Сверхпроводящий ограничитель тока
Сверхпроводящий ограничитель тока относится к области электротехники и предназначен для защиты потребителей от токов короткого замыкания в сетях постоянного и переменного тока среднего и высокого напряжения. В изоляционном каркасе, состоящем из наружного кольца и двух центральных труб, скрепленных изоляционными ребрами с пазами, в которых размещена изоляционная лента из материала с высокой теплоемкостью и теплопроводностью, к внутренней стороне которой с помощью теплопроводящего препрега приклеена подложкой лента высокотемпературного сверхпроводника. В осевом направлении лента ограничена изоляционной крышкой, аналогичной изоляционному каркасу, но без пазов. Крайние наружные части изоляционной ленты ограничены в радиальном направлении дополнительными вставками.
Полезная модель относится к области электротехники, а конкретнее - к силовым ограничителям тока и предназначена для защиты электрооборудования от токов короткого замыкания (КЗ), в том числе, в режимах повторного автоматического включения (АПВ) в сетях среднего и высокого напряжения постоянного и переменного тока. Такие устройства существенно ограничивают ток КЗ за счет быстрого, за время около 1 мс, ввода в сеть большого активного сопротивления при этом облегчая работу выключателей по полному прерыванию тока на объекте.
В современных сверхпроводящих ограничителях тока (СОТ) короткого замыкания в качестве активного элемента используются высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) при температуре, близкой к температуре жидкого азота, ленточного типа с последовательными по толщине слоями: подложка, буферные слои, сверхпроводящая керамика, наружный защитный электропроводящий слой.
Наибольшее применение нашли конструкции СОТ плоского меандрового типа, дисковые со спиральной намоткой ВТСП катушки и цилиндрического типа.
Для уменьшения индуктивного сопротивления СОТ лента ВТСП в них наматывается в виде бифиляров.
Для удобства изготовления, монтажа и размещения в криостате СОТ выполняется в виде набора одинаковых модулей, соединенных в параллельные и последовательные цепи.
В конструкциях плоского типа достаточно легко обеспечить жесткое крепление лент ВТСП на изоляционном каркасе. Но существенным недостатком плоской конструкции является большое количество соединительных шин между бифилярами на плоскости, что увеличивает активные потери СОТ, усложняет сборку. Прямоугольная форма каркаса плоского СОТ плохо вписывается в цилиндрическую форму криостата.
Дисковые со спиральной бифилярной намоткой ВТСП катушки не имеют этих недостатков. В них может быть, максимум, лишь одно внутреннее соединение, так как длина ленты ВТСП одного бифиляра может достигать (10
15) м. Недостаток такой конструкции заключается в трудности обеспечения жесткости намотки ленты ВТСП и изготовления каркаса.
Предлагаемая полезная модель позволяет решить такие проблемы, как коммутацию при АПВ с быстрым восстановлением сверхпроводящих свойств после токоограничения за счет максимальной открытости в каркасе ленты СП для жидкого азота; уменьшение индуктивности, повышение жесткости за счет компенсации пондеромоторных сил в наружных витках спирали лент и приклейке подложки лент к каркасу.
Известен резистивный ограничитель тока короткого замыкания с бифилярными катушками, навитыми из ленты высокотемпературного сверхпроводника (патент US 6,275,365 В1, кл. 361/19, МПК кл. Н02Н 7/00, опубл. 14.08.2001) [1], в котором бифилярные катушки с изоляционными прокладками между ними намотаны спирально на трубу из сверхпроводника и стянуты концевыми пластинами с электрическими выводами наверху. На каждой катушке две ветви соединены около трубы в петлю, образуя бифиляр. Лента ВТСП вместе с изоляционной лентой может наматываться спирально в один, два или три слоя, образуя параллельные бифиляры. Такая конструкция компактна и достаточно жестка, но плохо открыта для охлаждения кипящим азотом при токоограничении и, следовательно, медленно восстанавливает сверхпроводящее состояние. В такой конструкции время восстановления может составлять несколько десятков секунд, что неприемлемо для режимов АПВ.
