СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ ОГРАНИЧИТЕЛЬ ТОКА КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ
SUPERCONDUCTING FAULT CURRENT LIMITER

Область техники
Изобретение относится к области электротехники, в частности к сильноточным сверхпроводящим ограничителям тока короткого замыкания с электрически параллельным соединением сверхпроводящих модулей.
Уровень техники
Ограничитель тока защищает электрическую цепь от протекания по ней тока, превышающего номинальный ток (ток, на который рассчитана электрическая цепь). Большой ток (превышающий номинальный) может протекать по цепи вследствие, например, короткого замыкания.
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.
В традиционной электроэнергетике ограничителями тока являются реакторы: катушки, подключающиеся в сеть последовательно и создающие реактивное сопротивление нужной величины, препятствующее скачкам тока при коротком замыкании. Явным недостатком таких изделий является возникновение компоненты постоянного тока за счет накопленной реактивной энергии, что приводит к скачку амплитуды по току, опасному для электротехнических устройств в сети. Данная проблема решается применением резистивного сверхпроводящего ограничителя тока.
Большинство известных подобных решений в первую очередь рассматривает создание длинномерных сверхпроводящих ограничителей тока с малым временем восстановления. Например, в патенте RU 2587680 раскрывается сверхпроводящий ограничитель тока, содержащий изоляционный каркас, спиральный бифиляр из ленты сверхпроводника с подложкой и изоленты, при этом изоляционный каркас выполнен из стянутых резьбовым соединением основной и фиксирующей частей, каждая из которых выполнена в виде наружного кольца и центральной планки, жестко связанных ребрами, при этом ребра основной части изоляционного каркаса имеют пазы, в которых размещен спиральный бифиляр из ленты сверхпроводника, охваченный двумя дуговыми вставками, закрепленными в периферийных пазах ребер. Такая конструкция позволяет криогенной жидкости максимально омывать бифилярную ленту жидким азотом, а также компенсировать деформацию сверхпроводящей ленты, возникающую за счет захолаживания до температуры жидкого азота. При этом величина тока, который ограничивает данное изобретение, ограничена пропускной способностью сверхпроводящей ленты в бифилярной катушке. В патенте не раскрывается возможность создания ограничителя тока, работающего с величинами транспортного тока, значительно превосходящими по значению критический ток одной ленты.
Наиболее близким ограничителем тока к предложенному является резистивный ограничитель тока по заявке US 7345858.
Токоограничитель в соответствии с данным патентом содержит сверхпроводящий модуль ограничителя тока, состоящий из одного и более сверхпроводящих устройств ограничения тока короткого замыкания, внешний магнит, в полости которого расположен сверхпроводящий модуль ограничителя тока.
В качестве сверхпроводящей части в патенте описаны различные вариации сверхпроводящих модулей: от одиночных лент до дисков с укладкой сверхпроводника меандром. Далее эти сверхпроводящие модули помещались в центр магнита, и один из токоподводов к сверхпроводящей части подключался непосредственно к сверхпроводнику, а второй от сверхпроводника шел к магниту и уже от магнита шел к источнику.
Такая конструкция ограничителя тока предполагает, что при возникновении короткого замыкания и скачка тока магнитное поле, создаваемое катушкой, резко возрастает, и критический ток сверхпроводящей части будет падать, начиная ограничивать транспортный ток. В определенный момент такая система перейдет в равновесное состояние.
Большим недостатком данной модели сверхпроводящего ограничителя тока в первую очередь являются габариты. Помимо сверхпроводящей части в токоограничителе необходимо разместить магнит, изолированный от корпуса.
Кроме того, авторы рассматривают соединение сверхпроводящих модулей как последовательно, так и параллельно, но при этом никак не оговаривается метод параллельного соединения сверхпроводящих модулей. Авторы используют понятие параллельного соединения сверхпроводящих модулей сразу за понятием последовательного соединения, никак не различая методы подключения и не приводя примеры такого подключения. Последовательное подключение сверхпроводящих модулей дает возможность ограничивать ток, сопоставимый с критическим током единичного модуля, в отличие от параллельного соединения, где критические токи модулей складываются. А если эти модули подключать параллельно, но без учета неравномерности распределения транспортного тока, то стабильной работы ограничителя тоже трудно добиться из-за неравномерности распределения токов по модулям.
