Устройство для ограничения тока - RU2126568C1

Чертежи

Показать все 7 чертежа(ей)

Описание

Изобретение относится к устройству для ограничения тока согласно ограничительной части п.1 формулы.

Уровень техники известен из JP 2-183915 А. В соответствии с этим уровнем техники плоская несущая основа /субстрат/ через по меньшей мере одну из своих двух главных плоскостей через слой толщиной 0,01 - 10,0 мкм из благородного металла, напр., серебра, служащий химическим барьером, находится в плоскостном контакте с проводящим соединением из высокотемпературного сверхпроводника из благородного металла. Толщина слоя высокотемпературного сверхпроводника находится в пределах 0,1 мкм - 1,0 мм. Несущая основа может быть металлическим проводником. Без особого геометрического оформления, в частности при использовании токопроводящей металлической несущей основы. Это сверхпроводниковое устройство малопригодно для ограничения переменного тока.

Из US-A-4.961.066 (EP-A-0345767) известно использование для быстрого ограничения тока при коротких замыканиях в качестве токоограничителя стержнеобразной, трубчатой или плоской, многослойной структуры, состоящей в каждом случае из несущего изолятора, нанесенного на него тонкого сверхпроводящего слоя и нанесенного на последний резистивного слоя нормального проводника. Оба последних слоя могут чередоваться. При этом сопротивление несверхпроводящего резистора меньше сопротивления сверхпроводника в нормально проводящем состоянии. Недостатком являются высокие потери энергии в режиме переменного тока и относительно большая длина проводников.

EP-A-0315976 известен ограничитель тока, в котором сверхпроводящие провода меандрообразно изогнуты, расположены с обеих сторон изолятора в его выемках и электрически последовательно соединены в этажерочной конструкции с несколькими изоляторами. При этом магнитное воздействие тока не компенсируется противоположными меандрами на изоляторе в их верхней и нижней полупетле, а также на боковых участках меандра, см. там фиг. 5.

К уровню техники дополнительно следует отнести ЕР-А-10406636. Там для ограничения всех токов в электрических линиях переменного тока, например, вследствие короткого замыкания, предусмотрен ограничитель тока, в котором дроссельная катушка включена параллельно высокотемпературному сверхпроводнику. Сверхпроводник расположен внутри дроссельной катушки и дополнительно включен параллельно несверхпроводящему шунтирующему резистору.

В заявке США N 4961066 для быстрого ограничения тока при коротких замыканиях в качестве токоограничителя описана стержнеобразная, трубчатая и плоская многослойные структуры, состоящие соответственно из несущего изолятора, нанесенного на него тонкого сверхпроводящего слоя и нанесенного на последний резистивного слоя нормального проводника. Оба последних слоя могут чередоваться. При этом сопротивление несверхпроводящего резистора меньше сопротивления сверхпроводника в нормально проводящем состоянии. Недостатком являются высокие потери энергии в режиме переменного тока и относительно большая длина проводников.

В отношении соответствующего уровня техники следует дополнительно сослаться на европейскую заявку N 0406636. В ней для ограничения сверхтоков в цепи переменного тока, например, вследствие короткого замыкания, описан токоограничитель, у которого дроссельная катушка включена параллельно высокотемпературному сверхпроводнику. Сверхпроводник расположен внутри дроссельной катушки и включен дополнительно параллельно несверхпроводящему шунтирующему резистору.

Изобретение, изложенное в п.1 формулы, решает задачу усовершенствования устройства для ограничения тока названного выше рода таким образом, что оно пригодно для резистивного ограничения как постоянных, так и переменных токов. Сверхток в случае короткого замыкания ограничен заданным кратким значением номинального тока.

Предпочтительные формы выполнения изобретения приведены в зависимых пунктах формулы.

Преимущество изобретения состоит в том, что устройство для ограничения тока выполнено просто и компактно. Сверхпроводящая часть токоограничителя имеет модульную конструкцию, т.е. сверхпроводник разделен на узлы, которые при необходимости могут быть по отдельности удалены и заменены.

