СВЕРХПРОВОДНИКОВЫЙ ОГРАНИЧИТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ИНДУКТИВНОГО ТИПА С НАСЫЩЕННЫМ МАГНИТОПРОВОДОМ

Заявленное техническое решение относится к области электротехники и может быть использовано для защиты электрических сетей от токовых перегрузок или короткого замыкания.
Ограничение тока в ограничителе тока индуктивного типа с насыщенным магнитопроводом происходит при использовании нелинейности намагничивания ферромагнитного материала магнитопровода за счет создания различных индуктивностей в защищаемой цепи для рабочего режима и режима токоограничения. Такой ограничитель содержит обмотку переменного тока из медного провода, намотанную на ферромагнитном магнитопроводе, включенную последовательно в защищаемую электрическую цепь, и катушку подмагничивания на том же магнитопроводе, питаемую источником постоянного тока [1]. В рабочем режиме (переменный ток не превышает допустимого значения, ограничение не требуется) магнитопровод насыщен за счет поля катушки подмагничивания, и индуктивность насыщенной обмотки переменного тока вместе с результирующим падением напряжения на ней оказываются достаточно малыми, что почти не влияет на электрическую цепь. В случае существенного увеличения переменного тока (например, за счет замыкания нагрузки) магнитопровод периодически выводится из состояния насыщения, и результирующая высокая индуктивность обмотки переменного тока ограничивает аварийный ток.
Изготовление катушки подмагничивания из ленточного высокотемпературного сверхпроводника (ВТСП), способного нести большой ток при температуре жидкого азота, позволяет сократить размеры катушки подмагничивания и всего сверхпроводникового ограничителя тока (СОТ), уменьшить потери энергии, а также уменьшить требуюмую мощность источника постоянного тока [1].
Использование разветвленного магнитопровода и разделенной обмотки переменного тока позволяет существенно уменьшить переменный магнитный поток в области катушки подмагничивания в рабочем режиме (например, в симметричном устройстве с магнитопроводом Ш-типа, при согласном включении секций обмотки переменного тока на крайних ветвях магнитопровода и катушке подмагничивания на средней ветви, переменный магнитный поток и напряжение на каждом витке катушки подмагничивания, равны нулю в приближении характеристики намагничивания с линейным насыщением) [1].
Однако, в режиме токоограничения переменное напряжение и ток в катушке подмагничивания наводятся за счет трансформации переменного тока [1], причем в случае замкнутого в магнитопроводе потока, переменное напряжение на катушке подмагничивания оказывается равным напряжению на обмотке переменного тока при равном числе витков в обмотке переменного тока и в катушке подмагничивания. Превышение допустимых значений тока и напряжения может привести к порче катушки подмагничивания, вследствие перегорания сверхпроводника или вследствие пробоя межвитковой изоляции, что повлечет потерю работоспособности, либо снижение надежности срабатывания и долговечности СОТ.
В устройстве [2] эта проблема решается за счет применения управляемых коммутирующих устройств для вывода тока (энергии) из катушки подмагничивания и отключения СОТ. Недостаток данного решения - повышенная сложность схемы, приводящая к снижению надежности, повышению стоимости системы питания, и исключение токоограничения самим СОТ после срабатывания коммутатора.
В устройстве [3] проблема решается экранировкой ферромагнетика под катушкой подмагничивания электромагнитным экраном, представляющим собой медную цилиндрическую оболочку, отделяющую катушку от магнитопровода, что не препятствует подмагничиванию магнитопровода в рабочем режиме, но препятствует наведению индукционных токов в катушке подмагничивания в режиме токоограничения. Очевидным недостатком является снижение эффективности токоограничения за счет эффекта создания короткозамкнутого витка - экрана; по-видимому, поэтому данных об использовании такого решения для СОТ на большие мощности не имеется.
Принцип прямого решения проблемы за счет снижения числа витков в катушке подмагничивания реализован в устройствах [4], [5], [6] (наиболее полно принцип описан в [4], наилучшие параметры достигнуты в [6]); это решение и выбрано в качестве прототипа. Такой СОТ индуктивного типа с насыщенным магнитопроводом, содержит магнитопровод из ферромагнитного материала, на котором размещены обмотки переменного тока, включенные в защищаемую электрическую цепь. На магнитопроводе размещена сверхпроводниковая катушка подмагничивания, которая образована последовательно-параллельным соединением двойных галет, с целью снижения числа эффективных витков катушки. Недостатком является невозможность подбора параметров секций, при которых распределение тока между галетами в режиме токоограничения близко к однородному. Невыполнение этого условия может привести к перегрузке током некоторых отдельных галет, что при превышении током критического для сверхпроводника значения приведет к перегреву и выходу из строя галеты и всего СОТ, а следовательно, ведет к потере работоспособности либо снижению надежности и срока безотказной работы СОТ.
Целью технического решения, представленного в полезной модели СВЕРХПРОВОДНИКОВЫЙ ОГРАНИЧИТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ИНДУКТИВНОГО ТИПА С НАСЫЩЕННЫМ МАГНИТОПРОВОДОМ является сохранение работоспособности, повышение надежности и увеличение срока безотказной работы.