Известен сверхпроводящий ограничитель тока резистивного типа с поддерживающим элементом (заявка US 2009/0264294 A1, кл. 505/210, МПК кл. H01L 39/16, Н02Н 9/02, опубл. 22.10.2009) [2], в котором ВТСП лента спирально намотана на изоляционный каркас. Каркас состоит из гладкой ленты, к которой приклеена синтетической смолой гофрированная лента с углублениями с равным шагом по длине ленты. Лента ВТСП приклеена, или припаяна или приварена к углублениям. Углубления имеют большую ширину, чем ширина ВТСП ленты и фиксируют ее в осевом направлении от пондеромоторных сил. Бифиляр ленты образован за счет скрепления внутренних концов защитного слоя ВТСП ленты, так что ее подложка расположена на внешней стороне навивки, обеспечивая сжатое состояние слоя сверхпроводника. Существенными недостатками такой конструкции являются: сложность и ненадежность изготовления изоляционного каркаса и закрепления ленты на нем с многочисленными плохо контролируемыми точками крепления; значительная часть поверхности ленты закрыта для контакта с жидким азотом, что ухудшает условия охлаждения ленты после токограничения и препятствует выполнению операции АПВ; делает конструкцию недостаточно жесткой и надежной.
Наиболее близким к предлагаемому решению является резистивное сверхпроводящее токоограничивающее устройство с бифилярной намотанной катушкой из высокотемпературных ленточных проводников и витым разделителем (заявка US 2009/0286685 A1; Кл. 505/210, МПК Кл H01L 39/02; H01F 27/30; опубл. 19.11.2009) [3], в котором ленты смежных витков разделены массивными разделительными элементами, закрепленными на гладкой поддерживающей изоляционной ленте с равными промежутками вдоль длины ленты с образованием полостей для прохода жидкого азота. Разделительные элементы выполнены из керамики с хорошей теплопроводностью, например, из Al 2O3 и прикреплены к поддерживающей ленте и ленте ВТСП механически, припаяны или приварены. Такая конструкция СОТ плохо противостоит пондеромоторным силам в крайних витках, особенно при ограничении тока. Участки лент, соприкасающиеся с жидким азотом и разделительными элементами, имеют разный отвод тепла, что может вызвать существование перегретых точек по длине ленты, особенно в зонах контакта с жидким азотом при образовании паровой пленки, препятствующей пузырьковому кипению в процессе токоограничения. Недостатком конструкции является сложность и ненадежность изготовления изоляционного каркаса и закрепления ленты на нем с многочисленными плохо контролируемыми точками крепления; значительная часть поверхности ленты закрыта для контакта с жидким азотом, что ухудшает условия охлаждения ленты после токограничения и увеличивает время операции АПВ. Поскольку предполагается заранее изготавливать такой изоляционный каркас, трудно будет навивать жесткий спиральный бифиляр, особенно - первые внутренние витки.
Целью предлагаемой полезной модели является устранение указанных недостатков прототипа, а именно: быстрое восстановление сверхпроводящих свойств после токоограничения за счет максимальной открытости в каркасе ленты СП для жидкого азота; более равномерный нагрев ленты при токоограничении; уменьшение индуктивности; повышение жесткости за счет компенсации радиальных пондеромоторных сил в наружных витках спирали лент и приклейке подложки лент к каркасу; облегчение намотки внутренних витков спирали за счет применения двух центров навивки; упрощение конструкции и повышение надежности за счет замены гофрированной изоляционной ленты с многочисленными точками крепления на ребристые однотипные изоляционный каркас и крышку.
Технический результат, достигаемый в устройстве, заключается в ускорении восстановления сверхпроводимости СОТ после операции токоограничения для удовлетворения требований АПВ, упрощении изготовления СОТ, повышении его жесткости и надежности.
