ES2265749A1 - Current limiter for e.g. welding fragments of material includes superconducting elements in which weak zones are included - Google Patents

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ES2265749A1 ES200403105A ES200403105A ES2265749A1 ES 2265749 A1 ES2265749 A1 ES 2265749A1 ES 200403105 A ES200403105 A ES 200403105A ES 200403105 A ES200403105 A ES 200403105A ES 2265749 A1 ES2265749 A1 ES 2265749A1
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Abstract

The limiter may be inductive, resistive or hybrid type and includes superconducting elements comprised of a matrix of superconducting material. Weak zones are included in the superconducting elements.

Description

Limitador de corriente basado en elementos superconductores con varias zonas débiles creadas artificialmente.Current limiter based on elements superconductors with several weak zones created artificially

Sector de la técnicaTechnical sector

La presente invención es un dispositivo limitador de corriente basado en elementos superconductores, y está destinado para su utilización en la mejora de la calidad y seguridad de los procesos de generación y distribución de energía eléctrica.The present invention is a device current limiter based on superconducting elements, and is intended for use in improving quality and safety  of energy generation and distribution processes electric

Estado de la técnicaState of the art

Los materiales superconductores presentan la interesante propiedad de poseer una resistencia fuertemente no lineal y dependiente de varias magnitudes: la temperatura, la corriente que se hace circular por ellos y el campo magnético al que se hallen sometidos. Estos materiales están caracterizados por un estado de resistencia cero que se alcanza por debajo de una cierta temperatura crítica, T_{c}, por lo que deben estar refrigerados mediante líquidos criogénicos o refrigeradores eléctricos, y por debajo de una corriente, I_{c}, y un campo, B_{c} (en aspectos de caracterización del superconductor es más propio referirse a la densidad de corriente crítica, J_{c}, que es la I_{c} por unidad de área atravesada por la corriente, J_{c} = I_{c}/A). Por encima de estos valores críticos, un superconductor experimenta una transición a un estado disipativo con resistencia no lineal, el cual puede desembocar en un régimen de resistencia óhmica (como la de un metal) si la disipación calienta el material lo suficiente, o bien la corriente circulante excede un segundo valor crítico, denominado J* (véanse, por ejemplo, W. Klein et al., J. Low Temp. Phys. 61, 413 (1985); S. G. Doettinger et al., Phys. Rev. Lett. 73, 1691 (1994); Z. L. Xiao et al., Phys. Rev. B 59, 1481 (1999); y José María Viña Rebolledo, Contribución al estudio del transporte eléctrico en capas delgadas de cupratos superconductores: corrientes supercríticas y paraconductividad, Tesis Doctoral, Universidad de Santiago de Compostela (2003)).Superconducting materials have the interesting property of having a strongly non-linear resistance and dependent on several magnitudes: the temperature, the current that circulates through them and the magnetic field to which they are subjected. These materials are characterized by a zero resistance state that is reached below a certain critical temperature, T_ {c}, so they must be cooled by cryogenic liquids or electric refrigerators, and below a current, I_ {c} , and a field, B_ {c} (in aspects of characterization of the superconductor it is more proper to refer to the critical current density, J_ {c}, which is the I_ {c} per unit area crossed by the current, J_ { c} = I_ {c} / A). Above these critical values, a superconductor undergoes a transition to a dissipative state with non-linear resistance, which can lead to an ohmic resistance regime (such as that of a metal) if dissipation heats the material sufficiently, or circulating current exceeds a second critical value, called J * (see, for example, W. Klein et al ., J. Low Temp. Phys. 61 , 413 (1985); SG Doettinger et al ., Phys. Rev. Lett. 73 , 1691 (1994); ZL Xiao et al ., Phys. Rev. B 59 , 1481 (1999); and José María Viña Rebolledo, Contribution to the study of electrical transport in thin layers of superconducting cuprates: supercritical currents and paraconductivity , Thesis Doctoral, University of Santiago de Compostela (2003)).

Este comportamiento no lineal de la resistencia, función de la temperatura, la corriente y el campo magnético aplicado, ha sugerido la utilización de los superconductores en dispositivos de limitación de corriente, destinados a reducir los efectos perniciosos de las altas corrientes y tensiones generadas durante un fallo en una línea de distribución eléctrica, bien sea en una central de producción o una red o ramificación local (T. Verhaege and Y. Laumond 1998, Handbook of Applied Superconductivity, 2, ed B. Seeber (Bristol: Institute of Physics Publishing), p. 1691; W. T. Norris et al, Cryogenics, 37, 657 (1997); W. Paul et al., Physica C, 354, 27 (2001); y P. Tixador, IEEE Trans. Appl. Supercond., 4, 190 (1994)).This non-linear behavior of the resistance, function of the temperature, the current and the applied magnetic field, has suggested the use of superconductors in current limiting devices, aimed at reducing the pernicious effects of the high currents and voltages generated during a failure in an electrical distribution line, either in a production plant or a local network or branch (T. Verhaege and Y. Laumond 1998, Handbook of Applied Superconductivity , 2 , ed B. Seeber (Bristol: Institute of Physics Publishing) , p. 1691; WT Norris et al , Cryogenics, 37 , 657 (1997); W. Paul et al ., Physica C, 354 , 27 (2001); and P. Tixador, IEEE Trans. Appl. Supercond., 4 , 190 (1994)).

