RU2453961C1

RU2453961C1 - Inductive current-limiting device

Info

Publication number: RU2453961C1
Application number: RU2011120489/07A
Authority: RU
Inventors: Эдуард Петрович Волков (RU); Эдуард Петрович Волков; Эльдар Атамович Джафаров (RU); Эльдар Атамович Джафаров; Леонид Самуилович Флейшман (RU); Леонид Самуилович Флейшман; Андрей Владимирович Мальгинов (RU); Андрей Владимирович Мальгинов; Владимир Анатольевич Мальгинов (RU); Владимир Анатольевич Мальгинов
Original assignee: Открытое акционерное общество "Энергетический институт им. Г.М. Кржижановского"; Эдуард Петрович Волков; Эльдар Атамович Джафаров; Леонид Самуилович Флейшман
Priority date: 2011-05-24
Filing date: 2011-05-24
Publication date: 2012-06-20

Abstract

FIELD: electric engineering.

SUBSTANCE: device contains ferromagnetic core piece including yokes and rods, primary power winding on one of the core piece rods, the secondary auxiliary winding coupled with non-linear resistor. There is an iron, which is made of non-magnetic dielectric material with a cross-section in the form of a stepped shape and with equal diametrically opposed sides, inside the core piece rods and yokes. The upper and lower yokes and rods of the iron are interconnected with a beveled joint, and ferromagnetic plates are available on the surfaces of iron yokes and rods, along longitudinal axes of rods and yokes, the plate surfaces adjoin each other, and rod plate ends form beveled joint with yoke surface ends. In addition, ferromagnetic plates adjoin the external surfaces of the iron forming stepped shape, with its external vertexes being located at an equal distances from the longitudinal axis of symmetry, while the second auxiliary winding is located on the other rod of core piece.

EFFECT: improved reliability and reduced materials consumption.

3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники, в частности к конструкции индуктивного токоограничивающего устройства, и может быть использовано в системах передачи и распределения электрической энергии переменного тока.The invention relates to the field of electrical engineering, in particular to the design of an inductive current-limiting device, and can be used in transmission and distribution systems of AC electric energy.

Известна конструкция сверхпроводникового ограничителя токов короткого замыкания. Он состоит из замкнутого ферромагнитного стержневого магнитопровода, на одном стержне которого размещены первичная обмотка и сверхпроводниковый полый цилиндр. Диаметр сверхпроводникового полого цилиндра должен обеспечить минимальную величину немагнитного зазора между стержнем и цилиндром (Francis James Mumford, "Superconductive fault current limiters", пат. США №5694279, M. кл. H02H 7/00, 1997).A known design of a superconducting short-circuit current limiter. It consists of a closed ferromagnetic core magnetic core, on one core of which a primary winding and a superconducting hollow cylinder are placed. The diameter of the superconducting hollow cylinder should provide a minimum amount of non-magnetic clearance between the rod and the cylinder (Francis James Mumford, "Superconductive fault current limiters", US Pat. No. 5694279, M. class. H02H 7/00, 1997).

Недостатком указанной конструкции является то, что в режиме ограничения тока короткого замыкания после перехода сверхпроводника, из которого изготовлен полый цилиндр, в резистивное состояние активное сопротивление полого цилиндра определяется величиной периметра его поперечного сечения, вследствие чего для достижения необходимой для ограничения тока короткого замыкания величины активного сопротивления потребуется увеличение диаметра сверхпроводникового полого цилиндра и стержня магнитопровода, что повлечет увеличение массогабаритных показателей ограничителя токов короткого замыкания.The disadvantage of this design is that in the mode of limiting the short circuit current after the transition of the superconductor from which the hollow cylinder is made to the resistive state, the active resistance of the hollow cylinder is determined by the perimeter of its cross section, as a result of which the active resistance necessary to limit the short circuit current is reached an increase in the diameter of the superconducting hollow cylinder and the core of the magnetic circuit will be required, which will lead to an increase in mass hydration band performance short-circuit current limiter.