Раскрытие сущности изобретения
Устраняемой изобретением технической проблемой является обеспечение стабильной 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. Данная техническая проблема устраняется сверхпроводящим ограничителем тока короткого замыкания, который содержит набор установленных в криостате сверхпроводящих модулей ограничителя тока, подводящую и отводящую шины и токовводы, где упомянутые 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.
В частных воплощениях изобретения поставленная задача решается ограничителем, в котором сверхпроводящий модуль включает высокотемпературные сверхпроводящие ленты второго поколения.
В ограничителе сверхпроводящий модуль может быть выполнен в виде пакета соединенных между собой параллельно расположенных лент.
В ограничителе сверхпроводящий модуль может быть выполнен в виде пакета соединенных между собой скручиванием лент.
В ограничителе сверхпроводящий модуль может быть выполнен в виде бифилярной катушки из упомянутых лент.
В ограничителе криостат может быть выполнен в виде контейнера с крышкой, снабженного криокулером.
В ограничителе токовводы герметично закреплены в крышке криостата.
В ограничителе может быть выполнен контактный вывод, соединенный с токовводом гибкой соединительной шиной.
В ограничителе сверхпроводящий модуль ограничителя тока может включать дополнительную жесткую соединительную шину, установленную между токовводом и контактным выводом отводящей шины, где упомянутая дополнительная шина механически связана с модулем ограничителя без образования электрического соединения, а контактные выводы отводящей и подводящей шин развернуты к центру упомянутого пакета сверхпроводящих модулей.
Краткое описание чертежей.
На фиг. 1 приведено схематическое изображение сверхпроводящего ограничителя тока.
На фиг. 2 приведено схематическое изображение подключения набора сверхпроводящих модулей ограничителя тока к подводящей и отводящей шинам.
На фиг. 3 приведено схематическое изображение сверхпроводящего модуля в виде бифилярной катушки.
На фиг. 4 приведено изображение компактного расположения бифилярных токоограничивающих модулей с использованием дополнительной шины.
На фиг. 5 приведена электрическая схема с параллельным расположением сверхпроводников в модуле и несимметричным подключением контактных выводов.
На фиг. 6 приведена электрическая схема сверхпроводящего ограничителя тока с симметричным подключением контактных выводов (сравнительный пример).
Позиции на чертежах означают следующее:
1. Криостат
2. Набор сверхпроводящих модулей ограничителя тока
3. Подводящая шина
4. Контактный вывод подводящей шины
5. Отводящая шина
6. Контактный вывод отводящей шины
7. Крышка криостата
8. Токоввод
9. Криокулер
10. Соединительные шины
11. Модуль ограничителя тока в виде бифилярной катушки
12. Сверхпроводящий провод в изоляции
13. Медные контакты
14. Жесткая соединительная шина
Осуществление изобретения
В предлагаемой нами конструкции сверхпроводящего ограничителя тока короткого замыкания, включающей криостат с расположенным внутри него набором сверхпроводящих модулей ограничителя тока, упомянутые модули размещаются между подводящей и отводящей шинами с образованием как механического соединения, так и электрического параллельного соединения, в котором подвод тока осуществляется к контактным выводам, расположенном на противоположных концах отводящей и подводящей шин (несимметричное подключение).
Как следует из чертежей, приведенных на фиг. 1 и 2, сверхпроводящий токоограничитель токов короткого замыкания включает криостат (1), в котором размещен набор сверхпроводящих модулей (2) сверхпроводящего ограничителя тока между подводящей (3) шиной с контактным выводом (4) и отводящей (5) шиной с контактным выводом (6) (см. фиг. 2). Контактные выводы (4) и (6) подводящей (3) и отводящей (5) шин расположены на противоположных концах указанных шин.
В крышке (7) криостата (1) герметично установлены два токоввода (8), которые соединяются с контактными выводам (4, 6) непосредственно либо через соединительные шины (10) (фиг. 2), представляющие собой плетеные медные провода.
Шины (3, 5) электрически соединены между собой набором сверхпроводящих модулей (2) с образованием параллельного электрического соединения всех отдельных модулей, входящих в набор.
