СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ ОГРАНИЧИТЕЛЬ ТОКА

Область техники.
Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована в электрических системах для ограничения электрического тока.
Предшествующий 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.
Существует целый ряд конструкций токоограничителей, одной из которых является сверхпроводящий токоограничитель.
В основе сверхпроводящего токоограничителя лежит сверхпроводящий элемент - модуль ограничителя тока, например, металлическая лента с тонкой пленкой сверхпроводника. Этот элемент встраивается в электрическую цепь.
При охлаждении сверхпроводника жидким азотом сверхпроводник не имеет электрического сопротивления (Rs=0), через цепь течет ток I=U/Ra в соответствии с законом Ома. Это - нормальный режим работы токоограничителя.
При возникновении нештатной ситуации (короткое замыкание) происходит падение сопротивления нагрузки (Ra=>0), что приводит к резкому возрастанию тока I в цепи. Однако, когда ток в цепи I превысит критический ток сверхпроводника (Jс), у сверхпроводника появляется электрическое сопротивление (Rs>0), таким образом, ток в цепи I определяется сопротивлением токоограничителя I=U/Rs. В результате в цепи не происходит резкого увеличения тока; ток в цепи ограничивается на уровне критического тока сверхпроводника - это так называемый режим токоограничения.
2
При срабатывании токоограничителя (повышении тока в цепи и выходе сверхпроводника из сверхпроводящего состояния) на ленте сверхпроводника выделяется тепло (Q) в соответствии с законом Джоуля-Ленца (t - время токоограничения): Q=I∗t/R.
Это приводит к тому, что сверхпроводник нагревается, и чем больший ток необходимо ограничить - тем сильнее, что может привести к расплавлению сверхпроводника (то есть выходу из строя токоограничителя).
В традиционной конструкции токоограничителя (например, в существующих коммерческих устройствах, выпускаемых Nexans, см. US 7995312) лента сверхпроводника помещена в жидкий азот, который, во-первых, обеспечивает охлаждение сверхпроводника ниже критической температуры при нормальной работе токоограничителя (сопротивление сверхпроводника Rs=0), а также препятствует расплавлению сверхпроводника в режиме токоограничения (когда сопротивление сверхпроводника Rs>0).
-2
Однако, когда сверхпроводник находится в режиме токоограничения, выделение тепла на нем столь интенсивно, что жидкий азот, контактирующий со сверхпроводником, закипает. Это значит, что отвод тепла от сверхпроводника происходит уже не через жидкость, а через газообразный азот, имеющий низкую теплопроводность (2.43∗10Вт/м/град при 273 К и атмосферном давлении), и отвод тепла происходит неэффективно - практически все тепло остается в сверхпроводнике, что и приводит к его интенсивному разогреву.
Как результат, традиционный токоограничитель может ограничивать ток не дольше, чем 0.1 секунды - при больших временах лента сверхпроводника попросту расплавляется.
Было сделано немало попыток устранить вышеописанные недостатки.
Так, сверхпроводящие элементы заключают в оболочки, чтобы избежать контакта сверхпроводника с жидким азотом.
В заявке US 2014087950 раскрывается сверхпроводящий ограничитель тока, содержащий в котором модуль представляет собой сверхпроводник заключен в охватывающий элемент-капсулу, выполненную из теплопроводного материала, например, такого как медь или алюминий и смолы. Для лучшего теплоотвода он снабжен выступающими ребрами. Внутри охватывающего элемента кроме с/п может находиться наполнитель. Сверхпроводник вместе с охватывающим элементом размещены в сосуде с жидким азотом. Данное техническое решение направлено на повышение надежности ограничителя тока за счет предотвращения состояния кипения охлаждающей жидкости при прохождении перехода от пузырькового кипения к пленочному в режиме ограничения тока.
Наиболее близкий сверхпроводящий ограничитель тока раскрывается в патенте US 8271062.
