Сверхпроводящий ограничитель токов

Сверхпроводящий ограничитель токов энергосистемы содержит сверхпроводящий резистор, основной быстродействующий выключатель, включенный последовательно, датчик тока последовательной цепи, датчик напряжения на сверхпроводящем резисторе и систему управления, соответствующими входами подключенную к выходам датчиков тока и напряжения, а выходом соединенную с управляющим входом выключателя. При этом он снабжен двумя дополнительными быстродействующими выключателями и тремя медленно действующими выключателями, причем выключатели выполнены с блок-контактами, а сверхпроводящий резистор снабжен датчиком тока. Первый дополнительный быстродействующий выключатель установлен параллельно сверхпроводящему резистору. Второй дополнительный быстродействующий выключатель установлен последовательно со сверхпроводящим резистором между его выводом и выводом первого дополнительного быстродействующего выключателя. Два медленно действующих выключателя установлены последовательно по обе стороны сверхпроводящего резистора соответственно между его выводами и выводами дополнительного быстродействующего выключателя, а третий медленно действующий выключатель шунтирует дополнительный быстродействующий выключатель. Система управления имеет дополнительные входы, подключенные соответственно к выходам датчика тока сверхпроводящего резистора и блок-контактам выключателей ограничителя и энергосистемы, и дополнительный выход, соединенный с управляющим входом дополнительного выключателя, а также дополнительные входы, связанные с блок-контактами медленно действующих выключателей, и дополнительные выходы, соединенные с их управляющими входами. Параллельно основной последовательной цепи установлена дополнительная последовательная цепь из сверхпроводящего резистора, быстродействующего выключателя и датчика тока.

Предложение относится к области электротехники, в частности, к сверхпроводящим ограничителям токов (СОТ), в частности коротких замыканий в энергосистемах.

Известны сверхпроводящие ограничители токов, решающие задачу ограничения количества сверхпроводника - патент Японии 236055 (Н02Н 9/02, H01F 36/100, H01L 39/16, опубликован 13.09.2007) и патент РФ 2321131 (БИ 9, 2008 г.). Однако эти ограничители не обеспечивают надежное энергоснабжение, поскольку не различают аварийных и коммутационных режимов в энергосистеме.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является сверхпроводящий ограничитель токов по патенту Германии 4030413 (Н02Н 9/02, опубликован 25.04.1991 г.), принятый в качестве прототипа. Он содержит ВТСП - сверхпроводящий резистор и последовательно подсоединенный к нему быстродействующий выключатель, который отключает ток в первом нуле переменного тока. Сигнал для запуска выключателя формируется системой управления при повышении напряжения на ВТСП в момент его перехода из сверхпроводящего состояния в нормальное проводящее состояние.

Недостатком этого устройства является большой объем сверхпроводника (СП), а также то, что выбранный объем СП и мощность тепловыделения по режиму полупериодного ограничения трехфазного тока КЗ (0,01 с) существенно ниже нормальных коммутационных режимов с меньшими амплитудами тока, но с большей их длительностью (0,1-0,5 с), например, включение холостого трансформатора или заторможенного двигателя при пуске и в цикле АПВ. Причем в указанных коммутационных режимах недопустимо отключение выключателя из-за перерыва энергоснабжения.

Технической задачей полезной модели является создание устройства, обеспечивающего ограничение объема сверхпроводника и мощности тепловыделения, а также его защиты от перегрузочных режимов.

Технический результат, достигаемый в полезной модели, заключается в повышении надежности энергоснабжения.

Поставленная задача решается благодаря тому, что сверхпроводящий ограничитель токов энергосистемы, содержащий сверхпроводящий резистор, основной быстродействующий выключатель, включенный последовательно, датчик тока последовательной цепи, датчик напряжения на сверхпроводящем резисторе и систему управления, соответствующими входами подключенную к выходам датчиков тока и напряжения, а выходом соединенную с управляющим входом выключателя, снабжен двумя дополнительными быстродействующими выключателями и тремя медленно действующими выключателями, причем выключатели выполнены с блок-контактами, а сверхпроводящий резистор снабжен датчиком тока. Первый дополнительный быстродействующий выключатель установлен параллельно сверхпроводящему резистору. Второй дополнительный быстродействующий выключатель установлен последовательно со сверхпроводящим резистором между его выводом и выводом первого дополнительного быстродействующего выключателя. Два медленно действующих выключателя установлены последовательно по обе стороны сверхпроводящего резистора соответственно между его выводами и выводами дополнительного быстродействующего выключателя, а третий медленно действующий выключатель шунтирует дополнительный быстродействующий выключатель. Система управления имеет дополнительные входы, подключенные соответственно к выходам датчика тока сверхпроводящего резистора и блок-контактам выключателей ограничителя и энергосистемы, и дополнительный выход соединенный с управляющим входом дополнительного выключателя, а также дополнительные входы, связанные с блок-контактами медленно действующих выключателей, и дополнительные выходы, соединенные с их управляющими входами. Параллельно основной последовательной цепи установлена дополнительная последовательная цепь из сверхпроводящего резистора, быстродействующего выключателя и датчика тока.

