Однофазный сверхпроводящий токоограничивающий реактор
Использование: в электроэнергетике, преимущественно в качестве регулируемого сопротивления. Сущность полезной модели: однофазный сверхпроводящий токоограничивающий реактор содержит магнитопровод и две обмотки: рабочую обмотку, подключенную к линии и сверхпроводящую короткозамкнутую обмотку или кольца. В номинальном режиме работы импеданс однофазного сверхпроводящего токоограничивающего реактора является импедансом короткозамкнутого трансформатора и должен иметь минимальное значение. При возникновении короткого замыкания в линии ток в первичной обмотке возрастает, что вызывает рост тока в короткозамкнутой сверхпроводящей вторичной обмотке или кольце, происходит переход сверхпроводящих элементов в нормальное состояние. При этом импеданс принимает значение импеданса трансформатора в режиме холостого хода, за счет чего и происходит ограничение тока короткого замыкания в защищаемой цепи. Технический результат достигается разбиением обмоток на группы чередующихся обмоток: рабочая обмотка, короткозамкнутая сверхпроводящая обмотка (кольцо), рабочая обмотка. Максимум снижения импеданса однофазного сверхпроводящего токоограничивающего реактора достигается уже при числе обмоток, большем или равном 4.
Предлагаемое техническое решение относится к области электротехники и электроэнергетики и может быть использовано в качестве регулируемого реактивного сопротивления.
Известен управляемый реактор с ферромагнитным сердечником, индуктивное сопротивление которого регулируется за счет насыщения сердечника путем изменения постоянной составляющей магнитного потока /1/.
К недостаткам относятся сильное насыщение магнитопровода и, как следствие, высшие гармонические составляющие. Кроме того, имеется обмотка управления постоянного тока, значит, присутствует постоянная составляющая магнитного потока.
Известен реактор, ферромагнитный сердечник которого самонасыщается переменным магнитным полем (пульсирующим /2/ или вращающимся /3/) при номинальном напряжении.
К недостаткам относятся насыщение магнитопровода, наличие высших гармоник, а также сложность конструкции самого реактора.
Известен реактор, управляемый тиристорами (магнитно-вентильный реактор), индуктивное сопротивление которого меняется с помощью тиристоров за счет протекающего тока /4/. Автономный источник постоянного тока не нужен, так как его роль выполняют фазоуправляемые тиристоры, подключенные к отводам от рабочей обмотки.
К недостаткам относятся сложность конструкции самого реактора, а также возникновение высших гармоник в процессе регулирования.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявленному техническому решению является сверхпроводящий ограничитель тока /5/. Сверхпроводящий ограничитель тока содержит магнитопровод и две концентрических обмотки: рабочую обмотку, подключенную к сети и сверхпроводящую короткозамкнутую обмотку или кольцо, или, например, медную обмотку, замкнутую на сверхпроводящий элемент. При работе в номинальном режиме вторичная обмотка, находящаяся в сверхпроводящем состоянии, экранирует рабочую обмотку с ограничиваемым током. Во время короткого
замыкания происходит переход вторичной обмотки в нормальное состояние, из-за чего резко возрастает ее индуктивность, и, как следствие, происходит ограничение тока короткого замыкания. Магнитопровод служит для дополнительного увеличения индуктивности сверхпроводящего ограничителя тока в режиме ограничения тока короткого замыкания.
Необходимо отметить, что практической реализации сверхпроводящего ограничителя тока препятствует сложность изготовления массивных элементов больших размеров из высокотемпературной сверхпроводящей керамики и их хрупкость.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является компенсация избыточной зарядной мощности ЛЭП и повышение их пропускной способности, ограничение коммутационных перенапряжений, ограничение токов короткого замыкания, уменьшение колебаний напряжения.
Техническим результатом, достигаемым при реализации заявленного технического решения, является максимальное снижение импеданса (полного сопротивления) однофазного сверхпроводящего токоограничивающего реактора в номинальном режиме.