Известен индуктивный токоограничитель со сверхпроводниковым нелинейным резистором, состоящий из магнитопровода из электротехнической стали, первичной и вторичной обмоток, выполненных из медного проводника и размещенных на одном из стержней магнитопровода, токовводов, изготовленных из меди, нелинейного резистора, подключенного к выходу вторичной обмотки и изготовленного из ленточного композитного провода, материалом которого является высокотемпературный сверхпроводник в серебряной матрице, размещенного в пенопластовом криостате, заполненном жидким азотом (Ш.И.Лутидзе, Л.С.Флейшман и др., Индуктивные токоограничители со сверхпроводниковым нелинейным резистором, Инженерная физика, №2, 2004, с.22-30).Known inductive current limiter with a superconducting nonlinear resistor, consisting of a magnetic circuit made of electrical steel, primary and secondary windings made of a copper conductor and placed on one of the rods of the magnetic circuit, current leads made of copper, a nonlinear resistor connected to the output of the secondary winding and made of tape composite wire, the material of which is a high-temperature superconductor in a silver matrix, placed in a foam cryostat, filled with liquid nitrogen (Sh.I. Lutidze, L.S. Fleishman et al., Inductive current limiters with a superconducting nonlinear resistor, Engineering Physics, No. 2, 2004, p.22-30).

Недостатком данной конструкции является сильная магнитная связь между первичной и вторичной обмотками токоограничителя за счет магнитопровода, которая увеличивает термическое воздействие на нелинейный резистор в режиме ограничения токов короткого замыкания, что ведет к недопустимому повышению температуры нелинейного резистора и приводит к возрастанию времени возврата токоограничителя в исходное состояние и, при определенной длительности режима короткого замыкания, к его повреждению.The disadvantage of this design is the strong magnetic coupling between the primary and secondary windings of the current limiter due to the magnetic circuit, which increases the thermal effect on the nonlinear resistor in the mode of limiting short circuit currents, which leads to an unacceptable increase in the temperature of the nonlinear resistor and leads to an increase in the time for the current limiter to return to its original state and , with a certain duration of the short circuit mode, to its damage.

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое техническое решение, состоит в снижении термического воздействия на нелинейный резистор, снижении инерционности и материалоемкости устройства, повышении его надежности.The technical result, the proposed technical solution is aimed at achieving, consists in reducing the thermal effect on the nonlinear resistor, reducing the inertia and material consumption of the device, and increasing its reliability.

Указанный технический результат достигается тем, что в индуктивном токоограничивающем устройстве, содержащем ферромагнитный магнитопровод, включающий ярма и стержни, первичную силовую обмотку на одном из стержней магнитопровода, вторичную вспомогательную обмотку, соединенную с нелинейным резистором, внутри стержней и ярем магнитопровода размещен сердечник, выполненный из немагнитного диэлектрического материала, с поперечным сечением в виде ступенчатой фигуры с равными диаметрально противоположными поверхностями, верхнее и нижнее ярма и стержни которого соединены между собой посредством косого стыка, причем на поверхности ярем и стержней сердечника вдоль продольных осей стержней и ярем размещены пластины из ферромагнитного материала, плоскости пластин выполнены примыкающими друг к другу, а торцы пластин стержней образуют косой стык с торцами пластин ярем, при этом пластины из ферромагнитного материала выполнены примыкающими к внешним поверхностям сердечника, образуя ступенчатую фигуру, внешние вершины которой размещены на одинаковом расстоянии от продольной оси симметрии, а вторичная вспомогательная обмотка размещена на другом стержне магнитопровода. При этом пластины магнитопровода могут быть выполнены из аморфной электротехнической стали или наноструктурированного магнитомягкого сплава, а первичная силовая обмотка может быть выполнена из сверхпроводящего материала.The specified technical result is achieved by the fact that in the inductive current-limiting device containing a ferromagnetic magnetic circuit, including yokes and rods, a primary power winding on one of the rods of the magnetic circuit, a secondary auxiliary winding connected to a nonlinear resistor, a core made of non-magnetic is placed inside the rods and the core of the magnetic circuit dielectric material, with a cross-section in the form of a stepped figure with equal diametrically opposite surfaces, the upper and lower the yoke and the rods of which are interconnected by means of an oblique joint, and on the surface of the yoke and core rods along the longitudinal axes of the rods and the yoke are plates of ferromagnetic material, the planes of the plates are made adjacent to each other, and the ends of the plates of the rods form an oblique joint with the ends of the plates by the yoke, the plates of ferromagnetic material are made adjacent to the outer surfaces of the core, forming a stepped figure, the outer peaks of which are placed at the same distance from the longitudinal axis of symmetry, and the secondary auxiliary winding is placed on another core of the magnetic circuit. In this case, the plates of the magnetic circuit can be made of amorphous electrical steel or a nanostructured soft magnetic alloy, and the primary power winding can be made of superconducting material.

