Сверхпроводящий ограничитель токов короткого замыкания

Изобретение относится к силовой коммутационной аппаратуре и предназначено для защиты электрооборудования от токов короткого замыкания (КЗ). Сверхпроводящий ограничитель токов КЗ содержит параллельно соединенные высокотемпературный сверхпроводник (ВТСП) с сопротивлением в нормальном состоянии R и цепь с конденсатором емкостью С, последовательно к которым подсоединен выключатель, который отключает ток после перехода ВТСП в нормальное состояние. В цепи, параллельной сверхпроводнику, последовательно с конденсатором подсоединено линейное сопротивление Z, а параллельно к участку цепи, содержащему выключатель и конденсатор, подсоединена цепочка с последовательно соединенными индуктивностью L и управляемым коммутатором, который включается сразу после размыкания контактов выключателя. Для отключения токов в выключателе и коммутаторе должны выполняться соотношения: R>Z; ; , где L_c - индуктивность неповрежденного участка цепи. Технический результат - уменьшение объема сверхпроводника, обеспечение способности ограничителя выдерживать несколько КЗ, следующих одно за другим через короткие промежутки времени, обеспечение независимости сопротивления ВТСП от параметров внешней цепи и уменьшение стоимости ограничителя. 4 ил.

 

Изобретение относится к области электротехники, а именно к силовой коммутационной аппаратуре, и предназначено для защиты электрооборудования от токов короткого замыкания (КЗ).

Для защиты электрооборудования в цепях переменного и постоянного тока от токов КЗ применяются устройства, ограничивающие уровень тока до допустимого уровня. Одним из перспективных токоограничивающих устройств является ограничитель токов КЗ, основанный на высокотемпературных сверхпроводниках (ВТСП).

Известны ВТСП ограничители тока резистивного типа [1]. Такое устройство ограничивает ток КЗ за счет сильной нелинейности вольтамперной характеристики сопротивления сверхпроводника при переходе из сверхпроводящего в нормальное состояние. Рассматриваются два вида исполнения резистивного токоограничителя: последовательное и шунтирующее. В последовательном ограничителе ВТСП включен последовательно с нагрузкой, а ток ограничивается за счет увеличения сопротивления в фазе токоограничения. Эта конструкция может ограничивать одиночные КЗ с восстановлением работоспособности через несколько минут, требуемых для охлаждения сверхпроводника до рабочей температуры. В шунтирующей схеме используется внешнее сопротивление, включенное параллельно сверхпроводнику. С увеличением тока КЗ при переходе сверхпроводника в нормальное состояние ограничение тока обеспечивается внешним сопротивлением. При шунтирующем исполнении ограничитель позволяет уменьшить время, требуемое для охлаждения сверхпроводника до рабочей температуры. Экономическая целесообразность создания резистивных ограничителей в значительной степени определяется требуемым объемом сверхпроводника V˜I²Rdt, который в основном определяется сопротивлением в нормальном состоянии R, амплитудой тока I и длительностью воздействия dt тока КЗ.

Недостатком этого устройства является длительное время воздействия токов КЗ на сверхпроводник порядка нескольких (5-10) полуволн переменного тока до тех пор, пока силовой выключатель не отключит поврежденный участок цепи. Поэтому для реализации сверхпроводящего ограничителя тока данного типа потребуется значительный объем сверхпроводника.

Известен сверхпроводящий ограничитель тока, содержащий ВТСП и последовательно подсоединенный к нему быстродействующий выключатель, который отключает ток в первом нуле переменного тока [2]. Сигнал для запуска выключателя формируется при повышении напряжения на ВТСП в момент его перехода из сверхпроводящего состояния в нормальное проводящее состояние.

Недостатком данного устройства является большой объем сверхпроводника и невозможность прерывания постоянного тока.

Ближайшим техническим решением к предлагаемому является устройство, содержащее параллельно соединенные ВТСП и конденсатор, последовательно к которым подсоединен быстродействующий выключатель, который после перехода ВТСП в нормальное состояние отключает ток при первом его прохождении через нуль [3]. Конденсатор служит для генерирования переменного тока, зависящего от емкости конденсатора и индуктивности внешней цепи, с более высокой частотой, чем частота сети. Для затухания колебаний тока параллельно к ВТСП, шунтированному конденсатором, подключается сопротивление. Управляющий импульс на размыкание контактов выключателя формируется при появлении тока или напряжения в цепи конденсатора при переходе сверхпроводника в нормальное состояние.

Недостатками этого устройства является то, что для перевода тока в выключателе через ноль за время менее длительности первой полуволны тока КЗ при допустимой емкости конденсатора потребуется существенно увеличить сопротивление ВТСП в нормальном состоянии, которое зависит от параметров внешней цепи, а следовательно, и его объем и, соответственно стоимость ограничителя.

Целью предложенного решения является уменьшение объема сверхпроводника при сравнимых режимах токоограничения, обеспечение способности ограничителя выдерживать несколько КЗ, следующих одно за другим через короткие промежутки времени, и независимости сопротивления ВТСП от параметров внешней цепи, а также уменьшение стоимости ограничителя.

Указанная цель достигается тем, что в сверхпроводящем ограничителе токов КЗ, содержащем параллельно соединенные ВТСП с сопротивлением в нормальном состоянии R и цепь с конденсатором С, последовательно к которым подсоединен выключатель. Новым является то, что в цепи, параллельной сверхпроводнику, последовательно с конденсатором подсоединено линейное сопротивление Z, а параллельно к участку цепи, содержащему выключатель и конденсатор, подсоединена цепочка с последовательно соединенными индуктивностью L и быстродействующим коммутатором, причем должны выполняться соотношения

где R - сопротивление ВТСП в нормальном состоянии, Z - линейное сопротивление, подсоединенное последовательно с конденсатором С, L - индуктивность участка цепи с управляемым коммутатором, L_С - индуктивность неповрежденного участка цепи.