Dependiendo de la forma en que se inserte el superconductor en el circuito que se quiere proteger, se pueden distinguir dos concepciones fundamentales de limitador: resistivo e inductivo. El primero puede ser simplemente un elemento superconductor (en forma de barra, película delgada, bobina, etc) conectado en serie con el circuito que se quiere proteger. El limitador se diseña de forma que, cuando por la línea circula la corriente nominal, no se exceda el valor crítico, I_{c}, de modo que la resistencia que ofrece es nula, y su presencia no se percibe. Sin embargo, cuando ocurre un fallo y la corriente crece hasta valores superiores a I_{c}, se produce la transición al estado disipativo (o incluso óhmico), y surge una resistencia que limita de forma efectiva la corriente. Nótese que, en principio, una vez se elimina el fallo de la línea, el superconductor regresa a su estado de nula disipación. El limitador es, por lo tanto, autosuficiente y no necesita de ningún elemento adicional que detecte el inicio o la desaparición de un fallo (el propio dispositivo es un detector). Por otro lado, su reacción es casi instantánea, y responde ante un fallo en tiempos del orden de 1 ms, o menos.Depending on the way in which the superconductor in the circuit that you want to protect, you can distinguish two fundamental conceptions of limiter: resistive and inductive. The first can simply be an element superconductor (bar-shaped, thin film, coil, etc) connected in series with the circuit that you want to protect. He Limiter is designed so that when the line circulates rated current, do not exceed the critical value, I_ {c}, so that the resistance it offers is zero, and its presence is not perceive However, when a fault occurs and the current grows up to values greater than I_ {c}, the transition to dissipative (or even ohmic) state, and a resistance arises that effectively limits the current. Note that, in principle, a Once the line fault is eliminated, the superconductor returns to its state of zero dissipation. The limiter is, therefore, self-sufficient and does not need any additional elements that detect the start or disappearance of a fault (itself device is a detector). On the other hand, his reaction is almost instantaneous, and responds to a failure in times of the order of 1 ms, or less.

El prototipo inductivo tiene un diseño tipo transformador, en el que el primario (generalmente metálico) está conectado directamente al circuito que se quiere proteger, y el secundario es un superconductor en forma de anillo o cilindro hueco. Mientras circula la corriente nominal en el circuito, el flujo magnético que crea el primario en el núcleo magnético es cancelado por el que genera el superconductor, de forma que la inductancia efectiva del transformador es nula, y la única impedancia presente es la resistencia de la bobina primaria (y componentes debidas a posibles inductancias de fuga). Cuando se produce un fallo y se excede I_{c}, la transición del superconductor hace que la cancelación de flujo cese, por lo que surge una impedancia de carácter inductivo y resistivo (según el diseño domina una u otra componente) que limita la corriente. En cierto modo, esto puede verse como un transformador ideal cuyo secundario pasa de estar cortocircuitado a estar en circuito abierto.The inductive prototype has a type design transformer, in which the primary (usually metallic) is connected directly to the circuit that you want to protect, and the Secondary is a ring-shaped superconductor or hollow cylinder. While the nominal current circulates in the circuit, the flow magnetic that creates the primary in the magnetic core is canceled by which the superconductor generates, so that the inductance Effective transformer is null, and the only impedance present is the resistance of the primary coil (and components due to possible leakage inductances). When a fault occurs and it exceeds I_ {c}, the superconductor transition causes the cancellation of cessation flow, so an impedance arises from inductive and resistive character (depending on the design dominates one or the other component) that limits the current. In a way, this can be seen as an ideal transformer whose secondary happens to be shorted to be in open circuit.

