СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ ОГРАНИЧИТЕЛЬ ТОКА С ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩЕЙ РАСПОРКОЙ Российский патент 2021 года по МПК H01L39/16 

Изобретение относится к области сверхпроводящих ограничителей тока, предназначенных для применения под высоким напряжением.

Эти ограничители тока, которые могут быть резистивными, состоят из одного или нескольких проводников типа сверхпроводника и при нормальной работе имеют очень низкое сопротивление. Если вследствие электрической неисправности в проводнике или проводниках происходит значительное повышение плотности тока или если проводники охлаждаются в недостаточной степени, они теряют свои сверхпроводящие свойства, и ограничитель тока становится сильно резистивным, удерживая таким образом ток ниже определенного значения.

Длина проводников типа сверхпроводника, необходимая для ограничителя тока, пропорциональна напряжению предохраняемой сети или предохраняемого устройства. Она достигает нескольких сот метров и даже километров для ограничителя тока, предусмотренного для высокого напряжения. Предпочтительно ограничители тока намотаны компактно, чтобы уменьшить габарит такого устройства, которое все же может иметь диаметр, достигающий нескольких метров. Намотки сверхпроводящих проводников образуют компактные катушки, в которых появляются проблемы изоляции.

В документах ЕР0503448 и ЕР0935261 описан ограничитель тока, содержащий сверхпроводящий проводник, намотанный по существу спиралевидно и образующий бифилярную катушку, расположенную в единой плоскости.

В документе ЕР2041809 раскрыто сверхпроводящее устройство ограничения тока резистивного типа, содержащее бифилярную намотку катушки, образованную ленточным проводником, и электроизоляционные распорки, расположенные между двумя витками намотки, при этом распорка является проницаемой для охлаждающей текучей среды.

В документе ЕР1797599 раскрыто сверхпроводящее устройство ограничения тока резистивного типа, содержащее бифилярную катушку, в которой между двумя витками катушки остается пространство, в котором может проходить охлаждающая текучая среда. Это пространство поддерживается, благодаря электроизоляционным распоркам, которые закреплены при помощи клея на сверхпроводящих лентах.

В документе ЕР2289077 раскрыто сверхпроводящее устройство ограничения тока резистивного типа, содержащее бифилярную катушку, образованную несколькими сверхпроводящими лентами. В этом документе для некоторых вариантов осуществления описана изолирующая распорка, проницаемая для охлаждающей текучей среды и расположенная между двумя витками, которые находятся под одинаковым электрическим потенциалом.

Задача изобретения состоит в усовершенствовании известных ограничителей тока за счет создания компоновки проводников типа сверхпроводника, позволяющей ограничителю тока пропускать большие токи, обеспечивая при этом эффективное охлаждение ограничителя тока, причем для напряжений порядка 50-2000 кВ и номинальных токов порядка 1000-10000 А.

Для этого объектом изобретения является сверхпроводящий ограничитель тока, содержащий по меньшей мере один проводник типа сверхпроводника, намотанный в виде катушки, расположенной в единой плоскости и соединяющей первую клемму электрического соединения со второй клеммой электрического соединения, при этом между двумя витками катушки расположена электроизоляционная распорка. Проводник типа сверхпроводника образован по меньшей мере двумя отдельными намотанными параллельно сверхпроводящими проводами, концы которых электрически соединены соответственно первой клеммой электрического соединения и второй клеммой электрического соединения. Между указанными двумя отдельными сверхпроводящими проводами расположена электропроводящая распорка, причем эта электропроводящая распорка является проницаемой для охлаждающей текучей среды.

Сверхпроводящий провод является проводом, который может иметь любое сечение, например, круглое, овальное или прямоугольное, и по меньшей мере частично выполнен из сверхпроводящего материала. Он может содержать сердечник с нанесенным на него сверхпроводящим покрытием. Предпочтительно он может быть по меньшей мере частично выполнен из одного из следующих материалов:

- материалы, называемые “REBCO” (оксид редкоземельных металлов, бария и меди): REBa₂Cu₃O_7+x, где RE обозначает один или несколько элементов среди Y и редкоземельных металлов (Gd, Nd, Dy, Eu и т.д.);

- MgB₂;

- Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O_10+x;

- любой другой сверхпроводящий материал, предназначенный для изготовления проводов ограничителей тока.

