ИНДУКТИВНЫЙ ОГРАНИЧИТЕЛЬ ТОКА УТЕЧКИ С РАЗДЕЛЕННОЙ СИСТЕМОЙ ВТОРИЧНОЙ КАТУШКИ Российский патент 2016 года по МПК H01F6/06 H02H9/02 

Изобретение касается индуктивного ограничителя тока утечки, включающего в себя

- нормально проводящую систему первичной катушки, имеющую множество витков,

- сверхпроводящую, короткозамкнутую систему вторичной катушки,

при этом система первичной катушки и система вторичной катушки расположены по меньшей мере, по существу, коаксиально друг другу и по меньшей мере частично будучи вдвинуты друг в друга.

Такой индуктивный ограничитель тока утечки стал известен из EP 2402961 A1.

Ограничители тока утечки применяются, чтобы в случае коротких замыканий ограничивать поступающий из источника ток. С помощью сверхпроводящих ограничителей тока утечки может также осуществляться защита от токов сравнительно высокой силы, например, в сетях электроснабжения общего пользования.

Сверхпроводящие ограничители тока утечки постоянного тока включают в себя, например, сверхпроводящий участок проводки, по которому течет подлежащий ограничению ток. Когда сила тока вследствие короткого замыкания повышается, критический ток в сверхпроводящем участке проводки превышается, так что этот участок становится нормально проводящим («Quench» - переход из сверхпроводящего в нормальное состояние), вследствие чего сопротивление сильно повышается. Из-за этого сила тока, которая протекает по участку проводки, соответственно снижается. Этот вид ограничителей тока называется также резистивным типом.

Сверхпроводящие ограничители тока утечки для применения с переменным током могут выполняться как в виде резистивных, так и в виде индуктивных ограничителей тока утечки. Индуктивные ограничители тока утечки, по существу, образуются индуктивно связанными витками. При этом через нормально проводящую систему первичной катушки («первичная сторона») течет подлежащий ограничению переменный ток, а в сверхпроводящей системе вторичной катушки («вторичная сторона») индуцируется ток, который противодействует магнитному потоку, создаваемому током в системе первичной катушки. При этом индуктивность системы первичной катушки значительно повышается. Когда подлежащий ограничению переменный ток в системе первичной катушки вследствие короткого замыкания повышается, то повышается также индуцированный ток в системе вторичной катушки, пока не будет превышен критический ток в системе вторичной катушки и система вторичной катушки не станет нормально проводящей («Quench» - переход из сверхпроводящего в нормальное состояние). В нормально проводящем состоянии системы вторичной катушки ее ток компенсирует только лишь небольшую часть магнитного потока системы первичной катушки, вследствие чего, в свою очередь, повышается индуктивность системы первичной катушки. Это повышение индуктивного сопротивления ограничивает ток посредством системы первичной катушки.

Из EP 2402961 A1 известен индуктивный ограничитель тока утечки, в котором радиально внутри первичной катушки, включающей в себя множество витков, установлена вторичная катушка, которая выполнена в виде сверхпроводящего, короткозамкнутого кольца. Из DE 102010007087 A1 известен индуктивный ограничитель тока утечки, в котором внутри первичной катушки расположен криостат с вторичной катушкой. Из DE 19628358 C1 (а также из US 5140290 A, US 6795282 B2, US 7586717 B2, US 5694279 A, DE 19524579 A1, US 5379020 A) известно параллельное расположение первичной катушки и вторичной катушки и связь посредством кольцевого железного сердечника.

Коэффициент полезного действия индуктивного ограничителя тока утечки зависит от отношения индуктивностей системы первичной катушки в случае, с одной стороны, сверхпроводящей системы вторичной катушки («нормальный режим»), а с другой стороны, нормально проводящей системы вторичной катушки («аварийный режим»). В аварийном режиме ток в системе первичной катушки необходимо как можно сильнее снижать по сравнению с нормальным режимом, в соответствии с высоким отношением индуктивностей.

Задача изобретения

В основе изобретения лежит задача предоставить ограничитель тока утечки с повышенным отношением индуктивностей.

Краткое описание изобретения

Эта задача решается с помощью индуктивного ограничителя тока утечки вышеназванного рода, который отличается тем, что

система вторичной катушки включает в себя первую секцию катушки и вторую секцию катушки,

при этом первая секция катушки системы вторичной катушки расположена радиально внутри витков системы первичной катушки,

и при этом вторая секция катушки системы вторичной катушки расположена радиально снаружи витков системы первичной катушки.

В соответствии с изобретением система вторичной катушки радиально делится (по меньшей мере) на две секции катушки, а система первичной катушки радиально располагается между этими двумя секциями катушки системы вторичной катушки.

Для высокого коэффициента полезного действия индуктивного ограничителя тока утечки в нормальном режиме магнитный поток системы первичной катушки должен по возможности полностью устраняться магнитным потоком, индуцированным в системе вторичной катушки. Для этого система вторичной катушки должна быть по возможности придвинута ближе к системе первичной катушки, что, однако, достичь непросто вследствие конструктивно-технических краевых условий, таких как, например, толщина стенок и расстояния между стенками емкости криостата для сверхпроводящей системы вторичной катушки и окончательная радиальная протяженность систем катушек. У индуктивных ограничителей тока утечки для более высоких токов (например, в сетях электроснабжения общего пользования) система первичной катушки, а также система вторичной катушки имеют значительную толщину, так что система первичной катушки часто существенно удалена от значительной части витков системы вторичной катушки, и из-за этого полная компенсация вышеупомянутых потоков практически невозможна.