В сверхпроводящем ограничителе тока используется высокотемпературный сверхпроводник (ВТСП лента 2-го поколения), ограничивающий ток за счет сильной нелинейности вольтамперной характеристики (ВАХ) его сопротивления при переходе из сверхпроводящего в нормальное состояние.

Сверхпроводящий ограничитель токов содержит параллельно соединенные ВТСП ленты, длина которых пропорциональна рабочему напряжению и уровню токоограничения, а число параллельно соединенных лент пропорционально рабочему току и аварийному сверхтоку. ВТСП ленты образуют модуль, состоящий из элементов, размещенных в криостате с жидким азотом. Параллельно выводам криостата и модулю ВТСП обычно подключен конденсатор.

Это достигается за счет применения в сверхпроводящем ограничителе тока, содержащем последовательно соединенные сверхпроводящий резистор и основной выключатель, дополнительного выключателя, шунтирующего СП, а также применения интеллектуальной (программируемой) системы управления, воздействующей на оба выключателя и различающей аварийные и коммутационные режимы таким образом, чтобы в аварийных режимах основной выключатель отключался спустя 0,01 с после протекания полуволны тока КЗ (при этом дополнительный выключатель разомкнут), а в коммутационных режимах наоборот основной выключатель остается замкнутым, а дополнительный выключатель замыкается на время коммутационного режима с длительностью 0,1 с.

Сущность предложенного технического решения поясняется чертежами и иллюстрациями, где

на фиг.1 приведена схема предлагаемого сверхпроводящего ограничителя токов,

на фиг.2 и 3 приведены соответственно стилизованная ВАХ сверхпроводящего резистора и зависимость его сопротивления от температуры,

на фиг.4 приведена динамическая зависимость температуры сверхпроводника от тока,

на фиг.5 и 6 приведены схемы реализации СОТ, направленные соответственно на защиту сверхпроводящего резистора от перегрузки и перегрева.

Устройство содержит сверхпроводящий резистор 1, конденсатор 2, выключатели 3 и 4, сопротивление 5, ЭДС 6, систему управления 7, датчики тока 8 и 9, датчик напряжения 10, входы-выходы системы управления 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 и 18, медленно действующие коммутационные аппараты 19, 20 и 21, быстродействующий выключатель 22, сверхпроводящий резистор 23, датчик тока 24 и быстродействующий выключатель 25.

Устройство работает следующим образом: сверхпроводящий резистор 1 в криостате, в частном случае с параллельно включенным конденсатором 2, зашунтирован быстродействующим выключателем 3 и соединен последовательно с основным выключателем 4 и сопротивлением 5 и ЭДС 6 энергосистемы. Система управления 7 подключена к датчикам тока 8, 9 последовательной цепи из сверхпроводящего резистора и датчика напряжения 10 соответственно входами 11, 12 и 13. Входы 14, 15 и 16 системы управления подключены к блок-контактам соответственно выключателей 3, 4, а также выключателей энергосистемы для определения ее режима. Выходы 17 и 18 системы управления 7 подключены к управляющим входам выключателей 3, 4.

Режимы энергосистемы отображены в правой части фиг.1: I - близкое КЗ, II - удаленное КЗ, III - включение холостого трансформатора, IV - включение заторможенного двигателя.

Сплошные линии соответствуют силовым цепям; редкий пунктир - цепи измерения, частый пунктир - цепи управления.

Работа устройства фиг.1 состоит в следующем. В исходном режиме выключатель 3 разомкнут, 4 замкнут. Рабочий ток протекает через сверхпроводящий резистор, имеющий в этом режиме (участок «а» на фиг.2) нулевое сопротивление. При возникновении режимов I или II (близкие и дальние КЗ) ток резко возрастает и после превышения значения критического тока (Iкр) резко возрастает сопротивление сверхпроводникового резистора, ограничивая ток КЗ (участок «b» фиг.2). По сигналам тока и напряжения на входах 11, 12 и 13 (от датчиков 8, 9 и 10) после достижения точки критической температуры (Ткр) (фиг.2) выключатель 3 блокируется в разомкнутом состоянии, а выключатель 4 размыкается при первом переходе тока через нуль.

В коммутационных режимах III, IV при поступлении на вход 16 системы управления 7 сигнала выключатель 4 блокируется во включенном состоянии, так как недопустим перерыв энергоснабжения.

Если в указанных режимах ток от датчиков 8, 9 превышает значение I_кр (см. фиг.2) и мощность тепловыделения (~Т) достигает предельной температуры (Т_пр), то система управления подает сигнал готовности, а затем замыкает контакты выключателя 3, если II_пр, а ТТ_пр. После этого ток протекает, минуя сверхпроводящий резистор. Момент достижения точки Тпр определяется уставкой времени, которую задает система управления в соответствии с зависимостями фиг.3 и фиг.4.

Следует отметить, что КЗ сопровождается большим уровнем сверхтоков, но меньшей длительности (порядка 0,1 с) в то время как коммутационные режимы с холостыми трансформаторами и заторможенными двигателями соответствуют меньшим токам, но с большой длительностью (порядка 1-100 с).