Выполнение заявленного сверхпроводящего ограничителя тока предусматривает использование нескольких параллельных сверхпроводящих проводов, образующих проводник типа сверхпроводника. Число расположенных параллельно сверхпроводящих проводов зависит от тока, который должен проходить в полученном таким образом проводнике типа сверхпроводника. Пропускание тока, предусмотренного для проводника, через несколько проводов, образующих этот проводник, позволяет, например, использовать имеющиеся в наличии и выпускаемые промышленностью стандартные сверхпроводящие провода, не предусмотренные по своим параметрам для сильного тока. Таким образом, можно предусмотреть промышленный выпуск ограничителей тока этого типа, что позволяет снизить их стоимость и упростить их применение.

Структура сверхпроводящего ограничителя тока обеспечивает эффективное охлаждение вокруг каждого провода, образующего проводник типа сверхпроводника, и между витками катушки. Охлаждающая текучая среда может проходить между всеми сверхпроводящими проводами, причем как между сверхпроводящими проводами с разными потенциалами, так и между сверхпроводящими проводами с одинаковым потенциалом.

Кроме того, внутри одного и того же проводника типа сверхпроводника образующие его сверхпроводящие провода используют эффективную теплопередачу, благодаря электропроводящим распоркам, так как электропроводящие материалы обладают также лучшей теплопроводностью, чем электрические изоляторы.

Когда для пропускания тока используют несколько проводов, причем эти провода имеют одинаковый потенциал, в известных решениях их объединяют в одной оболочке. Однако для вариантов применения с использованием одного проводника типа сверхпроводника расположение сверхпроводящих проводов рядом друг с другом и их скрепление при помощи клея или посредством сварки мешает охлаждению такого устройства. При применении в качестве ограничителя тока охлаждение представляет собой определяющий фактор, так как оно непосредственно обуславливает защиту материала (который может разрушаться при перегреве) и возвращение проводов в сверхпроводящее состояние и, следовательно, общую работу устройства. Поскольку время распространения тепла в материале увеличивается пропорционально квадрату расстояния, расположение различных сверхпроводящих проводов рядом друг с другом для получения проводника типа сверхпроводника приведет к соответствующему снижению способности охлаждения. Например, если сверхпроводящие провода представляют собой ленты, то набор из пяти таких лент будет примерно в двадцать пять раз менее эффективным, чем только одна из этих лент, при передаче тепла в поперечном направлении в этом наборе. Согласно изобретению, наоборот, каждый сверхпроводящий провод охлаждается в продольном направлении по всей длине, оставаясь при этом под тем же электрическим потенциалом, что и соседние сверхпроводящие провода, которые являются частью этого же проводника типа сверхпроводника.

Кроме того, распорку, которую располагают между двумя сверхпроводящими проводами, образующими один проводник, и которая в известных решениях электрически изолировала два провода, в данном случае используют для обеспечения электрического соединения между этими проводами. Это электрическое соединение имеет место между двумя проводами, которые находятся под одинаковым электрическим потенциалом, и, следовательно, не предназначено для пропускания тока в непрерывном режиме. Однако, в случае локального дефекта на проводе ток можно перевести на соседние провода, чтобы он мог продолжать проходить в проводнике.

Действительно, сверхпроводящие провода, предназначенные для применения в ограничителе тока, часто имеют дефекты, называемые «горячими токами», которые связаны с изменением степени их однородности. Эти горячие точки локально повышают температуру сверхпроводящего провода, и это повышение температуры может привести к необратимому повреждению материала. Например, в случае использования сверхпроводящих лент, называемых «лентами с высокой критической температурой», таких как вышеупомянутые ленты типа REBCO, для изготовления сверхпроводящего провода присутствие горячих точек, как известно, является критическим фактором, который снижает общие характеристики ограничителя тока. Благодаря электропроводящим распоркам, расположенным между сверхпроводящими проводами одного и того же проводника, достигают не только оптимизации охлаждения этих проводов, но получают также возможный резервный путь для тока, который должен был проходить через горячую точку или через любой другой дефект и который может, таким образом, его обойти.

Это выполнение ограничителя тока открывает также возможности для оптимизации габарита ограничителя тока. Действительно, в известных решениях повышение критического тока часто реализуют за счет набора из нескольких намоток, каждая из которых расположена в соответствующей плоскости. Во время изготовления изобретение позволяет по выбору увеличить число сверхпроводящих проводов, которые образуют все проводники или некоторые из проводников, всех намоток набора или только некоторых из этих намоток набора. В зависимости от требуемого габарита можно, таким образом, оптимизировать конечную форму ограничителя тока, отдавая приоритет ширине или высоте.