Постоянная температура внутри рабочего криостата (1) может поддерживаться при помощи криокулера (9). Однако, наличие криокулера (9) или крышки криостата (7) не является обязательным для всех воплощений изобретения - жидкий азот в криостат может заливаться самым обычным образом.
В данном воплощении изобретения набор модулей ограничителя тока (2) выполнен из высокотемпературных сверхпроводников (кратко ВТСП) 2-го поколения, где каждый модуль представляет собой бифилярную катушку (11) (см. фиг. 2 и 3) из изолированных сверхпроводящих проводов (12), например, из ВТСП лент, и медных пластин (13), к которым крепятся подводящая и отводящая шины (3, 5).
Сверхпроводящий провод состоит из одинарной ленты в изоляции, уложенной таким образом, что при протекании по ней тока в двух соседних повивах ток течет в противоположные стороны. Процесс намотки такой катушки производится по спирали в общем случае следующим образом: фиксируется отрезок ленты, и от него по оба края одновременно, плотно, поверх изоляционной прокладки, укладывается остальная лента в одном направлении. При таком виде намотки магнитное поле, создаваемое соседними витками, компенсируется, и суммарное магнитное поле крайне мало. То есть бифилярная катушка позволяет компактно упаковывать токонесущие провода большой длины без создания реактивного сопротивления за счет индуктивности, характерной для соленоидов и торов.
ВТСП лента 2-го поколения включает подложку, например, из сплава на основе никеля, последовательно расположенные буферные слои - из оксида алюминия, манганита лантана, оксида магния и оксида церия и т.д., сверхпроводящий слой на основе иттрий-бариевого купрата, слой серебра и слой меди.
ВТСП ленты 2-го поколения в последнее время получили большое распространение благодаря высоким значениям плотности тока, температуре перехода в сверхпроводящее состояние выше 77 K.
2
Однако, для выполнения сверхпроводящего модуля в зависимости от требований по ограничению по напряжению сети могут быть использованы любые виды применяемых в электротехнических устройствах сверхпроводников: низкотемпературные сверхпроводники (NiTi, NiSn и другие), переходные сверхпроводники (MgB, и другие), а также ВТСП 1-го поколения.
Необходимо отметить, что бифилярной катушкой сверхпроводящая часть набора сверхпроводящих модулей (2) ограничителя тока не исчерпывается.
Геометрия реализации сверхпроводников в модуле произвольна и отвечает требованиям по ограничению тока короткого замыкания в конкретной задаче, существенным является тот факт, что сверхпроводники в наборе модулей (2) устанавливаются геометрически параллельно и образуют параллельное электрическое соединение, а конструкция сверхпроводников может быть произвольной.
В частности, набор модулей (2) может быть представлен в виде:
- модулей из одиночных сверхпроводящих лент или стопки параллельно уложенных сверхпроводящих лент;
- модулей в виде намотанного сверхпроводящего кабеля или соленоида;
- модулей в виде уложенного в бифилярную катушку сверхпроводящего провода;
- комбинации из приведенных выше решений, например, намотанной в бифилярную катушку стопки сверхпроводящих лент.
На фиг. 3 приведена схема подключения модуля сверхпроводящего ограничителя тока (2) к токовводам - подключение от контактных выводов (4, 6) к токовводам (6) осуществляется через гибкие соединительные шины (10), представляющие собой плетеные медные провода.
Однако, для уменьшения габаритов ограничителя тока для соединения одной из шин (3, 5) с токовводом может быть использована жесткая соединительная шина (14). На фиг. 4 приведено еще одно воплощение модуля ограничителя тока, в котором к отводящей шине (5) через контактный вывод (6) последовательно подключена дополнительная соединительная жесткая шина (14), расположенная таким образом, чтобы не выходить за габариты сверхпроводящего модуля и при этом организовать вывод тока с отводящей шины (5). Подводящая (3) и дополнительная жесткая (14) шины снабжены гибкими соединительными шинами (10), расположенными над набором сверхпроводящих модулей ограничителя тока (2), а контактные выводы (4, 6) развернуты к центру набора модулей ограничителя тока (2) (ср. с фиг. 2, где контактные выводы (4, 6) расположены на разных уровнях и развернуты от центра пакета модулей (2)).
Такая конструкция модуля дополнительно уменьшает габариты сверхпроводящего ограничителя тока.
