Токоограничивающий реактор Советский патент 1993 года по МПК H02H9/02 H01F37/02 

Фиг.2

Изобретение относится к электротехнике и предназначено в качестве бесконтактного электромагнитного устройства для ограничения токов короткого замыкания в электроэнергетических системах, в частности, в кабельных и обычных электрических сетях.

Цель изобретения - устранение указанных недостатков, т.е. осуществление бесконтактного переключения реактора из одного состояния в другое, увеличение быстродействия, снижение потерь, упрощение конструкции и повышение надежности.

Керамические СП материалы широко известны и применяют их обычно в виде токопроводящих пленок и проводов.

Однако, при их использовании в качестве сердечника в предлагаемом устройстве, последнее проявляет новые свойства, что приводит к увеличению быстродействия, снижению потерь, упрощению конструкции и повышению надежности.

Для заявленного устройства с ВТСП экранирующим элементом быстродействие определяется скоростью проникновения поля через экран и выхода из него. Согласно, эти времена составляют т 0,01 мс при толщине ВТСП. равной 1 мм.

Быстродействие устройств с СП экранами (прототип) определяется скоростью перехода СП экрана в нормальное состояние и обратно. Как указано в скорости перехода составляют 0.2 мс и 6,5 мс, соответственно, при толщине, равной 15 мкм. Таким образом, быстродействие заявленного устройства на несколько порядков выше, чем у устройства прототипа.

В устройстве прототипа (замкнутый неуправляемый экран) переход такого эк- ранэиз СП состояния в нормальное связан с выделением при этом энергии. Согласно, средняя величина выделяемой при этом энергии составляет 10 -103 Дж. В СП управляемых экранах, кроме того, следует учесть потери в системе управления экраном (нагревательные элементы и т.д.).

В заявляемом устройстве ВТСП экранирующий элемент сохраняет сверхпроводящее состояние как в номинальном, так и в режиме токоограничения, что обусловливает отсутствие потерь, связанных с переходом. Поэтому заявленное устройство является гораздо более экономичным, чем устройство прототипа. Кроме того, отсутствие в заявленном токоограничивающем реакторе необходимости использования жидкого гелия и связанного с ним криоэлектрооборудования существенно снижает как энергозатраты, так и потери энергии.

В устройстве прототипа для экранов использованы низкотемпературные СП материалы, переходящие в процессе работы из СП состояния в нормальное и обратно. Для

этого класса материалов, как указывается, характерны в процессе работы в переменном поле скачки магнитного потока, что существенно снижает стабильность характеристик и надежность работы всего

° устройства в целом. Кроме этого, в устройствах с управляемым экраном наличие управляющих элементов и связанных с ними систем также снижают надежность работы устройства. В заявленном устройстве, как

5 указывалось выше, экранирующий элемент из ВТСП материала в процессе работы не переходит в нормальное состояние, что обусловливает отсутствие скачков потока и высокую надежность и стабильность харак0 теристик. Кроме этого, в заявленном устройстве отсутствие управляющих элементов, систем управления ими, а также систем гелиевого криоэлектрооборудования существенно увеличивает надежность работы

5 данного устройства.

Следовательно, в предлагаемом устройстве размещение и функции ВТСП материала отличаются от размещения и функций такого материала в известных конструкциях.

0 На фиг.1 изображена конструкция предлагаемого реактора в разрезе; на фиг.2 - варианты выполнения реактора; на фиг 3 и 4 - соответственно вольт-амперная характеристика и изменение индуктивного сопро5 тивления реактора.

Токоограничивающий реактор содержит силовую обмотку 1, размещенную на экранируемом элементе 2, выполненном в виде сплошного цилиндра из керамического

0 ВТСП материала, расположенного в криогенной среде (фиг.1).

Внутренняя полость ВТСП керамического экранирующего элемента 2 заполнена ферромагнитным материалом, образующим

5 ферромагнитный стержень 3 (фиг.2).