Ограничитель тока может иметь следующие дополнительные отличительные признаки, рассматриваемые отдельно или в комбинации:

- катушка является бифилярной катушкой;

- ограничитель тока содержит межвитковое пространство между двумя намотками проводника типа сверхпроводника и содержит межпроводное пространство между двумя сверхпроводящими проводами того же проводника типа сверхпроводника, при этом электроизоляционная распорка расположена вдоль межвиткового пространства, а электропроводящая распорка расположена вдоль межпроводного пространства;

- электропроводящая распорка выполнена из металла;

- электропроводящая распорка выполнена из полупроводникового материала;

- металл электропроводящей распорки имеет теплопроводность, превышающую 150 Вт/м/К;

- электропроводящая распорка имеет форму плиссированной или гофрированной ленты;

- электропроводящая распорка имеет проходные просветы для охлаждающей текучей среды;

- электропроводящая распорка и электроизоляционная распорка по существу имеют одинаковую форму;

- электропроводящая распорка демонстрирует свойства анизотропной электропроводности, способствующие электропроводности между указанными двумя сверхпроводящими проводами;

- электропроводящая распорка выполнена прерывистой и образована дискретными распорками;

- электропроводящая распорка образована расположенными рядом проводящими дискретными распорками и изолирующими дискретными распорками;

- электропроводящая распорка содержит металлические мостики между указанными двумя сверхпроводящими проводами, и поперечины, расположенные между этими металлическими мостиками;

- поперечины являются электропроводящими;

- поперечины являются электроизоляционными;

- ограничитель тока дополнительно содержит устройство охлаждения, содержащее охлаждающую текучую среду, входящую в контакт с электроизоляционными распорками между витками катушки и с электропроводящими распорками между сверхпроводящими проводами;

- проводящая распорка содержит подошвы или основания, увеличивающие площадь контакта с двумя сверхпроводящими проводами;

- проводящая распорка содержит теплообменники для теплообмена с охлаждающей текучей средой.

Далее следует описание предпочтительных примеров осуществления изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

на фиг. 1 схематично показан заявленный ограничитель тока, образованный набором катушек;

на фиг. 2 схематично показана одна из катушек ограничителя тока, изображенного на фиг. 1, вид сверху;

на фиг. 3 показан схематичный увеличенный вид части в рамке III на фиг. 2;

на фиг. 4 показан схематичный увеличенный вид части в рамке IV на фиг. 2 и 3;

на фиг. 5 схематично показана часть набора сверхпроводящих проводов катушки, изображенной на фиг. 2, вид в перспективе;

на фиг. 6 детально изображен вид фиг. 5 с показом ситуации прохождения тока в случае локального дефекта типа горячей точки;

на фиг. 7-20 представлены варианты выполнения проводящих распорок, показанных на фиг. 4-6;

на фиг. 21 представлен вариант выполнения катушки для ограничителя тока, показанного на фиг.1, вид сверху.

На фиг. 1 схематично показан заявленный ограничитель тока. Этот ограничитель 1 тока содержит по меньшей мере одну катушку, образованную по меньшей мере одним проводником типа сверхпроводника, намотанным в единой плоскости. В примере, представленном на фиг. 1, ограничитель 1 тока содержит набор в виде стопы из пяти катушек. Ограничитель 1 тока содержит катушки 2 в необходимом количестве в зависимости от пропускаемого тока и напряжения.

На фиг. 2 схематично представлен вид сверху одной из катушек 2, образующих ограничитель 1 тока. В данном случае катушка 2 является диполем, содержащим первую соединительную клемму Т1 и вторую соединительную клемму Т2. Если катушка 2 является единственной катушкой ограничителя 1 тока, соединительные клеммы Т1 и Т2 являются контактными выводами ограничителя 1 тока, через которые он соединен с защищаемой электрической схемой. Если, как в примере, показанном на фиг. 1, ограничитель 1 тока содержит несколько катушек 2, они соединены последовательно и/или параллельно при помощи соответствующего подсоединения своих соответствующих соединительных клемм Т1 и Т2.

В представленном примере катушки 2 являются бифилярными катушками, то есть образующий их проводник проходит один или несколько путей в одну и другую сторону между периферией катушки и центром катушки.

В катушке 2 проводник 3 типа сверхпроводника соединяет первую соединительную клемму Т1 со второй соединительной клеммой Т2, образуя намотку. В этом упрощенном примере проводник 3 отходит от первой соединительной клеммы Т2, наматывается, образуя два витка, затем в центре спирали образует перегиб 4, после чего опять образует два витка и на периферии спирали приходит к второй соединительной клемме Т2.

