ТОКООГРАНИЧИВАЮЩЕЕ РЕАКТОРНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 1995 года по МПК H01F38/02 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам ограничения тока короткого замыкания в сети, использующим переход сверхпроводниковых материалов в резистивное состояние.

Известно токоограничивающее устройство [1], содержащее две встречно навитые на каркас обмотки, которые соединены параллельно, причем одна из параллельных ветвей содержит также резистивный элемент. Такое устройство служит как токоограничивающим реактором при переходных процессах при включении коммутационного аппарата, так и демпфирующим резистором при отключении аппарата. Его предложено использовать в качестве шунтирующего коммутационный аппарат для ограничения бросков тока и перенапряжений, возникающих при коммутациях. Оно не может быть использовано для ограничения тока в цепи при коротких замыканиях в ней.

Наиболее близким к предлагаемому является токоограничивающее устройство [2], содержащее две одинаковые по числу витков обмотки, соединенные параллельно, встречно навитые на один каркас и выполненные из сверхпроводников. При протекании рабочего тока, который меньше критического тока сверхпроводников, такое устройство практически не имеет ни активного, ни реактивного сопротивления. При увеличении тока при коротком замыкании вследствие превышения током критического значения сверхпроводник переходит в резистивное состояние и возникшее активное сопротивление ограничивает рост тока короткого замыкания. Недостатком такого устройства является потребность в относительно большом количестве сверхпроводников, так как их суммарное сечение должно быть рассчитано на протекание рабочего тока.

Цель изобретения - уменьшение количества сверхпроводниковых материалов, используемых в токоограничивающем устройстве.

Цель достигается тем, что в токоограничивающем реакторном устройстве, содержащем по крайней мере две параллельно соединенные и навитые встречно обмотки, причем по крайней мере первая обмотка выполнена из материала, обладающего при рабочей температуре свойством сверхпроводимости по отношению к электрическому току, содержится третья обмотка, выполненная из материала с резистивными свойствами при рабочей температуре, причем третья обмотка соединена последовательно с первой, имеет одинаковое с ней направление намотки и расположена между первой и второй обмотками.

Указанные признаки отсутствуют в известных технических решениях.

На фиг. 1 представлено токоограничивающее реакторное устройство; на фиг. 2 - устройство с большим числом обмоток и с магнитопроводом.

Устройство (фиг. 1) содержит каркас 1, на котором размещена вторая обмотка 2, навитая из обычного резистивного проводника, не обладающего сверхпроводимостью при рабочей температуре устройства, например из меди. Снаружи обмотки 2 находится третья многослойная обмотка 3, выполненная также из резистивного материала. Снаружи обмотки 3 размещена первая обмотка 4, выполненная из сверхпроводникового материала, например из ленты керамического металлооксидного высокотемпературного сверхпроводника. Обмотки 4 и 3 соединены между собой последовательно так, чтобы создаваемые ими при протекании тока магнитные поля складывались. Эти последовательно соединенные обмотки соединяются параллельно с обмоткой 2 так, чтобы создаваемые ими внутри обмотки 2 магнитные поля взаимоуничтожались. В случае изготовления обмотки 4 из современных сверхпроводников устройство должно помещаться в криостат. Однако поскольку имеются сообщения о возможности создания сверхпроводников с температурой перехода в сверхпроводящее состояние, близкое к 0^оС и выше, криостат на схеме не указан.

Устройство работает следующим образом.

При протекании рабочего тока он распределяется по обмоткам обратно пропорционально числу витков в обмотке 2 и суммарному числу витков в обмотках 3 и 4, при этом ток, протекающий по сверхпроводниковой обмотке 4, не достигает критического значения. В случае возникновения короткого замыкания в сети полный ток начинает возрастать, одновременно растет ток в сверхпроводниковой обмотке 4, по достижении им критического значения сверхпроводник переходит в резистивное состояние и при достаточно высоком значении его сопротивления ток начинает перераспределяться, в основном протекая уже по обмотке 2. Индуктивное сопротивление этой обмотки ограничивает ток короткого замыкания.

