ИНДУКТИВНОЕ ТОКООГРАНИЧИВАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО
INDUCTIVE CURRENT-LIMITING DEVICE

Изобретение относится к области электротехники, в частности к конструкции индуктивного токоограничивающего устройства, и может быть использовано в системах передачи и распределения электрической энергии переменного тока.
Известна конструкция сверхпроводникового ограничителя токов короткого замыкания. Он состоит из замкнутого ферромагнитного стержневого магнитопровода, на одном стержне которого размещены первичная обмотка и сверхпроводниковый полый цилиндр. Диаметр сверхпроводникового полого цилиндра должен обеспечить минимальную величину немагнитного зазора между стержнем и цилиндром (Francis James Mumford, "Superconductive fault current limiters", пат. США №5694279, M. кл. H02H 7/00, 1997).
Недостатком указанной конструкции является то, что в режиме ограничения тока короткого замыкания после перехода сверхпроводника, из которого изготовлен полый цилиндр, в резистивное состояние активное сопротивление полого цилиндра определяется величиной периметра его поперечного сечения, вследствие чего для достижения необходимой для ограничения тока короткого замыкания величины активного сопротивления потребуется увеличение диаметра сверхпроводникового полого цилиндра и стержня магнитопровода, что повлечет увеличение массогабаритных показателей ограничителя токов короткого замыкания.
Известен индуктивный токоограничитель со сверхпроводниковым нелинейным резистором, состоящий из магнитопровода из электротехнической стали, первичной и вторичной обмоток, выполненных из медного проводника и размещенных на одном из стержней магнитопровода, токовводов, изготовленных из меди, нелинейного резистора, подключенного к выходу вторичной обмотки и изготовленного из ленточного композитного провода, материалом которого является высокотемпературный сверхпроводник в серебряной матрице, размещенного в пенопластовом криостате, заполненном жидким азотом (Ш.И.Лутидзе, Л.С.Флейшман и др., Индуктивные токоограничители со сверхпроводниковым нелинейным резистором, Инженерная физика, №2, 2004, с.22-30).
Недостатком данной конструкции является сильная магнитная связь между первичной и вторичной обмотками токоограничителя за счет магнитопровода, которая увеличивает термическое воздействие на нелинейный резистор в режиме ограничения токов короткого замыкания, что ведет к недопустимому повышению температуры нелинейного резистора и приводит к возрастанию времени возврата токоограничителя в исходное состояние и, при определенной длительности режима короткого замыкания, к его повреждению.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое техническое решение, состоит в снижении термического воздействия на нелинейный резистор, снижении инерционности и материалоемкости устройства, повышении его надежности.
Указанный технический результат достигается тем, что в индуктивном токоограничивающем устройстве, содержащем ферромагнитный магнитопровод, включающий ярма и стержни, первичную силовую обмотку на одном из стержней магнитопровода, вторичную вспомогательную обмотку, соединенную с нелинейным резистором, внутри стержней и ярем магнитопровода размещен сердечник, выполненный из немагнитного диэлектрического материала, с поперечным сечением в виде ступенчатой фигуры с равными диаметрально противоположными поверхностями, верхнее и нижнее ярма и стержни которого соединены между собой посредством косого стыка, причем на поверхности ярем и стержней сердечника вдоль продольных осей стержней и ярем размещены пластины из ферромагнитного материала, плоскости пластин выполнены примыкающими друг к другу, а торцы пластин стержней образуют косой стык с торцами пластин ярем, при этом пластины из ферромагнитного материала выполнены примыкающими к внешним поверхностям сердечника, образуя ступенчатую фигуру, внешние вершины которой размещены на одинаковом расстоянии от продольной оси симметрии, а вторичная вспомогательная обмотка размещена на другом стержне магнитопровода. При этом пластины магнитопровода могут быть выполнены из аморфной электротехнической стали или наноструктурированного магнитомягкого сплава, а первичная силовая обмотка может быть выполнена из сверхпроводящего материала.
Сущность изобретения поясняется чертежом.
На фиг.1 схематически изображено индуктивное токоограничивающее устройство (вид спереди, нелинейный резистор на схеме не показан), на фиг.2 - электрическая схема индуктивного токоограничивающего устройства, а на фиг.3 представлен магнитопровод устройства (продольное осевое сечение и вид сверху).
Поперечное сечение стержней по разрезу A-A и поперечное сечение ярем по разрезу B-B немагнитного сердечника и ферромагнитных пластин магнитопровода показаны штриховыми линиями.
Индуктивное токоограничивающее устройство включает в себя верхнее и нижнее ярма 1, стержни 2 двухстержневого магнитопровода 3, на одном из стержней которого размещена первичная силовая обмотка 4, а на другом - вторичная вспомогательная обмотка 5, к выходу которой подключен нелинейный резистор 6 (фиг.2). Магнитопровод 3 состоит из немагнитного сердечника 7 и ферромагнитных пластин 8 (фиг.3).