Согласно предпочтительной форме выполнения изобретения, используемые в токоограничителе структуры из сверхпроводников и нормальных проводников имеют низкую индукцию. За счет подходящего расположения проводников, возникающие в случае использования переменного тока его потери могут быть сильно уменьшены.

Устройство для ограничения тока может быть также использовано в качестве активного коммутационного элемента путем его помещения во внешнее магнитное поле. При этом используется тот факт, что критический ток в магнитных полях очень сильно уменьшается. За счет включения внешнего магнитного поля ток в сверхпроводнике может быть поэтому ограничен долей номинального тока.

Изобретение поясняется ниже с помощью примеров его выполнения. На чертежах показаны:
- фиг. 1: модульная конструкция токоограничителей в катушке с магнитным полем в сечении,
- фиг. 2: токоограничитель из фиг. 1 в сечении,
- фиг. 3: сверхпроводник токоограничителя из фиг. 2 с меандровой проводящей дорожкой в сечении,
- фиг. 4: диаграммы сигналов потерь переменного тока с токоограничителями,
- фиг. 5 - 8: токоограничители с различными последовательностями слоев.

На фигурах одинаковые детали обозначены одними и теми же ссылочными позициями.

На фиг. 1 изображен заполненный жидким азотом криостат 7, в котором четыре расположенных параллельно друг другу токоограничителя или токоограничивающих модуля 5 включены последовательно и присоединены к токопроводу 6. При работе ток I течет через токопровод 6, который в случае сверхтока, например, вследствие короткого замыкания, должен быть ограничен токоограничивающими модулями 5 до 3 - 5-кратного значения заданного номинального тога I_n. Криостат 7 расположен внутри катушки 8 с магнитным полем.

На фиг. 2 изображена многослойная структура токоограничивающего модуля 5 из фиг.1. На главную поверхность 1а и противоположную ей главную поверхность 1b шайбообразной керамической пластины или изолятора 1 толщиной d₁ нанесено по одному тонкому буферному слою 2 серебра, толщина которого составляет 1 - 5 мкм. В качестве материалов изолятора 1 используются пластины, имеющие достаточную термостойкость. А в интервале между комнатной температурой и температурой 77К - длительное термическое изменение, сравнимое с сверхпроводником 3,3'. Преимущественно используются пластины из стеклонаполненной литьевой смолы или керамические пластины из MgO. Их соединение с буферным слоем 2 - с помощью обычного клея. Эта операция требуется для сверхпроводящих пластин 3,3', выплавленных в серебряной форме, которую после выплавки удаляют, и не требуется при использовании плавильных подложек на основе никелевого сплава или керамики, которые после изготовления сверхпроводника 3,3' не удаляют, а они могут служить механической стабилизацией для них.

На оба буферных слоя 2 в плоскостном контакте с ними нанесены шайбообразные высокотемпературные сверхпроводники или сверхпроводники 3,3' прямоугольного сечения в форме меандра (фиг. 3) и толщиной каждый d_SL. При этом главная поверхность 3а каждого сверхпроводника 3,3' для его электрической стабилизации находится в хорошем контакте с соответствующим буферным слоем 2. Оба сверхпроводника 3, 3' расположены на расстоянии Δ между слоями или между собой.

Главная поверхность 3b соответствующего сверхпроводника 3,3' для его электрической и термостабилизации находится в плоскостном, хорошем электропроводящем контакте с главной поверхностью 4а соответствующего несверхпроводящего резистора или нормального проводника 4,4' толщиной d_NL. Противоположная главной поверхности 4а главная поверхность нормального проводника 4,4' обозначена поз. 4b. В качестве металлов для нормальных проводников 4,4' особенно пригодны металлы с удельным сопротивлением при комнатной температуре более 10 мкОм • см, обладающие еще вязкостью при -200^oC. Преимущественно рассматриваются олово, цинк, висмут и их сплавы, а также немагнитные металлы на основе стали или никеля. Нормальные проводники 4,4' могут быть нанесены на сверхпроводник 3,3' гальваническими способами, газопламенной металлизацией, плазменной металлизацией, наклеиванием с помощью проводящего клея, припаиванием или спеканием напыленного в холодном состоянии металлического порошка. Толщина слоя нормального проводника 4,4' должна быть такой, чтобы электрическое сопротивление этого слоя имело приблизительно такую же величину, что и слоя граничащего сверхпроводника 3,3'в нормальном состоянии, например, 50 мкм при толщине d_SL сверхпроводника 3,3' составляющей 1 мм. Отнесенное к площади удельное контактное сопротивление между главной поверхностью 3b сверхпроводника 3,3' и главной поверхностью 4а нормальных проводников 4,4' должно составлять менее 1 мOм • см², преимущественно не более 10 мкОм • см².

