КОМБИНИРОВАННЫЙ СВЕРХПРОВОДНИКОВЫЙ ОГРАНИЧИТЕЛЬ ТОКА Российский патент 2003 года по МПК H02H9/02 H01L39/16 

Изобретение относится к области электротехники, в частности, может быть использовано для защиты электрических машин от токовых перегрузок.

Известны устройства для ограничения тока, содержащие катушку индуктивности и магнитный сердечник, разделенные экраном из сверхпроводникового материала, который в критическом состоянии теряет сверхпроводимость, а устройство приобретает высокое индуктивное сопротивление [1]. Недостатком индукционных ограничителей тока является то, что они эффективны только для переменного тока: на постоянном токе их сопротивление мало.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству является резистивный ограничитель тока, содержащий сверхпроводниковый токоограничительный элемент, который в критическом состоянии теряет сверхпроводимость и приобретает активное сопротивление [2]. Такой ограничитель тока работает на переменном и постоянном токе, однако, обладает малой надежностью.

Для эффективного ограничения тока, сверхпроводниковый элемент должен обладать значительным активным сопротивлением, что предполагает его большую длину.

В момент переключения сверхпроводникового элемента в нормальное состояние, такое переключение происходит не по всей его длине, а на отдельных участках, поскольку реальный сверхпроводниковый материал (особенно из высокотемпературного сверхпроводника) обладает линейными неоднородностями свойств и полей. На этих участках возникает перегрев, который может привести к отказу устройства.

Техническим результатом изобретения является повышение надежности ограничителя тока за счет одновременности переключения всего объема сверхпроводникового элемента в нормальное состояние, под действием критического тока и критического магнитного поля.

Указанный технический результат достигается за счет того, что сверхпроводниковый токоограничительный элемент помещается внутри катушки соленоида, соединен с ней последовательно и отделен от нее сверхпроводниковым экраном, который при критическом токе цепи и резистивного токоограничителя переходит в нормальное состояние, магнитное поле соленоида действует на резистивный токоограничительный элемент, облегчая его переход в нормальное состояние.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием катушки соленоида и сверхпроводникового экрана, в который помещается сверхпроводниковый резистивный токоограничитель. Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию изобретения "новизна".

Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что соленоиды со сверхпроводниковыми экранами известны [1].

Однако при их введении в указанной связи со сверхпроводниковым резистивным токоограничительным элементом в заявляемое устройство появляются новые свойства, иные, в отличие от известных решений, к числу которых следует отнести:
- меньшее время срабатывания устройства, поскольку одновременно действуют 2 фактора подавления сверхпроводимости: критический ток и критическое магнитное поле;
- устройство эффективно защищает от резкого нарастания тока, поскольку в этом случае возникает индуктивное сопротивление;
- сверхпроводниковый ограничительный элемент может иметь меньшее сопротивление (мощность), поскольку последовательно с ним работает сопротивление соленоида, таким образом, иные, в отличие от известных технических решений, свойства, присущие предложенному решению, доказывают наличие существенных отличий, направленных на достижение технического результата.

На фиг.1 представлена электрическая схема комбинированного сверхпроводникового ограничителя тока. На фиг.2 приведено поперечное сечение устройства.

Комбинированный сверхпроводниковый ограничитель тока (фиг.1) содержит последовательно соединенные катушку соленоида 1 и резистивный сверхпроводниковый токоограничительный элемент 2, разделенные сверхпроводниковым экраном 3 (фиг.2) и ферромагнитным сердечником 4.

Резистивный сверхпроводниковый токоограничительный элемент выполняется в виде сверхпроводниковой пленки или провода, имеющих длину 1 и площадь поперечного сечения S. Сопротивление элемента R в нормальном состоянии определяется по известной формуле

где ρ - удельное сопротивление материала предмета.

Катушка соленоида 1 при нормальном состоянии экрана создает магнитное поле с индукцией В, в котором оказывается элемент 2. Величина индукции поля В может быть оценена из известной формулы:
B = μμ₀nI_кр (2)
где I_кр - критический ток в цепи;
μ_o - магнитная постоянная;
μ - магнитная проницаемость;
n - число витков соленоида, приходящихся на единицу его длины.

Материал и конструкция сверхпроводникового экрана и токоограничительного элемента выбраны такими, что критический ток цепи является критическим для подавления в них сверхпроводимости.

Устройство работает следующим образом. Когда сила тока в цепи менее критической, сопротивление токоограничительного элемента равно нулю, а сопротивление соленоида незначительно. При превышении током цепи критического значения происходит одновременно подавление сверхпроводимости токоограничительного элемента 2. Эта же сила тока вызывает подавление сверхпроводимости экрана, и магнитное поле соленоида подавляет сверхпроводимость в неоднородностях резистивного токоограничительного элемента.

Использование предложенного технического решения позволит повысить надежность работы сверхпроводникового токоограничителя, использовать его как в цепях переменного, так и постоянного тока и увеличить быстродействие устройства.

Источники информации
1. DW. A. Willen, J.R. Cave Short Cirenit Test Performance of Inductive High Te Superconducting Fault Current Limiters // IEEE Trans.jn applied superconductivity 1995, vol.5, N 0.2 - p.p. 1047-1050.

2. T. Verhalge et al. Experiments with a high voltage (40 kV) Superconducting fault current limiter // Cryogenics, 1996, vol.36, N.7 - p.p. 521-526.

Использование: для защиты электрических машин от токовых перегрузок. Технический результат заключается в повышении надежности ограничителя тока за счет одновременности переключения всего объема сверхпроводникового элемента в нормальное состояние. Комбинированный сверхпроводниковый ограничитель тока содержит резистивный сверхпроводниковый токоограничительный элемент, сверхпроводимость которого подавляется при достижении критического тока цепи. Резистивный сверхпроводниковый токоограничительный элемент помещен в соленоид, соединен с соленоидом последовательно и отделен от соленоида сверхпроводниковым экраном. При достижении током критической величины сверхпроводимость элемента и соленоида нарушается и в устройстве возникает активное сопротивление. 2 ил.

Комбинированный сверхпроводниковый ограничитель тока, содержащий сверхпроводниковый резистивный токоограничительный элемент, отличающийся тем, что он снабжен соленоидом и сверхпроводниковым экраном, причем сверхпроводниковый резистивный токоограничительный элемент помещен в соленоид, соединен с ним последовательно и отделен от него сверхпроводниковым экраном, а материал и конструкция сверхпроводникового экрана и резистивного сверхпроводникового токоограничительного элемента таковы, что критический ток обеспечивает подавление сверхпроводимости в сверхпроводниковом экране, а магнитное поле соленоида подавляет сверхпроводимость указанного резистивного токоограничительного элемента.