МОДУЛЬ СВЕРХПРОВОДЯЩЕГО ОГРАНИЧИТЕЛЯ ТОКА И ОГРАНИЧИТЕЛЬ ТОКА
MODULE OF SUPERCONDUCTING CURRENT LIMITER AND CURRENT LIMITER

Область техники.
Изобретение относится к области электротехники, в частности к сильноточным сверхпроводящим ограничителям тока короткого замыкания.
Уровень техники.
Сверхпроводники обладают уникальным свойством нулевого сопротивления, что позволяет передавать большие мощности без потерь. Но несмотря на колоссальные для традиционных проводящих материалов плотности тока, при достижении критического тока материал переходит в нормальное состояние, и сопротивление сверхпроводника резко растет. Именно на этом принципе - переходе из сверхпроводящего состояния в нормальное - и построено устройство сверхпроводящих ограничителей тока: как только значение тока, проходящего через токоограничитель, превышает значение критического, то у токоограничителя появляется сопротивление, обеспечивающее падение напряжения и уменьшение тока через токоограничитель, а следовательно, и в сети, к которой токоограничитель подключен.
Понятно, что при появлении сопротивления у сверхпроводящего токоограничителя и при протекании через него тока, происходит нагрев сверхпроводника, что может являться губительным для материала. Поэтому на сегодняшний день большое развитие получили токоограничивающие устройства на основе высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП), переходящих в сверхпроводящее состояние уже при температуре жидкого азота, который является хорошим диэлектриком и эффективно отводит тепло.
При ограничении тока важной величиной является сопротивление, которое появляется при переходе из сверхпроводящего состояния в нормальное. Принимая во внимание сложность производства сверхпроводников и ограниченность линейки выпускаемой продукции, наиболее простой способ набора нужного сопротивления из имеющегося сверхпроводящего провода - это уложить провод нужной длины. Одной из наиболее компактных намоток является бифилярная катушка, позволяющая создавать дискообразные модули с плотно уложенным проводом. Безусловным плюсом такой укладки еще является тот факт, что бифилярные катушки обладают практически нулевой индуктивностью (в отличие от широко применяемых токоограничивающих реакторов), что убирает постоянную компоненту тока короткого замыкания из сети во время срабатывания устройства.
В самом общем случае сверхпроводящий модуль ограничителя тока содержит корпус из изоляционного материала, в котором расположен сверхпроводниковый провод, уложенный в спиральный бифиляр. Проводом может быть ВТСП лента, в частности, ВТСП лента 2-го поколения.
2
2
7
2
-8
-7
Под ВТСП лентами 2-го поколения понимаются сложные композитные структуры, основными компонентами которых являются: металлическая подложка (бывает магнитная и немагнитная); буферные слои для закрепления сверхпроводника на подложке; сверхпроводящий материал RBaCuO (где R - редкоземельный элемент). Дополнительно могут быть нанесены серебро, медь, покрыто припоем, и другие материалы в зависимости от назначения ВТСП ленты и условий производства. ВТСП ленты 2-го поколения проявляют сверхпроводящие свойства уже при температурах ниже 95 K, обладают высокой токонесущей способностью (плотность тока свыше 500 А/мм), а также большое удельное сопротивление в нормальном состоянии (10 - 10 Ом⋅м).
При бифилярной намотке провода, в отличие от соленоидов, ближайшие витки находятся под противоположными потенциалами. Поэтому для функционирования устройства необходимо обеспечить межвитковую электрическую изоляцию.
Одним из решений обеспечения необходимой электрической изоляции могут быть вставки, которые представляют собой электроизоляционную ленту, наклеенную на ВТСП ленту со стороны подложки через препрег на основе синтетических смол с микрокристаллическим наполнителем с высокой теплопроводностью (RU 154188). Авторы данного технического решения заявляют, что при такой геометрии устройства обеспечивается почти полное омывание ВТСП ленты жидким азотом со стороны защитного слоя. При этом, использование материалов с высокой теплопроводностью при производстве изоляционной ленты и препрега улучшает теплоотдачу от ВТСП ленты, что способствует более быстрому восстановлению сверхпроводящего состояния из нормального, и позволяет повторное использование ограничителя тока уже через несколько секунд.
Аналогичное техническое решение тех же авторов раскрывается в RU 2587680.
