Сверхпроводниковое токоограничивающее устройство на класс напряжения до 1000 В

Область техники.
Предлагаемое сверхпроводниковое токоограничивающее устройство резистивного типа для транспортного средства относится к приборам с использованием сверхпроводимости, в частности к приборам с переключением из сверхпроводящего состояния в нормальное состояние, также его можно отнести к таким устройствам, как сверхпроводниковое токоограничивающее устройство на класс напряжения до 1000 В (1 кВ), то есть к низковольтному оборудованию.
Уровень техники.
Токоограничивающее устройство с использованием высокотемпературных сверхпроводников (далее - ВТСП-ТОУ) защищает электрическую цепь от повышенных токов, которые могут возникнуть в результате перегрузок, при повышенном напряжении сети, коротких замыканиях и других неисправностях.
Повышенные токи, в том числе, возникают в системах электропитания транспортных средств, которые работают на полностью электрических или гибридных силовых установках. Например, в цепи силовой установки транспортного средства, токи выше номинального, например, токи 2000 А и более, могут возникнуть в результате короткого замыкания в цепи, запитанной от аккумуляторной батареи.
ВТСП-ТОУ, как правило, выполнены в виде криостата, наполняемого охлаждающим компонентом, с установленными в нем токоограничивающими модулями на базе высокотемпературных сверхпроводниковых проводов (далее ВТСП-проводов), соединенных последовательно или параллельно.
В связи со спецификой реализации ВТСП-ТОУ и рассматриваемого назначения, а именно использование криогенного охлаждения для ВТСП-модулей и применение ВТСП-ТОУ в транспортных средствах, возникает проблема компоновки элементов, которые находятся под напряжением, за счет большой напряженности электрических полей внутри криостата, что увеличивает габариты устройства. Возможность воздействия вибраций, качки, смены ориентации в пространстве, что может происходить во время движения транспортного средства, требует применения ограниченного списка возможных материалов, которые позволяют сохранить необходимые прочностные характеристики криостата (сталь, композиционные материалы), как при комнатной температуре, так и при температурах жидкого азота (-196°С), в случае, если жидким азотом будет омываться вся полость криостата, в которой располагается ВТСП-ТОУ. Также в случае, если ВТСП-ТОУ используется в составе силовой установки с единой системой криогенного обеспечения, требуется его охлаждение посредством подключения к проточной магистрали подачи хладагента из общей криогенной системы.
В уровне техники большинство решений ВТСП-ТОУ рассматривают установку токоограничивающих устройств в сети на класс напряжения от среднего до ультравысокого, т.е. на напряжение более 1000 В (1 кВ).
Так в патенте JP 4000084 (H01L 39/04, 31.10.2007) раскрыто устройство сверхпроводникового ограничителя тока среднего напряжения - 6,6 кВ. Устройство состоит из последовательно соединенных прямоугольных сверхпроводниковых модулей, расположенных в криостате с жидким азотом. Охлаждение производится при помощи криорефрижератора, охлаждающего разделительную пластину. Заявлено, что описанное устройство позволяет создать компактный ограничитель тока с низким уровнем газообразования при переходе модулей из сверхпроводникового в нормальное состояние.
К недостаткам технического решения по патенту JP 4000084 можно отнести способ криогенного охлаждения, который требует криорефрижератора - достаточно тяжелого устройства, увеличивающего массогабаритные параметры всего изделия. Также для работы изделия требуется наличие газового слоя под крышкой, поскольку крышка не является утепленной. Такое исполнение исключает подключение токоограничивающего устройства к магистрали снабжения хладагентом от единой криогенной системы силовой установки транспортного средства, а также требует стационарного размещений устройства, исключающего качку или изменения ориентации в пространстве.
