ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ОГРАНИЧЕНИЯ ТОКА
ELECTROTECHNICAL CURRENT LIMITATION DEVICE

Настоящее изобретение относится к электротехническому устройству для ограничения электрического тока.
Электротехническое устройство для ограничения электрического тока известно из патента США 5379020. Устройства ограничения тока иногда называют токовыми ограничителями или ограничителями тока повреждения или тока короткого замыкания. В патенте США 5379020 ограничение тока обеспечивается посредством электротехнического устройства, состоящего из первичной обмотки, вторичной обмотки, содержащей подавляемый сверхпроводник, для которого возможен переход из состояния с низким сопротивлением, обозначаемым обычно как сверхпроводящее состояние, в состояние с высоким сопротивлением, если электрический ток превышает критическое значение. Вторичная обмотка связана с первичной обмоткой по общей части магнитного потока. Вторичная обмотка дополнительно содержит металлический элемент, образующий замкнутый контур. Вторичная обмотка расположена в криостате, обеспечивающем ее охлаждение. Магнитная связь двух обмоток обеспечивается ферромагнитным сердечником.
Устройство ограничения тока повреждения известно также из патента США 5,694,279. Устройство содержит первичную обмотку, содержащую металл или сплав, и вторичную обмотку, включающую в себя подавляемый сверхпроводник, характеризующийся переходом из состояния с низким сопротивлением в состояние с высоким сопротивлением при превышении электрическим током критического значения. Обе эти обмотки связаны между собой по общей части магнитного потока в ферромагнитном сердечнике. Вторичная обмотка размещается на некотором количестве тонких и плоских дисковых подложек, покрытых слоем подавляемого сверхпроводника, а именно высокотемпературным сверхпроводником. Диски снабжены центральными отверстиями, позволяющими установить их в криостат и разместить вокруг магнитного сердечника. Вторичная обмотка может также содержать цилиндрическую подложку, покрытую подавляемым высокотемпературным сверхпроводником.
Оба упомянутых выше устройства предназначены для ограничения электрического тока во внешней цепи, соединенной последовательно с первичной обмоткой. Они пригодны для ограничения перегрузок по "первичному" току. Вместе с тем, для ряда приложений, предшествующие конструкции устройств имеют слишком большие времена отклика и могут оказаться слишком медленными для эффективного управления электропитанием.
Желательно еще более усовершенствовать характеристики устройств ограничения тока и обеспечить более эффективное управление электропитанием для случаев, когда требуются более короткие времена отклика, не только для обеспечения быстрой защиты схемы, но также и для обеспечения требуемого быстродействия при такой защите.
Технической задачей настоящего изобретения является создание устройства для ограничения электрического тока при малом времени отклика. Еще одной задачей настоящего изобретения является создание устройства с управляемым временем оклика, которое позволяет устанавливать, переустанавливать время отклика. Еще одной задачей изобретения является создание электротехнического устройства, имеющего оптимальную себестоимость.
Поставленные задачи решены путем создания устройств, заявленных в независимых пунктах формулы. Варианты реализации изобретения заявлены в зависимых пунктах формулы изобретения.
В соответствии с настоящим изобретением электротехническое устройство содержит первичную обмотку, вторичную обмотку, содержащую подавляемый сверхпроводник. Подавляемый сверхпроводник характеризуется переходом из состояния с низким сопротивлением в состояние с высоким сопротивлением при превышении электрическим током критического значения. Вторичная обмотка связана с первичной обмоткой общей частью магнитного потока. Вторичная обмотка дополнительно содержит металлический элемент, образующий замкнутый контур. Электротехническое устройство дополнительно содержит криостат, обеспечивающий охлаждение вторичной обмотки.
Вторичная обмотка содержит, по меньшей мере, один элемент или участок, содержащий значительную часть неподавляемого проводника и часть подавляемого сверхпроводника. Неподавляемый проводник характеризуется минимальной зависимостью своего сопротивления от тока и магнитно поля. Неподавляемый проводник может иметь металлические свойства. В данном случае существенная часть должна составлять более 50% от всего объема. Часть f неподавляемого проводника элемента вторичной обмотки составляет 50%≤f≤95%, предпочтительно 60%≤f≤95%, более предпочтительно 75%≤f≤95%, еще более предпочтительно 80%≤f≤90% от объема. При этом общий объем элемента представляет собой сумму частей неподавляемого проводника и подавляемого сверхпроводника.
