RU159361U1

RU159361U1 - SUPERCONDUCTOR INDUCTIVE TYPE AC LIMIT WITH A SATURATED MAGNETIC WIRE

Info

Publication number: RU159361U1
Application number: RU2015128467/07U
Authority: RU
Inventors: Евгений Николаевич Андреев; Михаил Сергеевич Астров; Анна Андреевна Демина; Валентина Ивановна Егорова; Елена Руслановна Запретилина; Игорь Юрьевич Родин; Светлана Борисовна Федотова; Александр Юрьевич Хон; Михаил Александрович Черногубовский
Original assignee: Российская Федерация от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом"; Акционерное общество "Научно-исследовательский институт технической физики и автоматизации" (АО "НИИТФА")
Priority date: 2015-07-13
Filing date: 2015-07-13
Publication date: 2016-02-10

Abstract

Сверхпроводниковый ограничитель переменного тока индуктивного типа с насыщенным магнитопроводом, содержащий магнитопровод из ферромагнитного материала, на котором размещены обмотка переменного тока, включенная в защищаемую электрическую цепь, и сверхпроводниковая катушка подмагничивания, питаемая постоянным током, отличающийся тем, что обмотка катушки подмагничивания выполнена из плоского транспонированного кабеля, сформированного из большого числа лент высокотемпературного сверхпроводника, причем включение обмотки в цепь постоянного тока выполнено при помощи отрезков нормального проводника, подсоединенных последовательно к каждой ленте, а сопротивления отрезков выбраны так, что растекание токов по лентам кабеля равномерно.A superconductive inductor of an inductive type with a saturated magnetic circuit, comprising a magnetic core made of ferromagnetic material, on which an AC winding is included in the protected electrical circuit, and a DC superconducting magnetizing coil, characterized in that the winding of the magnetizing coil is made of a flat transposed cable formed from a large number of tapes of a high-temperature superconductor, and the inclusion of a winding in the post circuit The constant current was made using segments of a normal conductor connected in series to each tape, and the resistance of the segments was chosen so that the current spreading along the cable tapes was uniform.

Description

Заявленное техническое решение относится к области электротехники и может быть использовано для защиты электрических сетей от токовых перегрузок или короткого замыкания.The claimed technical solution relates to the field of electrical engineering and can be used to protect electrical networks from current overloads or short circuits.

Ограничение тока в ограничителе тока индуктивного типа с насыщенным магнитопроводом происходит при использовании нелинейности намагничивания ферромагнитного материала магнитопровода за счет создания различных индуктивностей в защищаемой цепи для рабочего режима и режима токоограничения. Такой ограничитель содержит обмотку переменного тока из медного провода, намотанную на ферромагнитном магнитопроводе, включенную последовательно в защищаемую электрическую цепь, и катушку подмагничивания на том же магнитопроводе, питаемую источником постоянного тока [1]. В рабочем режиме (переменный ток не превышает допустимого значения, ограничение не требуется) магнитопровод насыщен за счет поля катушки подмагничивания, и индуктивность насыщенной обмотки переменного тока вместе с результирующим падением напряжения на ней оказываются достаточно малыми, что почти не влияет на электрическую цепь. В случае существенного увеличения переменного тока (например, за счет замыкания нагрузки) магнитопровод периодически выводится из состояния насыщения, и результирующая высокая индуктивность обмотки переменного тока ограничивает аварийный ток.Current limitation in an inductive type current limiter with a saturated magnetic circuit occurs when non-linear magnetization of the ferromagnetic material of the magnetic circuit is used due to the creation of various inductances in the protected circuit for the operating mode and current limiting mode. Such a limiter contains an alternating current winding from a copper wire, wound on a ferromagnetic magnetic circuit, connected in series to a protected electric circuit, and a magnetization coil on the same magnetic circuit, fed by a direct current source [1]. In the operating mode (alternating current does not exceed the permissible value, no restriction is required) the magnetic circuit is saturated due to the field of the magnetizing coil, and the inductance of the saturated alternating current winding, together with the resulting voltage drop across it, turn out to be quite small, which almost does not affect the electric circuit. In the case of a significant increase in alternating current (for example, due to load closure), the magnetic circuit is periodically removed from the saturation state, and the resulting high inductance of the alternating current winding limits the emergency current.