Подобное решение представлено в патенте JP 5060064 (H01F 6/04, 31.10.2012), в котором описывается сверхпроводниковый ограничитель токов короткого замыкания резистивного типа, состоящего из криостата с хладагентом (жидкий азот), с вмонтированными в нем сверхпроводникового токоограничивающего устройства и криорефрижератора. Описанное расположение головы криорефрижератора, погруженной в хладагент, и наличие газовой прослойки между поверхностью хладагента и крышкой криостата, обеспечивает стабильную конвекцию жидкого азота, а также создает повышенное давление внутри криостата за счет нагрева верхнего слоя газа. Таким образом, по мнению авторов, во время срабатывания токоограничивающего устройства и, следовательно, кипения хладагента повышается электрическая прочность за счет повышенного давления.
Это решение имеет существенный недостаток с точки зрения применения устройства в авиации, а именно - необходимость вертикального расположения криостата со строгой фиксацией к основанию (например, к полу), что является невозможным в воздушных судах при маневрах. В случае эксплуатации под наклоном будет либо оголяться голова криорефрижератора и, следовательно, будет конденсация паров газа и снижение давления, либо сверхпроводящая часть будет находиться в газовом пространстве при повышенной температуре и с пониженной электрической изоляцией, что приведет к невозвратному повреждению устройства.
Наиболее близким решением сверхпроводникового токоограничивающего устройства к предложенному является сверхпроводниковый ограничитель тока резистивного типа по патенту RU 2639316 (Н02Н 9/02, 21.12.2017).
В патенте RU 2639316 конструкция сверхпроводникового ограничителя тока короткого замыкания, включает в себя криостат с расположенным внутри него набором круглых сверхпроводящих модулей ограничителя тока, упомянутые модули размещаются между подводящей и отводящей шинами с образованием как механического соединения, так и электрического параллельного соединения, в котором подвод тока осуществляется к контактным выводам, расположенным на противоположных концах отводящей и подводящей шин.
Техническое решение по патенту RU 2639316 не имеет преимуществ для случая, когда значение критического тока сверхпроводникового провода больше либо равно номинальному току электрической цепи, как в предлагаемом устройстве, а значит, не требуется использовать несколько токоограничивающих модулей в параллельном соединении, как в случае, рассмотренном в RU 2639316, где номинальный ток составляет единицы килоампер и превышает критический ток одного модуля. Кроме того, техническое решение по патенту RU 2639316 не рассматривает иного компактного расположения ВТСП-провода, кроме как увеличение размеров самого токоограничивающего модуля, что повлечет за собой увеличение криостата в диаметре, увеличит механические напряжения в стенках криостата, что, в свою очередь, потребует увеличения толщины стенки и массы всего устройства.
Также в сверхпроводниковом ограничителе тока короткого замыкания по патенту RU 2639316 используется криорефрижератор, увеличивающий массу устройства, и отсутствует возможность подключения устройства в магистраль снабжения хладагентом от единой криогенной системы силовой установки. Исходя из конструкции устройства, оно также требует стационарного размещения, исключающего качку и изменение пространственной ориентации.
Вышеперечисленные недостатки известных технических решений являются технической проблемой при реализации низковольтных ВТСП-ТОУ.
Раскрытие сущности полезной модели.
Заявленная полезная модель позволяет устранить данную техническую проблему, а именно, позволяет собрать ВТСП-ТОУ для напряжений до 1 кВ с охлаждением циркуляцией хладагента от внешней криогенной системы, а также оптимизировать конструкцию токоограничивающего устройства с минимальными массогабаритными характеристиками, что позволяет использовать ВТСП-ТОУ в транспортных средствах, в частности, на воздушном транспорте.
Технический результат полезной модели заключается в уменьшении массогабаритных показателей криостата токоограничивающего устройства и в возможности работы в условиях вибрации, качки и смены ориентации в пространстве.