На фиг. 3 изображено сечение сверхпроводника 3 из фиг. 2. Посредством надрезов или меандровых выемок 9 в прямоугольной , преимущественно квадратной пластине изготовляют ленточный проводник. На концах этого проводника для электрического контактирования размещены серебряные контакты 10, 11. Соседние меандровые выемки 9 расположены на расстоянии b по вертикали друг от друга в соответствии с шириной колена меандра. Меандры наиболее просто изготовляют посредством попеременного выполнения надрезов фрезерованием, выпиливанием, лазерной или водоструйной резкой; их можно изготовлять перед нанесением нормального проводника 4,4', а также перед расположением механического стабилизирующего средства, т.е. изолятора 1.

Меандровые сверхпроводники 3,3' расположены в токоограничивающих модулях 5 с обеих сторон изолятора 1 так, что в соответственно противолежащих коленах меандра ток I течет в противоположном направлении, так что перпендикулярные плоскости ленты составляющие собственного поля взаимно компенсируются. Этим достигаются низкая индуктивность и низкие потери токоограничивающих модулей 5.

На фиг. 4 в виде кривых 12, 13 для различных отношений ширины b колен меандра к толщине d_SL сверхпроводника 3,3' показаны потери переменного тока, возникающие при названном выше токоотводе. При этом на абсциссе нанесено расстояние Δ между проводниками в мм, а на ординате - отношение мощности Р потерь переменного тока к длине L сверхпроводника в мВт/м. Из кривой 12 видно, что для b/d_SL = 2 потери переменного тока уменьшаются по мере увеличения расстояния Δ между проводниками и возрастают при b/d_SL = 15 по мере увеличения расстояния Δ (см. кривую 13). Токоотводящее устройство в токоограничивающем модуле 5 приводит по мере увеличения расстояния Δ между проводниками к уменьшению потерь только тогда, когда меандровая лента сверхпроводника 3,3' достаточно плоская, т.е. когда отношение b/d_SL достаточно велико вплоть до критического значения 3,5. Для лент с b < 3.5 d_SL токоотвод увеличивает мощность Р потерь переменного тока, вместо того, чтобы уменьшать ее.

На фиг. 5 - 8 в упрощенном виде изображены различные последовательности слоев, которые могут быть использованы вместо многослойной структуры на фиг. 2. При этом NL обозначены нормальные проводники 4,4', 14, 15, а SL- сверхпроводники 3,3'.

На фиг. 5 структура проводников или многослойная структура из нормального проводника 4,4' и сверхпроводника 3,3' может быть поверхностно соединена с изолятором 1 или соответствующим буферным слоем 2 таким образом, что каждый нормальный проводник 4,4' расположен со стороны изолятора.

На фиг. 6 структура из нормального проводника 4,4' и сверхпроводника 3,3' может быть поверхностно соединена с изолятором 1 или соответствующим буферным слоем 2 таким образом, что изолятор 1 своей главной поверхностью находится в плоскостном контакте со сверхпроводником 3 в соответствии с расположением на фиг. 2, а другой своей главной поверхностью - с нормальным проводником 4' в соответствии с расположением на фиг. 5. Дополнительно может быть предусмотрен изолятор 1', находящийся в плоскостном соединении со сверхпроводником 3' через буферный слой 2.

На фиг. 7 изображена многослойная структура из фиг. 5, у которой наружные поверхности сверхпроводников 3,3' находятся в хорошем электропроводящем контакте с дополнительными нормальными проводниками 14, 15.