En ambos casos, debido a la elevada energía que se disipa en forma de calor en el proceso de limitación de la corriente, es deseable que el limitador no actúe más de unos pocos ciclos de red, que es el tiempo que necesitan los actuales interruptores de circuito para detectar el fallo y abrir la línea (deben esperar a que se alcance un cero de la corriente). Si bien el aumento de la temperatura del superconductor puede ser beneficioso en cuanto a incrementar la impedancia del dispositivo (lo cual debe suceder en un tiempo similar al de reacción, es decir, \sim1 ms), también puede provocar una recuperación muy lenta del dispositivo una vez eliminado el fallo, ya que el superconductor seguiría disipando y ofreciendo impedancia en la línea, algo indeseable (M. R. Osorio et al., Applied Superconductivity 1999 (EUCAS'01), Inst. Phys. Conf. Ser. No 167, 1, ed X.; Obradors et al. (Bristol: Institute of Physics Publishing, J. W. Arrowsmith Ltd.) p. 1013 (2000); y M. R. Osorio et al., Physica C, 372-376, 1635 (2002)).In both cases, due to the high energy that dissipates in the form of heat in the current limitation process, it is desirable that the limiter does not act more than a few network cycles, which is the time required by current power switches. circuit to detect the fault and open the line (they must wait until a zero of the current is reached). While increasing the temperature of the superconductor can be beneficial in terms of increasing the impedance of the device (which should happen in a similar time to the reaction, i.e. \1 ms), it can also cause a very slow recovery of the device. once the fault was eliminated, since the superconductor would continue to dissipate and offer impedance on the line, somewhat undesirable (MR Osorio et al ., Applied Superconductivity 1999 (EUCAS'01), Inst. Phys. Conf. Ser. No 167, 1 , ed X .; Obradors et al . (Bristol: Institute of Physics Publishing, JW Arrowsmith Ltd.) p. 1013 (2000); and MR Osorio et al ., Physica C, 372-376 , 1635 (2002)).

Por otro lado, el sobrecalentamiento puede provocar la degradación del elemento superconductor (incluso su fusión), especialmente debido a la presencia de puntos calientes o zonas débiles, que son regiones del material con, por ejemplo, menor temperatura crítica, T_{c}, o bien menor densidad de corriente crítica, J_{c}. Los superconductores llamados de baja temperatura crítica (SBT), cuya T_{c} es inferior a la de ebullición del nitrógeno líquido (77 K), suelen ser metálicos, y la homogeneidad es bastante buena. Además, poseen una conductividad térmica elevada (\sim 100 W/m-K), por lo que el calor generado en la transición puede evacuarse con cierta facilidad al medio refrigerante. Estas propiedades los hacen poco sensibles al problema de los puntos calientes. Sin embargo, los superconductores de alta temperatura crítica (SAT) son cerámicos y mucho más heterogéneos. Por una parte, en lo que se refiere a la estequiometría, pudiendo coexistir una fase dominante con proporciones no despreciables de precursores o productos intermedios. Por otra parte, tienen una estructura menos uniforme que un metal. Así, los SAT granulares están formados por una multitud de pequeños granos unidos entre sí, de forma que la transición al estado disipativo afecta primero a las fronteras intergranulares y, posteriormente, al interior del grano. Además, su conductividad térmica es mucho más reducida
(\sim 1 W/m-K), por lo que si existe una zona débil y se sobrecalienta, su expansión sería lenta y podría producirse un daño local en el material que empeorase las prestaciones del limitador.
On the other hand, overheating can cause degradation of the superconducting element (including its melting), especially due to the presence of hot spots or weak areas , which are regions of the material with, for example, lower critical temperature, T_ {c}, or lower critical current density, J_ {c}. The so-called low critical temperature superconductors (SBT), whose T_ {c} is lower than that of boiling liquid nitrogen (77 K), are usually metallic, and the homogeneity is quite good. In addition, they have a high thermal conductivity (~ 100 W / mK), so that the heat generated in the transition can be easily evacuated to the cooling medium. These properties make them little sensitive to the problem of hot spots. However, critical high temperature superconductors (SAT) are ceramic and much more heterogeneous. On the one hand, with regard to stoichiometry, a dominant phase may coexist with non-negligible proportions of precursors or intermediate products. On the other hand, they have a less uniform structure than a metal. Thus, granular SATs are formed by a multitude of small grains linked together, so that the transition to the dissipative state first affects the intergranular borders and then the interior of the grain. In addition, its thermal conductivity is much reduced
(sim 1 W / mK), so if there is a weak zone and it overheats, its expansion would be slow and local damage could occur to the material that would worsen the performance of the limiter.