Благодаря делению системы вторичной катушки на несколько секций катушки и вдвиганию системы первичной катушки это расстояние, несмотря на большую радиальную общую протяженность, может эффективно уменьшаться. Благодаря этому улучшается компенсация магнитного потока системы первичной катушки системой вторичной катушки в нормальном режиме или, соответственно, достигается более высокое отношение индуктивностей.

Секции катушки системы вторичной катушки включают в себя каждая обычно по меньшей мере одну сверхпроводящим образом короткозамкнутую петлю провода. Секции катушки системы вторичной катушки также обычно электрически изолированы друг от друга, компенсирующее действие для разных секций катушки устанавливается автоматически независимо друг от друга. Альтернативно секции катушки системы вторичной катушки могут быть также соединены так, чтобы их индукции магнитного поля суммировались во внутренней области радиально внутренней секции катушки, причем тогда секции катушки, как правило, включены последовательно. Витки системы первичной катушки обычно изготовлены из меди. В системе вторичной катушки могут, в частности, применяться ленточные сверхпроводники (coated conductors - «проводники с покрытием»), но могут также применяться сверхпроводящие проволоки со сверхпроводящими филаментами, например, из Nb₃Sn, NbTi или MgB₂. Секции катушки системы вторичной катушки обычно защищены каждая нормально проводящей шунтирующей системой (обычно кольцевой формы) от перегорания в случае перехода из сверхпроводящего в нормальное состояние; при надлежащих свойствах проводника (в частности, надлежащей геометрии проводника) можно, впрочем, также отказаться от шунтирующей системы (при желании, например, часто в случае изготовленной в виде ленточного проводника одновитковой катушки, для которой выполняется условие: 3≤U/B≤10, где U - периметр катушки, а B - ширина проводника). Секции катушки системы вторичной катушки обычно для охлаждения расположены в одном общем криостате или же в отдельных криостатах; криостат в рамках изобретения может, например, охлаждаться жидким гелием или жидким азотом.

Предпочтительные варианты осуществления изобретения

В одном из предпочтительных вариантов осуществления предлагаемого изобретением ограничителя тока утечки система первичной катушки расположена, по существу, в центре между наружной стороной первой секции катушки системы вторичной катушки и внутренней стороной второй секции катушки системы вторичной катушки. Благодаря этому может достигаться очень хорошая компенсация магнитного потока системы первичной катушки. Система первичной катушки, по существу, расположена в центре, когда радиальные расстояния между наружной стороной первой секции катушки и крайним внутренним рядом витков (или, соответственно, внутренней стороной) системы первичной катушки, с одной стороны, и между радиально крайним наружным рядом витков (или, соответственно, наружной стороной) системы первичной катушки и внутренней стороной второй секции катушки, с другой стороны, отличаются на 20% или менее, предпочтительно на 10% или менее, относительно меньшего расстояния. В случае, если радиальные расстояния в осевом направлении варьируются, приведенное выше отношение может относиться к средним радиальным расстояниям; альтернативно могут также использоваться соответственно наименьшие радиальные расстояния. В случае, если плотность витков и/или число витков в разных секциях катушки системы вторичной катушки сильно отличается или плотность витков в системе первичной катушки сильно варьируется, система первичной катушки альтернативно может быть позиционирована таким образом, чтобы среднее радиальное расстояние между витками системы первичной катушки и системы вторичной катушки сокращалось до минимума.

В одном из предпочтительных вариантов осуществления секции катушки системы вторичной катушки включают в себя каждая одну или несколько сверхпроводящих, кольцеобразно замкнутых одновитковых катушек. Одновитковые катушки легко изготавливаются, в частности, с ленточными сверхпроводниками; кольцеобразные одновитковые катушки могут также выполняться без соединения (благодаря сверхпроводящему покрытию кольцеобразно замкнутого держателя со сверхпроводящим материалом). Несколько сверхпроводящих одновитковых катушек могут вставляться радиально друг в друга или же располагаться аксиально друг над другом для образования секции катушки системы вторичной катушки.

Предпочтителен один из вариантов осуществления, в котором система вторичной катушки включает в себя несколько витков, которые, по существу, равномерно распределены по секциям катушки системы вторичной катушки. С помощью такого распределения, как правило, может сокращаться радиальное расстояние дальше всего удаленных витков обеих секций катушки системы вторичной катушки относительно системы первичной катушки. Витки, по существу, распределены равномерно, когда количество витков секций катушки отличаются на 20% или менее, предпочтительно на 10% или менее, относительно наименьшего количества.