Предлагаемое индуктивное токоограничивающее устройство работает следующим образом. Первичная силовая обмотка 4 включается последовательно в участок сети переменного тока. Вторичная вспомогательная обмотка 5 замкнута на нелинейный резистор 6, имеющий низкую величину активного сопротивления при токах, меньших порогового значения для данного нелинейного резистора 6, и высокую величину активного сопротивления при токах, больших порогового значения. Пороговое значение тока для данного нелинейного резистора 6 выбирается таким образом, чтобы в нормальном режиме сети вторичный ток, протекающий через нелинейный резистор 6, имел величину ниже порогового значения. В нормальном режиме работы сети полное сопротивление индуктивного токоограничивающего устройства имеет низкую величину вследствие малого активного сопротивления нелинейного резистора 6 при токах, меньших его порогового значения.
При возникновении режима короткого замыкания в сети ток и напряжение в первичной силовой обмотке 4, размещенной на одном из стержней 2 магнитопровода 3 индуктивного токоограничивающего устройства, возрастают, что вызывает рост тока во вторичной вспомогательной обмотке 5 и нелинейном резисторе 6. При превышении этим током порогового значения нелинейного резистора 6 его активное сопротивление возрастает. Вследствие возрастания напряжения в первичной силовой обмотке 4 и активного сопротивления нелинейного резистора 6 потокосцепление первичной силовой обмотки 4 возрастает. Выполнение магнитопровода 3 с ярмами 1 и стержнями 2, с поперечным сечением в виде вписанной в окружность ступенчатой фигуры, внешние вершины которой размещены на одинаковом расстоянии от продольной оси симметрии, вдоль которой внутри стержней 2 и ярем 1 магнитопровода 3 размещен сердечник 7, выполненный из немагнитного диэлектрического материала, с поперечным сечением в виде ступенчатой фигуры с равными диаметрально противоположными поверхностями, верхнее и нижнее ярма 1 и стержни 2 которого соединены между собой посредством косого стыка, причем на поверхности ярем 1 и стержней 2 сердечника 7 вдоль продольных осей стержней 2 и ярем 1 размещены пластины 8 из ферромагнитного материала, плоскости пластин 8 выполнены примыкающими друг к другу, а торцы пластин 8 стержней 2 образуют косой стык с торцами пластин 8 ярем 1, при этом пластины 8 выполнены примыкающими к внешним поверхностям сердечника 7, уменьшает суммарную площадь поперечного сечения ферромагнитной части магнитопровода, в результате чего магнитная индукция в ферромагнитных пластинах 8 магнитопровода 3 увеличивается. Вследствие увеличения магнитной индукции происходит насыщение намагниченности ферромагнитных пластин 8. Это приводит к уменьшению индуктивной связи между первичной силовой обмоткой 4 и вторичной вспомогательной обмоткой 5, размещенной на другом стержне 2 магнитопровода 3. В результате этого полное сопротивление индуктивного токоограничивающего устройства возрастает и достигает своего максимального значения, что ограничивает ток короткого замыкания в участке сети переменного тока, в котором включено индуктивное токоограничивающее устройство. Вследствие уменьшения индуктивной связи между первичной силовой обмоткой 4 и вторичной вспомогательной обмоткой 5 снижается термическое воздействие на нелинейный резистор 6, повышается надежность, уменьшается материалоемкость и инерционность индуктивного токоограничивающего устройства. Выполнение косого стыка при соединении нижнего и верхнего ярем 1 и стержней 2 немагнитного сердечника 7 позволяет также выполнить косой стык торцов ферромагнитных пластин 8 стержней 2 с торцами пластин 8 нижнего и верхнего ярем 1. Косой стык при соединении пластин 8 приводит к снижению магнитных потерь энергии в зонах сопряжения стержней 2 с ярмами 1. Выполнение магнитопровода 3 из аморфной электротехнической стали или наноструктурированного магнитомягкого сплава снижает магнитные потери в нем, повышает технико-экономические показатели устройства. Выполнение первичной силовой обмотки 4 из сверхпроводящего материала снижает потери энергии в индуктивном токоограничивающем устройстве, тем самым увеличивает его коэффициент полезного действия, расширяет возможности использования предлагаемого индуктивного токоограничивающего устройства, например, при применении в сверхпроводящей линии электропередачи.
Предложенное индуктивное токоограничивающее устройство предназначено для применения в традиционных и сверхпроводящих системах передачи и распределения электрической энергии, его применение повысит технико-экономические показатели электроэнергетических систем.