RU99906U1

RU99906U1 - SUPERCONDUCTING SHORT-CURRENT LIMITER

Info

Publication number: RU99906U1
Application number: RU2010122272/07U
Authority: RU
Inventors: Александр Исаакович Будовский; Дмитрий Фёдорович Алфёров; Валерий Павлович Иванов; Александр Владимирович Кацай; Дмитрий Алексеевич Комарков
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "СПИН"
Priority date: 2010-06-02
Filing date: 2010-06-02
Publication date: 2010-11-27

Abstract

Сверхпроводящий ограничитель тока короткого замыкания, содержащий прямолинейные и криволинейные участки из высокотемпературной сверхпроводящей ленты, образующие бифилярные петли, криволинейные участки которых опираются на первые и вторые ролики, оси первых из которых установлены на первом поперечном участке изоляционного каркаса с возможностью вращательного движения, отличающийся тем, что оси вторых роликов установлены в пазах второго поперечного участка каркаса и подпружинены к нему с возможностью вращательного относительно оси и поступательного движения вдоль рамы каркаса, причем прямолинейные участки лент дистанцированы в средней части рамы с помощью гребенок, а крайние прямолинейные участки лент опираются на продольные рейки каркаса. A superconducting short-circuit current limiter containing straight and curved sections of high-temperature superconducting tape forming bifilar loops, the curved sections of which are supported by the first and second rollers, the axes of the first of which are mounted on the first transverse section of the insulating frame with the possibility of rotational movement, characterized in that the axes of the second rollers are installed in the grooves of the second transverse section of the frame and spring to it with the possibility of rotation relative to the axis and translational movement along the frame of the frame, and the straight sections of the tapes are spaced in the middle part of the frame with the help of combs, and the extreme straight sections of the tapes rest on the longitudinal slats of the frame.

Description

Полезная модель относится к области электротехники, а конкретнее - к силовым ограничителям тока и предназначена для защиты электрооборудования от токов короткого замыкания (КЗ), в том числе, в режимах повторного автоматического включения (АПВ) в сетях среднего и высокого напряжения постоянного и переменного тока. Такие устройства существенно ограничивают ток КЗ за счет быстрого, за время около 1 мс, ввода в сеть большого активного сопротивления при этом облегчая работу выключателей по полному прерыванию тока на объекте.The utility model relates to the field of electrical engineering, and more specifically to power current limiters, and is intended to protect electrical equipment from short circuit currents (short circuit), including in the modes of repeated automatic switching on (AR) in medium and high voltage direct and alternating current networks. Such devices significantly limit the short-circuit current due to the rapid, in about 1 ms, input of a large active resistance into the network, while facilitating the operation of the circuit breakers to completely interrupt the current at the facility.

В современных сверхпроводящих ограничителях тока (СОТ) короткого замыкания в качестве активного элемента используются высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) при температуре, близкой к температуре жидкого азота, ленточного типа с нанесенными на подложку: буферными слоями, слоем сверхпроводящей керамики и наружным защитным тепло и электропроводным слоем.In modern superconducting short-circuit current limiters (COT), high-temperature superconductors (HTSC) are used as an active element at a temperature close to the temperature of liquid nitrogen, tape type with a buffer layer deposited on a substrate, a layer of superconducting ceramic and an external protective heat and electrically conductive layer.

Требования АПВ лучше всего удовлетворяют конструкции СОТ рамного типа, обеспечивающие лучшие условия охлаждения и более быстрое восстановление сверхпроводящего состояния после прохождение тока КЗ, по сравнению с конструкциями цилиндрического типа и типа дисковых катушек.The AR requirements are best satisfied by the design of frame-type COT, providing better cooling conditions and faster recovery of the superconducting state after the passage of short-circuit current, in comparison with the designs of the cylindrical type and the type of disk coils.

Для уменьшения индуктивного сопротивления СОТ лента ВТСП в них наматывается в виде бифиляров.To reduce the inductive resistance of COT, the HTSC tape is wound in them in the form of bifilars.

Предлагаемая полезная модель относится к рамной конструкции модулей СОТ с намоткой ленты ВТСП в бифиляры через ролики. При этом петли бифиляров образуются плоскими сторонами ленты. Предлагаемая конструкция позволяет решить одну из главных проблем - компенсацию температурных деформаций для СОТ рамного типа.The proposed utility model relates to the frame structure of COT modules with HTSC tape winding into bifilars through rollers. In this case, the bifilar loops are formed by the flat sides of the tape. The proposed design allows us to solve one of the main problems - compensation of temperature deformations for frame type COT.