В одном из альтернативных вариантов осуществления предусмотрено, что система вторичной катушки включает в себя несколько витков, которые неравномерно распределены по секциям катушки. Тем самым может оптимизироваться распределение тока в витках секций катушки системы вторичной катушки, в частности, для увеличения до максимума способности ограничителя тока утечки пропускать токи в нормальном режиме. Витки предпочтительно распределены неравномерно так, что количество витков секций катушки отличается на 25% или более, предпочтительно на 40% или более, относительно наименьшего количества.

Предпочтителен также один из вариантов осуществления, который предусматривает, что система вторичной катушки включает в себя несколько витков, неравномерно распределенных в секциях катушки системы вторичной катушки в радиальном направлении и/или в осевом направлении, и/или что секции катушки системы вторичной катушки в осевом направлении проходят на различное расстояние. Благодаря этому также может оптимизироваться распределение тока в витках секций катушки системы вторичной катушки, в частности, для увеличения до максимума способности ограничителя тока утечки пропускать токи в нормальном режиме.

Особенно предпочтителен один из вариантов осуществления, в котором секции катушки системы вторичной катушки соединены каждая с нормально проводящей шунтирующей системой электрически проводящим соединением. С помощью шунтирующих систем может предотвращаться перегорание (в частности, плавление) сверхпроводника в секциях катушки системы вторичной катушки в случае перехода из сверхпроводящего в нормальное состояние; шунтирующая система обеспечивает параллельный относительно секции катушки, где произошел переход из сверхпроводящего в нормальное состояние, путь тока с низким сопротивлением, так что ток из этой секции катушки может выводиться в шунтирующую систему.

В одном из предпочтительных усовершенствованных вариантов осуществления предусмотрено, что шунтирующая система первой секции катушки системы вторичной катушки расположена радиально внутри по меньшей мере одной части первой секции катушки системы вторичной катушки, а шунтирующая система второй секции катушки системы вторичной катушки расположена радиально снаружи по меньшей мере одной части второй секции катушки системы вторичной катушки. В шунтирующей системе в нормальном режиме могут индуцироваться вихревые токи. Вследствие этого повышается требуемая мощность охлаждения, и может также возникать значительная индуктивность рассеяния системы первичной катушки, из-за чего отношение индуктивностей падает. Благодаря расположению шунтирующей системы первой секции катушки радиально внутри первой секции катушки (или по меньшей мере одной ее части) эта шунтирующая система может экранироваться от расположенной по другую сторону (в данном случае находящейся радиально дальше снаружи) системы первичной катушки. Соответственно при расположении шунтирующей системы второй секции катушки радиально снаружи второй секции катушки (или по меньшей мере одной ее части) эта шунтирующая система может экранироваться от расположенной по другую сторону (в данном случае находящейся радиально дальше внутри) системы первичной катушки. При этом вихревые токи в шунтирующих системах сокращаются до минимума. Следует учитывать, что обычно как первая секция катушки, так и вторая секция катушки системы вторичной катушки обеспечивают, каждая в отдельности, по меньшей мере один сверхпроводящим образом короткозамкнутый путь тока.

При этом предпочтительна одна из усовершенствованных форм этого варианта осуществления, в котором шунтирующие системы имеют каждая одно или несколько замкнутых шунтирующих колец. В этом случае посредством шунтирующего кольца или колец в случае перехода из сверхпроводящего в нормальное состояние ток может отбираться из системы вторичной катушки по всему периметру. Шунтирующее кольцо или кольца чаще всего изготовлены из ленточной высококачественной стали.

Предпочтительным является также один из вариантов осуществления, в котором шунтирующие системы имеют каждая множество металлических мостов, соединяющих каждую шунтирующую систему с соотнесенной секцией катушки системы вторичной катушки электрически проводящим соединением. Благодаря контактированию с отдельными мостами может целенаправленно устанавливаться протяженность отдельных защищенных областей. Чаще всего по периметру секции катушки системы вторичной катушки предусмотрено шесть или больше, в более крупных ограничителях тока утечки (например, для сетей электроснабжения общего пользования) даже двенадцать или более мостов. В случае одновитковых катушек из ленточных сверхпроводников расстояние ABS между мостами в окружном направлении предпочтительно выбрано так, что в отношении ширины B проводника выполняется: 3≤ABS/B≤10. Это предупреждает перегорание сверхпроводника в случае переход из сверхпроводящего в нормальное состояние.

Особенно предпочтителен один из вариантов осуществления, при котором система первичной катушки и система вторичной катушки имеют конструкцию, по меньшей мере, по существу, вращательно-симметричную относительно оси, в частности относительно вертикальной оси. Благодаря этому предотвращаются пики магнитного поля, что обеспечивает повышение допустимой токовой нагрузки ограничителя тока утечки пропускать высокие токи. Вертикальная ориентация упрощает конструкцию, в частности, вследствие уменьшенных усилий на опору.

Другой предпочтительный вариант осуществления предусматривает, что радиально внутри первой секции катушки системы вторичной катушки расположен ферромагнитный сердечник. С помощью ферромагнитного сердечника фокусируется магнитный поток, благодаря чему компенсация магнитного потока системы первичной катушки в нормальном режиме может улучшаться и отношение индуктивностей (и, кроме того, также отношение полных сопротивлений) между аварийным режимом и нормальным режимом повышаться. Ферромагнитный сердечник может выполняться в различных формах, например, в виде трубы или цилиндра. Внутреннее пространство первой секции катушки системы вторичной катушки может быть целиком или (предпочтительно) только частично заполнено сердечником. При любой форме ферромагнитного сердечника возбуждение экранирующих токов в сердечнике может подавляться посредством ламинированных структур, прорезей или аналогичных надлежащих мер.

