Сверхпроводящий ограничитель тока короткого замыкания

Полезная модель относится к области электротехники, в частности, к быстродействующим резистивным ограничителям тока и предназначена для защиты электрооборудования от токов короткого замыкания, в том числе, в режимах автоматического повторного включения в сетях среднего и высокого напряжения постоянного и переменного тока. Ограничение тока осуществляется за счет резкого возрастания сопротивления сверхпроводника при превышении критического значения тока.

Полезная модель представляет собой решетчатую конструкцию с плоским изоляционным каркасом, на продольные перемычки которого опираются подложками ленты из высокотемпературного сверхпроводника, проходящие в пазах поперечных перемычек. С одной стороны прямолинейные участки лент прижаты к одному краю соединительными шинами жестко, с другой стороны - прижаты к подвижным вставкам, подпружиненным относительно другого края каркаса, обеспечивая натяжение лент при всех режимах работы ограничителя. Прижатие лент осуществляется с помощью калиброванных прижимов. Прямолинейные участки лент и соединительные шины образуют на каждой стороне каркаса малоиндуктивные бифиляры, соединенные в две параллельные цепи.

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 нанесенными на подложку: буферными слоями, слоем сверхпроводящей керамики и наружным защитным тепло и электропроводным слоем.

Требования АПВ лучше всего удовлетворяют конструкции СОТ рамного типа, обеспечивающие лучшие условия охлаждения и более быстрое восстановление сверхпроводящего состояния после прохождение тока КЗ, по сравнению с конструкциями цилиндрического типа и типа дисковых катушек.

Для уменьшения индуктивного сопротивления СОТ лента ВТСП в них наматывается в виде бифиляров.

Предлагаемая полезная модель позволяет решить одну из главных проблем - компенсацию температурных деформаций СОТ рамного типа.

Известен СОТ резистивного типа (патент US 6275365; Кл. 361/19, МПК Кл Н02Н 7/00, опубл. 2001-08-14) [1] в котором ток КЗ ограничивается несколькими соосными дисковыми катушками с бифилярно намотанной лентой ВТСП. Витки в каждой катушке разделены изоляцией. Такая конструкция СОТ компактна, но имеет время восстановления сверхпроводящего состояния десятки секунд и не пригодна для АПВ. Кроме того, при жестком креплении выводов каждой катушки, нет температурной компенсации в режиме ограничения тока.

Известен СОТ резистивного типа (заявка US 2007/0205857; Кл. 338/13 Кл. 361/19, МПК Кл Н01С 7/00, опубл. 2001-09-06) [2], в котором предложены три варианта бифилярной намотки ленты ВТСП: дисковые катушки, цилиндрические катушки, плоские меандрового типа модули. Охлаждение таких конструкций существенно выше, чем в [1]. Во всех трех типах намотки бифиляры опираются на ребра различной формы При жестком креплении концов весьма вероятен перегиб ленты на ребре с изломом ВТСП слоя в режиме токоограничения. Даже при упругом закреплении выходных концов лент возможность перегиба сохраняется, либо нужно ставить большое количество ребер, что ухудшит охлаждение, увеличит трудоемкость изготовления и сборки. Известен СОТ резистивного типа (публикация: "Superconductivity for electric systems." Peer Review. US. Department of energy. August 7-9.2007) [3], принятый за прототип, в котором концы прямолинейных отрезков ВТСП ленты винтами прижаты по краям с помощью медных шин к раме изоляционного каркаса. Прямолинейные отрезки лент и шины образуют четыре плоских параллельных бифиляра с последовательным соединением петель в слое и параллельным соединением бифиляров в слоях. При прохождении тока ленты в крайних слоях испытывают стягивающие усилия, а по краям бифиляра - силы отталкивания. Из-за жесткого закрепления петель ленты по краям к каркасу конструкция имеет существенные недостатки. Из-за возможности повреждения ВТСП слоя, допускающего ограниченные искривления, при температурных деформациях при нагревании ленты в процессе токоограничения, длина петель бифиляра может быть выбрана небольшой, что вызывает увеличение количества медных шин с соответствующим увеличением расхода ленты и меди, увеличением нагрева ленты даже при номинальном токе и ускорением испарения азота, увеличение диаметра криостата; велика трудоемкость сборки из-за трудности обеспечения натяга лент в бифиляре; неконтролируемое усилие прижатия шин к ленте может привести к повреждению слоя ВТСП.

