ВТСП ОГРАНИЧИТЕЛЬ ТОКА С ДИСКРЕТНЫМ ЭКРАНОМ Российский патент 2004 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 высокотемпературные сверхпроводниковые (ВТСП) ограничители тока, содержащие токоограничительные элементы резистивного типа, которые при превышении порога ограничения тока (ПОТ) в цепи переходят из сверхпроводящего в нормальное состояние и вносят в цепь добавочное активное сопротивление [1]. Недостатки таких устройств в том, что они имеют значительное тепловыделение в нормальном состоянии, снижающее их динамические характеристики, а также значительную длину СП-элемента.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является ВТСП-ограничитель тока индуктивного типа, содержащий катушку индуктивности, по которой протекает ограничиваемый ток, и магнитный сердечник, разделенные цилиндрическим ВТСП-экраном [2]. При достижении током в цепи ПОТ магнитное поле становится критическим для экрана (CП-ток в экране достигает критической величины), экран переходит в нормальное состояние и перестает экранировать магнитное поле соленоида. Магнитное поле соленоида проникает внутрь его объема и устройство приобретает значительное индуктивное сопротивление, ограничивающее ток.

В этом устройстве вышеперечисленные недостатки отсутствуют. Однако известный ограничитель тока не обладает настройкой на порог ограничения тока и достаточной надежностью по следующим причинам. Изготовление крупногабаритных экранов, особенно для мощных ограничителей тока, связано с рядом существенных технологических сложностей и в силу ряда причин полученные экраны имеют неоднородности структуры и СП-свойств стенок, что приводит к невозможности практического получения экрана с заданными критическими характеристиками для обеспечения необходимого ПОТ.

Техническим результатом изобретения является повышение качества и надежности ограничителя тока за счет применения однородного экрана с заданными и подстраиваемыми параметрами. Указанный технический результат достигается за счет применения в известном ограничителе тока дискретного экрана, выполненного в виде набора ВТСП-колец. Кольца выбираются для заданного значения ПОТ по величине критического тока сверхпроводника, например из соотношения (3). Шаг между кольцами определяется либо экспериментальным, либо расчетным путем. Однородность дискретного экрана с точки зрения его СП-свойств значительно выше однородности цельного цилиндрического экрана (прототип), т.к. все кольца испытываются на величину критического тока, и отбираются равными по этому критерию.

Сопоставительный анализ признаков, изложенных в предложенном техническом решении, с признаками прототипа показывает, что заявляемое устройство отличается от прототипа наличием дискретного ВТСП-экрана, состоящего из колец, имеющих заданный критический ток, что в данной совокупности признаков в известном техническом решении отсутствует, обуславливая тем самым структурную новизну технического решения. Кроме того, подбор колец по определенной величине критического тока и установка их с заданным шагом позволяет обеспечить заданный ПОТ с учетом магнитного поля конкретного соленоида, что обуславливает функциональную новизну технического решения.

Анализ, известных авторам технических решений в области ВТСП-ограничителей тока и сравнение их с предложенным техническим решением показали, что ВТСП-ограничители тока известны. Однако при введении дискретного экрана в указанной связи с остальными элементами в заявляемое устройство для повышения его качества и надежности появляются новые свойства, иные, в отличие от известных технических решений, к числу которых можно отнести следующие:

- при оптимальном подборе колец и шага между ними можно увеличить ПОТ;

- количество используемого ВТСП материала уменьшается в дискретном экране;

- возможная жесткая фиксация каждого кольца по отдельности позволяет противостоять действию пондеромоторных сил, способных повредить экран в момент переключения;

- количество колец, а также расстояние между ними у дискретного экрана могут быть изменены при изменении параметров защищаемой цепи, т.е. ПОТ может быть подстроен. Таким образом, иные, в отличие от известных технических решений, свойства, присущие предложенной конструкции ВТСП-ограничителя тока, доказывают наличие существенных отличий, направленных на достижение цели изобретения.