Реактор работает следующим образом.Q

При номинальном режиме через силовую обмотку 1 реактора течет номинальный

0 ток нагрузки, экранирующий элемент 2 из ВТСП материала находится в сверхпроводящем состоянии, обладая при этом весьма малой магнитной проницаемостью, а внутри него поле отсутствует (не проникает). Поэ5 тому сопротивление реактора мало - близко к нулю хн 0. При КЗ ток в обмотке реактора быстро возрастает до значения тока КЗ и теперь вглубь сверхпроводящего экранирующего элемента проникает большое поле. Вместе с тем сопротивление реактора увеличивается до максимального значения xk. При этом зависимость между током и напряжением, т.е. вольтам- перная характеристика реактора имеет вид кривой, представленной на фиг.З сплошной линией. На участке от начала координат до точки а кривая приближается к оси абсцисс и реактор имеет малое сопротивление. На участке ав наклон характеристики и сопротивление реактора заметно возраста- ют вследствие все большего проникновения потока в глубь материала экранирующего элемента.

Наклон характеристики в ее начальной части оа определяется полем рассеяния силовой обмотки реактора. Если уменьшить рассеяние, то уменьшится и сопротивление в нормальном режиме и можно получить большую кратность изменения сопротивления реактора в режиме КЗ:

,

где xk - сопротивление реактора в режиме КЗ, т.е. при номинальном напряжении,

хн - сопротивление реактора о номинальном режиме, т.е. при номинальном токе.

Сопротивление реактора с экранирующим элементом из керамического ВТСП ма- териала изменяется в соответствии с его вольта мперной характеристикой без вмешательства каких-либо регулирующих или иных устройств и без применения каких-либо контактов и, дополнительных переключа- ющих элементов, т.е. автоматически без всякого запаздывания.

Наличие стержня 3 из ферромагнитного материала внутри керамического сверхпроводящего полого экранирующего элемента не влияет на работу реактора в номинальном режиме, однако позволяет еще более увеличить сопротивление xk (см. пунктирную часть кривой на фиг.4) и улучшить параметр реактора - повысить кратность К в режиме КЗ. т.е. позволяет расширить диапазон использования устройства.

Придание торцам цилиндра экранирующего элемента формы полусфер позволяет уменьшить влияние краевых эффектов;

Таким образом, предлагаемая конструкция токоограничивающего реактора сде- лает его эффективным устройством криогенного электрооборудования сверх- прооодящих кабельных и воздушных систем переменного тока.

Экспериментальные исследования предложенного токоограничиоающего реактора показали, что посрапмениюсустрой- CTDOM аналогичного назначения (прототип) предложенное устропсизо обеспечивает значительное улучшение характеристик, повышение быстродействия, снижение потерь, упрощение конструкции и повышение надежности.

Формула изобретения

1.Токоограиичииающий реактор, содержащий рабочую обмотку н одмовитко- DH и экранирующий элемент из оысокотемперптурного сверхпроводящего материала, о т л п ч а ю щ и и с ч том, что, с це:н,;с повышения быстродействия, снижения noiepb, упрощения конструкции и повышения надежности, окраиирующий элемент выполнен в виде цилиндра, расположен внутри обмотки, имеет торцевые выступы, в

. виде полусфер, выходящие за обмотку.

2.Реактор по п. 1, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что цилиндр выполнен сплошным.

3.Реактор по п. 1. о т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью расширения диапазона использования, он снабжен стержнем из ферромагнитною, материала, экранирующий элемент выполнен в виде полого цилиндра, а стержень размещен о цилиндре.

Использование: для быстрого и надежного ограничения токов короткого замыкания в электрических сетях. Сущность изобретения: реактор содержит рабочую обмотку 1 и одновитковый экранирующий элемент 2 в виде сплошного цилиндра из высокотемпературного сверхпроводящего материала, расположенный внутри обмотки и имеющий торцовые выступы, выходящие за обмотку, в виде полусфер. Экранирующий элемент может быть выполнен комбинированным о виде полого цилиндра из высокотемпературного сверхпроводящего материала и размещенного внутри этого цилиндра стержня 3 из ферромагнитного материала. 2 з.п. ф-лы, 4 ил. (Л С

0 IH