El principal problema de las zonas débiles es que, en general, no son capaces por sí solas de dar lugar a una buena limitación de la corriente de fallo. Por ello, asumen una disipación excesiva y pueden acabar por provocar la degradación de todo elemento superconductor y un mal funcionamiento del limitador de corriente. Para que el fallo fuese controlado de de forma eficaz, aún habiendo zonas débiles, su extensión y distribución espacial, así como sus propiedades físicas (densidad de corriente y temperatura críticas, resistividad) deberían ser las adecuadas, lo que resulta virtualmente imposible de conseguir por azar. Esto es, las zonas débiles presentes de forma natural en el superconductor nunca darían lugar a esta situación. Podrían ser demasiado pequeñas, o los valores de J_{c} muy distintos entre sí, o la resistividad demasiado baja como para dar lugar a una resistencia lo suficientemente grande como para evitar un excesivo aumento de la temperatura, etc.The main problem of weak areas is which, in general, are not capable of giving rise to Good limitation of the fault current. Therefore, they assume a excessive dissipation and may eventually cause degradation of any superconducting element and a limiter malfunction of current. For the fault to be controlled in a way effective, even if there are weak areas, its extension and distribution spatial as well as its physical properties (current density and critical temperature, resistivity) should be adequate, which is virtually impossible to achieve by chance. This is, weak areas naturally present in the superconductor They would never give rise to this situation. They could be too much small, or the values of J_ {c} very different from each other, or the resistivity too low to give rise to resistance what large enough to avoid excessive increase in temperature, etc.

Descripción de la invenciónDescription of the invention

Esta invención consiste en un dispositivo, un limitador, capaz de limitar una corriente de fallo en una línea de distribución de energía eléctrica utilizando para ello elementos superconductores. El limitador puede ser de tipo resistivo, inductivo o híbrido, y se basa en uno o varios elementos superconductores formados por fragmentos caracterizados por una densidad de corriente y temperatura críticas determinadas, entre los cuales se insertan, de forma adecuada, fragmentos de material con valores inferiores de las propiedades anteriormente mencionadas, o bien se realizan cambios en las dimensiones (sección transversal). Estos fragmentos se pueden soldar entre sí siguiendo alguno de los procedimientos ya descritos en la literatura para fabricar superconductores de gran tamaño partiendo de fragmentos pequeños que se unen con un material similar (A. Leenders et al., IEEE Trans. Appl. Supercond., 11, 3728 (2001); K. Iida et al., Physica C, 370, 53 (2001); y S. Haseyama et al., Physica C, 354, 437 (2001)). Esta forma de fabricar los elementos superconductores provoca que, durante la actuación del limitador, la mayor parte de la disipación sea asumida por las zonas alteradas (zonas débiles). Por ello, éstas se calientan mucho más que el resto del material. Una vez desaparecido el fallo, la recuperación térmica se realiza no sólo por convección con el medio refrigerante (líquido o gas a temperaturas criogénicas), sino también por la conducción del calor desde las partes calientes hacia las frías. Este mecanismo no tendría lugar si el elemento superconductor estuviese homogéneamente construido, ya que en ese caso todo el flujo de calor sería evacuado exclusivamente por convección al no haber unas partes más frías que las otras.This invention consists of a device, a limiter, capable of limiting a fault current in a power distribution line using superconducting elements. The limiter can be of the resistive, inductive or hybrid type, and is based on one or more superconducting elements formed by fragments characterized by a specific critical current and temperature density, between which, fragments of material with values are suitably inserted. lower than the aforementioned properties, or changes in dimensions are made (cross section). These fragments can be welded together following one of the procedures already described in the literature to manufacture large superconductors from small fragments that join with a similar material (A. Leenders et al ., IEEE Trans. Appl. Supercond., 11 , 3728 (2001); K. Iida et al ., Physica C, 370 , 53 (2001); and S. Haseyama et al ., Physica C, 354 , 437 (2001)). This way of manufacturing the superconducting elements causes that, during the operation of the limiter, most of the dissipation is assumed by the altered zones (weak zones). Therefore, they heat up much more than the rest of the material. Once the fault has disappeared, thermal recovery is carried out not only by convection with the cooling medium (liquid or gas at cryogenic temperatures), but also by the conduction of heat from the hot to the cold parts. This mechanism would not take place if the superconducting element were homogeneously constructed, since in that case the entire heat flow would be evacuated exclusively by convection as there were no parts colder than the others.

Por otra parte, al transitar al estado disipativo solamente algunas pequeñas partes del elemento superconductor, su resistencia total podría ser menor que la generada por un elemento homogéneo con un calentamiento uniforme. Este inconveniente puede solventarse diseñando las zonas débiles para que sean muy resistivas en comparación con el resto del material:On the other hand, when traveling to the state dissipative only some small parts of the element superconductor, its total resistance could be less than the generated by a homogeneous element with uniform heating. This problem can be solved by designing weak areas so that they are very resistive compared to the rest of the material:

1.one.
Cuando la zona débil es un cambio de sección, haciendo esta alteración más acentuada, ya que la resistencia de un camino conductor es igual a R = \frac{\rho}{A}\ell, siendo \rho la resistividad del material, A la sección del camino y \ell su longitud. A menor sección, mayor resistencia.When the weak zone is a section change, making this alteration more accentuated, since the resistance of a conductive path is equal to R = \ frac {\ rho} {A} \ ell, being \ rho the resistivity of the material, A the section of the road and its length. A smaller section, greater resistance.

