КЗ значения, превышающего отключающую способность выключателя, время срабатывания предохранителя должно составлять (в зависимости от характеристик защищаемой сети) от 2 до 5 мс. При этом критический ток каждой ВТСП-ленты, используемой во вставке 1, должен быть не менее 450 А, а суммарный критический ток ВТСП-вставки должен с минимально необходимым запасом превышать максимальный рабочий ток защищаемой цепи.
Для вставки 1 предпочтительно использовать широко применяемые ВТСП-ленты второго поколения, то есть ленты с защитной металлической оболочкой, в которых слой высокотемпературного сверхпроводника из оксида YBCO нанесен на хастеллоевую подложку поверх разделяющего их буферного слоя.
Однако, расчеты, выполненные с использованием разработанной программы численного моделирования, и серия проведенных экспериментов показали, что при использовании ВТСП-лент второго поколения со стандартными значениями толщины подложки и защитной металлической оболочки (применяемых, в частности, в описанных выше ВТСП-ТОУ) необходимые характеристики предохранителя (критический ток ВТСП-вставки и время срабатывания предохранителя) не могут быть достигнуты.
В связи с этим для использования в заявляемом токоограничителе была разработана и изготовлена ВТСП-лента второго поколения с уменьшенной толщиной хастеллоевой подложки и металлического защитного покрытия, выполненного из серебра и/или меди.
На фиг.4 обозначено:
19 - хастеллоевая подложка;
20 - буферный слой;
21 - высокотемпературный сверхпроводник;
22 и 23 - слои металлической защитной оболочки из серебра и меди соответственно;
T
W
- ширина ВТСП-ленты;
T
t
- общая толщина ВТСП-ленты.
В результате проведенной серии экспериментов, потребовалось уменьшение толщины хастеллоевой подложки с 60 мк до 35÷40 мк и толщины металлической оболочки со стороны сверхпроводника с 30 мк до 2÷6 мк, а со стороны подложки с 10 мк до 0,5÷1,5 мк.
Как следует из вышеизложенного, совокупность существенных признаков заявляемого предохранителя, характеризующегося тем, что он содержит закрепленную между контактами 10 вставку 1 из, по меньшей мере, одной ВТСП-ленты на хастеллоевой подложке 20 в защитной металлической оболочке, вставка 1 заключена в патрон 6 из электроизоля-ционного материала, сохраняющего упругость при температуре жидкого азота, снабженный отверстиями 8 и 9, предназначенными для сообщения полости 7 патрона 6 с полостью 3 криостата 2, при этом вставка 1 установлена эксцентрично относительно продольной оси 13 патрона 6 с возможностью предотвращения возврата ударной волны, отраженной от стенок патрона 6, в промежуток между контактами 10, толщина подложки 19 лежит в пределах 35÷45 мк, а толщина защитной металлической оболочки составляет 0,5÷1,5 мк со стороны подложки и 2,0÷6,0 мк со стороны высокотемпературного сверхпроводника, необходима и достаточна для достижения указанного в заявке технического результата, а именно повышения надежности функционирования предохранителя и осуществляемой им защиты электрооборудования.
Кроме того, из вышеизложенного следует, что токограничитель 16, содержащий заявляемый предохранитель и шунт 14, подключенный к токовыводам 11 криостата 2, также позволяет получить вышеуказанный технический результат.