В одном из предпочтительных вариантов осуществления предлагаемого изобретением ограничителя тока утечки система вторичной катушки проходит в осевом направлении, по существу, точно на такое же расстояние, что и система первичной катушки. Благодаря этому также улучшается компенсация магнитного потока системы первичной катушки в нормальном режиме. Система вторичной катушки и система первичной катушки распространяются по существу на одно и то же расстояние, когда осевые длины системы вторичной катушки и системы первичной катушки отличаются на 20% или менее, предпочтительно на 10% или менее, относительно меньшей длины. В случае, если секции катушки одной системы катушки в осевом направлении распространяются на различное расстояние, то длина системы катушки определяется по двум концам тех секций катушки, которые выступают соответственно дальше всего с каждой стороны в осевом направлении.

Предпочтителен также один из вариантов осуществления, при котором система вторичной катушки изготовлена с высокотемпературным сверхпроводящим материалом, в частности YBCO (оксид иттрия бария меди) или BSCCO (оксид висмута стронция кальция меди). Благодаря этому допустимая токовая нагрузка ограничителя тока утечки может повышаться. Высокотемпературными сверхпроводящими материалами согласно изобретению являются все сверхпроводящие материалы с температурой перехода, равной 40 К или выше.

Особенно предпочтителен один из вариантов осуществления, который предусматривает, что первая и вторая секция катушки системы вторичной катушки расположены в одном общем криостате или в разных криостатах, и что система первичной катушки, первая и вторая секция катушки системы вторичной катушки и общий криостат или разные криостаты размещены так и имеют такие размеры, что для промежутков ZR в радиальном направлении между противолежащими сторонами системы первичной катушки, с одной стороны, и первой и второй секциями катушки системы вторичной катушки, с другой стороны, выполняется условие: ZR<1/2 D_P+1/2 D_SS, предпочтительно ZR<1/2 D_SS, где D_P - толщина системы первичной катушки в радиальном направлении, совместно ограничивающей соответствующий промежуток ZR, а D_SS - толщина секции катушки системы вторичной катушки в радиальном направлении, совместно ограничивающей соответствующий промежуток ZR. Тем самым обеспечивается, что вышеназванные промежутки (которые, в частности, обусловлены толщиной стенки криостата) практически не оказывают отрицательного воздействия на сокращение расстояния вследствие разделения системы вторичной катушки. В случае изменяющихся (например, в осевом направлении) промежутков соотношение касается усредненных промежутков; но альтернативно оно может также применяться к наименьшим промежуткам. Особенно предпочтительно выполняется условие: ZR≤1/2D_P+1/4D_SS, или же ZR≤1/4D_P+1/4D_SS. Следует учитывать, что на одну систему первичной катушки имеются два промежутка, которые подпадают под условия этого варианта осуществления. Следует учитывать, кроме того, что разные промежутки ZR могут иметь различный размер, а также толщины D_SS разных секций катушки системы вторичной катушки могут иметь различный размер.

Предпочтителен также один из вариантов осуществления, который предусматривает, что система вторичной катушки имеет N секций катушки, где N∈IN и N≥3, и что ограничитель тока утечки имеет N-1 систем первичной катушки, при этом каждая система первичной катушки расположена радиально между двумя секциями катушки системы вторичной катушки, в частности, при этом N=3 или N=4. При этом варианте осуществления система вторичной катушки подвергается еще более тонкому разделению, благодаря чему системы первичной катушки могут еще ближе придвигаться к виткам секций катушки системы вторичной катушки; за счет этого возможно еще более увеличенное отношение индуктивностей. Системы первичной катушки электрически соединены так, что их индукции магнитного поля во внутренней области радиально внутренней системы первичной катушки суммируются, при этом системы первичной катушки, как правило, включены последовательно.

Предпочтителен также вариант осуществления, при котором одна секция катушки системы вторичной катушки, которая расположена радиально между двумя системами первичной катушки, имеет шунтирующую систему, которая как радиально внутри, так и радиально снаружи всегда окружена одной частью этой секции катушки. Благодаря этому эта шунтирующая система ограждена от обеих соседних систем первичной катушки двумя частями этой секции катушки, благодаря чему предотвращаются вихревые токи. Обычно каждая из двух частей окружающей секции катушки обеспечивает каждая по отдельности по меньшей мере один сверхпроводящим образом короткозамкнутый путь тока.

Другие преимущества изобретения раскрываются в описании и на чертежах. Кроме того, вышеназванные и излагаемые ниже признаки в соответствии с изобретением могут применяться соответственно каждый в отдельности или в любых комбинациях. Показанные и описанные варианты осуществления не должны пониматься как окончательные, а, напротив, носят характер примеров для изложения изобретения.