Данный сверхпроводниковый ограничитель тока включает модуль ограничителя тока, состоящий из сверхпроводящего элемента на основе высокотемпературного сверхпроводящего материала с твердым покрытием, где покрытие нанесено на сверхпроводник дискретно в виде регулярных областей, например, областей, расположенных в шахматном порядке, выполненный с возможностью подключения его к защищаемой электрической цепи и криостат.
Покрытие модуля выполняется из легкоплавкого металла или сплава, например, на основе индия, висмута, олова, свинца и т.д., причем выбор материала для внешнего покрытия осуществляют из условия, чтобы он обладал более высокой теплоемкостью и низкой электропроводностью, чем материал сверхпроводящего проводника и наносится на слой серебра, которым покрывают сверхпроводник.
Однако, выполнение покрытия в виде дискретных регулярных областей, а также нанесение его на слой серебра приводят к тому, что при срабатывании токоограничителя и переходе сверхпроводника в нормальное состояние, которое сопровождается резким и значительным его нагревом, происходит расплавление легкоплавкого материала покрытия и вся структура покрытия нарушается. Это, в свою очередь, приводит к невозможности дальнейшего выполнения покрытием своих функций может вызвать повреждение ВТСП (сгорание).
Задачей полезной модели является устранение присущих аналогам недостатков.
Поставленная задача решается сверхпроводящим ограничителем тока, содержащим модуль ограничителя тока, выполненный с возможностью подключения упомянутого модуля к электрической цепи и контейнер с криогенной теплопроводящей средой, где модуль ограничителя тока включает, по меньшей мере, один сверхпроводящий элемент с покрытием из легкоплавкого металла или сплава, теплоемкость которого превышает теплоемкость сверхпроводящего элемента, при этом модуль включает дополнительный слой, выполненный из меди и расположенный между сверхпроводящим элементом и покрытием из упомянутого легкоплавкого металла или сплава с температурой плавления, не превышающей 250°C, а покрытие выполнено сплошным.
В частных воплощениях полезной модели поставленная задача решается ограничителем тока, в котором покрытие модуля выполнено из металлов, выбранных из группы, включающей индий, олово или их сплавов.
Покрытие модуля может быть выполнено из сплава системы Sn-Pb с содержанием Pb не более 39 масс. %.
В этом случае наиболее желательно, чтобы покрытие модуля было выполнено из сплава, содержащего, масс. %: Pb 20-39, Sn - остальное.
Покрытие модуля может быть выполнено из сплава, дополнительно содержащего до 2% масс. Ag.
Целесообразно, чтобы в ограничителе тока у модуля ограничителя тока толщина дополнительного слоя на основе меди не превышала бы 20 мкм.
Наиболее желательная толщина дополнительного слоя на основе меди в данном случае составляет 1-20 мкм.
Модуль сверхпроводящего ограничителя тока может содержать дополнительный слой, выполненный из нержавеющей стали, примыкающий к слою из легкоплавкого сплава.
В наилучших воплощениях полезной модели сверхпроводящий элемент представляет собой высокотемпературную сверхпроводящую ленту второго поколения.
Сущность заявленного технического решения состоит в следующем.
В предлагаемой нами конструкции сверхпроводящего модуля ограничителя тока сверхпроводящий элемент (или несколько элементов) помещается в твердую металлическую оболочку, покрывающую сверхпроводник со всех сторон сплошным слоем, где сверхпроводник находится в термическом контакте с материалом оболочки, причем, данный термический контакт осуществляется через промежуточный слой из меди.
Этот слой меди, во-первых, крепко «цепляется» за сверхпроводящий элемент, во-вторых, хорошо удерживает на себе слой легкоплавкого металла или сплава, так что при серьезном перегреве легкоплавкий сплав может слегка подплавиться, отобрав у ВТСП очень значительное количество тепла (теплота плавления металла велика), но затем тут же снова застывает, в итоге и модуль ограничителя жив (т.е. ВТСП не горит), и сам слой легкоплавкого сплава тоже возвращается в исходное состояние, т.е. его деградации не происходит.