Вторичная обмотка содержит, по меньшей мере, один виток, содержащий неподавляемый проводник и подавляемый сверхпроводник, электрически соединенные последовательно для обеспечения замкнутого контура.
Конструкция или компоновка вторичной обмотки в соответствии с изобретением обеспечивает более однородное подавление подавляемого сверхпроводника и снижение времени отклика устройства в целом.
Электротехническое устройство может также дополнительно содержать железный сердечник.
3
Неподавляемый проводник в этом электротехническом устройстве может представлять собой металл с высокой проводимостью, такой как Cu, Ag, Au, Al, In или сверхпроводник. В одном варианте реализации подавляемый сверхпроводник представляет собой так называемый низкотемпературный сверхпроводник, например NbSn или NbTi, если устройство предназначено для работы при низких температурах, то есть при температурах 2-10К.
2
3
7-x
В другом варианте реализации подавляемый сверхпроводник содержит состав на основе соединения ReBaCuO или его мелкодисперсную смесь, где Re представляет собой один или несколько редкоземельных элементов, предпочтительно один или несколько элементов из группы Y, Ho, Nd, La, Pr, Gd, Tb, Dy и Yb. Подавляемый сверхпроводник в данном электротехническом устройстве может быть сформирован как монослой или может содержать множество слоев, образующих многослойную структуру.
2
3
7-x
2
3
7-x
2
3
7-x
Слой ReBaCuO или соответствующая многослойная структура предпочтительно выполняются в виде покрытия на металлической ленточной подложке. Одна сторона или две противоположные стороны ленточной подложки могут быть покрыты одним слоем на основе ReBaCuO или многослойной структурой, состоящей из нескольких монослоев ReBaCuO. Лента для подложки может содержать нержавеющую сталь или Hastelloy, или сплав на основе Ni или NiCr, чтобы ее сопротивление составляло более 80 мкОм·см (микроом на сантиметр). Лента-подложка может также дополнительно содержать один или несколько дополнительных буферных слоев, располагаемых между поверхностью металлической ленты-подложки и сверхпроводящим слоем. Буферный слой может предотвращать нежелательные химические реакции между металлической лентой-подложкой и сверхпроводником.
2
2
2
x
2
2
2
x
Электрическое соединение подавляемого проводника с неподавляемым проводником достигается применением слоя нормального проводника, например, In, Cu, или Pb, или слоя сверхпроводника, например, BiSCCO, то есть BiSrCaCuO, или (BiPb)SrCaCuO, Eu(Bi)CCO, или их смеси, имеющие состав, отличный от составов, используемых либо в подавляемом сверхпроводнике, либо в неподавляемом проводнике.
В дополнительном варианте реализации вторичная обмотка электротехнического устройства содержит ряд витков, каждый из которых содержит неподавляемый проводник и подавляемый сверхпроводник, в соответствии с одним из вариантов реализации изобретения.
В другом варианте реализации неподавляемый проводник и подавляемый проводник, образуя виток, обеспечивают направление тока вдоль перпендикуляра к главной оси магнитного потока. Магнитный поток может быть обеспечен железным сердечником, вокруг которого расположены первичная и вторичная обмотки.
В другом варианте реализации, по меньшей мере, один неподавляемый проводник и один подавляемый проводник содержат, по меньшей мере, один участок для направления тока вдоль главной оси магнитного потока. Это позволяет перераспределить ток между различными витками и, таким образом, получить желаемое время отклика устройства в целом.
В другом варианте реализации отношение геометрических размеров различных участков неподавляемого проводника или/и различных участков подавляемого сверхпроводника варьируется для различных витков неподавляемого проводника и подавляемого сверхпроводника. Этот вариант реализации обеспечивает эффективную возможность достижения заданного отклика подавления.