2.2.
Cuando la zona débil es un fragmento de diferente material, éste debe tener una resistividad mayor que la del resto de la muestra, de forma que compense la menor longitud de camino, \ell, que ocupa.When the weak zone is a fragment of different material, it must have a resistivity greater than the of the rest of the sample, so that it compensates for the shortest length of way, \ ell, which occupies.
Ejemplo 1Example 1

Un ejemplo de esta concepción es el limitador superconductor inductivo que hemos construido y que presentamos en esta invención. Está formado por un núcleo de hierro-silicio (3%) con tres brazos, con un primario compuesto por dos arrollamientos conectados en serie y localizados en los brazos laterales y un cilindro superconductor de Bi-2223 (Bi_{1 . 8}Pb_{0 . 26}Sr_{2}Ca_{2}Cu_{3}O_{10+X}) en el central. El esquema del dispositivo muestra en la Figura 1. a., y una fotografia del mismo en la Figura 1. b, y en ellos se pueden ver el núcleo (N), el primario de dos bobinas (P) y el cilindro superconductor (S).An example of this conception is the limiter inductive superconductor that we have built and that we present in this invention. It is formed by a core of silicon-iron (3%) with three arms, with a primary consisting of two windings connected in series and located on the side arms and a superconducting cylinder of Bi-2223 (Bi_ {1. 8} Pb_ {0. 26} Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10 + X) in the exchange. The scheme of the device shown in Figure 1. a., and a photograph of the same in Figure 1. b, and in them you can see the nucleus (N), the Two coil primary (P) and superconducting cylinder (S).

El núcleo está constituido por láminas de material de 0.3 mm de espesor, enrolladas unas sobre las otras, pero aisladas eléctricamente entre sí, para minimizar las pérdidas producidas por las corrientes que se inducen en ellas (el aislante representa una pérdida de material magnético de un 5%). La longitud de camino magnético es de 12.5 cm, y la sección de cada uno de los brazos de 1.6 cm^{2}. El campo magnético de saturación, B_{sat}, es de aproximadamente 1.7 T, y la permeabilidad relativa, \mu 5000. El primario está construido con hilo de cobre de 0.5 mm de diámetro y tiene 300 vueltas. El cilindro superconductor tiene 4 cm de altura, 2.1 cm de diámetro interno y 0.25 cm de espesor de pared. Su temperatura crítica es T_{c} = 108 K, y su densidad de corriente critica a la temperatura de ebullición del nitrógeno líquido (77 K) es J_{c} \approx 1000 A/cm^{2}. En este cilindro existe una zona débil que ocupa toda su altura y aproximadamente una décima parte de su circunferencia, tal y como muestran los experimentos de caracterización realizados. Esta zona débil tiene su origen en defectos estructurales del elemento superconductor o alguna variación local de la estequiometría del material. Como consecuencia de su existencia, el elemento superconductor no se comporta de forma homogénea en toda su extensión.The core consists of sheets of 0.3 mm thick material, rolled over each other, but electrically isolated from each other, to minimize losses produced by the currents that are induced in them (the insulator represents a loss of magnetic material of 5%). The length of magnetic path is 12.5 cm, and the section of each of the 1.6 cm2 arms. The magnetic saturation field, B_ {sat}, is about 1.7 T, and the relative permeability, µ 5000. The primary is constructed with 0.5 mm copper wire of diameter and has 300 turns. The superconducting cylinder is 4 cm height, 2.1 cm internal diameter and 0.25 cm wall thickness. Its critical temperature is T_ {c} = 108 K, and its density of critical current at the boiling temperature of nitrogen Liquid (77 K) is J_c \ approx 1000 A / cm2. In this cylinder there is a weak zone that occupies its entire height and approximately one tenth of its circumference, as show the characterization experiments performed. This zone weak has its origin in structural defects of the element superconductor or some local variation of stoichiometry of the material. As a consequence of its existence, the element superconductor does not behave homogeneously throughout its extension.

Para estudiar la actuación del limitador, se conectó a un circuito eléctrico en el cual se simuló un fallo al eliminar una resistencia. La impedancia del limitador antes del fallo es de aproximadamente 1 \Omega, y tras el mismo, de \approx 2.2 \Omega. La corriente que debe circular por el primario para provocar la transición del secundario al estado disipativo es de, aproximadamente, 4 A. El voltaje aplicado es de 9.3 V eficaces.To study the performance of the limiter, we connected to an electrical circuit in which a fault was simulated Remove a resistance. The impedance of the limiter before failure is approximately 1 \ Omega, and after it, of \ approx 2.2 \ Omega. The current that must circulate through the primary to cause the transition from secondary to state dissipative is approximately 4 A. The applied voltage is 9.3V effective.