Настоящее изобретение базируется на следующих представлениях.
При выполнении геометрически параллельного размещения контактных выводов к сверхпроводящим модулям, а также, при условии размещения контактных выводов на противоположных концах отводящей и подводящей шин (несимметричное подключение), на двух параллельных шинах одинакового сечения, изготовленных из одного материала, транспортный ток, подводимый к шинам, распределяется равномерно по всем сверхпроводящим модулям, подключенным к контактным выводам.
Причем однородность подводящей и отводящей шин имеет значение только между контактными выводами - форма и материал шин в другой области не важны. Выполнение вышеописанных требований параллельности и однородности материала между контактными выводами, а также к их несимметричному расположению (на разных концах подводящей и отводящей шин) приводит к тому, что сопротивление между соответствующими контактными выводами у подводящей и отводящей шин равны между собой. Отсюда по какому бы пути ток ни потек, сопротивление будет одним и тем же.
Для этого сравним сопротивление, которое образуется при протекании тока по пути 1, 2 и 3 (фиг. 5) (несимметричное расположение контактных выводов).
1
2
3
N
Сопротивление сверхпроводника (SC, SC, SC, …, SC) равно нулю. Поэтому суммарное сопротивление по пути 1 равняется:
0
1
1
2
3
N-1
N
0
1
2
3
N-1
N
R=R+SC(=0)+R+R+R+…+R+R=R+R+R+R+…+R+R.
Аналогично сопротивление для пути 2:
0
1
2
2
3
N-1
N
0
1
2
3
N-1
N
R=R+R+SC(=0)+R+R+…+R+R=R+R+R+R+…+R+R.
И для пути 3:
0
1
2
3
N-1
N
N
0
1
2
3
N-1
N
R=R+R+R+R+…+R+SC(=0)+R=R+R+R+R+…+R+R.
Отсюда видно, что при таком виде подключения сопротивления при любом пути протекания тока равны между собой.
На фиг. 6 представлена для сравнения схема симметричного подключения подводящей и отводящей шин. В этом случае, для аналогичных несимметричному подключению путей имеем следующие сопротивления:
Для пути 1:
0
1
N
0
N
R=R+SC(=0)+R=R+R.
Для пути 2:
0
1
2
1
N
0
1
N
R=R+R+SC(=0)+R+R=R+2R+R.
И для пути 3:
0
1
2
3
N-1
1
N-1
3
2
1
N
R=R+R+R+R+…+R+SC(=0)+R+…+R+R+R+R=
0
1
2
3
N-1
N
=R+2R+2R+2R+…+2R+R.
Видно, что сопротивление отличается, а следовательно, будет отличаться и протекающий по каждому из путей ток, что приведет к выходу устройства из строя.
Изобретение осуществляется следующим образом.
Сверхпроводящий токоограничитель через токовводы 4 подключают в электрическую цепь.
В нормальном режиме работы токоограничителя ток, протекающий по ограничителю, не имеет никакого сопротивления.
Ток с токоввода (6) по гибкой соединительной шине (10) поступает на контактный вывод (4) и подводящую шину (3).
Затем ток проходит путь в соответствии со схемой на фиг. 5, поступает с отводящей шины (5) на контактный вывод (6), расположенный на противоположном конце отводящей шины (5) и покидает токоограничитель либо через гибкую соединительную шину (10) и токоввод (6), либо через жесткую соединительную шину (14) и токоввод (6).
Как только происходит короткое замыкание, то на всей сети возникает перенапряжение, и, естественно, оно возникает и на токоограничителе. В этом случае набор модулей (2) переходит из сверхпроводящего состояния в нормальное, в нем возникает сопротивление, и львиная доля тока задерживается на токоограничителе и не проходит дальше в сеть.
Важное преимущество токоограничителя в отличие от аналогичных предохранительных устройств - это его восстанавливаемость. После того как произошло короткое замыкание, на токоограничителе возникло сопротивление, и через 100 мс ключ отключает сеть. Затем модуль токоограничителя всего за 30 с охлаждается в криостате (1), переходит снова в сверхпроводящее состояние и может работать дальше.
Еще одним из преимуществ заявленного сверхпроводящего ограничителя тока является то, что он способен ограничивать токи порядка 5 кА.