Сущность изобретения поясняется чертежом.The invention is illustrated in the drawing.

На фиг.1 схематически изображено индуктивное токоограничивающее устройство (вид спереди, нелинейный резистор на схеме не показан), на фиг.2 - электрическая схема индуктивного токоограничивающего устройства, а на фиг.3 представлен магнитопровод устройства (продольное осевое сечение и вид сверху).Figure 1 schematically shows an inductive current limiting device (front view, a nonlinear resistor is not shown in the diagram), figure 2 is an electric circuit of an inductive current limiting device, and Fig. 3 shows a magnetic circuit of the device (longitudinal axial section and top view).

Поперечное сечение стержней по разрезу A-A и поперечное сечение ярем по разрезу B-B немагнитного сердечника и ферромагнитных пластин магнитопровода показаны штриховыми линиями.The cross-section of the rods along section A-A and the cross-section of the yoke along section B-B of the non-magnetic core and the ferromagnetic plates of the magnetic circuit are shown by dashed lines.

Индуктивное токоограничивающее устройство включает в себя верхнее и нижнее ярма 1, стержни 2 двухстержневого магнитопровода 3, на одном из стержней которого размещена первичная силовая обмотка 4, а на другом - вторичная вспомогательная обмотка 5, к выходу которой подключен нелинейный резистор 6 (фиг.2). Магнитопровод 3 состоит из немагнитного сердечника 7 и ферромагнитных пластин 8 (фиг.3).Inductive current-limiting device includes an upper and lower yoke 1, rods 2 of a two-core magnetic circuit 3, on one of the rods of which a primary power winding 4 is placed, and on the other a secondary auxiliary winding 5, to the output of which a non-linear resistor 6 is connected (Fig. 2) . The magnetic circuit 3 consists of a non-magnetic core 7 and ferromagnetic plates 8 (figure 3).

Предлагаемое индуктивное токоограничивающее устройство работает следующим образом. Первичная силовая обмотка 4 включается последовательно в участок сети переменного тока. Вторичная вспомогательная обмотка 5 замкнута на нелинейный резистор 6, имеющий низкую величину активного сопротивления при токах, меньших порогового значения для данного нелинейного резистора 6, и высокую величину активного сопротивления при токах, больших порогового значения. Пороговое значение тока для данного нелинейного резистора 6 выбирается таким образом, чтобы в нормальном режиме сети вторичный ток, протекающий через нелинейный резистор 6, имел величину ниже порогового значения. В нормальном режиме работы сети полное сопротивление индуктивного токоограничивающего устройства имеет низкую величину вследствие малого активного сопротивления нелинейного резистора 6 при токах, меньших его порогового значения.The proposed inductive current limiting device operates as follows. The primary power winding 4 is connected in series in the AC section. The secondary auxiliary winding 5 is closed to a nonlinear resistor 6 having a low resistance value at currents lower than the threshold value for a given nonlinear resistor 6, and a high resistance value at currents higher than the threshold value. The threshold current value for this non-linear resistor 6 is selected so that in normal network mode the secondary current flowing through the non-linear resistor 6 is below the threshold value. In the normal mode of operation of the network, the impedance of the inductive current-limiting device has a low value due to the low active resistance of the nonlinear resistor 6 at currents lower than its threshold value.