Детальное описание изобретения и чертежей

Изобретение изображено на чертежах и поясняется подробнее с помощью примеров осуществления. Показано:

фиг.1 - схематичное, комбинированное изображение в сечении и в косоугольной проекции первого варианта осуществления предлагаемого изобретением индуктивного ограничителя тока утечки;

фиг.2a - схематичное изображение в сечении второго варианта осуществления предлагаемого изобретением ограничителя тока утечки, с шунтирующими системами для секций катушки системы вторичной катушки;

фиг.2b - фрагмент варианта осуществления с фиг.2a на схематичном виде в косоугольной проекции;

фиг.3 - схематичное изображение в сечении третьего варианта осуществления предлагаемого изобретением ограничителя тока утечки, при этом секции катушки системы вторичной катушки разделены в осевом направлении;

фиг.4 - схематичное изображение в сечении четвертого варианта осуществления предлагаемого изобретением ограничителя тока утечки, при этом система вторичной катушки имеет три радиально находящихся на расстоянии секции катушки, между которыми расположены две системы первичной катушки;

фиг.5 - схематичное изображение в сечении пятого варианта осуществления предлагаемого изобретением ограничителя тока утечки, при этом секции катушки системы вторичной катушки в осевом направлении имеют различную длину.

На фиг.1 показано на схематичном изображении сечение одного из вариантов осуществления предлагаемого изобретением ограничителя 1 тока утечки.

Ограничитель 1 тока утечки имеет, по существу, вращательно-симметричную конструкцию относительно вертикальной оси A. Он включает в себя нормально проводящую систему 2 первичной катушки, имеющую множество витков 3, при этом в показанном примере осуществления система 2 первичной катушки включает в себя четыре ряда витков 3. Радиально внутри системы 2 первичной катушки расположена первая секция 4a сверхпроводящей системы 4 вторичной катушки, а радиально снаружи системы 2 первичной катушки - вторая секция 4b катушки сверхпроводящей системы 4 вторичной катушки. Система 2 первичной катушки и система 4 вторичной катушки ориентированы коаксиально относительно оси A и в осевом направлении имеют одинаковую длину; впрочем, достаточно, если эта ориентация или, соответственно, эти размеры соблюдаются по существу, (например, при взаимном отклонении до 5°, или осевой выступающей части системы вторичной или первичной катушки в целом до 20%).

Обе секции 4a, 4b катушки системы 4 вторичной катушки расположены каждая в криостате 5a, 5b, внутренние пространства которого охлаждаются не изображенным подробно образом (например, жидким азотом до 77 K), так что система 4 вторичной катушки находится при температуре, которая ниже температуры перехода применяемого сверхпроводящего материала. Секции 4a, 4b катушки включают в себя в простейшем случае только одну сверхпроводящим образом короткозамкнутую одновитковую катушку; альтернативно секции 4a, 4b катушки могут быть также выполнены с несколькими витками (при необходимости распределенными на несколько рядов витков), например, в виде соленоида. Витки системы 4 вторичной катушки по отдельности и/или группами (в частности, соответственно секциям катушки) или вместе короткозамкнуты сверхпроводящим образом.

При желании внутри первой секции 4a катушки может быть предусмотрен железный сердечник 8 (обозначен штриховой линией). Железный сердечник 8 обычно заполняет только часть внутреннего пространства первой секции 4a катушки; в частности, железный сердечник 8 может быть выполнен полым (например, трубчатым).

Система 2 первичной катушки в данном случае расположена в центре между наружной стороной S4a первой секции 4a катушки и внутренней стороной S4b второй секции 4b катушки системы 4 вторичной катушки.

Измеренный в радиальном направлении промежуток ZR между обращенными друг к другу, противолежащими сторонами S4a (наружная сторона первой секции 4a катушки) и S2a (внутренняя сторона системы 2 первичной катушки, ср. крайний внутренний ряд 6 витков) соответствует в данном случае примерно 3/5 суммы половины толщины D_SS первой секции 4a катушки системы 4 вторичной катушки и половины толщины D_P системы 2 первичной катушки. Промежуток ZR, по существу, определяется (общей) толщиной WS стенки криостата 5 и расстояниями от первой секции 4a катушки и системы 2 первичной катушки до криостата 5a.

То же самое относится в данном случае к промежутку между второй секцией 4b катушки (ср. внутренняя сторона S4b) и системой 2 первичной катушки (ср. наружная сторона S2b) (детально не изображено). Следует учитывать, что на схематичном изображении радиальные расстояния между наружными стенками криостатов 5a, 5b и системой 2 первичной катушки, а также радиальные расстояния между секциями 4a, 4b катушки системы 4 вторичной катушки и внутренними стенками криостатов 5a, 5b изображены в увеличенном виде.

Благодаря предлагаемому изобретением радиальному разделению системы 4 вторичной катушки и размещению системы 2 первичной катушки радиально между секциями 4a, 4b катушки системы 4 вторичной катушки радиальное расстояние между системой 4 вторичной катушки и дальше всего удаленным рядом витков системы 2 первичной катушки можно значительно сократить по сравнению с традиционным расположением системы вторичной катушки радиально внутри или радиально снаружи системы первичной катушки.

