ТОКООГРАНИЧИВАЮЩИЙ РЕАКТОР Российский патент 1995 года по МПК H01F38/02 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам для ограничения тока короткого замыкания в электрической цепи.

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 демпфирущим резистором при отключении аппарата. Оно может быть использовано в качестве шунтирующего коммутационный аппарат для ограничения бросков тока и перенапряжений, возникающих при коммутациях тока выключателями или разъединителями. Однако его нельзя применять 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 дальнейший 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 реакторе, содержащем две вложенные друг в друга, параллельно соединенные и навитые встречно обмотки, причем по крайней мере одна обмотка выполнена из материала, обладающего при рабочей температуре свойством сверхпроводимости по отношению к электрическому току, имеется по крайней мере три обмотки, причем по крайней мере одна из обмоток выполнена из материала, не обладающего свойством сверхпроводимости при рабочей температуре, а смежные обмотки выполнены из материалов с разными свойствами в отношении сверхпроводимости.

Указанные признаки отсутствуют в известных технических решениях.

На фиг. 1 изображено предложенное устройство с последовательно-параллельным соединением обмоток; на фиг.2 - вариант с параллельным соединением обмоток и с магнитопроводом.

Устройство (фиг. 1) содержит диэлектрический каркас 1, на который навита обмотка 2 из обычного проводникового материала. Поверх обмотки 2 навита обмотка 3, выполненная из сверхпроводящего материала и имеющая направление намотки, противоположное намотке обмотки 2. Обмотки 2 и 3 соединены параллельно. Поверх обмотки 3 навита обмотка 4, выполненная из обычного проводникового материала. Эта обмотка соединена последовательно с обмотками 2 и 3 и имеет направление намотки, одинаковое с обмоткой 3. Целесообразно, чтобы обмотка 2 имела число витков, превышающее число витков в обмотке 3.

Устройство работает следующим образом.

При протекании рабочего тока после его перехода из обмотки 4 в обмотки 2 и 3 он перераспределяется между последними так, что суммарное магнитное поле внутри устройства практически равно нулю, т.е. нулевое значение имеет индуктивное сопротивление устройства. При росте тока при возникновении короткого замыкания в сети и превышении его предельного значения сверхпроводящая обмотка переходит в резистивное состояние, в результате чего ток через нее практически перестает расти. Это значит, что при токах короткого замыкания индуктивное сопротивление устройства определяется только последовательно соединенными обмотками 2 и 4. Возникающее индуктивное сопротивление ограничивает рост тока короткого замыкания.

Преимущество размещения третьей обмотки 4 из обычного проводника, которая отделена от другой такой обмотки 2 обмоткой 3 из сверхпроводящего материала, заключается в том, что на сверхпроводнике в обмотке 3 действуют меньшие магнитные поля по сравнению с вариантом, соответствующим прототипу (т.е. вариантом, имеющим ту же индуктивность несверхпроводящей обмотки, что и совместно обмотки 2 и 4 предложенного устройства). Так как критическая плотность тока современных керамических высокотемпературных сверхпроводников сильно зависит от магнитного поля, это позволяет применять в устройстве сверхпроводниковую обмотку с меньшим сечением и меньшей длиной сверхпроводника, т.е. добиться экономии сверхпроводниковых материалов.

Дальнейшее снижение магнитного поля, воздействующего на сверхпроводник, возможно путем дальнейшего увеличения числа вложенных друг в друга обмоток, в том числе сверхпроводниковых обмоток. На фиг. 2 изображен вариант с двумя сверхпроводниковыми обмотками и двумя обмотками из обычного материала. Устройство имеет цилиндрический каркас 1, на который в чередующемся порядке навиты обмотки 2 из обычного материала и обмотки 3 из сверхпроводникового материала. В данном случае все обмотки соединены параллельно, причем смежные обмотки имеют встречное направление обмотки. Для увеличения индуктивного сопротивления в режиме токоограничения устройство снабжено магнитопроводом 4, который может иметь, как в представленном случае, или не иметь воздушного зазора. Для более равномерного распределения токов могут быть применены выравнивающие катушки 5 индуктивности или другие индуктивные элементы.

Устройство на фиг. 2 работает следующим образом.

В рабочем режиме электрической цепи протекающие токи меньше критического тока для сверхпроводниковых обмоток, поэтому ток по обмоткам распределяется обратно пропорционально числу витков в обмотках, в результате чего магнитное поле внутри каркаса практически полностью компенсируется и токоограничивающее устройство обладает пренебрежимо малым активным и реактивным сопротивлением. При превышении током критического значения сверхпроводниковые обмотки переходят в резистивное состояние, прирост тока происходит в основном в обмотках, изготовленных из обычного проводника, и так как они имеют одинаковое направление намотки, это ведет к появлению индуктивного сопротивления.

Применение нескольких пар обмоток в устройстве по фиг. 2 позволяет в соответствующее число раз увеличить номинальный ток в сравнении с устройством, имеющим одну пару обмоток тех же габаритов. Чтобы эти два устройства сделать равными по номинальному току, не достаточно пропорционально увеличить сечения проводников в обычной и сверхпроводниковой обмотках, так как в этом случае соответствующим образом увеличилось бы магнитное поле, воздействующее на сверхпроводниковую обмотку, что ведет к уменьшению номинального тока. Для компенсации этого отрицательного эффекта сечение сверхпроводника придется увеличить. Одновременно придется увеличить его длину, чтобы получить то же самое значение сопротивления обмотки в резистивном состоянии. Таким образом, увеличение числа обмотки и в этом варианте их соединения приводит к экономии сверхпроводникового материала.

Когда критические магнитные поля используемых сверхпроводников малы (меньше индукции насыщения ферромагнетиков), что характерно для керамических высокотемпературных сверхпроводников, эффективность устройства может быть повышена за счет применения магнитопроводов с воздушным зазором (как изображено на фиг. 2) или без него. Эффективность устройства может быть повышена также за счет применения сверхпроводниковых обмоток со значительно большим числом витков, чем у обмотки из обычных материалов (например, в 10 раз и больше), так как при этом в соответствующее число раз может быть уменьшено сечение сверхпроводника, а часть сверхпроводниковой обмотки заменена обмоткой из обычного несверхпроводникового материала.

Использование: в электротехнике, а именно в устройствах для ограничения тока короткого замыкания в электрической цепи. Сущность изобретения: устройство содержит диэлектрический каркас 1, на который навита обмотка 2 из обычного проводникового материала. Поверх обмотки 2 навита обмотка 3, выполненная из сверхпроводящего материала и имеющая направление, противоположное намотке обмотки 2. Обмотки 2 и 3 соединены параллельно. Поверх обмотки 3 навита обмотка 4, выполненная из обычного проводникового материала. Эта обмотка соединена последовательно с обмотками 2 и 3. Устройство обеспечивает экономию сверхпроводникового материала. 2 з.п. фф-лы, 2 ил.

1. ТОКООГРАНИЧИВАЮЩИЙ РЕАКТОР, содержащий две основные обмотки, одна из которых выполнена из сверхпроводника, отличающийся тем, что он снабжен дополнительной обмоткой, основные обмотки навиты встречно и параллельно соединены между собой, причем смежные обмотки имеют разные свойства сверхпроводимости. 2. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что основные обмотки соединены последовательно с дополнительной. 3. Реактор по п.1, отличающийся тем, что он снабжен четвертой обмоткой, все обмотки параллельно соединены между собой.