В еще одном варианте реализации отношения геометрических размеров различных участков неподавляемого проводника или/и различных участков подавляемого сверхпроводника следуют числовой последовательности или образуют гладкую функцию распределения. Это позволяет успешно избежать скачков при подавлении.
2
3
7-x
В последнем варианте реализации ширина функции распределения определяет временную характеристику устройства, то есть время отклика устройства. В том случае, когда вторичная обмотка содержит некоторое количество витков, подавляемый сверхпроводник вполне может содержать множество лент, покрытых составом ReBaCuO.
2
3
7-x
c
с
Если вторичная обмотка содержит множество лент, покрытых составом ReBaCuO, то вторичная обмотка может содержать, по меньшей мере, две ленты, характеризующиеся различными пороговыми значениями электрического тока, вызывающего процесс подавления. По меньшей мере, две ленты могут характеризоваться различными сверхпроводящими свойствами, такими как J (критическая плотность тока) или Т (критическая температура). Это обеспечивает дополнительную свободу при управлении функцией отклика устройства и, таким образом, обеспечивает желаемое время отклика.
В варианте реализации изобретения криостат содержит, по меньшей мере, одну металлическую стенку, образующую замкнутый контур, содержащий, по меньшей мере, часть общего магнитного потока.
Металлический элемент и металлическая стенка криостата могут быть одним и тем же элементом электротехнического устройства.
Время отклика может регулироваться заменой, или частичной заменой, металлического элемента вторичной обмотки "внешним" элементом криостата.
Электротехническое устройство в соответствии с изобретением может иметь оптимальную стоимость в том случае, если количество подавляемого сверхпроводника в устройстве значительно, на 50-90%, меньше по сравнению с известными техническими растворами. Сверхпроводящие ленты и, в частности, сверхпроводящие ленты с покрытием, изготовленные посредством этапов вакуумного осаждения, оказываются относительно дорогостоящими в производстве. Поскольку вторичная обмотка устройства ограничения тока согласно изобретению содержит значительную часть неподавляемого проводника, часть подавляемого сверхпроводника оказывается сниженной. Кроме того, стоимость изготовления криостата снижена благодаря тому, что в соответствии с настоящим изобретением части криостата могут быть изготовлены из обычных металлических элементов.
Ниже описаны предпочтительные примеры реализации электротехнического устройства для ограничения тока в соответствии с настоящим изобретением со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых
Фиг.1 изображает схему первого варианта реализации электротехнического устройства, согласно изобретению;
Фиг.2 - схему одного витка вторичной обмотки, образованной электрическим соединением неподавляемого проводника и подавляемого сверхпроводника, согласно изобретению;
Фиг.3 - схему кольцевого варианта витка вторичной обмотки, образованной электрическим соединением неподавляемого проводника и подавляемого сверхпроводника, согласно изобретению;
Фиг.4а-разрез второго варианта реализации электротехнического устройства, согласно изобретению;
Фиг.4b - вид по стрелке х на фиг.4а, согласно изобретению;
Фиг.5 - вариант компоновки ряда витков вторичной обмотки, согласно изобретению;
Фиг.6 - другой вариант компоновки ряда витков вторичной обмотки, согласно изобретению;
Фиг.7 - вариант "неоднородной" компоновки ряда витков вторичной обмотки, согласно изобретению.