Следует учитывать, что предлагаемой изобретением разделенной на две части системой вторичной катушки может относительно просто дооснащаться имеющийся, традиционный индуктивный ограничитель тока утечки, при этом добавляется еще отсутствующая секция катушки системы вторичной катушки.

На фиг.2a схематично изображен второй вариант осуществления предлагаемого изобретением ограничителя 1 тока утечки. Для упрощения показана только половина вида в сечении (относится также к фиг.3, 4 и 5). Прежде всего, поясняются отличия от предыдущего варианта осуществления.

В этом варианте осуществления секции 4a, 4b катушки системы 4 вторичной катушки расположены в одном общем криостате 5. Каждая секция 4a, 4b катушки включает в себя в данном случае три расположенные друг в друге одновитковые катушки 9. Соответственно, в данном варианте осуществления всего шесть витков системы 4 вторичной катушки равномерно распределены по двум секция 4a, 4b катушки. На соответственно отвернутой от системы 2 первичной катушки стороне секций 4a, 4b катушки соответственно расположена нормально проводящая шунтирующая система 10, которая в данном случае включает в себя соответственно одно единственное, замкнутое шунтирующее кольцо 10a. Одновитковые катушки 9 обеих секций 4a, 4b катушки через распределенные в окружном направлении мосты 11 электрически и термически соединены друг с другом и с шунтирующим кольцом 10a.

Область одного такого моста 11 у второй секции 4b катушки особенно хорошо показана на фрагменте фиг.2b на схематичном виде в косоугольной проекции. Мост 11 образует решеткообразные зажимные держатели 12 для одновитковых катушек 9 и шунтирующего кольца 10a. Криостат 5 в данном случае выполнен с двойной стенкой 5c, 5d и расположенной в промежутке, вакуумированной областью 5e криоизоляции. Шунтирующее кольцо 10a второй секции 4b катушки посредством сверхпроводящих одновитковых катушек 9 системы 4 вторичной катушки магнитным образом экранировано в нормальном режиме от системы 2 первичной катушки в радиальном внутреннем направлении. Соответствующее относится к шунтирующему кольцу 10a секции 4a катушки (см. фиг.2a), которое в радиальном наружном направлении посредством одновитковых катушек 9 первой секции 4a катушки экранировано от системы 2 первичной катушки.

В показанном на фиг.2a варианте осуществления радиальный промежуток ZR соответствует примерно 7/10 суммы половины толщины D_SS второй секции 4b катушки системы 4 вторичной катушки и половины толщины D_P системы 2 первичной катушки, относительно их противолежащих, обращенных друг к другу сторон S2b, S4b; следует учитывать, что толщина D_SS секции 4b катушки определяется только ее сверхпроводящими витками, то есть одновитковыми катушками 9, но не шунтирующим кольцом 10a. То же самое относится в данном случае к промежутку между первой секцией 4a катушки системы 4 вторичной катушки и системой 2 первичной катушки (детально не изображено).

На фиг.3 показан третий вариант осуществления предлагаемого изобретением ограничителя 1 тока утечки. Для упрощения криостат или, соответственно, криостаты для системы 2 вторичной катушки на фигуре были опущены (это относится также к фиг.4 и 5). Поясняются только существенные отличия от варианта осуществления с фиг.2a.

В этом варианте осуществления секции 4a, 4b катушки системы 4 вторичной катушки и соответствующие шунтирующие системы 10 разделены на несколько осевых уровней (в данном варианте пять уровней), ср. вертикальную ось A. На каждом уровне для каждой секции 4a, 4b катушки предусмотрено по одному шунтирующему кольцу 10a, три одновитковые катушки и одному мосту 11.

Благодаря осевому разделению у ограничителей тока утечки, проходящих в осевом направлении (например, в пределах 1-2 м осевой высоты и больше), также могут применяться ленточные сверхпроводники с обычной шириной проводника (чаще всего от 1 см до 4 см, в осевом направлении); на практике чаще всего предусмотрено десять или больше, часто также сорок или больше уровней.

На фиг.4 показан вариант осуществления предлагаемого изобретением ограничителя 1 тока утечки, в котором система 4 вторичной катушки имеет всего три секции 4a, 4b, 4c катушки. Между радиально крайней внутренней секцией 4a катушки и радиально средней секцией 4b катушки, а также между радиально средней секцией 4b катушки и радиально наружной секцией 4c катушки расположено по одной системе 2 первичной катушки.

Радиально крайняя внутренняя секция 4a катушки имеет в данном случае три вставленных друг в друга одновитковых катушки 9, радиально средняя секция 4b катушки имеет две одновитковые катушки 9, а радиально крайняя наружная секция 4c катушки имеет только одну одновитковую катушку 9. Одновитковые катушки 9 обеспечивают каждая сверхпроводящим образом замкнутый путь тока. Шунтирующая система 10 с шунтирующим кольцом 10a для радиально средней секции 4b катушки системы 4 вторичной катушки расположена в данном случае радиально между двумя одновитковыми катушками 9 этой секции 4b катушки, так что по одной части 13a, 13b секции 4b катушки (в этом варианте выполнения соответственно одновитковая катушка 9) размещено между этим шунтирующим кольцом 10a и смежными радиально внутри и снаружи системами 2 первичной катушки. Благодаря этому достигается двухстороннее экранирование, и индукция вихревых токов в шунтирующем кольце 10a средней секции 4b катушки сокращается до минимума. Следует учитывать, что могут также применяться несколько вставленных друг в друга шунтирующих колец, например, чтобы отдельно защищать шунтирующими сопротивлениями радиально внутреннюю одновитковую катушку 9 и радиально наружную одновитковую катушку 9.