Изготовление катушки подмагничивания из ленточного высокотемпературного сверхпроводника (ВТСП), способного нести большой ток при температуре жидкого азота, позволяет сократить размеры катушки подмагничивания и всего сверхпроводникового ограничителя тока (СОТ), уменьшить потери энергии, а также уменьшить требуюмую мощность источника постоянного тока [1].The manufacture of a magnetization coil from a tape high-temperature superconductor (HTSC), capable of carrying a large current at a temperature of liquid nitrogen, makes it possible to reduce the dimensions of the magnetization coil and the entire superconducting current limiter (COT), reduce energy losses, and also reduce the required power of a direct current source [1].

Использование разветвленного магнитопровода и разделенной обмотки переменного тока позволяет существенно уменьшить переменный магнитный поток в области катушки подмагничивания в рабочем режиме (например, в симметричном устройстве с магнитопроводом Ш-типа, при согласном включении секций обмотки переменного тока на крайних ветвях магнитопровода и катушке подмагничивания на средней ветви, переменный магнитный поток и напряжение на каждом витке катушки подмагничивания, равны нулю в приближении характеристики намагничивания с линейным насыщением) [1].The use of a branched magnetic circuit and a divided AC winding can significantly reduce the alternating magnetic flux in the area of the magnetization coil in the operating mode (for example, in a symmetrical device with a Ш-type magnetic circuit, if the AC winding sections on the extreme branches of the magnetic circuit and the magnetization coil on the middle branch are included) , the alternating magnetic flux and voltage at each turn of the magnetization coil are equal to zero in the approximation of the magnetization characteristics with linear m saturation) [1].

Однако, в режиме токоограничения переменное напряжение и ток в катушке подмагничивания наводятся за счет трансформации переменного тока [1], причем в случае замкнутого в магнитопроводе потока, переменное напряжение на катушке подмагничивания оказывается равным напряжению на обмотке переменного тока при равном числе витков в обмотке переменного тока и в катушке подмагничивания. Превышение допустимых значений тока и напряжения может привести к порче катушки подмагничивания, вследствие перегорания сверхпроводника или вследствие пробоя межвитковой изоляции, что повлечет потерю работоспособности, либо снижение надежности срабатывания и долговечности СОТ.However, in the current limiting mode, the alternating voltage and current in the magnetization coil are induced due to the transformation of the alternating current [1], and in the case of a flux closed in the magnetic circuit, the alternating voltage on the magnetization coil is equal to the voltage on the alternating current winding for an equal number of turns in the alternating current winding and in a bias coil. Exceeding the permissible values of current and voltage can lead to damage to the magnetization coil, due to burnout of the superconductor or due to breakdown of inter-turn insulation, which will lead to loss of operability, or a decrease in the reliability of operation and the durability of the COT.

В устройстве [2] эта проблема решается за счет применения управляемых коммутирующих устройств для вывода тока (энергии) из катушки подмагничивания и отключения СОТ. Недостаток данного решения - повышенная сложность схемы, приводящая к снижению надежности, повышению стоимости системы питания, и исключение токоограничения самим СОТ после срабатывания коммутатора.In the device [2] this problem is solved through the use of controlled switching devices to output current (energy) from the magnetization coil and turn off the COT. The disadvantage of this solution is the increased complexity of the circuit, which leads to a decrease in reliability, an increase in the cost of the power system, and the exclusion of current limitation by the COT itself after the switch is triggered.

В устройстве [3] проблема решается экранировкой ферромагнетика под катушкой подмагничивания электромагнитным экраном, представляющим собой медную цилиндрическую оболочку, отделяющую катушку от магнитопровода, что не препятствует подмагничиванию магнитопровода в рабочем режиме, но препятствует наведению индукционных токов в катушке подмагничивания в режиме токоограничения. Очевидным недостатком является снижение эффективности токоограничения за счет эффекта создания короткозамкнутого витка - экрана; по-видимому, поэтому данных об использовании такого решения для СОТ на большие мощности не имеется.In the device [3], the problem is solved by shielding the ferromagnet under the magnetization coil with an electromagnetic screen, which is a copper cylindrical shell separating the coil from the magnetic circuit, which does not interfere with the magnetization of the magnetic circuit in operating mode, but prevents induction currents in the magnetization coil in current limiting mode. An obvious drawback is the decrease in the efficiency of current limitation due to the effect of creating a short-circuited loop - screen; apparently, therefore, there is no data on the use of such a solution for MOT at high power.