На Фиг.1 представлена схема первого варианта реализации электротехнического устройства в соответствии с настоящим изобретением. Устройство содержит первичную обмотку 1, состоящую из обычного металлического проводника, например, Cu или Al, и вторичную обмотку, состоящую из ряда витков. Каждый виток содержит неподавляемый проводник 3, представляющий собой в данном случае проволоку или ленту, и подавляемый сверхпроводник 2, который в данном случае представляет собой ленту с покрытием YBCO. Сверхпроводящая лента YBCO может быть двухосной текстурированной пленкой YBCO или покрытием, которое может быть осаждено на одну сторону или на противоположные стороны гибкой, изготовленной из металла или из сплава ленты-подложки. Один или несколько буферных слоев, также имеющих двухосную текстуру, могут быть помещены между лентой-подложкой и сверхпроводником YBCO. Неподавляемый проводник 3 и подавляемый сверхпроводник 2 электрически соединены последовательно так, что они образуют замкнутый контур. Соединение этих проводников обеспечивается соединительными площадками 4. Соединительные площадки 4 обращены навстречу концам сверхпроводящей ленты 2 и краям медного провода 3. В этом варианте реализации сверхпроводящая лента 2 длиннее зазора между двумя концами медного провода, так что края сверхпроводящей ленты перекрывают края медного провода. Таким образом, соединительная площадка образована этими перекрывающимися областями. Соединение между неподавляемым проводником 3 и подавляемым сверхпроводником 2 достигается слоем обычного In, используемым в виде тонкой прослойки припоя. В этом варианте реализации одна сторона металлической подложки покрыта сверхпроводником YBCO. Соединение между сверхпроводящей лентой 3 и медным проводом 2 образовано между непокрытой металлической подложкой сверхпроводящей ленты 3 и медным проводом 2.
Эксперименты показали, что удовлетворительное качество электрического соединения может быть обеспечено при использовании запрессованных или паяных контактов на основе слоев Cu, Pb или высокотемпературных сверхпроводников, таких как BiSCCO, Eu(Bi)CCO. Множество витков 2-4 могут обеспечивать протекание тока перпендикулярно к главной оси магнитного потока (обозначено пунктирной линией на Фиг.1). Витки 2-4 размещаются в криостате 5. Устройство снабжено элементом 6 из Cu, образующим замкнутую петлю. Вторичная обмотка устройства содержит также металлический разделитель 7, электрически соединенный с неподавляемым проводником 3 между смежными витками вторичной обмотки для обеспечения протекания тока вдоль главной оси магнитного потока (пунктирная линия на Фиг.1), проходящей в железном сердечнике 8, создающем эффективную связь первичной обмотки со вторичной обмоткой посредством элементов 2-4 и 6. На практике первичная обмотка 1 может быть размещена не только так, как показано на Фиг.1, но и в любом другом месте на железном сердечнике 8. Эта обмотка может быть размещена и внутри, и снаружи вторичной обмотки на правом плече железного сердечника 8. Другими элементами конструкции электротехнического устройства согласно изобретению являются изолирующий цилиндрический сердечник 9, служащий каркасом первичной обмотки 1, и токовые вводы 10, подводящие ток к первичной обмотке 1.
Во время работы токовые вводы 10 присоединяются последовательно к цепи питания переменным током (не показано). Криостат 5 заполняется жидким азотом или другим сжиженным газом. Если протекающий в первичной обмотке ток не достигает порогового значения, то падение напряжения на электротехническом устройстве очень мало и, соответственно, малы потери энергии. Малые потери энергии в 0,03% наблюдались при образцовых испытаниях на образцах при мощности 6 кВт.
Если ток в первичной обмотке превышает пороговое значение, то подавляемый сверхпроводник вторичной обмотки переходит в состояние с высоким сопротивлением, и электротехническое устройство начинает добавлять дополнительный импеданс в связанную с ним внешнюю электрическую цепь. При этом протекающий во внешней электрической цепи ток ограничивается. Устройство действует частично как индуктивная нагрузка и частично как резистивная нагрузка, ограничивая ток в первичной цепи соответственно фазе и амплитуде. Одной из известных задач, решаемых таким токовым ограничителем, является собственно ограничение тока.