Следует учитывать также, что системы 2 первичной катушки имеют каждая различное число рядов витков (в данном случае четыре и три), при этом в радиальном наружном направлении число рядов витков на каждую систему 2 первичной катушки уменьшается. На практике в рамках изобретения в общем чаще всего предусмотрено тридцать или больше, часто шестьдесят или больше рядов витков в одной системе 2 первичной катушки, и системы первичной катушки (или, соответственно, их ряды витков) имеют значительную радиальную толщину, чаще всего 6 см и больше, часто 15 см и больше. Системы 2 первичной катушки в данном случае соединены друг с другом последовательно (детально не изображено).

На фиг.5 показан один из вариантов осуществления предлагаемого изобретением ограничителя 1 тока утечки, в котором радиально внутренняя, первая секция 4a катушки системы 4 вторичной катушки укорочена по сравнению с системой 2 первичной катушки и второй, радиально наружной секцией 4b вторичной катушки системы 4 вторичной катушки. Благодаря этому может достигаться благоприятное относительное направление магнитного поля к поверхности одновитковых катушек 9 системы 4 вторичной катушки. Следует учитывать, что длина секций 4a, 4b катушки или их частей также может определяться различным числом уровней для одновитковых катушек (ср. фиг.3).

Для оптимизации магнитного поля радиальные расстояния между одновитковыми катушками 9 первой секции 4a катушки не равны (внутреннее расстояние меньше, чем наружное расстояние); таким образом, витки системы 4 вторичной катушки в радиальном направлении распределены неравномерно.

Кроме того, обе одновитковые катушки 9 второй секции 4b катушки в осевом направлении выполнены с различной длиной; поэтому витки системы 4 вторичной катушки в данном случае в осевом направлении распределены неравномерно. Находящаяся дальше внутри одновитковая катушка 9 имеет точно такую же длину, как и система 2 первичной катушки; эта проходящая дальше всего вверх и вниз одновитковая катушка 9 определяет длину системы 4 вторичной катушки в целом. Находящаяся дальше снаружи одновитковая катушка 9 приблизительно на 30% короче по сравнению с находящейся дальше внутри одновитковой катушкой 9; благодаря этому может также оптимизироваться прохождение магнитного поля ограничителя 1 тока утечки.

Предлагаемый изобретением индуктивный ограничитель тока утечки может применяться для того, чтобы в случае перебоев в режиме работы (например, при коротких замыканиях) ограничивать или предотвращать подъем тока в предназначенной для защиты электропроводке, в которой передается переменный ток. Электропроводка может, в частности, принадлежать сети электроснабжения общего пользования или же быть расположена в трансформаторной подстанции.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к ограничителям тока утечки. Технический результат состоит в повышении кпд путем повышения отношения индуктивностей. Индуктивный ограничитель (1) тока утечки, включающий в себя нормально проводящую систему (2) первичной катушки, имеющую множество витков (3), сверхпроводящую, короткозамкнутую систему (4) вторичной катушки. Система (2) первичной катушки и система (4) вторичной катушки расположены по меньшей мере, по существу, коаксиально. Система (4) вторичной катушки включает в себя первую секцию (4a) катушки и вторую секцию (4b) катушки. Первая секция (4a) катушки системы (4) вторичной катушки расположена радиально внутри витков (3) системы (2) первичной катушки. Вторая секция (4b) катушки системы (4) вторичной катушки расположена радиально снаружи витков (3) системы (2) первичной катушки. 16 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Индуктивный ограничитель (1) тока утечки, включающий в себя
- нормально проводящую систему (2) первичной катушки, имеющую множество витков (3),
- сверхпроводящую, короткозамкнутую систему (4) вторичной катушки,
при этом система (2) первичной катушки и система (4) вторичной катушки расположены по меньшей мере, по существу, коаксиально друг другу и по меньшей мере частично вдвинуты друг в друга,
отличающийся тем, что
система (4) вторичной катушки включает в себя первую секцию (4a) катушки и вторую секцию (4b) катушки,
при этом первая секция (4a) катушки системы (4) вторичной катушки расположена радиально внутри витков (3) системы (2) первичной катушки
и при этом вторая секция (4b) катушки системы (4) вторичной катушки расположена радиально снаружи витков (3) системы (2) первичной катушки.

2. Ограничитель (1) тока утечки по п.1, отличающийся тем, что система (2) первичной катушки расположена, по существу, в центре между наружной стороной (S4a) первой секции (4a) катушки системы (4) вторичной катушки и внутренней стороной (S4b) второй секции (4b) катушки системы (4) вторичной катушки.