Добавление обмоток 3, расположенных внутри сверхпроводниковой обмотки 4, приводит к увеличению суммарного числа витков и уменьшению протекающего тока по обмотке 4 в рабочем режиме. Это позволяет уменьшить сечение сверхпроводника в обмотке 4. Так как при этом не увеличивается суммарная длина сверхпроводника, которая определяется отношением рабочего напряжения к произведению критической плотности тока на удельное сопротивление сверхпроводника при сверхкритических токах, то добавление обмотки 3 позволяет уменьшить суммарное количество сверхпроводника без ухудшения токоограничивающих характеристик устройства. Размещение обмотки 3 между обмотками 2 и 4 позволяет уменьшить воздействие магнитного поля обмоток 2 и 3 на сверхпроводник обмотки 4, и поэтому такое решение обмоток позволяет достичь наибольших значений критической плотности тока в сверхпроводнике, также способствуя уменьшению количества используемого сверхпроводника. При неизменных габаритах обмотки 2 добавление обмотки 3 приводит к тому, что при токе, равном порогу срабатывания устройства, магнитное поле в промежутке между обмотками 2 и 3 увеличивается по сравнению с критическим магнитным полем сверхпроводника. Соответственно увеличивается магнитное поле внутри обмотки 2, когда ток достигнет уровня токоограничения, или, что то же самое, увеличивается индуктивность устройства в режиме токоограничения. Это означает, что добавление обмоток 3 при заданном значении индуктивности позволяет уменьшить габариты устройства или при неизменных габаритах увеличить номинальный ток.

Дополнительные обмотки могут находиться не только внутри сверхпроводниковой обмотки 4, но и снаружи нее, но при этом между сверхпроводниковой и основной резистивной обмотками. На фиг. 2 на каркас 1 навита вторая основная (резистивная) обмотка 2. Далее имеются последовательно соединенные третья обмотка 3 и первая сверхпроводниковая 4. Параллельно третьей обмотке 3 присоединена пятая обмотка 5, расположенная снаружи первой (сверхпроводниковой) обмотки 4. Завершающей является четвертая резистивная обмотка 6. Обмотки 2 и 6 имеют направление намотки, противоположное обмоткам 3, 4 и 5. Преимуществом конструкции на фиг. 2 по сравнению с фиг. 1 является то, что при одинаковой толщине сверхпроводника в обмотке 4 в конструкции по фиг. 2 сверхпроводник имеет больший критический ток вследствие меньших значений наибольшего магнитного поля на его боковой поверхности.

Преимуществом предложенного устройства по сравнению с прототипом является возможность значительного сокращения количества сверхпроводниковых материалов за счет сокращения сечения сверхпроводников без одновременного увеличения их длины, так как необходимое увеличение длины соответствующей обмотки производится с помощью обычных проводниковых материалов.

Использование: в электротехнике, а именно в устройствах ограничения тока короткого замыкания в сети. Сущность изобретения: устройство содержит каркас 1, на котором размещена вторая обмотка 2, снаружи которой находится третья многослойная обмотка 3. Снаружи обмотки 3 размещена первая обмотка 4, выполненная из сверхпроводящего материала. Обмотки 3 и 4 соединены между собой последовательно так, чтобы создаваемые или при протекании тока магнитные поля складывались. Указанные обмотки параллельно соединены с обмоткой 2 так, чтобы магнитные поля взаимоуничтожались. Устройство обеспечивает уменьшение габаритов. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. ТОКООГРАНИЧИВАЮЩЕЕ РЕАКТОРНОЕ УСТРОЙСТВО, содержащее две обмотки, первая из которых выполнена из сверхпроводника, отличающееся тем, что оно снабжено третьей обмоткой, расположенной между первыми двумя, третья обмотка соединена последовательно с первой и имеет одинаковое с ней направление намотки, указанные обмотки параллельно соединены с второй обмоткой и имеют встречное с ней направление намотки. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно снабжено четвертой и пятой обмотками, причем четвертая обмотка имеет одинаковое направление намотки со второй обмоткой, соединена с ней параллельно и расположена по другую сторону относительно первой обмотки, пятая обмотка соединена параллельно с третьей обмоткой, имеет одинаковое с ней направление намотки и расположена между первой и четвертой обмотками.