Поставленная цель достигается посредством выполнения обмотки катушки подмагничивания с малым числом витков, причем сама обмотка выполнена из плоского транспонированного кабеля, сформированного из большого числа лент высокотемпературного сверхпроводника. Равномерность растекания токов по лентам кабеля осуществляется за счет выбора сопротивлений отрезков нормального проводника, подсоединенных последовательно к каждой ленте, при помощи которых выполнены контактные соединения для включения обмотки в цепь постоянного тока; что обеспечивает эффективное намагничивание даже при малом числе витков в катушке. Сама катушка подмагничивания размещена на ферромагнитном магнитопроводе, на котором также находятся обмотки переменного тока, включенные в защищаемую электрическую цепь.
На фиг. 1 представлена принципиальная схема устройства.
Здесь на магнитопроводе из ферромагнитного материала (1) размещена обмотка переменного тока (2), включенная в защищаемую электрическую цепь, и сверхпроводниковая катушка подмагничивания (3), включенная в цепь постоянного тока - источник (4).
На фиг. 2 представлена схема обмотки катушки подмагничивания.
i
Она выполнена из плоского транспонированного кабеля, сформированного из большого числа лент высокотемпературного сверхпроводника (5), а сама обмотка включена в цепь постоянного тока при помощи отрезков нормального проводника (6), подсоединенных последовательно к каждой ленте, сопротивления R которых выбраны так, что растекание токов по лентам равномерно.
Устройство работает следующим образом.
i
Магнитопровод (1) переводится в насыщение за счет поля катушки подмагничивания (3), питаемой постоянным током источника (4). Несмотря на малое число витков плоского транспонированного кабеля в катушке подмагничивания (3) (по сравнению с числом витков в обмотке переменного тока (2)), необходимая для насыщения величина ампер-витков достигается за счет большого числа ВТСП лент (5) кабеля, поскольку равномерное растекание токов по лентам кабеля (5) осуществляется за счет включения катушки (3) в цепь постоянного тока при помощи отрезков нормального проводника (6), подсоединенных последовательно к каждой ленте (5), и выбора значений сопротивлений отрезков R. Такое выполнение катушки подмагничивания (3) обеспечивает равномерность растекания токов по лентам кабеля (5) и в случае наведения на катушке (3) переменных напряжений.
При протекании рабочего тока по обмотке переменного тока (2) насыщение сохраняется, индуктивность насыщенной обмотки переменного тока (2) мала, и результирующее падение напряжения на ней оказывается достаточно малым, что почти не влияет на электрическую цепь. При этом использование разветвленного магнитопровода (1) и разделенной обмотки переменного тока (2) позволяет существенно уменьшить переменный магнитный поток (в идеальном случае - до нуля) в области катушки подмагничивания (3) и напряжение на ней.
В режиме токоограничения магнитопровод (1) периодически выходит из состояния насыщения, и результирующая высокая индуктивность обмотки переменного тока (2) ограничивает аварийный ток. Теперь переменное напряжение и ток в катушке подмагничивания (3) наводятся за счет трансформации переменного тока, однако, величина напряжения оказывается небольшой за счет малого числа витков плоского транспонированного кабеля в катушке подмагничивания (3).
Отсутствие высоких переменных напряжений и токов, наводимых на катушке подмагничивания за счет трансформации переменного тока, дает возможность осуществления многократного токоограничения, то есть обеспечивает сохранение работоспособности, повышение надежности и увеличение срока безотказной работы СОТ.
Дополнительным преимуществом является упрощение конструкции, исключающей повитковое изготовление галет, уменьшение требуемого количества изоляционных материалов, приводящее к улучшению условий охлаждения.
Источники информации, принятые во внимание.
1. Smedley, Keyue; Abramovitz, Alexander. (University of California, Irvine). 2011. Development of Fault Current Controller Technology. California Energy Commission. Publication number: CEC-500-2013-134.
2. Y. Xin, H. Hong, J.Z. Wang, W.Z. Gong, J.Y. Zhang, A.L. Ren, M.R. Zi, Z.Q. Xiong, D.J. Si, F. Ye, "Performance of the 35 kV/90 MVA SFCL in Live-Grid Fault Current Limiting Teasts", IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol. 21, No. 3, June 2011.
3. Cuixia Zhao, Shuhong Wang, Jian GuoZhu, Youguang Guo, Weizhi Gong, Zhengjian Cao, "Transient Simulation and Analysis for Saturated Core High Temperature Superconducting Fault Current Limiter", IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 43, No. 4, April 2007.
4. Jing-Yin Zhang, Wei-Zhi Gong, Zheng-Jian Cao, Hui Hong, Bo Tian, Yang Wang, Jian-Zhong Wang, Xiao-Ye Niu, and Ying Xin, "Fabrication of HTS dc Bias Coil for 35 kV/90MVA SFCL", Journal of Electronic Science and Technology of China, Vol. 6, No. 2, June 2008
5. Hui Hong, Zhengjian Cao, Jingyin Zhang, Xiaoming Hu, Jianzhong Wang, Xiaoye Niu, Bo Tian, Yang Wang, Weizhi Gong, Ying Xin, "DC Magnetization System for a 35 kV/90 MVA Superconducting Saturated Iron-Core Fault Current Limiter", IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol. 21, No. 3, June 2011.
6. Xiaoye Niu, Weizhi Gong, Bo Tian, Yuwei Sun, Jingxin Zhang, Jibin Cui, Hui Hong, Ying Xin, "Manufacture and test of the dc superconducting coil for a 220kV/300MVA SFCL", Physics Procedia, Vol. 27, (2012).