В примере, представленном на фиг. 2, который представляет собой упрощенный пример для лучшего понимания описания, катушка 2 содержит только один проводник 3 типа сверхпроводника и две клеммы Т1, Т2, при этом проводник 3 состоит из трех объединенных сверхпроводящих проводов 5. Каждый из трех сверхпроводящих проводов 5 содержит первый конец и второй конец, при этом три первых конца соединены вместе на уровне первой клеммы, и три вторых конца соединены вместе на уровне второй клеммы Т2. Три сверхпроводящих провода 5, образующих проводник 3, намотаны параллельно в бифилярной катушке.

Длина проводника типа сверхпроводника и, следовательно, число витков намотки показаны на чертежах тоже в упрощенном виде. Например, для ограничителя тока или участка ограничителя тока, предусмотренного для 25 кВ, в котором проводник типа сверхпроводника имеет линейное сопротивление, обеспечивающее падение напряжения в 50 В/м, когда он становится резистивным, этот проводник должен иметь длину порядка 500м, что дает катушку диаметром в несколько метров с большим количеством оборотов.

Пространства между двумя витками катушки 2, то есть пространства между двумя оборотами проводника 3, называются «межвитковыми пространствами 6». Пространства между двумя сверхпроводящими проводами 5 внутри проводника 3 называются «межпроводными пространствами 7».

Межвитковые пространства 6 содержат электроизоляционные распорки, а межпроводные пространства 7 содержат электропроводящие распорки. На упрощенной фиг. 2 эти распорки не показаны и будут описаны ниже со ссылками на фиг. 3-5.

Фиг. 3 представляет собой увеличенный вид рамки III, показанной на фиг. 2. Так, на фиг. 3 видны три участка витков проводника 3. Между каждым витком проводника 3 расположен изолирующий слой, образованный электроизоляционной распоркой 8. В этом примере ток проходит от первой соединительной клеммы Т1 ко второй соединительной клемме Т2, и на фиг. 3 стрелками показано направление прохождения этого тока. Хотя в этом примере ток всегда проходит в одном и том же направлении вдоль проводника 3, намотка в виде катушки приводит к образованию витков таким образом, что между одним участком проводника 3 и другим участком проводника 3, находящимся на смежном витке, ток проходит в обратном направлении. Для участков проводника 3 или показанных проводов 5 прохождение тока в одном направлении (слева направо на фигурах) схематично показано стрелками 9, тогда как прохождение тока в другом направлении (справа налево) схематично оказано стрелками 10. На участке витка вверху на фиг. 3 ток проходит слева направо, что показано стрелками 9; на участке витка посередине ток проходит справа налево, что показано стрелками 10; и на участке витка внизу ток проходит слева направо, что показано стрелками 9.

Изолирующая распорка 8 имеет форму, позволяющую поддерживать межвитковое пространство 6, электрически изолировать два соответствующих смежных витка и обеспечивать проницаемость для охлаждающей текучей среды. Изолирующая распорка 8 выполнена из любого изолирующего материала, достаточно жесткого, чтобы обеспечивать поддержание межвиткового пространства 6. В данном случае изолирующая распорка 8 выполнена из плиссированного, то есть согнутого в виде треугольника, или из гофрированного листа изолирующего материала, что позволяет получить просветы 11, обеспечивающие прохождение охлаждающей текучей среды.

Ограничитель 1 тока охлаждается до температуры, позволяющей ему сохранять сверхпроводящие свойства проводника 3. Катушка или катушки 2 омываются текучей средой, такой как жидкий азот, или эта текучая среда приводится в движение при помощи контура охлаждения. Эта охлаждающая текучая среда входит в контакт с проводником 3 благодаря просветам 11 изолирующих распорок 8 и благодаря просветам 13 проводящих распорок 12.

Фиг. 4 представляет собой увеличение рамки IV, показанной на фиг. 2 и 3. На этом увеличенном виде показан участок проводника 3. В трех проводах 5, образующих проводник 3, направление 9 прохождения тока является одинаковым. Проводящие распорки 12 расположены между этими проводами 5 внутри проводника 3 в межпроводных пространствах 7.

Проводящие распорки 12 выполняют три функции:

- поддерживают промежуток между двумя проводами 5;

- проводят ток между двумя проводами 5;

- обеспечивают проницаемость для охлаждающей текучей среды.

В данном примере проводящие распорки 12 структурно имеют такую же форму, что и изолирующая распорка 8, и содержат просветы 13, обеспечивающие прохождение охлаждающей текучей среды и теплообмены непосредственно с проводами 5 и опосредованно через проводящие распорки 12.

