СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ ОГРАНИЧИТЕЛЬ ТОКА
SUPERCONDUCTING CURRENT LIMITER

Область техники
Изобретение относится к области электротехники, в частности к силовым сверхпроводящим ограничителям тока (СОТ), предназначенным для защиты электрооборудования от токов короткого замыкания (КЗ), в том числе в режиме повторного автоматического включения (АПВ) в сетях среднего и высокого напряжения постоянного и переменного тока. Такие устройства существенно ограничивают ток КЗ за счет быстрого (за время около 1 мс) ввода в сеть большого активного сопротивления, облегчая работу выключателей по полному прерыванию тока. Использование СОТ в режиме АПВ требует быстрого восстановления сверхпроводящего состояния после прекращения тока КЗ.
Предлагаемое устройство может быть использовано самостоятельно или в качестве модуля сборного СОТ на большие токи и/или напряжения.
Уровень техники
В современных СОТ в качестве активного элемента используются высокотемпературные сверхпроводники (СП) при температуре, близкой к температуре жидкого азота, ленточного типа с последовательными по толщине слоями: подложка, буферные слои, сверхпроводящая керамика, наружный защитный электропроводящий слой. Для уменьшения индуктивности СОТ лента сверхпроводника наматывается в виде спиральных бифиляров.
Известен СОТ с бифилярными катушками, в котором бифилярные катушки из ленты СП с изоляционными прокладками намотаны спирально на каркасную трубу [Патент US 6275365 В1, МПК: H01F 6/06, Н02Н 9/02, опубликован 14.08.2001]. В каждой катушке имеются две ветви, которые соединены около трубы в петлю, образуя бифиляр. Лента СП может наматываться спирально в один, два или три слоя, образуя параллельные бифиляры. Такая конструкция компактна и достаточно жестка, но плохо открыта для охлаждения кипящим азотом при токоограничении и, следовательно, медленно восстанавливает сверхпроводящее состояние. В такой конструкции время восстановления может составлять несколько десятков секунд, что неприемлемо для режимов АПВ.
Известен СОТ, в котором лента СП спирально намотана на изоляционный каркас [патент US 8112134 В2, МПК: H01L 39/16, Н02Н 9/02, опубликован 07.02.2012]. Каркас состоит из гладкой изоляционной ленты, к которой приклеена синтетической смолой изоляционная гофрированная лента с углублениями с равным шагом по длине ленты. Лента СП приклеена, или припаяна, или приварена к углублениям. Углубления имеют большую ширину, чем ширина СП ленты и фиксируют ее в осевом направлении. Бифиляр ленты образован за счет скрепления внутренних концов защитного слоя СП ленты, так что ее подложка расположена на внешней стороне навивки. Недостатками такой конструкции являются: сложность и ненадежность изготовления изоляционного каркаса и закрепления ленты на нем с многочисленными плохо контролируемыми точками крепления; значительная часть поверхности ленты закрыта для контакта с жидким азотом, что ухудшает условия охлаждения ленты после токограничения и препятствует выполнению операции АПВ.
2
3
Наиболее близким к предлагаемому решению является СОТ, в котором спиральный бифиляр из ленты сверхпроводника и изоленты размещен на изоляционном каркасе [патент US 8255024 В2, МПК: H01F 27/30, H01L 39/02, опубликован 28.08.2012]. Изоляционный каркас образован поддерживающей изолентой, на которой через равные промежутки закреплены массивные разделительные элементы с образованием полостей для прохода жидкого азота. Разделительные элементы выполнены из керамики с хорошей теплопроводностью, например из АlO, и прикреплены к поддерживающей ленте и сверхпроводниковой ленте пайкой или сваркой. Недостаток прототипа состоит в том, что значительная часть поверхности ленты СП закрыта для контакта с жидким азотом, а участки лент, соприкасающиеся с жидким азотом и разделительными элементами, имеют разный отвод тепла, что вызовет существование перегретых точек по длине ленты, особенно в зонах контакта с жидким азотом при образовании паровой пленки, препятствующей пузырьковому кипению в процессе токоограничения. Это ухудшает условия охлаждения ленты после токограничения и увеличивает время АПВ.
Сущность изобретения
Техническим результатом изобретения является ускорение восстановления сверхпроводящих свойств СОТ после токоограничения за счет увеличения открытости ленты СП для жидкого азота с обеспечением жесткости предлагаемой конструкции и ее устойчивости к действию пондеромоторных сил.
Предметом изобретения является сверхпроводящий ограничитель тока, содержащий изоляционный каркас, спиральный бифиляр из ленты сверхпроводника с подложкой и изоленты, отличающийся тем, что 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, охваченный двумя дуговыми вставками, закрепленными в периферийных пазах ребер основной части.
Изобретение имеет развитие, которое состоит в том, что пазы в ребрах изоляционного каркаса выполнены с возрастающим шагом от центра намотки к периферии.
Это позволяет дополнительно повысить устойчивость ограничителя тока к действию пондеромоторных сил.
Конструкция предлагаемого СОТ поясняется чертежами.
На фиг. 1 показан предлагаемый СОТ в разрезе. На фиг. 2 укрупненно показан фрагмент В, выделенный на фиг. 1.
На фиг. 3 показан вид сверху на основную часть изоляционного каркаса с бифиляром(вид Α-A на СОТ по фиг. 1).
На фиг. 4 показана основная часть изоляционного каркаса (вид сверху без бифиляра).
На фиг. 5 показана фиксирующая часть изоляционного каркаса (вид Б-Б на СОТ по фиг. 1).