3. Ограничитель (1) тока утечки по п.1, отличающийся тем, что секции (4a, 4b) катушки системы (4) вторичной катушки включают в себя каждая одну или несколько сверхпроводящих, кольцеобразно замкнутых одновитковых катушек (9).

4. Ограничитель (1) тока утечки по п.1, отличающийся тем, что система (4) вторичной катушки включает в себя несколько витков, которые, по существу, равномерно разделены на секции (4a, 4b) катушки системы (4) вторичной катушки.

5. Ограничитель (1) тока утечки по п.1, отличающийся тем, что система (4) вторичной катушки включает в себя несколько витков, которые неравномерно распределены на секции (4a, 4b) катушки системы (4) вторичной катушки.

6. Ограничитель (1) тока утечки по п.1, отличающийся тем, что
система (4) вторичной катушки включает в себя несколько витков, которые неравномерно распределены в секциях (4a, 4b) катушки системы (4) вторичной катушки в радиальном направлении и/или в осевом направлении,
и/или что секции (4a, 4b) катушки системы (4) вторичной катушки в осевом направлении проходят на различное расстояние.

7. Ограничитель (1) тока утечки по п.1, отличающийся тем, что секции (4a, 4b) катушки системы (4) вторичной катушки соединены каждая с нормально проводящей шунтирующей системой (10) электрически проводящим соединением.

8. Ограничитель (1) тока утечки по п.7, отличающийся тем, что шунтирующая система (10) первой секции (4a) катушки системы (4) вторичной катушки расположена радиально внутри по меньшей мере одной части (13a, 13b) первой секции (4a) катушки системы (4) вторичной катушки и шунтирующая система второй секции (4b) катушки системы вторичной катушки расположена радиально снаружи по меньшей мере одной части (13a, 13b) второй секции (4b) катушки системы (4) вторичной катушки.

9. Ограничитель (1) тока утечки по п.7, отличающийся тем, что шунтирующие системы (10) имеют каждая одно или несколько замкнутых шунтирующих колец (10a).

10. Ограничитель (1) тока утечки по п.7, отличающийся тем, что шунтирующие системы (10) имеют каждая множество металлических мостов (11), которые соединяют соответствующую шунтирующую систему (10) с соотнесенной секцией (4a, 4b) катушки системы (4) вторичной катушки электрически проводящим соединением.

11. Ограничитель (1) тока утечки по п.1, отличающийся тем, что система (2) первичной катушки и система (4) вторичной катушки выполнены по меньшей мере, по существу, вращательно-симметрично относительно оси (A), в частности относительно вертикальной оси (A).

12. Ограничитель (1) тока утечки по п.1, отличающийся тем, что радиально внутри первой секции (4a) катушки системы (4) вторичной катушки расположен ферромагнитный сердечник (8).

13. Ограничитель (1) тока утечки по п.1, отличающийся тем, что система (4) вторичной катушки проходит в осевом направлении, по существу, точно на такое же расстояние, что и система (2) первичной катушки.

14. Ограничитель (1) тока утечки по п.1, отличающийся тем, что система (4) вторичной катушки изготовлена с высокотемпературным сверхпроводящим материалом, в частности YBCO (оксид иттрия бария меди) или BSCCO (оксид висмута стронция кальция меди).

15. Ограничитель (1) тока утечки по п.1, отличающийся тем, что
первая и вторая секции (4a, 4b) катушки системы (4) вторичной катушки расположены в одном общем криостате (5) или в разных криостатах (5a, 5b); и что система (2) первичной катушки, первая и вторая секции (4a, 4b) катушки системы (4) вторичной катушки и общий криостат (5) или разные криостаты (5a, 5b) размещены так и имеют такие размеры, что для промежутков ZR в радиальном направлении между противолежащими сторонами (S2a, S2b, S4a, S4b) системы (2) первичной катушки, с одной стороны, и первой и второй секциями (4a, 4b) катушки системы (4) вторичной катушки, с другой стороны, выполняется: ZR<1/2D_P+1/2D_SS, предпочтительно ZR<1/2D_SS, где D_P - толщина системы (2) первичной катушки, совместно ограничивающей соответствующий промежуток ZR, в радиальном направлении, а D_SS - толщина секции (4a, 4b) катушки системы (4) вторичной катушки, совместно ограничивающей соответствующий промежуток ZR, в радиальном направлении.

16. Ограничитель (1) тока утечки по п.1, отличающийся тем, что
система (4) вторичной катушки имеет N секций (4a, 4b, 4c) катушки, где N∈IN и N≥3, и что ограничитель (1) тока утечки имеет N-1 систем (2) первичной катушки,
при этом каждая система (2) первичной катушки расположена радиально между двумя секциями (4a, 4b, 4c) катушки системы (4) вторичной катушки, в частности, при этом N=3 или N=4.

17. Ограничитель (1) тока утечки по п.16, отличающийся тем, что одна секция (4b) катушки системы (4) вторичной катушки, которая расположена радиально между двумя системами (2) первичной катушки, имеет шунтирующую систему (10), которая как радиально внутри, так и радиально снаружи всегда окружена частью (13a, 13b) этой секции (4b) катушки.