La Figura 2 muestra la variación de la temperatura medida con un termopar en la zona débil, presente de forma natural en la muestra superconductora analizada. Al inicio del fallo (I) se produce la reacción del limitador y la temperatura del elemento superconductor se incrementa. Este aumento es más destacado en la zona débil, ya que sus propiedades son diferentes que las del resto del material del cilindro y, por ello, cuando se produce la transición al estado no superconductor, la disipación es mayor y se calienta más. Al finalizar el fallo (F), el circuito se abre y la disipación Joule cesa, por lo que la temperatura comienza a bajar. Este proceso se llama recuperación térmica. Las líneas representan las predicciones de enfriamiento obtenidas con un modelo puramente convectivo, y cuando además se tiene en cuenta la transmisión de calor por conducción entre la zona débil (caliente) y la fría. Como se puede observar, sólo cuando se tiene en cuenta la combinación de convección y conducción, se predicen los resultados experimentales. Esto indica que el intercambio de calor por conducción contribuye de forma fundamental a la refrigeración de la zona débil.Figure 2 shows the temperature variation measured with a thermocouple in the weak zone, naturally present in the analyzed superconducting sample. At the start of the fault (I) the limiter reaction occurs and the temperature of the superconducting element increases. This increase is more prominent in the weak zone, since its properties are different than those of the rest of the cylinder material and, therefore, when the transition to the non-superconducting state occurs, the dissipation is greater and warms up more. At the end of the fault (F), the circuit opens and the Joule dissipation ceases, so the temperature begins to drop. This process is called thermal recovery . The lines represent the cooling predictions obtained with a purely convective model, and when the transmission of heat by conduction between the weak (hot) and the cold zone is also taken into account. As can be seen, only when the combination of convection and conduction is taken into account, the experimental results are predicted. This indicates that the heat exchange by conduction contributes fundamentally to the cooling of the weak zone.

Leyenda de la Figura 2:Legend of Figure 2:

---
- Datos experimentales- Experimental data

- - - - -- - - - -
- Sólo convección- Alone convection

----------
- Convección y conducción.- Convection and driving.
Ejemplo 2Example 2

Otro ejemplo de esta concepción sería el limitador superconductor inductivo de alta potencia que hemos simulado numéricamente utilizando parámetros realistas para el elemento superconductor y el núcleo magnético. La simulación fue realizada con el programa de cálculo Matlab (The Mathworks, Inc, USA).Another example of this conception would be the high power inductive superconducting limiter that we have numerically simulated using realistic parameters for the Superconducting element and magnetic core. The simulation was made with the Matlab calculation program (The Mathworks, Inc, USES).

Las características del limitador serían las siguientes:The characteristics of the limiter would be the following:

- Para el núcleo magnético: sección transversal: 50 cm^{2} y longitud de camino magnético de 90 cm. El resto de propiedades (material, campo de saturación y permeabilidad, como en el Ejemplo 1).- For the magnetic core: cross section: 50 cm2 and magnetic path length of 90 cm. The rest of properties (material, saturation field and permeability, as in Example 1).

- Para el elemento superconductor: densidad de corriente crítica a 77 K, J_{c} \approx 20 KA/cm^{2}, T_{c} = 108 K, altura 4 cm, espesor de pared de 0.24 cm y diámetro externo de \approx 10 cm. Se supone que las zonas débiles tienen una resistividad en el estado disipativo ligeramente mayor que el resto del material (1.01 veces, de forma que se calienten más), y que su resistividad de estado normal es el doble.- For the superconducting element: density of critical current at 77 K, J_ {c} \ approx 20 KA / cm2, T_ {c} = 108 K, height 4 cm, wall thickness of 0.24 cm and external diameter of approx 10 cm. Weak areas are supposed to have a resistivity in the dissipative state slightly greater than the rest of the material (1.01 times, so that they heat up more), and that their Normal state resistivity is double.

La Figura 3.a. muestra un esquema de cómo sería un cilindro superconductor, por el cual circula una corriente (I), con una zona débil (D) de una longitud (L) igual al 20% de la circunferencia (parte más oscura). En la Figura 3.b., esta zona débil ha sido fragmentada en varias más pequeñas (concretamente 6). De esta forma, el cilindro se puede ver como una asociación en serie de resistencias debidas a la matriz homogénea (R^{h}) y a las zonas débiles (R^{d}).Figure 3.a. show an outline of how it would be a superconducting cylinder, through which a current (I) circulates, with a weak zone (D) of a length (L) equal to 20% of the circumference (darkest part). In Figure 3.b., this area weak has been fragmented into several smaller ones (specifically 6). In this way, the cylinder can be seen as an association in series of resistances due to the homogeneous matrix (R h) and a weak areas (R d).