2
3
7-x
2
3
7-x
2
3
7-x
2
Для электротехнического устройства, содержащего 8 витков ленты с покрытием YBaCuO в качестве подавляемого сверхпроводника, ток ограничивается значением 1600 А (эффективное значение тока) во вторичной обмотке и, соответственно 14 А (эффективное значение тока) в первичной цепи 380 В. Каждая лента с покрытием имела ширину 1 см и толщину 10 мм. Толщина слоя YBCO составляла около 2 мкм. Критический ток одиночной ленты составлял около 280 А (при 77 К и собственном поле); плотность тока в YBaCuO составляла 1,4 мА/см. Внешняя поверхность YBaCuO была покрыта серебряным или золотым защитным слоем толщиной 0,5 мкм, электрически соединенным с металлической подложкой. Возникающий во вторичной обмотке ток дополнительно задан металлическим элементом 6, который при полной силовой нагрузке функционирует как эффективный шунт, защищающий подавляемый сверхпроводник от слишком большой перегрузки по току. Время отклика устройства составляло 45 микросекунд. Устройство характеризуется очень коротким временем восстановления, то есть временем, требующимся для возврата электротехнического устройства в начальное состояние. Время восстановления было менее 50 мс при полной силовой нагрузке, если сравнивать со значением 0,5-20 секунд для известных устройств.
Дальнейшие варианты показанного на Фиг.1 электротехнического устройства могут быть реализованы при другом расположении первичной обмотки 1 относительно железного сердечника 8 и относительно вторичной обмотки. Первичная обмотка может быть размещена в любом положении, включая коаксиальное расположение относительно вторичной обмотки. В последнем случае первичная обмотка 1 может располагаться или вне внешней поверхности криостата 5, или между криостатом 5 и железным сердечником 8. Еще один вариант реализации заключается в использовании другой формы сердечника 8, например, вместо сердечника прямоугольной формы (Фиг.1) может использоваться тороидальный сердечник.
На Фиг.2 и 3 показаны два варианта конструкции одиночного витка. На Фиг.2 показан виток прямоугольной формы, а Фиг.3 относится к кольцевому витку. Каждый из витков имеет участок неподавляемого проводника 3 и участок подавляемого сверхпроводника 2, соединенные механически и электрически, образуя замкнутый контур.
Второй вариант реализации электротехнического устройства схематично показан на Фиг.4а и 4b. Неподавляемый проводник 3 из Cu в этом случае имеет форму тороида с прорезью на внешней стенке. К границам 14 прорези присоединена лента, покрытая YBCO, так что образуется полузамкнутое кольцо 12. Металлический элемент 16 сформирован как мостик из Cu, припаянный к тем же границам 14. Вторичная обмотка, содержащая части 3, 12, 16, помещена в криостат 5. Первичная обмотка и железный сердечник 8 целиком не показаны на Фиг.4a и 4b.
Во время работы устройство имеет характеристики, аналогичные с первым вариантом реализации на Фиг.1, но с другим временем отклика, которое в данном случае еще меньше: оно составляет менее 35 микросекунд.
На Фиг.5 представлен вариант конструкции ряда витков вторичной обмотки. В этом варианте отсутствуют межвитковые соединения в направлении, параллельном направлению магнитного потока. Все витки, в основном, одинаковы и содержат подавляемый сверхпроводник 22 и неподавляемый проводник 23, электрически соединенные площадками 24. Неподавляемый проводник 23 имеет U-образную форму со сверхпроводящей лентой 22, расположенной между двумя концами U-образной формы, образуя замкнутый контур. В этом варианте реализации U-образный неподавляемый проводник 23 имеет приблизительно такую же толщину стенки, что и ширина сверхпроводящей ленты 22, а сверхпроводящая лента 22 протянута между верхними поверхностями каждого из плеч U-образного неподавляемого проводника 23. Электротехническое устройство такой конструкции характеризуется временем отклика менее 50 микросекунд.
На Фиг.6 представлен другой вариант конструкции ряда витков вторичной обмотки. Все витки, в основном, одинаковы. Каждый виток содержит участок подавляемого сверхпроводника 32, электрически соединенного с неподавляемым проводником 33 на площадках 34. Неподавляемый проводник 33 имеет общую часть 35, которая соединяет различные витки в направлении магнитного потока. Некоторые части неподавляемого проводника 33 не соединены между собой, поскольку на проводнике 33 имеется ряд прорезей 36. Неподавляемый проводник 33 может рассматриваться как прямоугольный блок с каналом, расположенным на одной грани блока на двух выступающих плечах. Неподавляемый проводник 33 имеет U-образное сечение. Последовательности прорезей, имеющих, в основном, одинаковые размеры, расположены на внешней поверхности обоих плеч для обеспечения последовательности витков, в основном, одинаковой ширины и высоты, которые механически и электрически соединены посредством основания блока. Таким образом, две последовательности прорезей в основном вытянуты одна относительно другой.