При возникновении режима короткого замыкания в сети ток и напряжение в первичной силовой обмотке 4, размещенной на одном из стержней 2 магнитопровода 3 индуктивного токоограничивающего устройства, возрастают, что вызывает рост тока во вторичной вспомогательной обмотке 5 и нелинейном резисторе 6. При превышении этим током порогового значения нелинейного резистора 6 его активное сопротивление возрастает. Вследствие возрастания напряжения в первичной силовой обмотке 4 и активного сопротивления нелинейного резистора 6 потокосцепление первичной силовой обмотки 4 возрастает. Выполнение магнитопровода 3 с ярмами 1 и стержнями 2, с поперечным сечением в виде вписанной в окружность ступенчатой фигуры, внешние вершины которой размещены на одинаковом расстоянии от продольной оси симметрии, вдоль которой внутри стержней 2 и ярем 1 магнитопровода 3 размещен сердечник 7, выполненный из немагнитного диэлектрического материала, с поперечным сечением в виде ступенчатой фигуры с равными диаметрально противоположными поверхностями, верхнее и нижнее ярма 1 и стержни 2 которого соединены между собой посредством косого стыка, причем на поверхности ярем 1 и стержней 2 сердечника 7 вдоль продольных осей стержней 2 и ярем 1 размещены пластины 8 из ферромагнитного материала, плоскости пластин 8 выполнены примыкающими друг к другу, а торцы пластин 8 стержней 2 образуют косой стык с торцами пластин 8 ярем 1, при этом пластины 8 выполнены примыкающими к внешним поверхностям сердечника 7, уменьшает суммарную площадь поперечного сечения ферромагнитной части магнитопровода, в результате чего магнитная индукция в ферромагнитных пластинах 8 магнитопровода 3 увеличивается. Вследствие увеличения магнитной индукции происходит насыщение намагниченности ферромагнитных пластин 8. Это приводит к уменьшению индуктивной связи между первичной силовой обмоткой 4 и вторичной вспомогательной обмоткой 5, размещенной на другом стержне 2 магнитопровода 3. В результате этого полное сопротивление индуктивного токоограничивающего устройства возрастает и достигает своего максимального значения, что ограничивает ток короткого замыкания в участке сети переменного тока, в котором включено индуктивное токоограничивающее устройство. Вследствие уменьшения индуктивной связи между первичной силовой обмоткой 4 и вторичной вспомогательной обмоткой 5 снижается термическое воздействие на нелинейный резистор 6, повышается надежность, уменьшается материалоемкость и инерционность индуктивного токоограничивающего устройства. Выполнение косого стыка при соединении нижнего и верхнего ярем 1 и стержней 2 немагнитного сердечника 7 позволяет также выполнить косой стык торцов ферромагнитных пластин 8 стержней 2 с торцами пластин 8 нижнего и верхнего ярем 1. Косой стык при соединении пластин 8 приводит к снижению магнитных потерь энергии в зонах сопряжения стержней 2 с ярмами 1. Выполнение магнитопровода 3 из аморфной электротехнической стали или наноструктурированного магнитомягкого сплава снижает магнитные потери в нем, повышает технико-экономические показатели устройства. Выполнение первичной силовой обмотки 4 из сверхпроводящего материала снижает потери энергии в индуктивном токоограничивающем устройстве, тем самым увеличивает его коэффициент полезного действия, расширяет возможности использования предлагаемого индуктивного токоограничивающего устройства, например, при применении в сверхпроводящей линии электропередачи.When a short circuit mode occurs in the network, the current and voltage in the primary power winding 4, located on one of the rods 2 of the magnetic circuit 3 of the inductive current-limiting device, increase, which causes an increase in current in the secondary auxiliary winding 5 and non-linear resistor 6. When this current exceeds the threshold value non-linear resistor 6, its active resistance increases. Due to the increase in voltage in the primary power winding 4 and the active resistance of the nonlinear resistor 6, the flux linkage of the primary power winding 4 increases. The implementation of the magnetic circuit 3 with yokes 1 and rods 2, with a cross section in the form of a stepped figure inscribed in a circle, the outer vertices of which are placed at the same distance from the longitudinal axis of symmetry, along which a core 7 made of non-magnetic core is placed inside the rods 2 and the yoke 1 of the magnetic circuit 3 a dielectric material with a cross-section in the form of a stepped figure with equal diametrically opposite surfaces, the upper and lower yokes 1 and the rods 2 of which are interconnected by an oblique joint, moreover, on the surface of the yoke 1 and rods 2 of the core 7 along the longitudinal axis of the rods 2 and the yoke 1 are placed plates 8 of ferromagnetic material, the plane of the plates 8 are adjacent to each other, and the ends of the plates 8 of the rods 2 form an oblique joint with the ends of the plates 8 of the yoke 1, the plates 8 are made adjacent to the outer surfaces of the core 7, reduces the total cross-sectional area of the ferromagnetic part of the magnetic circuit, as a result of which the magnetic induction in the ferromagnetic plates 8 of the magnetic circuit 3 increases. Due to the increase in magnetic induction, the magnetization of the ferromagnetic plates 8 is saturated. This leads to a decrease in the inductive coupling between the primary power winding 4 and the secondary auxiliary winding 5 located on the other rod 2 of the magnetic circuit 3. As a result, the total resistance of the inductive current-limiting device increases and reaches its maximum value , which limits the short circuit current in the area of the AC network, in which the inductive current-limiting current construction. Due to the reduction of the inductive coupling between the primary power winding 4 and the secondary auxiliary winding 5, the thermal effect on the non-linear resistor 6 is reduced, the reliability is increased, the material consumption and inertia of the inductive current-limiting device are reduced. Performing an oblique joint when connecting the lower and upper yoke 1 and rods 2 of the non-magnetic core 7 also allows you to make a oblique joint of the ends of the ferromagnetic plates 8 rods 2 with the ends of the plates 8 of the lower and upper yoke 1. The oblique joint when connecting the plates 8 reduces the magnetic energy loss in zones of interfacing rods 2 with yokes 1. The implementation of the magnetic circuit 3 of amorphous electrical steel or nanostructured magnetically soft alloy reduces magnetic losses in it, increases the technical and economic indicators of royals. The implementation of the primary power winding 4 of a superconducting material reduces energy loss in an inductive current limiting device, thereby increasing its efficiency, expands the possibilities of using the proposed inductive current limiting device, for example, when used in a superconducting power line.