В известном патенте легкоплавкий сплав наносится поверх слоя серебра в виде дискретного слоя и при перегреве/расплавлении сплава (вследствие срабатывания токоограничителя и выделения на нем джоулева тепла) регулярная структура покрытия может нарушиться под действием силы тяжести и/или сил поверхностного натяжения либо иных факторов, равно как и равномерность его толщины, что неминуемо приведет к перегоранию ВТСП и выходу токоограничителя из строя.
Другим требованием к материалу покрытия сверхпроводящего элемента является температура его плавления, которая должна быть такой, чтобы при плавлении не был нанесен вред сверхпроводнику и не произошло разрушение его структуры. Эта температура не должна превышать 250°C в тех случаях, когда указанный материал при нанесении покрытия находится в жидком состоянии.
Покрытие, как указывалось, выполнено из легкоплавкого металла, теплопроводность которого выше теплопроводности сверхпроводящего элемента и составляет величину порядка 10 Вт/(м∗град) и более, а теплоемкость превышает теплоемкость сверхпроводящего элемента и составляет 0,1 кДж/(кг∗град) и более.
пл
Таким требованиям отвечают многочисленные металлы и сплавы, такие, например, как индий (Т. пл. 156,78°C), олово (t 231,9°C) или их сплавы. Данный список не является исчерпывающим, поскольку, сплавов, отвечающих вышеприведенным условиям очень много.
Для нанесения упомянутого покрытия также пригодны оловянные сплавы - припои, которые отвечают вышеприведенным условиям. Эти сплавы кроме обеспечения декларируемого технического результата, также способствуют снижению затрат на производство ограничителей тока за счет низкой стоимости припоев и их доступности, а также обеспечивают простоту нанесения этих сплавов на сверхпроводящий элемент, например, лужением.
-1
-1
В качестве таких сплавов может быть использован, например, следующие сплавы: припой ПОС-61 (61% Sn, 39% Pb, температура плавления около 190°C, теплоемкость 1,4∗10 кДж/(кг∗град), теплопроводность 50 Вт/(м∗град)), сплав Розе (25% Sn, 25% Pb, 50% Bi, температура плавления 94°C, теплоемкость 1.5∗10 кДж/(кг∗град), теплопроводность 16 Вт/(м∗град)) и другие сплавы в системе Pb-Sn с содержанием 30-70 масс. % Pb и 70-30 масс. % Sn с добавками Ag (до 2%) и др.
Сверхпроводящий модуль ограничителя тока короткого замыкания, описанный в заявке, может включать любой сверхпроводящий элемент или несколько элементов, которые могут быть выполнены из любого низко- и/или высокотемпературного сверхпроводящего материала.
Однако, особенно привлекательны для воплощения полезной модели модули, в которых сверхпроводящий элемент выполнен из сверхпроводящих высокотемпературных материалов второго поколения, обладающих более высокими эксплуатационными характеристиками.
2
3
7
Под высокотемпературными сверхпроводниками второго поколения (ВТСП) понимаются тонкие пленки сложного оксида RBaCuO (R - редкоземельный элемент), нанесенные на металлическую ленту-подложку. Между подложкой и сверхпроводящим купратным слоем может быть расположен один или несколько буферных слоев, облегчающих нанесение сверхпроводящего слоя на подложку, а на сверхпроводящий слой, как правило, наносят защитный слой, например, из серебра.
2
2
Материалы второго поколения обладают набором уникальных свойств, что позволяет их использовать в качестве основы для токоограничителя: высокая критическая температура (88-92 К), высокая токопередающая способность (свыше 500 А/мм), высокое сопротивление в несверхпроводящем состоянии (порядка 0.1-1.0 Ом∗мм/м).