Принцип прямого решения проблемы за счет снижения числа витков в катушке подмагничивания реализован в устройствах [4], [5], [6] (наиболее полно принцип описан в [4], наилучшие параметры достигнуты в [6]); это решение и выбрано в качестве прототипа. Такой СОТ индуктивного типа с насыщенным магнитопроводом, содержит магнитопровод из ферромагнитного материала, на котором размещены обмотки переменного тока, включенные в защищаемую электрическую цепь. На магнитопроводе размещена сверхпроводниковая катушка подмагничивания, которая образована последовательно-параллельным соединением двойных галет, с целью снижения числа эффективных витков катушки. Недостатком является невозможность подбора параметров секций, при которых распределение тока между галетами в режиме токоограничения близко к однородному. Невыполнение этого условия может привести к перегрузке током некоторых отдельных галет, что при превышении током критического для сверхпроводника значения приведет к перегреву и выходу из строя галеты и всего СОТ, а следовательно, ведет к потере работоспособности либо снижению надежности и срока безотказной работы СОТ.The principle of direct solution to the problem by reducing the number of turns in the magnetization coil is implemented in devices [4], [5], [6] (the principle is most fully described in [4], the best parameters are achieved in [6]); this solution is selected as a prototype. Such an inductive type COT with a saturated magnetic circuit contains a magnetic circuit of ferromagnetic material, on which AC windings are included, which are included in the protected electrical circuit. On the magnetic circuit there is a superconducting magnetization coil, which is formed by a series-parallel connection of double biscuits, in order to reduce the number of effective turns of the coil. The disadvantage is the impossibility of selecting section parameters in which the current distribution between biscuits in the current limiting mode is close to uniform. Failure to do so may lead to overloading of certain individual biscuits, which, if the current exceeds the critical value for the superconductor, will lead to overheating and failure of the biscuit and the entire COT, and, consequently, will lead to a loss of operability or a decrease in the reliability and uptime of the COT.

Целью технического решения, представленного в полезной модели СВЕРХПРОВОДНИКОВЫЙ ОГРАНИЧИТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ИНДУКТИВНОГО ТИПА С НАСЫЩЕННЫМ МАГНИТОПРОВОДОМ является сохранение работоспособности, повышение надежности и увеличение срока безотказной работы.The purpose of the technical solution presented in the utility model is the SUPER-CONDUCTIVE AC INDUCTOR TYPE LIMITER WITH A SATURATED MAGNETIC WIRE to maintain operability, increase reliability and increase the period of non-failure operation.

Поставленная цель достигается посредством выполнения обмотки катушки подмагничивания с малым числом витков, причем сама обмотка выполнена из плоского транспонированного кабеля, сформированного из большого числа лент высокотемпературного сверхпроводника. Равномерность растекания токов по лентам кабеля осуществляется за счет выбора сопротивлений отрезков нормального проводника, подсоединенных последовательно к каждой ленте, при помощи которых выполнены контактные соединения для включения обмотки в цепь постоянного тока; что обеспечивает эффективное намагничивание даже при малом числе витков в катушке. Сама катушка подмагничивания размещена на ферромагнитном магнитопроводе, на котором также находятся обмотки переменного тока, включенные в защищаемую электрическую цепь.This goal is achieved by performing the winding of a magnetizing coil with a small number of turns, and the winding itself is made of a flat transposed cable formed from a large number of tapes of a high-temperature superconductor. The uniformity of the spreading of currents along the cable tapes is carried out by selecting the resistances of the segments of the normal conductor connected in series to each tape, with which contact connections are made to turn the winding into a DC circuit; which ensures effective magnetization even with a small number of turns in the coil. The magnetization coil itself is placed on a ferromagnetic magnetic circuit, on which there are also AC windings included in the protected electrical circuit.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема устройства.In FIG. 1 shows a schematic diagram of a device.

Здесь на магнитопроводе из ферромагнитного материала (1) размещена обмотка переменного тока (2), включенная в защищаемую электрическую цепь, и сверхпроводниковая катушка подмагничивания (3), включенная в цепь постоянного тока - источник (4).Here on the magnetic core of ferromagnetic material (1) there is an AC winding (2) included in the protected electrical circuit and a superconducting magnetization coil (3) included in the DC circuit - source (4).

На фиг. 2 представлена схема обмотки катушки подмагничивания.In FIG. 2 is a diagram of the winding of a bias coil.