На чертеже изображен общий вид ВТСП-ограничителя тока с дискретным экраном. Ограничитель тока содержит магнитный сердечник 1, катушку, по которой протекает ограничиваемый ток, 2, и магнитный экран, состоящий из ВТСП-колец 3. Криостат с жидким азотом условно не показан. Предлагаемое устройство было реализовано в виде действующего макета следующим образом. Сердечник был выполнен из электротехнической стали марки 2081, соленоид содержал 12 слоев медного провода диаметром 0,33 мм. ВТСП-кольца вырезались из цилиндра (D=27 мм, d=23 мм, h=3 мм см. чертеж.), изготовленного из ВТСП-материала YВа₂Сu₃O₇.

Измерение критического тока 28 колец, полученных в результате одного технологического процесса, показало, что 70% колец имеют примерно равные значения критического тока 10-13 А, остальные - в 1,5-2 раза меньше. В устройстве использовались качественные кольца (18 шт.) с критическим током 10-13 А.

Заявляемое устройство работает следующим образом. В случае внезапного нарастания тока в цепи (например, короткого замыкания) сила тока через соленоид тоже возрастает и возрастает магнитное поле. Когда ток достигает установленной величины I_кр (ПОТ), поле проникает в ВТСП материал, разрушая сверхпроводящее состояние. Сердечник, взаимодействуя с катушкой, увеличивает индуктивность соленоида. Индукция магнитного поля катушки В_кр в этом случае определяется известной формулой

B_кр = μ_oμ nI_кр, (1)

где μ ₀ - магнитная постоянная;

μ - магнитная проницаемость сердечника;

n - число витков на единицу длины катушки.

Критическое поле для данного ВТСП-экрана может быть оценено по формуле Бина. Индукция такого поля пропорциональна плотности критического тока в сверхпроводнике i_кр и толщине стенки экрана b.

В_кр=kμ ₀bi_кр, (2)

где k - эмпирический коэффициент, зависящий от материала и формы экрана.

Приравнивая (1) и (2) можно выразить связь между ПОТ и плотностью критического тока сверхпроводника

(3)

Выражение (3) позволяет, зная ПОТ, подобрать необходимые кольца для экрана. В данном случае I_кр=200 мА, i_кр=180 А/см².

Исследование влияния расстояний между кольцами на ПОТ показали, что замена сплошного экрана на дискретный несколько снизила ПОТ. Однако отбор качественных колец и оптимизация расстояний между ними позволили увеличить ПОТ на 40% и регулировать его при необходимости. Расстояния между кольцами могут иметь и переменный шаг, что обеспечивает оптимальность экрана для данного соленоида. Так, в реализованном устройстве размещение колец с уменьшением шага по краям позволило увеличить ПОТ на 10% в сравнении с эквидистантным экраном.

Использование предлагаемого технического решения позволяет повысить качество ВТСП-ограничителя тока, его надежность и дает возможность перестраивать порог отключения тока при изменении условий.

Источники информации

1. Т. Verhalge et al. Experiments with a high Voltage (40 kV) Superconducting Fault Current Limiter // Criogenics, 1996, vol.36, №7, p.p.521-526.

2. D. W. Willen, J. R. Cave. Short Circuit Test Performance of Inductive High T_c Superconducting Fault Limiters // IEEE Trans. In applied superconductivity, 1995, vol. 5, №5, р.р. 1047-1050.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для защиты электрических машин от токовых перегрузок. Технический результат изобретения - повышение качества и надежности ограничителя тока за счет применения однородного экрана с заданными, подстраиваемыми параметрами. Новым в устройстве является то, что экран составляется из ВТСП (высокотемпературных сверхпроводниковых) колец, предварительно отобранных по критическому току и размещенных с оптимальными для данного ограничителя расстояниями между ними. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Высокотемпературный сверхпроводниковый (ВТСП) ограничитель тока с дискретным экраном, содержащий катушку индуктивности с ограничиваемым током, магнитный сердечник, увеличивающий индуктивность соленоида, и дискретный экран, размещенный между катушкой индуктивности и сердечником, отличающийся тем, что дискретный экран состоит из колец, отобранных по величине их критического тока согласно критерию:

где i_кр - плотность критического тока в ВТСП кольце;

μ_с - магнитная проницаемость сердечника;

n - число витков на единицу длины катушки индуктивности;

k - эмпирический коэффициент, зависящий от соотношения диаметра и высоты кольца;

b - толщина ВТСП кольца;

I_кр - величина порога ограничения тока.