Модуль ограничителя тока, представляющий собой сверхпроводящий элемент в оболочке, выполнен с возможностью его подключения к электрической цепи. Подключение осуществляется, например, с помощью клемм.
Модуль помещается в жидкий азот. Азот охлаждает оболочку, которая, в свою очередь, охлаждает сверхпроводник до температуры ниже критической, и в нормальном режиме сверхпроводник пропускает электрический ток без сопротивления, аналогично традиционному токоограничителю.
При срабатывании токоограничителя (т.е. в режиме токоограничения) тепло, выделяющееся на сверхпроводнике, отводится в оболочку благодаря ее высокой теплопроводности и теплоемкости, поэтому такого сильного разогрева сверхпроводника, как в случае с традиционной конструкцией токоограничителя, не происходит. Как результат, наш токоограничитель способен ограничивать без разрушения импульсы тока длительностью в 1 секунду и более, т.е. в 10 раз более длительные, чем способен ограничить традиционный токоограничитель. После того, как импульс тока закончился, жидкий азот охлаждает весь блок со сверхпроводником до температуры нормальной работы.
Наилучшие результаты достигаются при использовании в качестве сверхпроводящих элементов в виде высокотемпературных сверхпроводящих лент 2 поколения.
Сверхпроводник для токоограничителя характеризуется 2 параметрами: критическая температура (Tc) и критический ток (Jc). Критическая температура - температура, ниже которой у сверхпроводника пропадает электрическое сопротивление. Для используемого нами высокотемпературного сверхпроводника 2 поколения эта величина порядка 88-92 К. Критический ток - это максимальный ток, который может протекать по сверхпроводнику без возникновения электрического сопротивления. При превышении критического тока у сверхпроводника появляется электрическое сопротивление. Именно эта особенность и используется в сверхпроводящем токоограничителе.
Для нашей ленты критический ток составляет примерно 150 А (для ленты шириной 4 мм).
Токоограничитель конструируется в расчете на определенный ток, который будет протекать по нему в нормальном режиме работы, например, на 1500 А. Для такого ТОУ необходимо использовать 10 ВТСП-лент, подключенных параллельно. Если бы лента имела критический ток в 300 А, то понадобилось бы лишь 5 отрезков лент. Таким образом, критический ток ленты определяет количество материала ВТСП, который необходим для создания того или иного ТОУ.
В случае более мощной цепи в одном модуле можно разместить несколько ВТСП-элементов, установив их параллельно друг другу, или же составить для образования ограничителя тока несколько модулей, в которых находится по одному сверхпроводящему элементу.
Для дополнительной защиты модуля от механических повреждений, можно на модуль нанести дополнительный слой, примыкающий к слою из легкоплавкого сплава. В этом случае, наиболее оптимально нанести слой из нержавеющей стали. Этот слой может быть нанесен, например, ламинированием по следующей схеме.
Вместе складывают ВТСП-ленту, покрытую легкоплавким сплавом и стальную ленту, также покрытую этим сплавом. В сложенном состоянии они пропускаются через ванну с расплавом того же состава, что и покрытия на ВТСП и стальной ленте. Проходя через ванну, обе ленты нагреваются, легкоплавкий сплав на их поверхности расплавляется, в результате ленты спаиваются и на выходе из ванны после остывания получается уже готовый ламинат - ВТСП-лента, к которой припаяна стальная лента. Вместо ванны с припоем для нагрева может быть использовано любое другое нагревательное устройство, например, протяжного типа.
Собранный модуль ограничителя тока устанавливают в контейнер с криогенной средой (жидким азотом) и подсоединяют клеммы для дальнейшего использования в качестве ограничителя тока в электрических цепях.
Примеры реализации полезной модели.
Были выполнены 2 образца ленты и 2 образца твердого покрытия для нее.
Пример 1.