Она выполнена из плоского транспонированного кабеля, сформированного из большого числа лент высокотемпературного сверхпроводника (5), а сама обмотка включена в цепь постоянного тока при помощи отрезков нормального проводника (6), подсоединенных последовательно к каждой ленте, сопротивления R_i которых выбраны так, что растекание токов по лентам равномерно.It is made of a flat transposed cable formed of a large number of tapes of a high-temperature superconductor (5), and the winding itself is connected to the direct current circuit using segments of a normal conductor (6) connected in series to each tape, the resistances R _{i of} which are selected so that the spreading currents across the tapes evenly.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Магнитопровод (1) переводится в насыщение за счет поля катушки подмагничивания (3), питаемой постоянным током источника (4). Несмотря на малое число витков плоского транспонированного кабеля в катушке подмагничивания (3) (по сравнению с числом витков в обмотке переменного тока (2)), необходимая для насыщения величина ампер-витков достигается за счет большого числа ВТСП лент (5) кабеля, поскольку равномерное растекание токов по лентам кабеля (5) осуществляется за счет включения катушки (3) в цепь постоянного тока при помощи отрезков нормального проводника (6), подсоединенных последовательно к каждой ленте (5), и выбора значений сопротивлений отрезков R_i. Такое выполнение катушки подмагничивания (3) обеспечивает равномерность растекания токов по лентам кабеля (5) и в случае наведения на катушке (3) переменных напряжений.The magnetic circuit (1) is converted to saturation due to the field of the magnetization coil (3), fed by a direct current source (4). Despite the small number of turns of the flat transposed cable in the magnetization coil (3) (compared with the number of turns in the AC winding (2)), the amount of ampere turns necessary for saturation is achieved due to the large number of HTSC tapes (5) of the cable, since the uniform currents flowing along the cable strips (5) is carried out by connecting the coil (3) to the direct current circuit using segments of the normal conductor (6) connected in series to each tape (5) and selecting the values of the resistance of the segments R _i . This embodiment of the magnetization coil (3) ensures the uniformity of current spreading along the cable strips (5) and in the case of induction of alternating voltages on the coil (3).

При протекании рабочего тока по обмотке переменного тока (2) насыщение сохраняется, индуктивность насыщенной обмотки переменного тока (2) мала, и результирующее падение напряжения на ней оказывается достаточно малым, что почти не влияет на электрическую цепь. При этом использование разветвленного магнитопровода (1) и разделенной обмотки переменного тока (2) позволяет существенно уменьшить переменный магнитный поток (в идеальном случае - до нуля) в области катушки подмагничивания (3) и напряжение на ней.When the working current flows through the alternating current winding (2), saturation is maintained, the inductance of the saturated alternating current winding (2) is small, and the resulting voltage drop across it turns out to be quite small, which almost does not affect the electric circuit. In this case, the use of a branched magnetic circuit (1) and a divided winding of an alternating current (2) can significantly reduce the alternating magnetic flux (in the ideal case, to zero) in the area of the magnetization coil (3) and the voltage across it.

В режиме токоограничения магнитопровод (1) периодически выходит из состояния насыщения, и результирующая высокая индуктивность обмотки переменного тока (2) ограничивает аварийный ток. Теперь переменное напряжение и ток в катушке подмагничивания (3) наводятся за счет трансформации переменного тока, однако, величина напряжения оказывается небольшой за счет малого числа витков плоского транспонированного кабеля в катушке подмагничивания (3).In current limiting mode, the magnetic circuit (1) periodically leaves the saturation state, and the resulting high inductance of the AC winding (2) limits the emergency current. Now the alternating voltage and current in the magnetization coil (3) are induced due to the transformation of the alternating current, however, the voltage value is small due to the small number of turns of the flat transposed cable in the magnetization coil (3).

Отсутствие высоких переменных напряжений и токов, наводимых на катушке подмагничивания за счет трансформации переменного тока, дает возможность осуществления многократного токоограничения, то есть обеспечивает сохранение работоспособности, повышение надежности и увеличение срока безотказной работы СОТ.The absence of high alternating voltages and currents induced on the magnetization coil due to the transformation of the alternating current makes it possible to carry out multiple current limiting, that is, it ensures the preservation of operability, increased reliability and increased uptime of COT.

Дополнительным преимуществом является упрощение конструкции, исключающей повитковое изготовление галет, уменьшение требуемого количества изоляционных материалов, приводящее к улучшению условий охлаждения.An additional advantage is the simplification of the design, excluding the rotational manufacture of biscuits, reducing the required amount of insulating materials, leading to improved cooling conditions.

Источники информации, принятые во внимание.Sources of information taken into account.