На фиг. 8 изображен токоограничивающий модуль 5, содержащий на одной стороне изолятора 1 многослойную структуру из фиг. 7, а на другой стороне - многослойную структуру из фиг. 2.

В токоограничивающих модулях 5 на фиг. 1 сверхпроводники 3,3' включены в цепь тока резистивно. Ниже определенной критической силы тока J_c сверхпроводника 3,3' находится в сверхпроводящем состоянии и поэтому практически не имеет электрического сопротивления. Если же критическая сила тока, например, вследствие короткого замыкания, превышена, то сверхпроводник 3,3' переходит в свое нормально проводящее состояние. Возникающее за счет этого сопротивление ограничивает ток до значения, намного меньшего по сравнению с током короткого замыкания.

Важными являются расчет сверхпроводника 3,3', его электро-, термо и механическая стабилизация, возникающие при эксплуатации потери переменного тока и соединения между токоограничивающими модулями 5.

Электро- и термостабилизация достигается за счет по меньшей мере одного нормального проводника 4,4', 14, 15 в качестве параллельного проводника, который локально должен находиться в хорошем электрическом и тепловом контакте со сверхпроводником 3,3'. Этот шунтирующий резистор 4,4', 14, 15 может при необходимости локально взять на себя часть тока от сверхпроводника 3,3' и защитить его этим от слишком сильного нагрева и разрушения. Для того, чтобы можно было эффективно разгрузить сверхпроводник 3, 3', значение сопротивления шунтирующего резистора 4,4', 14, 15 не должно превышать нормального сопротивления сверхпроводника 3,3'. Следовательно, толщина d_NL шунтирующего резистора 4,4', 14, 15 должна быть не менее d_SL•Р_NL/Р_SL, где Р_NL и Р_SL-удельное сопротивление соответственно шунтирующего резистора 4,4', 14, 15 сверхпроводника 3,3'. Поскольку шунтирующий резистор 4,4', 14, 15 должен забирать как можно больше тепла, то желательны большая тепловая масса и, следовательно, высокое удельное сопротивление Р_NL.

В рабочем состоянии сверхпроводник 3,3' должен пропускать номинальный ток I_N, что дает нижний предел площади его сечения, согласно уравнению
F ≥ 1.414 • I_N/J_c.

В состоянии ограничения ток I должен возрастать самое большее до n-кратного значения номинального тока I_N, причем на практике требуются значения 3 - 5. Это требования дает минимальную длину L сверхпроводника 3,3', согласно уравнению
L ≥ b • (d_SL/ Р_SL + d_NL/Р_SL ) 1.414 • U_N/(n • I_N),
где U_N - номинальное напряжение источника тока (не показан):
b - ширина полосы структуры из шунтирующего резистора 4,4', 14, 15 и сверхпроводника 3,3'.

Мощность Р потерь переменного тока сверхпроводника 3,3', через который проходит ток, сильно зависит от локального магнитного поля (собственное поле и возможные внешние поля). У ленточных сверхпроводников 3,3', используемых, как на фиг. 1, прежде всего перпендикулярные плоскости ленты составляющие поля очень неблагоприятно сказываются на мощности Р потерь переменного тока. Проводники должны поэтому иметь такую геометрию, чтобы поле в сверхпроводнике 3,3' было ориентировано главным образом параллельно плоскости ленты. В одной отдельной токопроводящей тонкой ленте магнитное поле в проводнике большей частью перпендикулярно плоскости ленты, при этом мощность Р потерь переменного тока неприемлем. Эффективное уменьшение перпендикулярных составляющих поля достигается с помощью геометрии проводников, состоящей из пар перпендикулярных плоскости ленты, близко расположенных друг к другу сегментов проводников со встречно-параллельным током I. Для каждой пары таких проводников магнитное поле в проводнике большей частью параллельно плоскости ленты, что значительно уменьшает мощность Р потерь переменного тока на длину L проводника
P/L = 4 • J_с • [-A(X_ez) • F + ∫ A(X)df],
где А(Х) - векторный потенциал при максимальном токе:
X_ez - так называемый электрический центр сверхпроводящей ленты, в которой электрическое поле равно нулю:
F- площадь сечения ленты;
интеграл простирается по всему сечению F проводника.