Проводящие распорки 12 выполнены из электропроводящего металла или из полупроводникового материала. Проводящие распорки 12 входят, каждая, в контакт с двумя проводами 5 и обеспечивают таким образом электрическую непрерывность между этими двумя проводами 5. В непрерывном режиме провода 5 имеют сверхпроводящие свойства, тогда как проводящие распорки 12 имеют свойства классического проводника. Таким образом, ток будет преимущественно проходить в сверхпроводящих проводах 5, которые имеют почти нулевое сопротивление, а не в проводящих распорках 12, которые, хотя и являются проводящими, имеют определенное сопротивление. Вместе с тем, проводящие распорки 12 будут уравновешивать распределение тока, а также потенциалы и гарантировать, что между двумя сверхпроводящими проводами 5 одного и того же проводника 3 не может возникать большая разность потенциалов.

Охлаждение всей катушки 2 обеспечивается одной и той же охлаждающей текучей средой, которая проходит как через изолирующие распорки 8, так и через проводящие распорки 12. Предпочтительно металлом проводящих распорок является металл, обладающий высокой теплопроводностью, например, превышающей 150 Вт/м/К, такой как медь или алюминий. Таким образом, проводящие распорки 12 оптимально обеспечивают функции теплопроводности и электропроводности.

Предпочтительно применяют геометрические формы проводящих распорок 12, которые оптимизируют теплообмены между проводящими распорками 8 и охлаждающей текучей средой и которые оптимизируют теплообмены и электропроводность между двумя проводами 5. В частности, можно применять ребристые структуры, а также любой метод, снижающий контактные сопротивления.

На фиг. 5 схематично показаны участок катушки 2 с двумя смежными витками проводника 3 и расположение изолирующих 8 и проводящих 12 распорок. На этой фигуре межвитковые пространства 6 и межпроводные пространства 7 имеют одинаковый размер. В данном случае изолирующая распорка 8 и проводящие распорки 12 имеют одинаковую форму, одинаковые размеры и различаются по своему материалу, соответственно изолирующему и электропроводящему. В варианте размеры распорок 8 и 12 могут отличаться друг от друга, если необходимо получить изменяющиеся промежутки между проводами 3 и/или между проводниками 5 внутри катушки.

Как схематично показано в трехмерном виде на фиг. 5, сверхпроводящие провода 5, образующие проводник 3, представляют собой классические трехмерные ленты, например, ленты типа REBCO. Изолирующая распорка 8 и проводящие распорки 12 представляют собой плиссированные ленты.

Таким образом, на фиг. 5 показаны: в верхней части фигуры - первый участок проводника 3 с образующими его тремя участками проводов 5; и в нижней части фигуры - второй участок проводника 3, соответствующий смежному витку, с образующими его тремя участками проводов 5. Внутри каждого проводника 3 между проводами 5 видны два участка проводящих распорок 12. Участок изолирующей распорки 8 показан между двумя проводниками 3, а также над верхним участком проводника 3 и под нижним участком проводника 3 для взаимодействия с не показанными смежными витками.

Через этот набор сверхпроводящих проводов 5 и распорок 8, 12 проходит охлаждающая текучая среда.

По проводам 5 верхнего участка проводника 3 ток проходит в направлении 10, тогда как по проводам 5 нижнего участка проводника 3 ток проходит в направлении 9. Направления 9 и 10 прохождения тока показаны для каждого сверхпроводящего провода 5.

На фиг. 6 показаны участок проводника 3 и образующие его три провода 5А, 5В, 5С, а также две проводящие распорки 12, поддерживающие промежуток и электропроводность между этими тремя проводами 5. Ток циркулирует в направлении стрелок 9. Эта фиг. 6 иллюстрирует поведение проводника 3 в случае появления горячей точки 14.

В этом примере горячая точка 14 появляется на центральном проводе 5В. Перед горячей точкой 14 ток проходит по проводам 5А, 5В, 5С одинаково за счет их сверхпроводящих свойств. На проводе 5В ток, поступающий в горячую точку 14, перестает использовать сверхпроводящие свойства провода, который даже может стать локально резистивным.

Перед горячей точкой 14 по меньшей мере часть тока будет отклоняться проводящими распорками 12 и будет обходить горячую точку 14 через другие провода 5А, 5С. На выходе горячей точки 14 проводящие распорки уравновешивают токи, позволяя части тока вернуться в провод 5В.