Таким образом, неподавляемый проводник служит в данном случае для направления тока вдоль главной оси магнитного потока. Это приводит к перераспределению тока между различными витками и к улучшенной временной стабильности устройства, при этом отклонения локальных параметров подавляемых лент 32 с покрытием оказывают меньшее влияние на характеристики электротехнического устройства в целом.
Подобный эффект может быть достигнут при использовании частичного межсоединения через подавляемый сверхпроводник. Время отклика столь же мало, что и в случае, рассмотренном для Фиг.5.
1
1
На Фиг.7 показана схема "неоднородного" расположения ряда витков вторичной обмотки в соответствии с настоящим изобретением. В этом случае различные витки 42, 43, 44 имеют различные ширину w и длину h участков 45 витка. Эти участки не обеспечивают электрического соединения с другими витками. Такое межсоединение обеспечивается в "общей" части 46 неподавляемого проводника. В описываемом примере геометрические параметры w и h определены положением и глубиной прорезей 47. Аналогично предыдущему варианту неподавляемый проводник 43 может рассматриваться как прямоугольный блок с каналом, расположенным на одной грани блока на двух выступающих плечах. Неподавляемый проводник 43 имеет U-образное сечение. Последовательности прорезей расположены на внешней поверхности двух плеч, обеспечивая последовательность витков. В этом варианте реализации прорези имеют различающиеся размеры. На Фиг.7 показано, что глубина прорези уменьшается от передней части к задней части блока при показанной ориентации. Две последовательности прорезей, расположенные на каждом плече, в основном вытянуты одна относительно другой, образуя последовательности пар прорезей. Каждая пара, в основном, имеет одинаковый размер для обеспечения последовательности выступов, каждый из которых образует участок витка. Поэтому высота и ширина выступающих участков варьируются и могут рассматриваться как неоднородные.
1
Экспериментально показано, что время отклика и временная зависимость увеличения импеданса во время ограничения тока сильно зависят от распределения этих геометрических параметров для данного числа витков. При постоянных параметрах ленты подавляемого сверхпроводника 42 изменение w в интервале от 10 мм до 17 мм при шаге 1 мм, обеспечивается для вторичной обмотки исходя из 8-ми витков. Наблюдалось увеличение времени отклика устройства в целом от 40 мс до 110 мс. Таким образом, отклик электротехнического устройства во время ограничения тока может регулироваться выбором для вторичной обмотки геометрии подавляемого сверхпроводника и неподавляемого проводника, которые и определяют желаемое время отклика.
Гладкость функции распределения таких вариаций приводит к гладкости временных вариаций импеданса во время ограничения тока. Это можно понять, если принять во внимание геометрические параметры каналов в неподавляемом проводнике, определяющие распределение тока между различными витками и, таким образом, последовательность их подавления при перегрузке по току. Таким образом, ширина функции распределения геометрических параметров (которая, в свою очередь, определяет амплитуду вариаций этих параметров) определяет временную ширину электрического отклика устройства в целом, то есть время отклика в целом. Кроме того, "гладкость" функции распределения позволяет избежать скачков тока во время работы устройства в целом.
Подобные результаты могут быть обеспечены варьированием электрических параметров частей подавляемого сверхпроводника, используемого в различных витках. На практике обе возможности, то есть изменения параметров неподавляемого проводника и параметров подавляемого сверхпроводника, могут быть использованы совместно при дополнительном преимуществе в том, что полное время отклика может быть не только увеличено, но также и снижено контролируемым образом благодаря компенсации внутренней неоднородности критического тока в подавляемом сверхпроводнике при надлежащем выборе отношения геометрических параметров неподавляемого проводника в пределах каждого витка.
Применение множества коротких подавляемых сверхпроводников в приведенных примерах обеспечивает оптимизацию стоимости производства и содержания электротехнического устройства, так что монтаж и обновление становятся менее затратными по времени и материалам.