1
2
3
На фиг. 2 через t, t, tобозначены шаги между пазами ребер каркаса; δ - радиальный размер паза.
Осуществление изобретения с учетом его развития
На фигурах показаны:
1 - основная часть изоляционного каркаса;
2 - фиксирующая часть изоляционного каркаса;
3 - лента сверхпроводника;
4 - подложка ленты 3;
5 - изоляционная лента (изолента);
6 - клеящая пленка;
7 - гибкий токоподвод;
8 - подсоединительная шина;
9 - болт;
10 - изоляционная трубка;
11 - изоляционная шпилька;
12 - наружное кольцо основной части 1 изоляционного каркаса;
13, 14, 15 - ребра основной части 1 изоляционного каркаса;
16 - паз;
17 - планка основной части 1 изоляционного каркаса;
18 - дуговая вставка;
19 - наружное кольцо фиксирующей части 2 изоляционного каркаса;
20, 21, 22 - ребра фиксирующей части 2 изоляционного каркаса;
23 - планка фиксирующей части 2 изоляционного каркаса;
24 - защитный слой ленты 3;
25 - отрезок трубы.
СОТ содержит изоляционный каркас, в котором размещен спиральный бифиляр из ленты 3 с подложкой 4 и изоленты 5, которая наклеена к подложку 4 с помощью пленки 6.
Изоляционный каркас выполнен из стянутых резьбовым соединением основной части 1 и фиксирующей части 2. Части 1 и 2 имеют наружные кольца 12 и 19 соответственно и центральные планки 17 и 23 соответственно. Кольцо 12 и планка 17 жестко связаны ребрами 13, 14, 15, а кольцо 19 и планка 23 - ребрами 20, 21, 22. Ребра 13, 14, 15 основной части 1 имеют пазы 16, в которых размещен спиральный бифиляр с лентой 3.
Изолента 5 наклеена на подложку 4 ленты 3 по всей ее длине. Спиральный бифиляр охвачен двумя вставками 18, закрепленными в периферийных пазах 16 ребер 13, 14, 15.
3
2
1
Пазы 16 в ребрах изоляционного каркаса выполнены с возрастающим от центра к периферии шагом t (t>t>t на фиг. 2) для уменьшения разницы воздействия пондеромоторных сил на витки бифиляра различной кривизны и обеспечения необходимых изоляционных расстояний при токоограничении.
Центральная часть спирального бифиляра намотана на два отрезка трубы 13, закрепленных в центре основной части 1 изоляционного каркаса.
Изоляционные трубки 10 и изоляционные шпильки 11 служат для соединения частей 1 и 2, а также для соединения нескольких заявляемых СОТ в единую модульную конструкцию, помещаемую в криостат. Гибкие токоподводы 7 вместе с подсоединительными шинами 8 закреплены на наружном кольце 12 и служат для электрического подключения к заявляемому СОТ.
Изоляционные шпильки 11 могут быть использованы при намотке ленты сверхпроводника 3 с изоляционной лентой 5 в бифиляр.
2
3
Клеящая пленка 6 изготовлена на основе синтетических смол с микрокристаллическим наполнителем высокой теплопроводности и теплоемкости, например из технического алмаза, АlO. Для компенсации усилий в радиальном направлении от пондеромоторных сил наружные участки лент крепятся к вставкам 18 либо механически, либо приклеиванием. Токоподводы 7 сделаны гибкими для возможности намотки бифиляра с определенным натягом и компенсации температурных деформаций. Соединение половин ленты сверхпроводника в бифиляр между отрезками 13 труб производится пайкой и/или механически так, чтобы обеспечить в обеих половинах ленты наружное расположение подложки 4. Взаимное прижатие ребер частей изоляционного каркаса предотвращает смещение ленты СП в осевом направлении, не уменьшая поверхность омывания защитного слоя жидким азотом.
Устройство работает следующим образом.
При прохождении номинального тока ниже критического, составляющего (250÷350) А, СОТ имеет небольшое сопротивление порядка десятков микроом. При превышении током критической величины с началом короткого замыкания сопротивление ленты СП за сотни микросекунд увеличивается до нескольких Ом и продолжает расти по мере ее нагревания от проходящего тока, чем и определяется назначение СОТ по ограничению тока КЗ.
После отключения тока выключателем (до 10 мс после начала КЗ) начинается процесс остывания ленты СП при кипении жидкого азота. После остывания ленты СП до примерно 90° К она практически восстанавливает свои сверхпроводящие свойства, после чего может снова пропускать номинальный ток. Для выполнения АПВ остывание ленты должно произойти за (2÷3) с. Указанное время отключения может быть обеспечено при использовании вакуумных выключателей. Во время короткого замыкания при токе в 1000А на ленты в бифиляре в радиальном направлении действуют пондеромоторные отталкивающие силы около 50 Н/м, которые обратно пропорциональны расстоянию между смежными лентами.
Действие этих сил на ленты внутри изоляционного каркаса уравновешены. Неуравновешенное усилие приходится на периферийные витки лент бифиляра, примыкающие к вставкам 18, которые и компенсируют эти усилия.
В предлагаемом СОТ лента 3 сверхпроводника с внутренней стороны бифиляра почти полностью открыта для омывания жидким азотом, за исключением небольшого пространства в пазах 17. Для улучшения теплоотдачи целесообразно применять изоляционную ленту 5 и клеящую пленку 6 из материалов с высокой теплопроводностью и теплоемкостью.
При испытаниях макета СОТ на 10 кВ и ток 1000 А время охлаждения после тока КЗ длительностью 8 мс оказалось не более 1,5 с.