Фиг. 7-20 относятся к версиям выполнения проводящих распорок 12. В различных вариантах и версиях выполнения элементы с одинаковой функцией имеют одинаковые обозначения на фигурах.

Фиг. 7 представляет собой упрощенный вид участка, содержащего два сверхпроводящих провода 5 одного и того же проводника 3, и проводящей распорки 12, расположенной между этими двумя проводами 5. Фиг. 7 иллюстрируют выполнение проводящих распорок 12, описанных со ссылками на фиг. 5 и 6. Таким образом, проводящая распорка 12, показанная на фиг. 7, представляет собой плиссированную металлическую ленту, входящую в двухсторонний контакт с двумя проводами 5.

Версия на фиг. 8 иллюстрирует случай, когда проводящая распорка 12 является прерывистой. Она состоит из нескольких дискретных распорок 15, распределенных по всей длине межпроводного пространства 7. Таким образом, проводящая распорка 12 обеспечивает электропроводность между двумя проводами 5, в частности, чтобы уравновешивать токи и обходить возможную горячую точку. Однако проводящая распорка 12 может участвовать в проведении тока только на некоторых участках длины межпроводного пространства 7, что обуславливает поведение анизотропной электропроводности проводящей распорки 12, то есть значительную проводимость между двумя проводами 5, но слабую и даже нулевую проводимость в направлении прохождения тока вдоль проводов 5.

Это поведение анизотропной электропроводности позволяет избегать чрезмерного уменьшения электрического сопротивления катушки 2, когда она работает в режиме ограничения тока.

На фиг. 9 представлена другая версия выполнения проводящей распорки 12, придающая ей свойства анизотропной электропроводности. Согласно этой версии, показанной на фиг. 9, проводящая распорка 12 выполнена посредством соединения металлических дискретных распорок 16 и изолирующих дискретных распорок 17 (показаны заштрихованными на фиг.17), чередующихся вдоль межпроводного пространства 7. Проводящая распорка 12 обеспечивает, таким образом, промежуток на всей длине межпроводного пространства 7, одновременно ограничивая прохождение тока вдоль проводящей распорки 12, благодаря наличию изолирующих дискретных распорок 17, которые, например, выполнены из электроизоляционного полимера.

На фиг. 10 представлена версия, подобная версии, показанной на фиг. 9, согласно которой проводящая распорка 12 состоит из чередующихся проводящего участка 12А (на фигуре в виде перевернутого V) и изолирующего участка 12В (в виде перевернутого V).

На фиг. 11 представлена другая версия, в которой чередование проводящих и изолирующих участков обеспечивается тем, что одна 12А из ветвей перевернутого V является проводящей, а другая ветвь 12В является изолирующей.

На фиг. 12 представлена еще одна версия выполнения проводящей распорки 12, которая тоже обеспечивает ей поведение анизотропной электропроводности. В данном случае проводящая распорка 12 выполнена в виде последовательности металлических мостиков 18 и поперечин 19, расположенных между этими мостиками 18. Металлические мостики 18 обеспечивают электропроводность между проводами 5, а поперечины 19 удерживают мостики 18 в положении. Поперечины 19 могут быть выполнены из изолирующего материала, и поведение проводящей распорки 12 будет в этом случае похоже на поведение в версии на фиг. 9. Поперечины 19 могут быть выполнены также из проводящего, например, металлического материала, но при этом проводящая распорка 12 все равно показывает анизотропное поведение, сохраняя проводимость между проводами и одновременно уменьшая ее вдоль межпроводного пространства 7.

На фиг. 13 показано альтернативное расположение поперечин 19, при котором поперечины 19 соединяют каждый из двух мостиков 18, при этом поперечины 19 в верхней части расположены в шахматном порядке относительно нижних поперечин 19.

На фиг. 14 показана версия, в которой мостики 18 соединены через подошвы 20 соответственно с верхним проводом 5 и с нижним проводом 5. Факультативно, некоторые мостики 18 (в данном случае один из двух) являются изолирующими (изолирующие мостики 18 показаны в заштрихованными).

На фиг. 15 и 16 представлены версии, в которых мостики 18 представляют собой цилиндры, соединяющие два провода 5. В версии на фиг. 15 мостики 16 соединяют провода 5 напрямую. В версии на фиг. 16 мостики 18 соединяют провода через подошву 20, расположенную на каждом из проводов 5.

Подошвы 20, показанные на фиг. 14 и 16, увеличивают также площадь контакта между проводящей распоркой 12 и проводами 5 и способствуют, таким образом, теплообмену, что повышает эффективность охлаждения проводов 5 охлаждающей текучей средой.