Из вышеприведенной формулы видно, что концепция токоотвода становится эффективной тогда, когда расстояние Δ между проводниками 3,3' перпендикулярно плоскости ленты значительно меньше ширины b колена меандра. При Δ > b сверхпроводники 3,3' ведут себя, как два отдельных проводника с высокой мощностью Р потерь переменного тока. При F = 2 мм и d_SL = 0,5 мм с помощью токоотвода достигается уменьшение мощности Р потерь переменного тока на коэффициент 2. Реализуется концепция токоотвода с помощью лент, расположенных в форме меандра или спирали (фиг. 3). При этом расстояние Δ между проводниками выбирают преимущественно менее 10 мм.

Пример 1 с многослойной структурой на фиг. 2.

Номинальная мощность Р_N, кВт - 20
Номинальное напряжение U_N,В - 200
Номинальный ток I_N, A - 100
Максимальный ток I_max, A - 300
Критическая плотность тока J_с, кА/см² - 1
Ширина b проводника, см - 1,4
Ширина меандровых выемок 9, мм - 1
Длина L проводника на модуль 5, см - 126
Общая длина проводника, м - 8,8
Число модулей 5 - 7
Мощность Р потерь переменного тока при 77 К, Вт - 0,62
Высокотемпературный сверхпроводник 3,3' модульной конструкции на основе Bi : Sr : Ca : Cu = 2 : 2 : 1 : 2 наносили толщиной d_SL = 1 мм на керамическую пластину 1 площадью 10 х 10,4 см и толщиной d₁ = 1 мм с обеих сторон. Между керамической пластиной 1 и сверхпроводником 3,3' находится серебряный слой 2 толщиной 2 мкм. Серебро одновременно действует как электрический стабилизатор (шунтирующий резистор), а также как химический изолятор между сверхпроводником 3,3' и керамической подложкой 1. На другую сторону сверхпроводника 3,3' был нанесен свинцовый слой 4,4' толщиной d_NL = 10 мкм, также способствующий электрической стабилизации. Из сверхпроводящего слоя с обеих сторон пластины вырезали меандровые выемки 9 (фиг. 3). Две проводящие дорожки 3,3' на обеих сторонах керамической пластины 1 электрически соединены между собой так, что ток I в непосредственно противоположных друг другу частичных лентах течет встречно - параллельно. За счет этого достигается эффект токоотвода для уменьшения мощности Р потерь переменного тока.

Пример 2. Функция переключателя на фиг. 1.

Если токоограничивающие модули 5, согласно примеру 1, поместить в катушку 8 с магнитным полем, как на фиг.1, то устройство согласно изобретению можно использовать в качестве активного коммутационного элемента. При включении магнитного поля критическая плотность J_с тока в сверхпроводнике 3,3' уменьшается, так что сверхпроводник 3,3' переходит в резистивное состояние. Это вызывает уменьшение тока 1 до доли номинального тока I_N. Вследствие структурирования сверхпроводника 3,3' уменьшение критической плотности J_с тока наиболее сильное, когда приложенное магнитное поле перпендикулярно плоскости сверхпроводящей ленты, как на фиг. 1.

Изготовление сверпроводящей пластины 1
Сверхпроводящий порошок состава Bi_aSn_bCa_сCu_dO_e при a, b, d = 1,8 - 2,2, с = 0,8 - 1,2, e = 7.5 - 8.5 заполняют в подходящую плоскую форму в сухом виде или в виде суспензии. В предпочтительном варианте выполнения к этому сверхпроводящему порошку примешивают серебряный порошок и/или порошок Bi₂O₃ в концентрации 0,05 - 5%, что оказывает положительное влияние на расплавления и уплотнение расплава. В качестве плавильной формы подходит любой материал, который не вступает в реакцию с порошком во время последующего процесса расплавления и остается формоустойчивым при температурах около 900^oC. Были использованы формы из серебряной фольги, никелевых сплавов с защитным слоем серебра и керамические пластин из оксида магния и стабилизированного оксида циркония. Металлические формы легко удавалось снабдить краем высотой около 10 мм, например, посредством глубокой вытяжки лилифальцевания. В качестве буферного слоя 2 или клеящего средства применялось проводящее серебро. Высоту заполнения выбирали так, чтобы при 100%-ном уплотнении порошка в результате расплавления его толщина d_SL составляла 0,3 - 3 мм. Предпочтительной для достигаемой плотности тока и однородности является предельно высокая, так называемая "зеленая плотность" порошка, обеспеченная одноосным последующим прессованием рыхлой порошковой постели. При этом достаточно давления прессования 10 МПа. Способ расплавления описан в заявке ФРГ N 4234311.