Известен СОТ резистивного типа (заявка US 2007/0205857; Кл. 338/13 Кл. 361/19, МПК Кл Н01С 7/00, опубл. 2001-09-06) [1], в котором предложена конструкция бифилярной намотки лент с прямолинейными участками и петлями, опирающимися на стойки в виде эллипсоидов вращения. Такая конструкция обеспечивает хорошие условия охлаждения. Но при жестком закреплении концов бифиляров возможен перегиб ленты у мест закрепления, особенно при ее быстром удлинении в момент ограничения тока. На крайние прямолинейные участки действуют некомпенсированные пондеромоторные силы от протекающего тока, что при отсутствии опирания на каркас делает удлинение участков неравномерным в середине и по краям бифиляра. Такой недостаток можно компенсировать увеличением количества промежуточных стоек, что увеличит габариты СОТ, ухудшит условия охлаждения и увеличит трудоемкость изготовления и сборки.A known COT of a resistive type (application US 2007/0205857; Cl. 338/13 Cl. 361/19, IPC Cl H01C 7/00, publ. 2001-09-06) [1], which proposed the design of bifilar winding tapes with rectilinear sections and loops resting on racks in the form of ellipsoids of revolution. This design provides good cooling conditions. But with a rigid fastening of the ends of the bifilars, the tape can be bent at the fastening points, especially when it is quickly elongated at the time of current limitation. Uncompensated ponderomotive forces from the flowing current act on the extreme straight sections, which, in the absence of bearing on the frame, makes the elongation of the sections uneven in the middle and along the edges of the bifilar. Such a disadvantage can be compensated by an increase in the number of intermediate racks, which will increase the dimensions of the COT, worsen the cooling conditions and increase the complexity of manufacturing and assembly.

Известен сверхпроводящий ограничитель тока короткого замыкания резистивного типа (заявка на патент US 2009156409; Кл. МПК Н01В 12/00, опубл. 2009-06-18) [2], принятый за прототип в котором прямолинейные и криволинейные участки высокотемпературной сверхпроводящей ленты образуют бифилярные петли, между двух рядов роликов, установленных на оси по четыре штуки. Оси одного ряда роликов установлены в отверстиях верхней горизонтальной рамы, а оси другого ряда - в отверстиях нижней горизонтальной рамы. Эти рамы вместе со стойками образуют параллелепипед изоляционного каркаса. Четыре бифиляра в вертикальных плоскостях образуют четыре параллельные цепи. По середине каркаса в стойках закреплена горизонтальная изоляционная пластина с пазом для каждого параллельного ряда прямолинейных участков. Токоподвод к СОТ осуществляется двумя горизонтальными шинами.Known superconducting short-circuit current limiter of the resistive type (patent application US 2009156409; CL IPC Н01В 12/00, publ. 2009-06-18) [2], adopted as a prototype in which the rectilinear and curved sections of a high-temperature superconducting tape form bifilar loops , between two rows of rollers mounted on an axis of four pieces. The axes of one row of rollers are installed in the holes of the upper horizontal frame, and the axes of the other row are in the holes of the lower horizontal frame. These frames together with the uprights form the parallelepiped of the insulating frame. Four bifilars in vertical planes form four parallel chains. A horizontal insulating plate with a groove for each parallel row of straight sections is fixed in the middle of the frame in the racks. The current supply to the COT is carried out by two horizontal buses.

Главный недостаток конструкции - отсутствие возможности относительного перемещения роликов нижнего и верхнего рядов, что не позволяет компенсировать удлинение ленты при ее нагреве в режиме токоограничения. В случае выполнения стоек из материала с ТКР, больше, чем у ленты, при первоначальной сборке СОТ бифиляры ленты должны быть натянуты, но усилие натяга неконтролируемо. После заполнения криостата жидким азотом, лента провиснет; это провисание увеличится при токоограничении. Как отмечено выше, действие неуравновешенных сил на крайних лентах бифиляра приведет к ее прогибу и неравномерному удлинению разных участков ленты и их скольжению относительно роликов и горизонтальных пластин. Почти половина лент будет тереться тонким слоем серебра и после его быстрого истирания трению подвергнется ВТСП слой, что приведет к выходу из строя СОТ. Отсюда следкет, что длина прямолинейных участков может браться небольшой, а это, прежде всего, приводит к увеличению поперечных размеров СОТ и диаметра криостата.The main drawback of the design is the lack of the possibility of relative movement of the rollers of the lower and upper rows, which does not allow to compensate for the elongation of the tape when it is heated in the current limiting mode. In the case of struts made of material with TCR, more than that of the tape, during the initial assembly of the COT, the bifilars of the tape must be tensioned, but the tension force is uncontrolled. After filling the cryostat with liquid nitrogen, the tape will sag; this sagging will increase with current limitation. As noted above, the effect of unbalanced forces on the extreme tapes of the bifilar will lead to its deflection and uneven elongation of different sections of the tape and their sliding relative to the rollers and horizontal plates. Almost half of the tapes will be rubbed with a thin layer of silver and after its quick abrasion, the HTSC layer will undergo friction, which will lead to the failure of the COT. Hence, it follows that the length of the straight sections can be taken small, and this, first of all, leads to an increase in the transverse dimensions of the COT and the diameter of the cryostat.