На фиг. 17 представлен другой вариант осуществления, в котором изолирующая распорка 12 выполнена из материала, образованного чередующимися проводящими слоями 12А и изолирующими слоями 12В.

На фиг. 18-20 представлены версии выполнения проводящей распорки 12, относящиеся к теплообменной способности проводящей распорки 12.

На фиг. 18 представлена версия проводящей распорки 12, показанной на фиг. 7. Согласно этой версии, проводящая распорка 12 содержит основания 21, связывающие вершины складок, образующих распорку 12, с проводами 5. Эти основания 21 увеличивают площадь контакта между проводящей распоркой 12 и проводами 5 и способствуют теплообмену, что повышает эффективность охлаждения проводов 5 охлаждающей текучей средой.

Фиг. 19 подобна фиг. 18, но в данном случае проводящая распорка 2 является гофрированной. Факультативно, эта гофрированная форма распорки 12 может быть использована без оснований 21.

На фиг. 20 представлена версия выполнения проводящей распорки 7, в которой распорка 12 содержит дополнительный теплообменник, образованный ребрами 22, увеличивающими площадь контакта с охлаждающей текучей средой. Дополнительный теплообменник в данном случае можно определить как устройство увеличения поверхности теплообмена распорки 12.

На фиг. 21 представлена версия выполнения катушки 2, предназначенной для изготовления ограничителя 1 тока. Согласно этой версии, проводник 3 типа сверхпроводника расположен таким образом, чтобы реализовать два пути в одну и другую сторону между периферией катушки и центром катушки. Независимо от расположения и числа проводников 3, проводящие распорки расположены в межпроводном пространстве 7, а изолирующие распорки расположены в межвитковом пространстве 6.

Не выходя за рамки изобретения, можно предусмотреть другие версии выполнения ограничителя тока. Например, проводник типа сверхпроводника ограничителя тока может содержать любое число образующих его сверхпроводящих проводов, при этом одна или несколько проводящих распорок расположены между этими проводами или группами проводов.

Точно так же, катушка может содержать любое число проводников типа сверхпроводников, намотанных для получения катушки, и соответствующее число соединительных клемм, при этом одна или несколько изолирующих распорок расположены таким образом, чтобы отделить каждый виток, образованный этими различными проводниками типа сверхпроводников.

Катушка может быть катушкой любого типа, бифилярной или нет. Она может иметь цилиндрическую, овальную или прямоугольную форму.

Ограничитель тока может также содержать любое число катушек в наборе в виде стопы, соединительные клеммы которых соединены между собой последовательно или параллельно.

Материал и форма проводящих распорок могут меняться, обеспечивая как электропроводность по меньшей мере на участках проводящей распорки, так и проницаемость по отношению к охлаждающей текучей среде. Проводящие распорки могут быть выполнены из пористого проводящего материала или могут содержать, например, каналы для циркуляции охлаждающей текучей среды.

Поведение анизотропной электропроводности электропроводящих распорок можно обеспечивать при помощи других средств, например, при помощи собственно анизотропных кристаллических материалов. Предпочтительно эти материалы используют, располагая их таким образом, чтобы они обладали большей электропроводностью в поперечном направлении, то есть между проводами 3, чем в продольном направлении, то есть вдоль межпроводных пространств 7.

Различные варианты выполнения и версии выполнения проводящей распорки 12 можно комбинировать друг с другом.

Изобретение относится к области сверхпроводящих ограничителей тока, предназначенных для применения под высоким напряжением. Сверхпроводящий ограничитель (1) тока содержит по меньшей мере один проводник (3) типа сверхпроводника, намотанный с образованием катушки (2), расположенной в единой плоскости и соединяющей первую клемму (Т1) электрического соединения со второй клеммой (Т2) электрического соединения, при этом между двумя витками катушки (2) расположена электроизоляционная распорка (8). Согласно изобретению проводник (3) типа сверхпроводника образован по меньшей мере двумя отдельными намотанными параллельно сверхпроводящими проводами (5), концы которых электрически соединены соответственно первой клеммой (Т1) электрического соединения и второй клеммой (Т2) электрического соединения, при этом между указанными двумя отдельными сверхпроводящими проводами (5) расположена электропроводящая распорка (12), обеспечивающая электрическую непрерывность между указанными двумя сверхпроводящими проводами (5), причем эта электропроводящая распорка (12) является проницаемой для охлаждающей текучей среды. Изобретение обеспечивает возможность ограничителю тока пропускать большие токи, обеспечивая при этом эффективное охлаждение ограничителя тока, причем для напряжений порядка 50-2000 кВ и номинальных токов порядка 1000-10000 А. 17 з.п. ф-лы, 21 ил.