Подбором материала каркаса с температурным коэффициентом расширения (ТКР), близким к ТКР подложки, можно в какой-то степени компенсировать деформации из-за перепада температур сборки и жидкого азота; но невозможна компенсация расширения ленты при ее быстром нагреве в режиме токоограничения.

Целью предлагаемой полезной модели является устранение указанных недостатков прототипа, а именно: уменьшение поперечных размеров СОТ и диаметра криостата, уменьшение активного сопротивления СОТ с соответствующим уменьшением потерь энергии и испарения жидкого азота, упрощение конструкции и сборки, повышение надежности за счет компенсации температурных удлинений ВТСП ленты во всех режимах, дающей возможность существенного удлинения петель бифиляров с соответствующим уменьшением количества шин, а также за счет применения калиброванных прижимов и дистанцирующих пазов в поперечных перемычках каркаса с опиранием прямолинейных участков лент на продольные перемычки каркаса.

Для достижения указанной цели в сверхпроводящем ограничителе тока короткого замыкания, содержащем прямолинейные полосы из высокотемпературной сверхпроводящей ленты, опирающиеся подложками одних концов на рамный изоляционный каркас с одного его края и прижатые к нему с помощью шин, наложенных со стороны наружного слоя и образующих с полосами и аналогичными шинами на других концах бифилярные петли, соединенные последовательно на каждой стороне рамы каркаса, а между сторонами - соединенные параллельно, каркас имеет продольные и поперечные перемычки, полосы опираются на продольные перемычки и проходят в пазах поперечных перемычек, а другие концы полос и шины прижаты к подвижным вставкам, подпружиненным относительно другого края каркаса и натягивающим полосы, причем, поджатие обоих концов петель бифиляра осуществляется с помощью калиброванных прижимов.

Принципиальная конструкция рамного модуля СОТ по предлагаемой полезной модели представлена на фиг.1; на фиг.2а) дан вид А-А фиг.1 слева - с разрезом, справа - без разреза;

на фиг.2б) показан разрез по Б-Б фиг.1 с пазами в поперечной перемычке каркаса для укладки и дистанцирования полос ленты;

на фиг.2в) показан прижим для пластин;

на фиг.2г) показана схема температурной деформации полосы ленты в прототипе.

Каркас плоской изоляционной рамы 1 (фиг.1) имеет продольные вертикальные перемычки 2 и поперечные перемычки 3 с пазами 4 (фиг.2б)) с обеих сторон рамы каркаса, в которые уложены прямолинейные полосы 5 ленты ВТСП, ограниченные в перемещении поперек рамы планками 6. Ленты опираются на продольные перемычки 2 подложками. На концы лент в одной, верхней, части каркаса наложены с обеих сторон рамы шины 7 из материала с хорошей электропроводностью и теплопроводностью, например из посеребренной меди. Ленты и шины прижаты к каркасу с двух сторон винтами 8 с помощью калиброванных прижимов 9 (рис.2в)) рессорного типа, заданное усилие которых определяется толщиной материала S и стрелой прогиба h₁. Соединение лент попарно шинами создает бифилярные петли, обладающие минимальной индуктивностью. Подводящие шины 10 и 11 соединяют бифиляры с обеих сторон каркаса в две параллельные ветви модуля СОТ. Некоторые из этих шин подсоединяются к токовводам в крышке криостата (на рис. не показан) в зависимости от количества модулей в СОТ и схемы электрических соединений. На рис.1 показано по пять бифилярных петель с каждой стороны каркаса.

В другой, нижней, части каркаса концы лент соединяются в петли бифиляра аналогично верхним, но прижимаются, в отличие от прототипа не к каркасу, а к свободным вставкам 12, которые с помощью шпилек 13, свободно проходящих сквозь съемную планку 14, натягивают пружинами 15 бифиляры, жестко закрепленные наверху. Усилия пружин регулируются гайками 16. Планка 14 сделана разъемной с каркасом для облегчения сборки модуля.

На рис.1 показано установочное положение вставки 12 без зазора между ней и вертикальной перемычкой 2 каркаса для материала рамы с ТКР, большим, чем у ленты.

На рис.2б) показан зазор 17 между указанными деталями в жидком азоте. С помощью шпилек 18 модуль СОТ крепится к крышке криостата.

Устройство работает следующим образом.