Нанесение электрической стабилизации
Сверхпроводящие пластины 1, изготовленные в серебряных или керамических формах, снабжали металлизацией 4,4', 14, 15, служащей для электрической стабилизации. Для этого серебро необходимо удалить со сверхпроводящей пластины 1, что можно осуществить до металлизации или после нанесения механической стабилизации.

При использовании плавильных форм из посеребренного сплава на никелевой основе можно отказаться от отдельной электрической стабилизации, если сопротивление комбинации серебро - сплав на никелевой основе уже соответствует сопротивлению сверхпроводника 3,3'.

Пример 3.

Из серебряной фольги толщиной 100 мкм вручную фальцевали квадратные плавильные формы размером 100 х 100 мм с краями высотой 6 мм. Эти плавильные формы заполняли суспензией из 60 г порошка Bi₂Sr₂Ca₁Cu₂O_8+δ в этаноле, 0 ≤ δ ≤ 0, 3. После высушивания жидкости порошковую постель уплотняли посредством одноосного прессования с давлением 2 ГПа. Образцы подвергали затем в кислородной атмосфере термообработке, состоящей из операции расплавления при 900^oC в течение 20 - 80 ч. В результате получали однородные компактные сверхпроводящие пластины 3,3' толщиной около 1 мм, с которых серебро легко отделялось. На эти сверхпроводящие пластины 3,3' посредством газопламенной металлизации для электрической стабилизации наносили оловянное покрытие толщиной 50 мкм. Эти сверхпроводящие пластины 3,3' наклеивали затем на алюминиевую жесть и вырезали в форме меандра посредством водоструйной резки, в результате чего получали проводники сечением 14 х 1 мм и длиной около 70 мм. После отделения алюминиевой жести каждые две сверхпроводящие пластины 3,3' ориентировали относительно друг друга так, чтобы из дорожки на передней и задней сторонах керамической пластины 1 проходили параллельно, а концы с серебряными контактами 10, 11 приходились друг над другом. Серебряные контакты 10, 11 приклеены эпоксидным клеем с серебряным наполнителем; за счет них концы могут быть включены последовательно низкоомно. Удельное контактное сопротивление места склеивания эпоксидной смолой с серебряным наполнителем составляет 0,05 мкОм • см². При токе I = 1 кА токоограничивающий модуль 5 создавал сопротивление 5 Ом.

Целесообразно выбрать отношение расстояния Δ между проводниками к ширине b колена меандра токоограничивающего модуля 5 менее 0,5, преимущественно менее 0,1.

Реферат

Использование: изобретение относится к устройству для ограничения тока. Сущность: устройство содержит по меньшей мере один сверхпроводник и по меньшей мере один несверхпроводящий шунтирующий резистор, включенный параллельно сверхпроводнику, причем сверхпроводник через по меньшей мере одну главную поверхность находится в плоскостном контакте с главной поверхностью шунтирующего резистора, образуя с ним проводящее соединение, с которым в плоскостном контакте находится по меньшей мере одна главная поверхность изолятора. Другая главная поверхность изолятора также находится в плоскостном контакте с проводящим соединением сверхпроводника и шунтирующего резистора. Технический результат изобретения - использование для ограничения тока короткого замыкания в режимах как постоянного, так и переменного тока. 4 з.п. ф-лы, 8 ил.

Формула