Недостатком описанного в обоих патентах технического решения является разница в коэффициентах расширения препрега и сверхпроводника. В результате жесткого крепления двух материалов на воздухе, при захолаживании происходит сжатие материалов с разной интенсивностью и на разные величины, что с большой вероятностью может привести к механическим изломам сверхпроводника, губительным для него и для всего устройства в целом.
Наиболее близкое техническое решение раскрывается в патенте RU 2576243.
5
В данном патенте описан модуль ограничителя тока, изготовленный в виде уложенной в бифилярную катушку ВТСП ленты внутри керамической капсулы со спиралеобразными канавками, в которые и уложена ВТСП лента, и затем капсула накрывается керамикой сверху. При такой геометрии устройства сверхпроводник находится в термическом контакте с материалом капсулы - теплопроводной керамикой с коэффициентом теплопроводности не менее 1 Вт/м/К, электрическим сопротивлением не менее 10 Ом⋅м и электрической прочностью не менее 400 В/м.
Керамическую капсулу получают следующим образом: для формирования токоограничивающего модуля порошкообразный прекурсор керамики смешивают с водой, образующуюся пасту наносят на ленту ВТСП и высушивают. При сушке происходит отверждение керамики вследствие химических реакций компонентов прекурсора (инициируемые водой), в результате чего полученный модуль приобретает механическую прочность. Толщина слоя керамики составляет 2 мм.
В этом же патенте также раскрывается и ограничитель тока, который включает вышеописанный модуль ограничителя тока, токовводы для включения упомянутого модуля в электрическую цепь и контейнер с криогенной теплопроводящей средой.
Известное техническое решение обеспечивает эффективное охлаждение ВТСП при срабатывании ограничителя тока путем исключения пленочного кипения при интенсивном тепловыделении за счет рассеивания тепла в твердом материале.
Однако, для этого была применена сложная конструкция каркаса модуля, которая позволяла фиксировать сверхпроводящие провода на одинаковом друг от друга расстоянии, а натяжение проводов в бифилярной катушке поддерживалось специальными пластинами. Необходимо также отметить, что выполнение изолирующих капсул из оксидной керамики, является достаточно затратным и трудоемким процессом. Кроме того, коэффициент теплового расширения керамической капсулы и ВТСП провода различны, поэтому возникает вероятность механического воздействия капсулы на ВТСП провод, что может привести к переломам и трещинам.
Технической проблемой наиболее близкого аналога является сложность конструкции модуля, трудоемкость его изготовления, его высокая стоимость, а также возможность разрушения модуля за счет разницы в КТР керамики и ВТСП провода.
Раскрытие сущности изобретения
Модуль ограничителя тока в соответствии с настоящим изобретением устраняет вышеописанную техническую проблему, в частности, предложенный модуль обеспечивает эффективное охлаждение сверхпроводящего элемента при срабатывании токоограничивающего устройства и сохранение электрической прочности, даже после деформации ленты в результате термического расширения, модуль прост в изготовлении, значительно дешевле, чем известный, а также он не разрушается в криогенных средах.
Эти и другие преимущества станут более понятны из дальнейшего раскрытия изобретения.
Модуль сверхпроводящего ограничителя тока в соответствии с изобретением для устранения вышеописанных технических проблем включает спиральный бифиляр, образованный сверхпроводящим проводом и межвитковой изоляцией, выполненной из полилактида и размещенный на подложке, крышку и токовые контакты.
В частных воплощениях изобретения межвитковая изоляция из полилактида выполнена в виде жесткой ленты, содержащей продольную канавку для укладки сверхпроводящего провода и кромки с выемками, где упомянутые выемки выполнены с возможностью омывания сверхпроводящего провода криогенной теплопроводящей средой.
В этом случае межвитковая изоляция может быть выполнена заедино с подложкой.
При этом межвитковая изоляция может быть выполнена путем 3D печати.
Модуль в качестве сверхпроводящего провода может содержать высокотемпературную сверхпроводящую ленту второго поколения.
Подложка и крышка в модуле могут быть выполнены из электроизоляционного конструкционного материала.
Поставленная задача также решается сверхпроводящим ограничителем тока, включающим данный модуль ограничителя сверхпроводящего тока, токовводы и контейнер с криогенной теплопроводящей средой.