Указанный технический результат достигается за счет ВТСП-ТОУ резистивного типа для транспортного средства, содержащего вертикальный цилиндрический криостат с внешним и внутренним резервуарами, разделенными вакуумной полостью, при этом внутренний резервуар содержит вертикально соосно размещенные сверхпроводниковые токоограничивающие модули, последовательно соединенные токопроводящими шинами, при этом сверхпроводниковые токоограничивающие модули соединены с подводящим и отводящим токовводами, в свою очередь, эти токовводы и, по меньшей мере, один полый патрубок заполнения криогенной средой, связанный с внутренним резервуаром через вакуумную полость по тепловым развязкам.
В частных воплощениях полезной модели сверхпроводниковые токоограничивающие модули ВТСП-ТОУ выполнены в виде катушки токоограничивающего модуля с намотанным ВТСП-проводом второго поколения.
Кроме того, сверхпроводниковые токоограничивающие модули могут быть размещены соосно в горизонтальной плоскости.
В частных воплощениях криостат ВТСП-ТОУ может быть выполнен из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т.
При этом токовводы ВТСП-ТОУ представляют собой медные шины, вклеенные в тепловые развязки через стеклопластиковый изолятор.
При этом соединение каждого полого патрубка заполнения криогенной средой с внешним и внутренним резервуарами выполнено герметичным для заполнения криогенной средой внутреннего резервуара.
Краткое описание чертежей.
На фиг. 1 приведено схематическое изображение ВТСП-ТОУ в сечении.
На фиг. 2 представлено ВТСП-ТОУ в изометрической проекции.
На фиг. 3 представлен сверхпроводниковый токоограничивающий модуль.
На фиг. 4 представлена схема применения ВТСП-ТОУ в электрической и криогенной цепи летательного аппарата.
На фиг. 1-3 обозначены:
1. Цилиндрический криостат.
2. Внешний резервуар.
3. Внутренний резервуар.
4. Вакуумная полость.
5. Тепловая развязка полого патрубка заполнения криогенной средой.
6. Сверхпроводниковый токоограничивающий модуль.
7. Токопроводящая шина.
8. Подводящий токоввод.
9. Отводящий токоввод.
10. Тепловая развязка токоввода.
11. Подводящая шина.
12. Отводящая шина.
13. ВТСП-провод.
14. Катушка токоограничивающего модуля.
15. Полый патрубок заполнения криогенной средой.
ВТСП-ТОУ (фиг. 1) содержит цилиндрический криостат (1) с внешним (2) и внутренним (3) резервуарами, разделенными вакуумной полостью (4). Во внутреннем резервуаре (3) вертикально соосно размещены сверхпроводниковые токоограничивающие модули (6), выполненные в виде катушек токоограничивающего модуля (14) (фиг. 3) с намотанным ВТСП-проводом (13).
Сверхпроводниковые токоограничивающие модули (6) последовательно соединены токопроводящими шинами (7).
При малом напряжении (до 1000 В включительно) последовательное соединение сверхпроводниковых токоограничивающих модулей позволяет расположить эти модули один над другим с минимальным зазором, поскольку при срабатывании ВТСП-ТОУ напряжение между сверхпроводниковыми токоограничивающими модулями не будет превышать 200 В, что меньше минимального напряжения электрического пробоя в жидком азоте, используемом в качестве криогенной среды. Представленное в заявленной полезной модели последовательное расположение сверхпроводниковых токоограничивающих модулей (6) является наиболее компактным. При этом внутренний резервуар (3) по форме повторяет сборку сверхпроводниковых токоограничивающих модулей (6) с расстоянием от сборки до стенок резервуара в 10 мм для обеспечения электрической изоляции.
Сверхпроводниковые токоограничивающие модули (6) соединены с подводящим и отводящим токовводами (8, 9) через соответствующие подводящую (11) и отводящую (12) шины.
Токопроводящие шины (7), соединяющие сверхпроводниковые токоограничивающие модули (6) могут быть выполнены из токопроводящего материала, например, из меди.