Целью предлагаемой полезной модели является устранение указанных недостатков, а именно: уменьшение поперечных размеров СОТ и диаметра криостата, повышение надежности за счет компенсации температурных удлинений ВТСП ленты во всех режимах, дающей возможность существенного удлинения бифиляров и их постоянное натяжение.The purpose of the proposed utility model is to eliminate these drawbacks, namely: reducing the transverse dimensions of the COT and the diameter of the cryostat, increasing reliability by compensating for the temperature elongations of the HTSC tape in all modes, which makes it possible to substantially extend the bifilars and their constant tension.

Для достижения указанной цели в сверхпроводящем ограничителе тока короткого замыкания, содержащем прямолинейные и криволинейные участки из высокотемпературной сверхпроводящей ленты, образующие бифилярные петли, криволинейные участки которых опираются на два ряда роликов, оси одного ряда которых установлены в отверстиях поперечного участка изоляционного каркаса, предлагается оси второго ряда роликов установить в пазах другого поперечного участка каркаса и подпружинить их к нему с возможностью вращательного и поступательного движения вдоль рамы каркаса, при этом прямолинейные участки лент дистанцировать в средней части рамы с помощью гребенок.To achieve this goal, in a superconducting short-circuit current limiter containing straight and curved sections of high-temperature superconducting tape forming bifilar loops, curved sections of which are supported by two rows of rollers, the axes of one row of which are installed in the holes of the transverse section of the insulation frame, the axis of the second row is proposed set the rollers in the grooves of another transverse section of the frame and spring them to it with the possibility of rotational and translational movement along the frame of the frame, while the straight sections of the tapes are spaced in the middle of the frame with the help of combs.

Принципиальная конструкция рамного модуля СОТ представлена на фиг.1; на фиг.2а) дан вид А-А фиг.1 с частичным разрезом для двух бифиляров, образующих две параллельные цепи модуля СОТ; на фиг.2б) показан вид Б фиг.2а) на дистанцирующую гребенку для параллельных бифиляров.The basic design of the frame module COT is presented in figure 1; on figa) is given a view aa of figure 1 with a partial section for two bifilars forming two parallel circuits of the COT module; Fig.2b) shows a view B of Fig.2a) on the distance comb for parallel bifilars.

Изоляционный каркас модуля рамы состоит из двух поперечных рамных участков 1 и 2 и вертикальных стоек 3. В отверстиях первого поперечного участка 1 установлены оси 4 с вращающимися на каждой из них двумя первыми роликами 5. Оси 6 второго ряда роликов 7 помещены в продольные пазы 8 второго поперечного участка 2. Между роликами натянуты бифилярные ветви ВТСП ленты 9 с крайними прямолинейными участками 10 и 11 которые могут опираться на вертикальные изоляционные рейки 12 каркаса, или, как вариант, на сегментные планки 13 с радиусом кривизны, большем критического для изгиба ленты. С помощью пружины 14 через шпильки 15, закрепленные на осях 6 роликов, осуществляется натяг бифиляров ленты. Шпильки свободно проходят сквозь планку 16, на которую опираются пружины. Усилие натяга регулируется с помощью гаек 17. На планке 18 закреплены гребенки 19, дистанцирующие ленты в параллельных бифилярах и воспринимающие как и ролики, усилия стягивания параллельных токов.The insulating frame of the frame module consists of two transverse frame sections 1 and 2 and vertical struts 3. In the holes of the first transverse section 1 there are axles 4 with two first rollers rotating on each of them 5. Axes 6 of the second row of rollers 7 are placed in the longitudinal grooves 8 of the second of the transverse section 2. Bifilar branches of the HTSC tape 9 are stretched between the rollers with extreme straight sections 10 and 11 that can be supported by vertical insulating rails 12 of the frame, or, alternatively, segment segments 13 with a radius of curvature greater than tic for a bend of a tape. Using the spring 14 through the studs 15, mounted on the axes of the 6 rollers, the tension of the bifilars of the tape is carried out. The studs freely pass through the bar 16, on which the springs are supported. The preload force is regulated by means of nuts 17. On the bar 18, combs 19 are fixed, spacing tapes in parallel bifilars and perceiving, like the rollers, the pulling forces of the parallel currents.