1. Smedley, Keyue; Abramovitz, Alexander. (University of California, Irvine). 2011. Development of Fault Current Controller Technology. California Energy Commission. Publication number: CEC-500-2013-134.1. Smedley, Keyue; Abramovitz, Alexander. (University of California, Irvine). 2011. Development of Fault Current Controller Technology. California Energy Commission. Publication number: CEC-500-2013-134.

2. Y. Xin, H. Hong, J.Z. Wang, W.Z. Gong, J.Y. Zhang, A.L. Ren, M.R. Zi, Z.Q. Xiong, D.J. Si, F. Ye, "Performance of the 35 kV/90 MVA SFCL in Live-Grid Fault Current Limiting Teasts", IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol. 21, No. 3, June 2011.2. Y. Xin, H. Hong, J.Z. Wang, W.Z. Gong, J.Y. Zhang, A.L. Ren, M.R. Zi, Z.Q. Xiong, D.J. Si, F. Ye, "Performance of the 35 kV / 90 MVA SFCL in Live-Grid Fault Current Limiting Teasts", IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol. 21, No. June 3, 2011.

3. Cuixia Zhao, Shuhong Wang, Jian GuoZhu, Youguang Guo, Weizhi Gong, Zhengjian Cao, "Transient Simulation and Analysis for Saturated Core High Temperature Superconducting Fault Current Limiter", IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 43, No. 4, April 2007.3. Cuixia Zhao, Shuhong Wang, Jian GuoZhu, Youguang Guo, Weizhi Gong, Zhengjian Cao, "Transient Simulation and Analysis for Saturated Core High Temperature Superconducting Fault Current Limiter", IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 43, No. April 4, 2007.

4. Jing-Yin Zhang, Wei-Zhi Gong, Zheng-Jian Cao, Hui Hong, Bo Tian, Yang Wang, Jian-Zhong Wang, Xiao-Ye Niu, and Ying Xin, "Fabrication of HTS dc Bias Coil for 35 kV/90MVA SFCL", Journal of Electronic Science and Technology of China, Vol. 6, No. 2, June 20084. Jing-Yin Zhang, Wei-Zhi Gong, Zheng-Jian Cao, Hui Hong, Bo Tian, Yang Wang, Jian-Zhong Wang, Xiao-Ye Niu, and Ying Xin, "Fabrication of HTS dc Bias Coil for 35 kV / 90MVA SFCL ", Journal of Electronic Science and Technology of China, Vol. 6, No. June 2, 2008

5. Hui Hong, Zhengjian Cao, Jingyin Zhang, Xiaoming Hu, Jianzhong Wang, Xiaoye Niu, Bo Tian, Yang Wang, Weizhi Gong, Ying Xin, "DC Magnetization System for a 35 kV/90 MVA Superconducting Saturated Iron-Core Fault Current Limiter", IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol. 21, No. 3, June 2011.5. Hui Hong, Zhengjian Cao, Jingyin Zhang, Xiaoming Hu, Jianzhong Wang, Xiaoye Niu, Bo Tian, Yang Wang, Weizhi Gong, Ying Xin, "DC Magnetization System for a 35 kV / 90 MVA Superconducting Saturated Iron-Core Fault Current Limiter ", IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol. 21, No. June 3, 2011.

6. Xiaoye Niu, Weizhi Gong, Bo Tian, Yuwei Sun, Jingxin Zhang, Jibin Cui, Hui Hong, Ying Xin, "Manufacture and test of the dc superconducting coil for a 220kV/300MVA SFCL", Physics Procedia, Vol. 27, (2012).6. Xiaoye Niu, Weizhi Gong, Bo Tian, Yuwei Sun, Jingxin Zhang, Jibin Cui, Hui Hong, Ying Xin, "Manufacture and test of the dc superconducting coil for a 220kV / 300MVA SFCL", Physics Procedia, Vol. 27, (2012).

Claims

A superconductive inductor of an inductive type with a saturated magnetic circuit, comprising a magnetic core made of ferromagnetic material, on which an AC winding is included in the protected electrical circuit, and a DC superconducting magnetizing coil, characterized in that the winding of the magnetizing coil is made of a flat transposed cable formed from a large number of tapes of a high-temperature superconductor, and the inclusion of a winding in the post circuit The continuous current was made using segments of a normal conductor connected in series to each tape, and the resistance of the segments was chosen so that the current spreading along the cable tapes was uniform.