1. Сверхпроводящий ограничитель (1) тока, содержащий по меньшей мере один проводник (3) типа сверхпроводника, намотанный с образованием катушки (2), расположенной в единой плоскости и соединяющей первую клемму (Т1) электрического соединения со второй клеммой (Т2) электрического соединения, при этом между двумя витками катушки (2) расположена электроизоляционная распорка (8), отличающийся тем, что проводник (3) типа сверхпроводника образован по меньшей мере двумя отдельными намотанными параллельно сверхпроводящими проводами (5), концы которых электрически соединены соответственно первой клеммой (Т1) электрического соединения и второй клеммой (Т2) электрического соединения, при этом между указанными двумя отдельными сверхпроводящими проводами (5) расположена электропроводящая распорка (12), обеспечивающая электрическую непрерывность между указанными двумя сверхпроводящими проводами (5), причем эта электропроводящая распорка (12) является проницаемой для охлаждающей текучей среды.

2. Ограничитель тока по п. 1, отличающийся тем, что катушка (2) является бифилярной катушкой.

3. Ограничитель тока по п. 1 или 2, отличающийся тем, что содержит межвитковое пространство (6) между двумя намотками проводника (3) типа сверхпроводника и межпроводное пространство (7) между двумя сверхпроводящими проводами (5) того же проводника (3) типа сверхпроводника, при этом электроизоляционная распорка (8) расположена вдоль межвиткового пространства (6), а электропроводящая распорка (12) расположена вдоль межпроводного пространства (7).

4. Ограничитель тока по одному из пп. 1-3, отличающийся тем, что электропроводящая распорка (12) выполнена из металла.

5. Ограничитель тока по одному из пп. 1-3, отличающийся тем, что электропроводящая распорка (12) выполнена из полупроводникового материала.

6. Ограничитель тока по п. 5, отличающийся тем, что металл электропроводящей распорки (12) имеет теплопроводность, превышающую 150 Вт/м/К.

7. Ограничитель тока по одному из пп. 1-6, отличающийся тем, что электропроводящая распорка (12) имеет форму плиссированной или гофрированной ленты.

8. Ограничитель тока по одному из пп. 1-7, отличающийся тем, что электропроводящая распорка (12) имеет просветы (13) для прохождения охлаждающей текучей среды.

9. Ограничитель тока по одному из пп. 1-8, отличающийся тем, что электропроводящая распорка (12) и электроизоляционная распорка (8) имеют по существу одинаковую форму.

10. Ограничитель тока по одному из пп. 1-9, отличающийся тем, что электропроводящая распорка (12) проявляет свойство анизотропной электропроводности, способствующее электропроводности между указанными двумя сверхпроводящими проводами (5).

11. Ограничитель тока по п. 10, отличающийся тем, что электропроводящая распорка (12) выполнена прерывистой и образована дискретными распорками (15).

12. Ограничитель тока по п. 10, отличающийся тем, что электропроводящая распорка (12) образована расположенными рядом проводящими дискретными распорками (16) и изолирующими дискретными распорками (17).

13. Ограничитель тока по п. 10, отличающийся тем, что электропроводящая распорка (12) содержит металлические мостики (18) между указанными двумя сверхпроводящими проводами (5) и поперечины (19), расположенные между этими металлическими мостиками.

14. Ограничитель тока по п. 13, отличающийся тем, что поперечины (19) являются электропроводящими.

15. Ограничитель тока по п. 13, отличающийся тем, что поперечины (19) являются электроизоляционными.

16. Ограничитель тока по одному из пп. 1-15, отличающийся тем, что дополнительно содержит устройство охлаждения, содержащее охлаждающую текучую среду, входящую в контакт с электроизоляционными распорками (8) между витками катушки (2) и с электропроводящими распорками (12) между сверхпроводящими проводами (5).

17. Ограничитель тока по одному из пп. 1-16, отличающийся тем, что проводящая распорка (12) содержит подошвы (20) или основания (21), увеличивающие площадь контакта с двумя сверхпроводящими проводами (5).

18. Ограничитель тока по одному из пп. 1-17, отличающийся тем, что проводящая распорка (12) содержит дополнительные теплообменники (22) для теплообмена с охлаждающей текучей средой.