En la Figura 4.a., se puede ver la comparación entre la recuperación térmica para un cilindro homogéneo (sin zonas débiles) y los descritos en la Figura 3. Nótese que, pese a ser mayor la temperatura de las zonas débiles en el momento de abrir el circuito (F), éstas se recuperan antes que el cilindro homogéneo, que se ha calentado de forma uniforme, siempre y cuando su longitud sea pequeña. La Figura 4.b. muestra que la impedancia para el cilindro con zonas débiles es mayor en los primeros compases del fallo (después de I), y finalmente alcanza un valor de en torno al 60% de la impedancia del cilindro homogéneo. Esta relación puede modificarse alterando la resistividad de las zonas débiles en el estado normal, ya que la resistencia que ofrece el superconductor es proporcional a ella. Así, para una resistividad mayor, las curvas de impedancia podrían llegar a igualarse para tiempos mayores de 0.125 s.In Figure 4.a., you can see the comparison between thermal recovery for a homogeneous cylinder (no zones weak) and those described in Figure 3. Note that, despite being higher temperature of weak areas at the time of opening the circuit (F), these are recovered before the homogeneous cylinder, that has been heated uniformly, as long as its length be small Figure 4.b. shows that the impedance for the cylinder with weak zones is greater in the first bars of the failure (after I), and finally reaches a value of around 60% of the impedance of the homogeneous cylinder. This relationship can be modified by altering the resistivity of weak areas in the normal state, since the resistance offered by the superconductor It is proportional to her. Thus, for a higher resistivity, the impedance curves could equalize for longer times of 0.125 s.

La Figura 5 muestra cómo este efecto de rápida recuperación térmica depende de la extensión de las zonas débiles. Para una longitud total de zona débil, \ell, el tiempo de recuperación (normalizado al valor obtenido para un cilindro homogéneo) disminuye a medida que aquélla se fracciona en "n" partes más pequeñas. Esto ocurre hasta un cierto límite (en la figura, hasta n \approx 10), por encima del cual ya no hay mejora sustancial.Figure 5 shows how this fast effect Thermal recovery depends on the extent of weak areas. For a total length of weak zone, \ ell, the time of recovery (normalized to the value obtained for a cylinder homogeneous) decreases as it is divided into "n" smaller parts This occurs up to a certain limit (in the figure, up to n \ approx 10), above which there is no improvement substantial.

Leyenda de la Figura 4:Legend of Figure 4:

--------
- Cilindro homogéneo.- Homogeneous cylinder.

\hskip0.3cm
\cdot\cdot\cdot\cdot - Cilindro con una zona débil de longitud un 20% de la circunferencia.
 \ hskip0.3cm 
\ cdot \ cdot \ cdot \ cdot - Cylinder with a weak area of length 20% of the circumference.

- - - -- - - -
- Cilindro con la zona débil dividida en 10 pequeños fragmentos.- Cylinder with the weak zone divided into 10 small fragments.

       \vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip
    

Leyenda de la Figura 5:Legend of Figure 5:

---
- Puntos calculados- Points calculated

--------
- Línea para los ojos.- Line for the eyes.
Ejemplo 3Example 3

Otra posible forma de crear zonas débiles artificialmente es, en vez de soldar fragmentos de superconductor con diferentes propiedades, partir de un elemento superconductor homogéneo y practicar cambios en su sección transversal. De esta forma, se alteran localmente la corriente crítica y la resistencia sin necesidad de alterar las características básicas del material (esto es, densidad de corriente crítica y resistividad). En la Figura 6 se pueden ver ejemplos de cambios de sección realizados localmente: estrechamiento de pared (S) y reducción de la altura (H). Este método puede aplicarse en varias zonas aunque, por simplicidad, los dibujos sólo muestren una. Los resultados serían equivalentes a los obtenidos en el Ejemplo 2.Another possible way to create weak areas artificially it is, instead of welding superconducting fragments with different properties, starting from a superconducting element homogeneous and practice changes in its cross section. This form, the critical current and resistance are altered locally without altering the basic characteristics of the material (that is, critical current density and resistivity). In the Figure 6 you can see examples of section changes made locally: wall narrowing (S) and height reduction (H). This method can be applied in several areas, although Simplicity, the drawings only show one. The results would be equivalent to those obtained in Example 2.

