БИСТАБИЛЬНЫЙ ИНДУКТИВНЫЙ ОГРАНИЧИТЕЛЬ ТОКА Российский патент 2010 года по МПК H02H9/02 H01L39/16 

Изобретение относится к криоэлектронике и может быть использовано для защиты электрических цепей от токовых перегрузок.

Известны высокотемпературные сверхпроводниковые (ВТСП) ограничители тока, содержащие токоограничительные элементы резисторного типа, которые при превышении током цепи порога ограничения тока (ПОТ) переходят из сверхпроводящего в нормальные состояния и вносят в цепь добавочные активные сопротивления [1].

Недостатки этих устройств в том, что они имеют значительное тепловыделение в нормальном состоянии, снижающее их динамические характеристики, а также значительную длину ВТСП элемента.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному 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 катушки становится критическим для экрана (СП ток в экране достигает критической величины), экран переходит в нормальное состояние и перестает экранировать магнитное поле катушки. Появляется индуктивное сопротивление в цепи.

В этом устройстве вышеперечисленные недостатки аналогов отсутствуют. Однако такой ограничитель тока не имеет предварительного состояния, которое предшествовало бы порогу отключения тока и позволяло оповестить о предстоящем отключении или задействовать дополнительные электрические цепи.

Техническим результатом изобретения является повышение качества ограничителя тока, придание ему дополнительного состояния: предварительного включения части соленоида.

Указанный технический результат достигается тем, что кольцевая часть ВТСП экрана состоит из материала, имеющего более низкий критический ток, чем ПОТ.

Критическое поле ВТСП экрана может быть оценено по формуле Бина. Индукция такого поля В_кр пропорциональна плотности критического тока в сверхпроводнике j_кр и толщине стенки экрана b:

где µ₀ - магнитная постоянная;

k - эмпирический коэффициент, зависящий от состояния диаметра и длины экрана.

Используя выражение для магнитного поля соленоида, можно записать

где I_кр - порог отключения тока;

µ - магнитная проницаемость сердечника;

n - число витков на единицу длины катушки.

Приравнивая (1) и (2), получим выражения

Если часть экрана выполнить в виде кольца с материалом, где j_кр1<j_кр, то этот материал перейдет в нормальное состояние при I_кр1<I_кр, и в цепи появится промежуточное индуктивное сопротивление R₁, величина которого будет пропорциональна высоте кольцевой части экрана h_к:

где ω - круговая частота ограничиваемого тока;

V - объем соленоида;

S - площадь витка;

L - индуктивность соленоида.

Такая система будет двухступенчатой, то есть иметь два тока срабатывания I_кр1 и I_кр·I_кр1 - промежуточный ток выключения:

При необходимости ограничитель тока может иметь несколько ступеней переключения, где

и

Сопоставительный анализ признаков, изложенных в предложенном техническом решении, с признаками прототипа показывает, что заявляемое устройство отличается от прототипа наличием кольцевого участка в ВТСП экране, где плотность критического тока ВТСП материала ниже, чем в остальной области экрана, наличием дополнительного состояния, имеющего ток включения (3) и сопротивления (4), 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 в магнитный экран кольцевого участка с меньшей критической плотностью тока, дополнительного состояния (3) с сопротивлением (4) в указанной связи с остальными элементами в заявляемое устройство для повышения его качества и числа функций появляются новые свойства, иные, в отличие от известных технических решений, к числу которых можно отнести следующие:

- возможность формирования дополнительного состояния ограничителя тока;

- возможность задания величины тока предварительного срабатывания;

- возможность задания величины сопротивления предварительного срабатывания;

- наличие дополнительной функции ограничителя тока - предварительного переключения.

Таким образом, иные, в отличие от известных технических решений, свойства, присущие предложенной конструкции ограничителя тока, доказывают наличие существенных отличий, направленных на достижение технического результата.

На фиг.1 изображен разрез индуктивного ограничителя тока. На фиг.2 показан разрез ВТСП экрана. Функции I=I(t), R=R(t) приведены на фиг.3.

Индуктивный ограничитель тока содержит магнитный сердечник 1, катушку 2, по которой протекает ограничиваемый ток и магнитный экран 3, состоящий из ВТСП материала. Криостат с жидким азотом условно не показан. Предлагаемое устройство было реализовано в виде действующего макета. Сердечник выполнен из электротехнической стали марки 2081(М=300), соленоид содержал 12 слоев медного провода диаметром 0,33 мм. ВТСП экран имел форму цилиндра (D=27 мм, d=23 мм, h=54 мм, h_k=10 мм) фиг.2.

ВТСП материал - Y-123.

Поскольку ПОТ имел 1 А, j_кр согласно выражению (3) находится

j_кр=5,5·10⁵ А/см².

Величина R по (7) составила 4630 Ом.

Первый ток срабатывания составил I_кр1=0,9 А, тогда

j_кр1=4,95·10⁵ А/см².

Величина R была определена из (4) и составила 913 Ом.

Устройство работает следующим образом (фиг.3).

В момент времени t_o ток в цепи начинает возрастать. Сопротивление токоограничителя остается равным нулю, поскольку I<I_кр1. В момент t₁ ток достигает значения I_кр1 (0,9 А), часть экрана 4 переходит в нормальное состояние и сопротивление ограничителя становится равным R₁=913 Ом. Ток в цепи падает. В этот момент возникающее падение напряжения на ограничителе может быть использовано для подачи предупреждающего сигнала или включения защитной цепи. Остальная часть экрана 5 останется сверхпроводящей. Если ток в основной цепи продолжает расти и достигает в момент t₂ значения I_кр=1А, весь экран переходит в нормальное состояние и сопротивление ограничителя становится равным R=4630 Ом. Ток в цепи снова падает.

Таким образом, использование предлагаемого технического решения позволяет повысить качество индуктивного ограничителя тока за счет появления у него новой функции.

Источники информации

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

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

Изобретение относится к электротехнике, к криоэлектронике и может быть использовано для защиты электрических машин от токовых перегрузок. Технический результат состоит в повышении качества ограничителя тока приданием ему дополнительной функции - предварительного включения части соленоида. В экране бистабильного индуктивного ограничителя тока формируется кольцевой участок с меньшей плотностью критического тока j_кр1<j_кр. Ограничитель имеет промежуточный пороговый ток включения

и промежуточное индуктивное сопротивление

R₁=µ₀µn²ωSh_к,

где k - эмпирический коэффициент, зависящий от соотношения диаметра и длины экрана;

b - толщина стенки экрана;

µ - магнитная проницаемость сердечника;

n - количество витков катушки на единицу длины;

S - площадь витка катушки;

h_k - высота кольцевой части экрана, где j_кр1<j_кр. 3 ил.

Бистабильный индуктивный ограничитель тока, содержащий катушку индуктивности, по которой протекает ограничиваемый ток, и магнитный сердечник, разделенные цилиндрическим высокотемпературным сверхпроводниковым магнитным экраном с критической плотностью тока j_кр, отличающийся тем, что кольцевая часть экрана выполнена из высокотемпературного сверхпроводникового материала с меньшей плотностью критического тока j_кр1<j_кр, ограничитель имеет промежуточный пороговый ток включения

и промежуточное индуктивное сопротивление
R₁=µ₀µn²ωSh_k,
где k - эмпирический коэффициент, зависящий от соотношения диаметра и длины экрана;
b - толщина стенки экрана;
µ - магнитная проницаемость сердечника;
n - количество витков катушки на единицу длины;
S - площадь витка катушки;
h_к - высота кольцевой части экрана, где j_кр1<j_кр.