Указанный технический результат достигается тем, что в однофазном сверхпроводящем токоограничивающем реакторе, содержащем магнитопровод, рабочую обмотку, сверхпроводящую короткозамкнутую обмотку, при этом его обмотка выполнена в виде чередующихся групп обмоток, число которых больше или равно 4, а каждая группа содержит две рабочих обмотки и расположенную между ними сверхпроводящую короткозамкнутую обмотку.
Такое выполнение однофазного сверхпроводящего токоограничивающего реактора позволяет достичь максимально возможного снижения импеданса за счет организации групп чередующихся обмоток уже при числе групп, большем или равном 4.
На чертеже (фиг.1) приведена схема предполагаемого однофазного сверхпроводящего токоограничивающего реактора. На фиг.2 и 3 показаны зависимости индуктивного сопротивления от количества групп чередующихся обмоток для их различных геометрических параметров. Предлагаемый реактор состоит из магнитопровода (1) и групп чередующихся обмоток (рабочая обмотка
(2), короткозамкнутая сверхпроводящая обмотка или кольцо (3), рабочая обмотка (2)). На фиг.1 показано N групп обмоток на одном магнитопроводе.
Устройство работает следующим образом. В номинальном режиме работы импеданс однофазного сверхпроводящего токоограничивающего реактора (Z k=rk+jxk) является импедансом короткозамкнутого трансформатора. Электрическое сопротивление рабочей обмотки определяется из равенства 
, где 
- удельное сопротивление материала, I - длина проводника, S -площадь его поперечного сечения. Принцип минимизации r - очевиден. Индуктивное сопротивление однофазного сверхпроводящего реактора определяется по формуле:
Проинтегрировав (1), получим формулу для X k
где w - суммарное число витков обмоток реактора, h - высота окна магнитопровода, f - частота сети,
Фиг.2 и 3 описывают влияние геометрических параметров на величину Xk, из которых видно, что геометрические параметры 
и 
слабо влияют на величину Xk (кроме D, которое определяется диаметром стержня магнитопровода). Максимум снижения хk однофазного сверхпроводящего токоограничивающего реактора достигается уже при числе групп, равном 4.
При возникновении короткого замыкания в линии ток в рабочей обмотке возрастает, что вызывает рост тока в короткозамкнутой сверхпроводящей обмотке или кольце, и происходит переход сверхпроводящих элементов в нормальное состояние. При этом импеданс принимает значение импеданса трансформатора в режиме холостого хода, за счет чего и происходит ограничение тока короткого замыкания в защищаемой цепи.
Использование предлагаемого технического решения позволит не только снижать импеданс однофазного сверхпроводящего токоограничивающего реактора, но и улучшить технологичность и надежность работы сверхпроводящих элементов.
Литература
1. Fisher F.J., Friedlander E. DC controlled 100 MVA reactor, GEC J., 22 -1955, №2-p. 93
2. Дорожко Л.И., Либкинд М.С. Реакторы с поперечным подмагничиванием - М., Энергия, 1977 - 176 с.
3. Либкинд М.С. Управляемый реактор для линий передачи переменного тока. - М., Издательство АН СССР, 1961 - 140 с.
4. Брянцев А. М., Бродский Е.Н., Леонов И.И., Мизжерин В.Н., Основные схемы преобразователей магнитно-полупроводниковых устройств регулирования реактивной мощности. Тезисы докладов IV Всесоюзной НТК "Проблемы преобразовательной техники", ч. I, Киев, 1987 с.36-38
5. W Paul, M Lakner et al Test of the 2 MVA high-Tc superconducting fault current limiter, Supercond.Sc.Technol. (1997) 914-918.
Однофазный сверхпроводящий токоограничивающий реактор, содержащий магнитопровод, рабочую обмотку, сверхпроводящую короткозамкнутую обмотку, отличающийся тем, что его обмотка выполнена в виде чередующихся групп обмоток, число которых больше или равно 4, при этом каждая группа содержит две рабочих обмотки и расположенную между ними сверхпроводящую короткозамкнутую обмотку.