Поставленная задача решается благодаря тому, что сверхпроводящий ограничитель тока, содержит корпус из изоляционного материала; ленту ВТСП, образующую спиральный бифиляр с наружным расположением подложки. Изоляционный корпус выполнен из наружного кольца и двух симметрично расположенных относительно него труб. Кольцо и трубы скреплены ребрами с пазами. В пазах размещена изоляционная лента, к внутренней стороне которой с помощью теплопроводящего препрега приклеена подложкой лента сверхпроводника. К корпусу изоляционного каркаса соосно с ним со стороны пазов прижата изоляционная крышка с цельными ребрами, наружным кольцом и двумя цилиндрами в центре аналогично корпусу изоляционного каркаса Крайние наружные части изоляционной ленты ограничены в радиальном направлении дополнительными изоляционными вставками.
Конструкция предлагаемого токоограничителя поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 приведен поперечный разрез;
на фиг. 2 показан вид в плане без крышки;
на фиг. 3 дан вид в плане на корпус изоляционного каркаса;
на фиг. 4 показан подробно узел А на фиг. 1.
На фиг. 4 через t1 , t2, t3 обозначены шаги между пазами ребер; 
-радиальный размер паза.
Сверхпроводящий ограничитель тока содержит:
1 - крышка;
2 - корпус изоляционного каркаса;
3 - лента сверхпроводника;
4 - изоляционная лента;
5 - препрег;
6 - гибкий токоподвод;
7 - подсоединительная шина;
8 - наружное кольцо;
9 - труба;
10 - ребро;
11 - ребро;
12 - ребро;
13 - паз;
14 - планка;
15 - вставка;
16 - болт;
17 - изоляционная трубка;
18 - изоляционная шпилька.
Сверхпроводящий ограничитель тока содержит крышку 1, корпус изоляционного каркаса 2, соосного крышке, ленты ВТСП 3, наклеенную своей подложкой на изоляционную ленту 4 (фиг. 4) с помощью препрега 5, гибкого токоподвода 6 (фиг. 2), подсоединительной шины 7. Корпус изоляционного каркаса 2 состоит (фиг. 3): из наружного кольца 8; двух труб 9; трех разных по длине однотипных ребер 10, 11, 12, имеющих пазы 13(фиг. 2 и 3) и скрепленных с кольцом 8, с трубами 9 и планкой 14; двух вставок 15, размещенных в крайних внешних пазах ребер.
Крышка 1 аналогична корпусу изоляционного каркаса 2 за исключением пазов 13 и вставок 15. Крышка и корпус изоляционного каркаса стянуты болтами 16. Изоляционные трубки 17 и изоляционные шпильки 18 служат для соединения модулей СОТ в единую соосную конструкцию, помещаемую в криостат. Гибкие токоподводы 6 вместе с подсоединительными шинами 7 закреплены на наружном кольце 8 и служат для соединения модулей в параллельные и последовательные цепи СОТ.
Изоляционные шпильки 18 могут быть использованы при намотке ленты ВТСП 3 с изоляционной лентой 4 в бифиляр вокруг труб 9 как центров намотки.
Препрег изготовлен на основе синтетических смол с микрокристаллическим наполнителем высокой теплопроводности, например из технического алмаза, Al2O3 и др. Толщина препрега может быть выбрана от 50 до 200 мкм в зависимости от необходимости получения нужной жесткости конструкции бифиляра: меньшая толщина предпочтительна для предварительной склейки изоляционной и сверхпроводящей лент с последующей намоткой бифиляра, большая толщина может быть выбрана при склейке в собранном на изоляционном каркасе виде. Для компенсации усилий от пондеромоторных сил наружные участки лент крепятся к вставкам 15 либо механически, либо приклеиванием. Токоподводы 6 сделаны гибкими для возможности намотки бифиляра с определенным натягом. Пазы 13 в планках целесообразно выполнить с возрастающим от труб к периферии шагом (фиг 4, t 3>t2>t1) для уменьшения разности от пондеромоторных сил смежных лент разной кривизны и выдерживания изоляционного расстояния между выходными участками ленты в нормальном состоянии. Соединение половин лент ВТСП в бифиляр между трубами 9 производится пайкой и/или механически для однонаправленности наружу подложки.
Устройство работает следующим образом.