На фиг. 1 приведен общий вид модуля сверхпроводящего ограничителя тока, на фиг 2 приведено схематическое изображение межвитковой изоляции, на фиг. 3 приведена схема сверхпроводящего ограничителя тока.
Позиции на приведенных фигурах означают следующее.
1 Модуль сверхпроводящего ограничителя тока
2 Подложка
3 Сверхпроводящий провод
4 Межвитковая изоляция в виде жесткой ленты из полилактида
5 Канавка
6 Кромка
7 Выемка в кромке
8 Крышка
9 Токовые контакты
10 Ограничитель тока
11 Контейнер с криогенной средой
12 Токовводы
13 Криокулер
Сущность заявленного технического решения состоит в следующем.
В предлагаемой нами конструкции модуля сверхпроводящего ограничителя тока сверхпроводящий провод (или несколько проводов) укладываются с межвитковой изоляцией, изготовленной из полилактида, в канавки бифилярной катушки.
Полилактид представляет собой биоразлагаемый биосовместимый термопластичный алифатический полиэфир, мономером которого является молочная кислота. Сырьем для производства служат ежегодно возобновляемые ресурсы, такие как кукуруза и сахарный тростник.
В результате проведения нами исследований полилактида, было выявлено, что он является перспективным материалом для использования в криогенных средах, в частности, для электрической изоляции сверхпроводниковых проводов.
Полилактид обладает высокой электрической прочностью (50 кВ/мм) и гибкостью, что позволяет легко укладывать сверхпроводник с межвитковой изоляцией из ленты из полилактида в бифилярную катушку.
Полилактид не растрескивается в криогенных средах, как это часто происходит с другими полимерами.
Кроме того, полилактид является дешевым материалом и очень легким в обработке: он применяется в различных областях техники, а изделия из него могут быть получены в том числе и -3D печатью на почти всех известных 3D принтерах для пластиков, а также изделия могут быть получены и традиционной экструзией.
При изготовлении модуля сверхпроводящего ограничителя тока, в котором сверхпроводящий провод с межвитковой изоляцией уложен в спиральный бифиляр, между витками бифиляра должно обеспечиваться необходимое расстояние для достижения электрической прочности между соседними витками, а также для последующего беспрепятственного расширения сверхпроводникового провода в режиме ограничения тока.
Такое расстояние может быть достигнуто различными путями, например; прокладкой нескольких лент из полилактида до достижения нужно расстояния между витками.
Однако наиболее эффективно использовать межвитковую изоляцию из полилактида в виде жесткой ленты, в которой выполнена продольная канавка для укладки сверхпроводящего провода, а также кромки с выемками, благодаря которым происходит омывание сверхпроводящего провода криогенной теплопроводящей средой, например, жидким азотом, а также осуществляется отвод тепла от сверхпроводящего провода при режиме ограничения тока.
Размеры такой ленты, включая ее толщину и ширину, размеры канавки и кромок, с учетом необходимого расстояния между витками бифилярной катушки, легко рассчитать, а саму ленту с высокой точностью можно выполнить по рассчитанным моделям, например, путем 3D печати. При этом канавка в ленте обеспечит надежное закрепление в ней сверхпроводящего провода при омывании провода жидким азотом, запас по глубине в канавке позволит избежать изломов сверхпроводникового провода при нагреве и последующем расширении сверхпроводника в режиме ограничения тока, а эффективный отвод тепла в режиме ограничения тока не даст сверхпроводнику перегореть.
Для улучшения доступа омывающей криогенной среды желательно в кромках выполнить выемки. Эти выемки могут быть выполнены, например, в виде прорезей в кромках. В таких воплощениях изобретения сразу же повышается эффективность охлаждения сверхпроводящего провода.
Для некоторых воплощений изобретения целесообразно выполнить межвитковую изоляцию заедино с подложкой. Такая конструкция имеет жесткую форму, и лента укладывается в канавки после изготовления данной конструкции. Такое воплощение позволяет предотвратить перемещения сверхпроводника в процессе его расширения в режиме ограничения тока.
Таким образом, при использовании ленты из полилактида с канавками вдоль ленты для укладки сверхпроводящего провода, и выступающими кромками с выемками, легко реализуются следующие преимущества, необходимые для токоограничивающего модуля в форме бифилярной катушки: обеспечивается необходимое для электрической прочности расстояние между соседними витками; за счет размеров канавки под сверхпроводящий провод создается пространство под тепловое расширение сверхпроводящего провода во время перехода в режим ограничения тока; выемки обеспечивают свободное проникновение жидкого азота к сверхпроводящему проводу, необходимое для отвода тепла от сверхпроводника.