Токопроводящие шины 20 и 21 в отличие от прототипа сделаны вертикальными для уменьшения поперечных размеров СОТ и диаметра криостата. Подсоединение наружных цепей к шинам 20 и 21 осуществляется через проходные токовводы в крышке криостата (на рис.не показан). Весь СОТ крепится к крышке криостата с помощью шпилек 22.Conductive busbars 20 and 21, in contrast to the prototype, are made vertical to reduce the transverse dimensions of the COT and the diameter of the cryostat. The external circuits are connected to the busbars 20 and 21 through the feed-through current leads in the cryostat cover (not shown in the figure). The entire COT is attached to the cryostat cover using pins 22.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

При прохождении номинального тока ниже критического, составляющего для ВТСП 250…300 А, СОТ имеет небольшое сопротивление, порядка десятков микроом от соединительных шин и индуктивное сопротивление в единицы микрогенри. При превышении током критической величины с началом короткого замыкания сопротивление ленты за сотни микросекунд увеличивается до нескольких Ом и продолжает расти по мере ее нагревания от проходящего тока, чем и определяется назначение СОТ по ограничению тока КЗ. При нагревании ленты 9, 10, 11 удлиняются, под действием пружин 14 оси 6 с роликами 7 движутся вниз в пазах 8, обеспечивая натяжение лент и предотвращая их выгибание и излом, как в прототипе, особенно для крайних лент 10 и 11 из-за неуравновешенных сил.When the rated current passes below the critical current, which is 250 ... 300 A for HTSC, the COT has a small resistance, on the order of tens of microohms from the connecting busbars, and an inductive resistance of several microgenry units. If the current exceeds a critical value with the onset of a short circuit, the resistance of the tape increases to several Ohms in hundreds of microseconds and continues to increase as it heats up from the passing current, which determines the purpose of the COT to limit the short-circuit current. When heated, the tapes 9, 10, 11 lengthen, under the action of the springs 14, the axles 6 with the rollers 7 move downward in the grooves 8, ensuring the tension of the tapes and preventing their bending and kink, as in the prototype, especially for the extreme tapes 10 and 11 due to unbalanced forces.

Применение вертикальных реек 12 или сегментных планок 13 для восприятия неуравновешенных сил F1 в крайних лентах бифиляров определяется условиями охлаждения этих участков: они лучше для планок. Для улучшения охлаждения ширину планок желательно брать минимальной, например, равной половине ширины ленты.The use of vertical rails 12 or segment bars 13 for the perception of unbalanced forces F1 in the extreme bands of the bifilars is determined by the cooling conditions of these sections: they are better for the bars. To improve cooling, the width of the strips is desirable to take a minimum, for example, equal to half the width of the tape.

В прототипе ролики выполнены из электропроводного материала, что улучшает охлаждение петель, но исключает из процесса токоограничения участки ленты длиной в половину окружности ролика. Подвижные ролики 7 целесообразно брать из легких материалов.In the prototype, the rollers are made of electrically conductive material, which improves the cooling of the loops, but excludes from the current limiting process sections of the tape half the circumference of the roller. Movable rollers 7, it is advisable to take from light materials.

Испытание макета с длиной прямолинейного участка бифиляра 0,8 м показали, что восстановление сверхпроводимости СОТ происходило за 0,6…0,8 с, что позволяет обеспечить режим неоднократного АПВ.Tests of the prototype with a straight bifilar section length of 0.8 m showed that the restoration of superconductivity of COT occurred in 0.6 ... 0.8 s, which allows for the regime of repeated AR.

Информация, принятая во внимание при составлении заявки:Information taken into account when preparing the application:

1. Заявка US 2007/0205857; Кл. 338/13 Кл. 361/19, МПК Кл Н01С 7/00, опубл. 2001-09-06.1. Application US 2007/0205857; Cl. 338/13 Cl. 361/19, IPC Cl N01C 7/00, publ. 2001-09-06.

2. Заявка US 2009156409; Кл. МПК Н01В 12/00, опубл. 2009-06-18. (прототип).2. Application US 2009156409; Cl. IPC Н01В 12/00, publ. 2009-06-18. (prototype).

Claims

A superconducting short-circuit current limiter containing straight and curved sections of high-temperature superconducting tape forming bifilar loops, the curved sections of which are supported by the first and second rollers, the axes of the first of which are mounted on the first transverse section of the insulating frame with the possibility of rotational movement, characterized in that the axes of the second rollers are installed in the grooves of the second transverse section of the frame and spring to it with the possibility of rotation relative to the axis and translational movement along the frame of the frame, and the straight sections of the tapes are spaced in the middle part of the frame with the help of combs, and the extreme straight sections of the tapes are supported by the longitudinal slats of the frame.