При прохождении номинального тока ниже критического, составляющего для лент ВТСП 250-300А, СОТ имеет небольшое активное сопротивление, порядка десятков микроом от медных шин и индуктивное сопротивление порядка сотен микроом. При превышении током критической величины с началом короткого замыкания сопротивление ленты за сотни микросекунд увеличивается до нескольких Ом и продолжает расти по мере ее нагревания от проходящего тока, чем и определяется назначение СОТ по ограничению тока КЗ.
После окончания режима токоограничения начинается процесс остывания ленты при кипении жидкого азота. После остывания ленты до примерно 90° К она практически восстанавливает свои сверхпроводящие свойства, после чего может снова пропускать номинальный ток. Для выполнения АПВ остывание ленты должно произойти за 2-3 с.
Во время короткого замыкания при токе в 1000А и расстоянии между лентами (радиальный размер паза) в 4 мм на ленты в бифиляре действуют пондеромоторные отталкивающие силы около 50 н/м. Вообще, эти силы обратно-пропорциональны расстоянию между смежными лентами.
Действие этих сил на ленты внутри каркаса уравновешены; но их полное усилие приходится на крайние отрезки лент в районе вставок 15, которые и компенсируют эти неуравновешенные силы.
Как видно из конструкции и описания, лента ВТСП со стороны защитного слоя почти полностью открыта для омывания жидким азотом за исключением небольшого пространства на толщину ребер. Выполнение изоляционной ленты и препрега с использованием материалов с высокой теплопроводностью улучшает теплоотдачу и со стороны подложки, что позволяет восстанавливать сверхпроводимость СОТ за несколько секунд и выполнять операцию АПВ. В то же время обеспечивается достаточная жесткость установки бифиляра в изоляционном каркасе. Для серийного производства изоляционный каркас может изготавливаться прессованием из подходящих материалов.
При испытаниях макета модуля на 10 кВ и ток 1000 А время охлаждения за время тока КЗ в 8 мс оказалось не более 1,5 с, что было всего на (1015)% больше, чем у эквивалентного по параметрам и нагрузке модуля плоско-решетчатой конструкции, а поперечные размеры испытанного модуля были на (2030)% меньше, количество шинных соединений оказалось меньше в десятки раз. В результате в модуле СОТ на высокие напряжения предложенной конструкции по сравнению с плоско-решетчатой конструкцией активные потери и габариты криостата будут существенно меньше.
Используемые источники информации при составлении заявки
1. Патент US 6,275,365 В1, кл. 361/19, МПК кл. Н02Н 7/00, опубл. 14.08.2001.
2. Заявка US 2009/0264294 A1, кл. 505/210, МПК кл. H01L 39/16, Н02Н 9/02, опубл. 22.10.2009.
3. заявка US 2009/0286685 A1; Кл. 505/210, МПК Кл H01L 39/02; H01F 27/30; опубл. 19.11.2009.
1. Сверхпроводящий ограничитель тока, содержащий корпус из изоляционного материала, ленту сверхпроводника, образующего спиральный бифиляр с наружным расположением подложки, отличающийся тем, что корпус изоляционного каркаса выполнен из наружного кольца и двух симметрично расположенных относительно него труб, при этом указанные кольцо и трубы скреплены ребрами с пазами, в которых размещена изоляционная лента, к внутренней стороне которой с помощью препрега приклеена подложкой лента сверхпроводника, кроме того к корпусу изоляционного каркаса соосно с ним со стороны пазов прижата изоляционная крышка с цельными ребрами, наружным кольцом и двумя цилиндрами в центре, аналогичные корпусу изоляционного каркаса, при этом крайние наружные части изоляционной ленты ограничены в радиальном направлении дополнительными изоляционными вставками.
2. Сверхпроводящий ограничитель тока по п. 1, отличающийся
тем, что пазы в ребрах выполнены с возрастающим шагом от центра намотки к периферии.
3. Сверхпроводящий ограничитель тока по п. 1, отличающийся тем, что препрег выполнен из материала на основе синтетических смол с микрокристаллическим наполнителем с высокой теплопроводностью.