Предложенное индуктивное токоограничивающее устройство предназначено для применения в традиционных и сверхпроводящих системах передачи и распределения электрической энергии, его применение повысит технико-экономические показатели электроэнергетических систем.The proposed inductive current-limiting device is intended for use in traditional and superconducting systems of transmission and distribution of electrical energy, its use will increase the technical and economic indicators of electric power systems.

Claims

1. Inductive current-limiting device containing a ferromagnetic magnetic circuit, including yokes and rods, a primary power winding on one of the magnetic circuit rods, a secondary auxiliary winding connected to a nonlinear resistor, characterized in that a core made of non-magnetic dielectric material is placed inside the rods and core of the magnetic circuit , with a cross section in the form of a stepped figure with equal diametrically opposite surfaces, the upper and lower yokes and the rods of which are connected They are interconnected by means of an oblique joint, and on the surface of the yoke and core rods along the longitudinal axes of the rods and the yoke are plates of ferromagnetic material, the planes of the plates are adjacent to each other, and the ends of the plates of the rods form an oblique joint with the ends of the plates of the yoke, while the plates are made of the ferromagnetic material is made adjacent to the outer surfaces of the core, forming a stepped figure, the outer vertices of which are placed at the same distance from the longitudinal axis of symmetry, and the secondary ogatelnaya coil is placed on the other of the magnetic rod.

2. The inductive current-limiting device according to claim 1, characterized in that the magnetic circuit plates are made of amorphous electrical steel or a nanostructured magnetically soft alloy.

3. The inductive current limiting device according to claim 1 or 2, characterized in that the primary power winding is made of superconducting material.