При этом из-за малой постоянной времени нагрева сверхпроводника коммутационные режимы могут стать расчетными для выбора его объема и установленной мощности СОТ. Для облегчения СОТ и выбора его мощности по режиму протекания одной полуволны тока КЗ целесообразно использовать предлагаемое устройство. При этом снижается объем сверхпроводника и системы охлаждения, которые определяются лишь режимом КЗ. Режим длительных перегрузок по току СОТ должен быть исключен условием, что уровень перегрузки не превышает I_кр сверхпроводника.

С целью защиты сверхпроводящего ограничителя тока от перегрузки предложена схема фиг.5. Последовательно со сверхпроводящим резистором 1 по обоим его концам включены два медленно действующих коммутационных аппарата 19 и 20, а параллельно им и сверхпроводнику присоединяется медленно действующий аппарат 21.

Схема по фиг.5 работает следующим образом. При возникновении перегрузки по току (по сигналам от датчиков 8, 9) или перегреву сверхпроводника (по сигналам от датчиков 8, 9 и 10) система управления 7 выдает сигнал на замыкание быстродействующего выключателя 3 с ограниченной пропускной способностью, а затем на замыкание медленнодействующего аппарата 21, после чего в случае необходимости размыкаются контакты обоих медленнодействующих аппаратов 19 и 20. Выключатель 4 остается заблокированным. Схема находится в указанном состоянии до тех пор, пока система управления 7 не выдает сигнал на обратное переключение схемы на основании данных по температуре сверхпроводника и готовности СОТ к приему тока.

Схема предлагаемого устройства приведена на фиг.6, которая отличается от схемы фиг.1 тем, что с целью исключения перегрева сверхпроводящего резистора 1 последовательно с ним включен быстродействующий выключатель 22, а параллельно последовательной цепи из сверхпроводящего резистора 1, датчика тока 9 и выключателя 22 присоединен аналогичный блок из сверхпроводящего резистора 23, датчика тока 24 и быстродействующего выключателя 25.

Схема по фиг.6 работает следующим образом. В исходном состоянии выключатели 22 и 4 замкнуты, выключатели 3 и 25 разомкнуты. При возникновении перегрузки (от датчика 9) или перегрева сверхпроводника (от датчиков 9 и 10) система управления 7 выдает сигнал на замыкание выключателя 25. Если затем на СП 23 возникает перегрузка (от датчика 24) или перегрев сверхпроводника 23 (от датчиков 24 и 10), то система управления 7 замыкает выключатель 3, а затем отключает выключатель 25. Выключатель 4 остается заблокированным. Схема возвращается в исходное состояние после получения сигналов от датчиков 24, 9 и 10 на основании данных в системе управления 7 по температуре сверхпроводника и готовности СОТ к приему тока.

Технический результат предлагаемого устройства в эксплуатации определяется снижением объема сверхпроводника и стоимости устройства при сохранении его надежности в эксплуатации.

Предлагаемая полезная модель позволяет исключить режимы перегрузок из числа расчетных для выбора объема сверхпроводника.

Применение предлагаемого устройства позволит снизить стоимость сверхпроводящего ограничителя тока и применить указанные устройства на распределительных подстанциях в системах энергоснабжения.

Исходя из вышеизложенного, задача создания устройства, позволяющего снизить объем сверхпроводника при сохранении надежности энергоснабжения, решена.

1. Сверхпроводящий ограничитель токов энергосистемы, содержащий сверхпроводящий резистор, основной быстродействующий выключатель, включенный последовательно, датчик тока последовательной цепи, датчик напряжения на сверхпроводящем резисторе и систему управления, соответствующими входами подключенную к выходам датчиков тока и напряжения, а выходом соединенную с управляющим входом выключателя, отличающийся тем, что он снабжен двумя дополнительными быстродействующими выключателями и тремя медленно действующими выключателями, причем выключатели выполнены с блок-контактами, а сверхпроводящий резистор снабжен датчиком тока, при этом первый дополнительный быстродействующий выключатель установлен параллельно сверхпроводящему резистору, а второй дополнительный быстродействующий выключатель установлен последовательно со сверхпроводящим резистором между его выводом и выводом первого дополнительного быстродействующего выключателя, причем два медленно действующих выключателя установлены последовательно по обе стороны сверхпроводящего резистора соответственно между его выводами и выводами дополнительного быстродействующего выключателя, а третий медленно действующий выключатель шунтирует дополнительный быстродействующий выключатель, при этом система управления имеет дополнительные входы, подключенные соответственно к выходам датчика тока сверхпроводящего резистора и блок-контактам выключателей ограничителя и энергосистемы, и дополнительный выход, соединенный с управляющим входом дополнительного выключателя, а также дополнительные входы, связанные с блок-контактами медленно действующих выключателей, и дополнительные выходы, соединенные с их управляющими входами.

2. Сверхпроводящий ограничитель токов по п.1, отличающийся тем, что он снабжен установленной параллельно основной последовательной цепи дополнительной последовательной цепью из сверхпроводящего резистора, быстродействующего выключателя и датчика тока.