Подводящий и отводящий токовводы (8, 9) выполнены из меди или латуни в изоляционном кожухе из стеклопластика и монтируются к внутреннему резервуару через тепловые развязки токовводов (10).
Внутренний резервуар (3) выполнен с возможностью заполнения криогенной средой из внешней криосистемы транспортного средства за счет, по меньшей мере, одного полого патрубка заполнения криогенной средой (15), который связан с внутренним резервуаром от внешнего резервуара через вакуумную полость (4) через тепловую развязку полого патрубка заполнения криогенной средой (5) (на фиг. 2 в изометрической проекции показано расположение тепловых развязок полых патрубков заполнения криогенной средой в том случае, когда их две).
Каждая тепловая развязка выполнена из тонкостенной нержавеющей трубки, в результате чего внутренний резервуар (3) весь находится при температуре жидкого азота, без газового разделительного кармана в верхней части, а внешний резервуар (2) не охлаждается до криогенных температур. Вследствие этого внутренний резервуар (3) имеет минимально возможные размеры, и устройство может стабильно работать даже при смене ориентации в пространстве.
Уменьшение внутреннего резервуара (3) позволяет уменьшить и внешние размеры криостата (1) в целом (высоту криостата и площади верхней и нижней поверхности), а вместе с ними, и напряжения в стенках криостата, а, следовательно, и толщину стенки, и суммарную массу ВТСП-ТОУ.
Внутренний резервуар (3) полностью выполнен из совместимых с криогенной средой (например, жидкий азот) материалов (например, нержавеющая сталь), и допускает полное заполнение криогенной средой без образования газовой подушки.
Полное заполнение криогенной средой внутреннего резервуара (3) становится возможным, за счет тепловых развязок (5, 10) и изготовления внутреннего резервуара (3) с применением материалов и технологий, устойчивых к воздействию криогенного охлаждения (например, нержавеющая сталь и аргонодуговая сварка).
Осуществление изобретения.
Реализованная конструкция ВТСП-ТОУ на класс напряжения до 1000 В, включает криостат, выполненный из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т, с расположенными в нем сверхпроводниковыми токоограничивающими модулями последовательно соединенными при помощи медных токопроводящих шин.
В данном воплощении каждый сверхпроводниковый токоограничивающий модуль из набора модулей выполнен для минимизации паразитной индуктивности в виде бифилярной катушки намотанной из ВТСП-провода, изготовленного в виде ленты, а в качестве материала катушки в модуле используется стеклотекстолит и вставки из нержавеющей стали (фиг.3).
Сверхпроводниковые токоограничивающие модули через подводящую и отводящую шины жестким соединением подсоединяются к подводящему и отводящему токовводам, осуществляющим подвод тока из электрической цепи.
ВТСП-ТОУ подводящим и отводящим токовводами подключено (фиг. 4) между батарейным блоком и распределительным устройством электрической силовой установки летательного аппарата.
В данном воплощении ВТСП-ТОУ имеет два полых патрубка заполнения криогенной средой, имеющих тепловую развязку внутреннего резервуара от внешнего резервуара. Внутренний резервуар ВТСП-ТОУ подсоединен через эти патрубки для ввода криогенной жидкости к трубопроводам криосистемы летательного аппарата.
Необходимая температура, обеспечивающая стабильную работу сверхпроводниковых токоограничивающих модулей и нахождение всех сверхпроводников в сверхпроводящем состоянии, обеспечивается путем подачи криогенной среды (жидкого азота) через полые патрубки заполнения криогенной средой.
Представленное решение может быть использовано для установки токоограничивающего устройства на борту летательного аппарата для повышения его надежности без значительного увеличения рабочей массы летательного аппарата, например, после аккумуляторной батареи летательного аппарата. Установка ВТСП-ТОУ, так как это показано на схеме, представленной на фиг.4, предохраняет от попадания повышенных токов в двигатель, возникающих, например, в момент коммутации аккумуляторной батареи к электродвигателю.