Claims (3)

1. Limitador de corriente basado en elementos superconductores con varias zonas débiles creadas artificialmente, y que puede ser de tipo inductivo, resistivo o híbrido, caracterizado por estar constituido por uno o más elementos superconductores formados por una matriz de propiedades homogéneas en la cual se insertan de forma alternada varias zonas débiles de longitud mucho menor que la de todo el elemento; éstas se caracterizan por tener valores inferiores de la corriente y/o temperatura criticas que la matriz, y pueden ser fragmentos de material superconductor diferente y más resistivo que se sueldan a ella o bien regiones en las que se ha reducido mecánicamente la sección transversal; de forma que la menor corriente y/o temperatura critica de las zonas débiles hacen que éstas ofrezcan una resistencia no nula incluso cuando el resto del material sigue en estado superconductor.1. Current limiter based on superconducting elements with several artificially created weak zones, and which can be of inductive, resistive or hybrid type, characterized by being constituted by one or more superconducting elements formed by a matrix of homogeneous properties in which they are inserted alternately several weak areas of length much shorter than that of the entire element; these are characterized by having lower values of the critical current and / or temperature than the matrix, and they can be fragments of different and more resistive superconducting material that are welded to it or regions where the cross-section has been mechanically reduced; so that the lower current and / or critical temperature of the weak zones make them offer a non-zero resistance even when the rest of the material is still in a superconducting state. 2. Limitador de corriente superconductor, según la reivindicación 1, caracterizado porque las zonas débiles son fragmentos más resistivos que la matriz, bien porque se han reducido sus dimensiones, por ejemplo la sección transversal, bien porque su resistividad se ha incrementado al añadir defectos en el material, tales como impurezas; de esta forma se pueden conseguir valores de la impedancia del limitador comparables al caso en que los elementos superconductores son homogéneos.2. Superconducting current limiter according to claim 1, characterized in that the weak zones are more resistive fragments than the matrix, either because their dimensions have been reduced, for example the cross section, or because their resistivity has been increased by adding defects in the material, such as impurities; In this way, limit impedance values comparable to the case in which the superconducting elements are homogeneous can be achieved. 3. Limitador de corriente superconductor, según las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque se utiliza en los procesos de producción y distribución de la energía eléctrica para reducir los altos voltajes y corrientes que surgen cuando tiene lugar un fallo en alguno de los elementos que componen la red eléctrica; este fallo puede ser debido a un cortocircuito, la caída de un rayo, un pico de tensión, etc.3. Superconducting current limiter, according to the preceding claims, characterized in that it is used in the processes of production and distribution of electrical energy to reduce the high voltages and currents that arise when a fault occurs in any of the elements that make up the network electric; This fault may be due to a short circuit, a lightning strike, a voltage peak, etc.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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ES2334616A1 (en) * 2008-02-04 2010-03-12 Universidade De Santiago De Compostela Superconducting current limiter integrated in the heat exchanger of a thermoacoustic refrigerator

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6489922A (en) * 1987-09-30 1989-04-05 Toshiba Corp Rush current suppressing circuit
EP0345767A1 (en) * 1988-06-10 1989-12-13 Asea Brown Boveri Ab Fault current limiter
DE4119983A1 (en) * 1991-06-18 1992-12-24 Hoechst Ag RESISTIVE CURRENT LIMITER AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF
EP0620570A1 (en) * 1993-03-26 1994-10-19 Ngk Insulators, Ltd. Superconducting fault current limiter
DE4418050A1 (en) * 1993-06-04 1995-01-05 Abb Research Ltd Hollow cylindrical, high-temperature superconductor and its use
DE19524597A1 (en) * 1995-07-06 1997-01-09 Abb Patent Gmbh Spooling device for cables or optical fibres - uses tripod with L=bend cable guide and compressed air-driven push- and-pull device for cable and guide tube beneath it

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6489922A (en) * 1987-09-30 1989-04-05 Toshiba Corp Rush current suppressing circuit
EP0345767A1 (en) * 1988-06-10 1989-12-13 Asea Brown Boveri Ab Fault current limiter
DE4119983A1 (en) * 1991-06-18 1992-12-24 Hoechst Ag RESISTIVE CURRENT LIMITER AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF
EP0620570A1 (en) * 1993-03-26 1994-10-19 Ngk Insulators, Ltd. Superconducting fault current limiter
DE4418050A1 (en) * 1993-06-04 1995-01-05 Abb Research Ltd Hollow cylindrical, high-temperature superconductor and its use
DE19524597A1 (en) * 1995-07-06 1997-01-09 Abb Patent Gmbh Spooling device for cables or optical fibres - uses tripod with L=bend cable guide and compressed air-driven push- and-pull device for cable and guide tube beneath it

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