2
3
7
Первый образец сверхпроводника представлял собой металлическую ленту, подложка которой была выполнена из нержавеющей стали, на подложку была нанесена пленка ВТСП на основе YBaCuO толщиной 1 мкм. Пленка ВТСП была покрыта слоем меди, толщиной 3 мкм. Ширина ленты 12 мм.
Параметры ленты (первого образца):
Критический ток Jc (при 77 К): 600 А/12 мм.
Для формирования токоограничивающего модуля ленту протягивали через нагретую до 200°C ванну с расплавом стандартного припоя ПОС-61, который при отверждении сформировал на ленте сплошное покрытие толщиной 10 мкм.
-1
Полученное таким образом покрытие обладало следующими свойствами: теплопроводность 13-16 Вт/(м∗град) и теплоемкость 1,5∗10 кДж/(кг∗град).
Затвердевает при температуре ниже 250°C, что позволяет использовать ее для формирования покрытия ВТСП-ленты.
Материал сохраняет свои свойства при охлаждении до 77 К, т.е. до температуры эксплуатации токоограничителя.
Пример 2.
2
3
7
Второй образец сверхпроводника представлял собой металлическую ленту, подложка которой была выполнена из сплава никеля Hastelloy C-276, на подложку была нанесена пленка ВТСП на основе YBaCuO толщиной 1 мкм. Пленка ВТСП была покрыта слоем меди, толщиной 1 мкм. Ширина ленты 12 мм. Параметры ленты (второго образца):
Критический ток Jc (при 77 К): 400 А/12 мм.
Для формирования токоограничивающего модуля ленту протягивали через нагретую до 200°C ванну с расплавом состава (масс. %) 38 Pb - 60 Sn - 2 Ag, который при отверждении сформировал на ленте сплошное покрытие толщиной 10 мкм. Затем лента ламинировалась с двух сторон полосами нержавеющей стали толщиной 60 мкм и шириной 12 мм, процесс проводился при нагревании до 220°C (выше температуры плавления сплава Pb-Sn-Ag).
Полученное покрытие обладало следующими свойствами
Теплопроводность: 15-16 Вт/(м∗град). Теплоемкость: 0,4 кДж/(кг∗град).
Материал сохраняет свои свойства при охлаждении до 77 К, т.е. до температуры эксплуатации токоограничителя.
Модули ограничителя тока в соответствии с примерами 1 и 2 устанавливали в контейнер с криогенной средой (жидким азотом) и подсоединяли клеммы для дальнейшего использования в качестве ограничителя тока в электрических цепях.
На рис. 1 приведена полная электрическая схема для тестирования. ВТСП-модуль - образец ВТСП (с покрытием и без него), V - вольтметр Keithley, Xantrex - источник тока со встроенным амперметром.
В качестве образцов использовали отрезки ленты длиной 160 мм, как с покрытием, так и без него (образец сравнения).
Тестируемый образец помещали в жидкий азот и после охлаждения образца на него подавали импульс напряжения квадратной формы амплитудой в 8.0 В. Длительность импульса варьировали в интервале 100-400 мс.
Напряжение U и ток I через образец фиксировали на протяжении всего импульса с частотой в 40 мс.
На рис. 2 показан типичный вид зависимости тока (кривая 1) и напряжения (2) от времени при тестировании ВТСП-модуля (критический ток модуля 600 А).
При пропускании через образцы тока, превышающего критический, в зависимости от длительности импульса пропускаемого тока происходила либо их деградация (уменьшение величины критического тока), либо разрушение вследствие выхода сверхпроводника из сверхпроводящего состояния, который сопровождается возникновением сопротивления, и последующего его разогрева до высоких температур.
Было обнаружено, что деградация ВТСП-ленты без покрытия происходит при длительности импульса в 100 мс. ВТСП-лента с покрытием не деградировала при импульсах тока длительностью 300 мс и менее: не происходило изменения величины критического тока ленты или ее механического разрушения после 200 последовательных измерений.