Изобретение осуществляется следующим образом.
Как следует из схемы на фиг. 1, модуль сверхпроводящего ограничителя тока (1) включает подложку (2), сверхпроводящий провод (3) и межвитковую изоляцию в виде жесткой ленты из полилактида (4), образующие на подложке (2) спиральный бифиляр.
Жесткая лента из полилактида (4) (см. фиг. 2), которая в своем частном воплощении включает канавку (5) и кромки (6) с выемками (7), более удобна при эксплуатации, чем, например, набор плоских лент из полилактида между витками и с большей точностью обеспечивает минимально-допустимое расстояние между сверхпроводящими проводами (3), а также реализует пространство для термического расширения сверхпроводящего провода (3) во время режима ограничения тока для свободного доступа криогенной среды к сверхпроводящему проводу (3), что приводит к дополнительному улучшению эксплуатационных характеристик упомянутого сверхпроводящего модуля для ограничителя тока, а также и самого ограничителя.
Сверхпроводящий провод (3) наматывается в бифилярную катушку одновременно с лентой из полилактида (4) таким образом, чтобы только один виток укладывался в одну канавку бифиляра. После укладки провода (3) с межвитковой изоляцией в виде ленты (4) в бифилярную катушку, конструкцию сверху прижимают крышкой (8) из текстолита или любого другого электроизоляционного материала для удерживания сверхпроводящего провода в бифилярной катушке при возникающих внутри намотки сил отталкивания между витками и последующего разматывания катушки.
Сверхпроводящий провод на концах закрепляется на токовых контактах (9).
Наилучшие результаты достигаются при использовании в качестве сверхпроводящих проводов высокотемпературных сверхпроводящих лент 2 поколения (см. выше).
Сверхпроводник для токоограничителя характеризуется 2 параметрами: критическая температура (Tс) 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 K. 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 500 А (для ленты шириной 12 мм).
На фиг. 3 приведена схема ограничителя тока.
Ограничитель тока (10) включает модуль сверхпроводящего ограничителя тока (1), размещенный в контейнере с криогенной средой (11), который через токовые контакты (9) соединен с токовводами (12). Криогенная среда в контейнере (11) поддерживается криокулером (13).
Заявленное изобретение осуществляется следующим образом.
Модуль ограничителя тока (1), содержащий сверхпроводящие провода (3), уложенные в бифилярную намотку с межвитковой изоляцией из ленты из полилактида (4), помещается в криостат с жидким азотом (11).
2
3
7
Сверхпроводящий провод представляет собой металлическую ленту, подложка которой была выполнена из нержавеющей стали, на подложку нанесены буферные слои, и на них - нанесена пленка ВТСП на основе YBaCuOтолщиной 1 мкм. Пленка ВТСП была покрыта слоем меди, толщиной 3 мкм. Ширина ленты 12 мм.
Благодаря выбранной форме с выемками (7) в кромках (6) ленты из полилактида (4) жидкий азот омывает поверхность сверхпроводящего провода (3), за счет этого происходит охлаждение провода (3) до сверхпроводящего состояния и модуль пропускает ток без сопротивления.
В режиме ограничения тока сверхпроводник (3) начинает выделять тепло, которое поглощается омывающим жидким азотом и рассеивается по всему объему жидкого азота в криостате. Кроме того, термическое расширение сверхпроводящего провода (3) компенсируется за счет глубины канавок (5) в ленте из полилактида (4), и при этом сохраняется заложенное расстояние между повивами бифилярной катушки. После срабатывания режима ограничения тока через некоторое время сверхпроводник (3) снова возвращается в сверхпроводящее состояние из токоограничивающего, и токоограничитель (10) снова готов к повторному использования.
Заявленная конструкция модуля и токоограничителя является простой и надежной в исполнении за счет того, что межвитковая изоляция из полилактида не растрескивается в криогенных средах и заданную форму ленты для изоляции из полилактида легко получить например, распечатав ее на 3D принтере.
Необходимо также отметить и экологические преимущества заявленного изобретения - полилактид является биоразлагаемым полимером, который после демонтажа токоограничителя может быть легко утилизован.