При прохождении номинального тока ниже критического, составляющего для ВТСП 250÷300 А, СОТ имеет небольшое активное сопротивление, порядка десятков микроом, от медных шин и перемычек и индуктивное сопротивление в единицы микрогенри. 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. При нагревании лента 5 (фиг.1) удлиняется, под действием пружин 15 вставка 12 вместе с нижними концами лент движется вниз, увеличивая зазор 17 Величины стрелы прогиба h ₂ и угла в месте крепления приблизительно можно определить по формулам:

и , где l - длина ленты, - коэффициент температурного расширения, T - перегрев ленты над температурой азота. Большой угол выгиба ленты в месте крепления может привести к поломке сверхпроводящего слоя ленты и выходу ее из строя из-за местного перегрева. При отсутствии опоры ленты на каркас из-за прогиба увеличиваются силы стягивания F₁ (рис.2а) справа) параллельных лент бифиляра. Если рассматривать токи в нескольких решетках, то силы F₂ между лентами решеток могут быть разнонаправленными в зависимости от последовательного или параллельного соединения бифиляров разных решеток. Приведенный анализ и расчеты показывают, что в конструкции на основе прототипа длину ленты l нужно брать небольшой, а расстояние а между лентами - увеличенной. Это приводит к увеличению количества соединительных элементов и габаритов СОТ и криостата. Так в [3] длина петель бифиляра принята равной всего 0,4 м.

В предлагаемой полезной модели длину l полос и перегрев ленты T можно принимать значительно большими, а толщину каркаса а - меньшей, чем в прототипе. Если принять движение нижних концов лент со всеми деталями равноускоренным под действием постоянной силы F за вычетом принятых также постоянными сил трения лент по каркасу по плоской стороне и ребрам, можно получить выражение для расчета геометрических параметров СОТ:

где m - масса подвижных частей на концах петли, f - сила трения, i - ток через ленту.

где m - масса подвижных частей на концах петли, f - сила трения, i - ток через ленту.

Так при F=10 Н; m=0,1 кг; =10^-5; Т=150° К, i=700 А (ампл.); а=0,01 м; с=0,02 м, t=0,01 с; f=0,15 длина петли оказывается равной 1,4 м. При этих условиях во время всего процесса лента будет оставаться натянутой. Из формулы следует, что при уменьшении времени протекания тока КЗ уменьшается допустимая длина петли бифиляра, но в гораздо большей степени уменьшается и общее количество ленты для СОТ.

Применение прижима 9 в виде рессоры с двумя отверстиями упрощает сборку СОТ и гарантирует невозможность превышения усилия поджатая лент, так как максимум усилия независим от затяжки винтов 8.

Для лучшего охлаждения ленты ширину продольных пазов 2 каркаса желательно брать в пределах (1÷0,5) ширины ленты. Как видно из (3) массу вставок 12 следует уменьшать, для чего их материал можно выбирать из легких пластмасс или алюминия, как на рис.2а) слева; в первом случае между подложками ленты и прижимом желательна установка шин для лучшего охлаждения.

Испытания СОТ на напряжение 3,5 кВ и ток 300 А при максимально возможном без ограничения токе КЗ в 10 кА с общим сопротивлением 4,4 Ом при 20°С при длине бифиляра 0,6 м и остальными параметрами, как в примере, показали большой запас по допустимому току. При испытаниях использовался быстродействующий вакуумный выключатель со временем отключения в один полупериод.

Информация, принятая во внимание при составлении заявки:

1. Патент US 6275365; Кл. 361/19, МПК Кл Н02Н 7/00, опубл. 2001-08-14.

2. Заявка US 2007/0205857; Кл. 338/13 Кл. 361/19, МПК Кл Н01С 7/00, опубл. 2001-09-06.

3. Публикация: "Superconductivity for electric systems." Peer Review. US. Department of energy. August 7-9. 2007. (прототип)

Сверхпроводящий ограничитель тока короткого замыкания, содержащий прямолинейные полосы из сверхпроводящей высокотемпературной ленты, опирающиеся подложками одних концов на рамный изоляционный каркас с одного его края и прижатые к нему с помощью шин, наложенных со стороны наружного слоя и образующих с полосами и аналогичными шинами на других концах полос бифилярные петли, соединенные последовательно на каждой стороне рамы каркаса, а между его сторонами - соединенные параллельно, отличающийся тем, что каркас имеет продольные и поперечные перемычки, полосы опираются на продольные перемычки и проходят в пазах поперечных перемычек, и их другие концы и шины прижаты к подвижным вставкам, подпружиненным относительно другого края каркаса и натягивающим полосы ленты, причем поджатие обоих концов петель осуществляется с помощью калиброванных прижимов.