Изобретение иллюстрируется на фиг.1, где показана принципиальная схема сверхпроводящего ограничителя токов КЗ. На фиг.2-4 приведены диаграммы токов и напряжений в процессе отключения постоянного тока.

Ограничитель содержит ВТСП 1, параллельно которому подсоединена цепочка с последовательно соединенными конденсатором 2 емкостью С и линейным сопротивлением Z 3. Последовательно к параллельно соединенным ВТСП 1 и цепи с конденсатором 2 и сопротивлением 3 подключен выключатель 4, выполненный как быстродействующий выключатель, отключающий ток при его прохождении через ноль. Время срабатывания выключателя 4 должно быть коротким (не более 5 мс), чтобы уменьшить уровень ограничения нарастающего тока КЗ и сократить длительность его воздействия на ВТСП 1. Команда на размыкание контактов выключателя 4 подается при превышении тока уставки в цепи выключателя 4. Параметры ВТСП 1 подбираются таким образом, чтобы он переходил из сверхпроводящего в нормальное состояние незадолго (˜1 мс) до разведения контактов выключателя 4.

Предпочтительнее в качестве быстродействующего выключателя использовать вакуумный выключатель, который отличается коротким временем горения электрической дуги и низким уровнем рассеиваемой в нем энергии. Параллельно выключателю подсоединено нелинейное сопротивление 5 для поглощения энергии, накопленной в индуктивности внешней цепи 6, и ограничения коммутационных перенапряжений при отключении тока. Параллельно к участку цепи, содержащему выключатель 4 и конденсатор 2, подсоединена цепочка с последовательно соединенными индуктивностью L 7 и быстродействующим управляемым коммутатором 8, который включается сразу после размыкания контактов выключателя, причем для отключения токов в выключателе и коммутаторе 8 должны выполняться соотношения

где L_С - индуктивность неповрежденного участка цепи.

Конденсатор 2 служит для приема энергии при переходе ВТСП 1 в нормальное состояние. При включении коммутатора 8 в LC контуре возникает переменный ток с частотой , который обеспечивает перевод тока КЗ в выключателе 4 через ноль при выполнении соотношений (1) и (2). В качестве быстродействующего управляемого коммутатора 8 предпочтительнее использовать управляемый вакуумный разрядник, который способен быстро включаться (время включения единицы микросекунд) и отключать ток при его уменьшении до нескольких ампер. Линейное сопротивление 3 служит для зарядки конденсатора 2.

Ограничитель способен прерывать как постоянный, так и переменный ток через короткий промежуток времени (1-2 мс) после перехода ВТСП 1 в нормальное состояние, что существенно снижает воздействие токов КЗ на сверхпроводник и способствует быстрому возвращению ВТСП 1 в сверхпроводящее состояние после отключения тока КЗ. При сравнимых параметрах отключаемого тока минимальный объем ВТСП 1 проводника может быть существенно уменьшен по сравнению с известными сверхпроводящими ограничителями токов КЗ.

Ограничитель работает следующим образом.

При нарастании тока КЗ до величины тока уставки I₀ вырабатывается команда на разведение контактов выключателя 4. Параметры ВТСП 1 подбираются таким образом, чтобы он переходил из сверхпроводящего состояния в нормальное состояние при токе КЗ I>I₀. После перехода сверхпроводника в нормальное состояние происходит зарядка конденсатора 2 до напряжения U_с˜IR. В момент разведения контактов выключателя 4 на максимальное расстояние подается команда на включение коммутатора 8. После включения коммутатора 8 ток в выключателе 4 быстро спадает до нуля и он отключает ток. Если сопротивление 3 Z>R, через коммутатор 8 будет протекать переменный ток с частотой который при условии (3) будет переходить через ноль, и коммутатор 8 отключит этот ток. Энергия, накопленная в индуктивности внешней цепи L_c 6, выделится в нелинейном сопротивлении 5 и полный ток быстро спадет до нуля. После возвращения ВТСП 1 в сверхпроводящее состояние ограничитель токов КЗ будет снова готов к работе.

В качестве примера рассмотрим режим ограничения тока КЗ в цепи постоянного тока с индуктивностью 6 L_с=2 мГн на номинальное напряжение 4 кВ. Предполагается, что емкость конденсатора 2 составляет С=100 мкФ, индуктивность 7 L=40 мкГн, сопротивление 3 Z=10 Ом, а сопротивление ВТСП 1 в нормальном состоянии R=1 Ом. Ток уставки I₀=6 кА, а сверхпроводник 1 переходит в нормальное состояние при I=8 кА. Уровень ограничения напряжения в нелинейном сопротивлении 5 составляет 9 кВ. На фиг.2 показано изменение во времени тока в выключателе 4 (кривая 1), тока в коммутаторе 8 (кривая 2) и тока в ВТСП 1 (кривая 3) при условии, что время разведения контактов выключателя 4 составляет 3 мс. На фиг.3 показано изменение во времени тока в индуктивности внешней цепи 6 (кривая 1), тока в нелинейном сопротивлении 5 (кривая 2) и тока в конденсаторе 2 (кривая 3). На фиг.4 показано изменение во времени напряжения на выключателе 4 (кривая 1), напряжения на ВТСП 1 (кривая 2) и напряжения на конденсаторе 2 (кривая 3). Из расчетных диаграмм токов и напряжений следует, что выключатель 4 отключает ток примерно через 1 мс после перехода сверхпроводника 1 в нормальное состояние, после чего ток в ВТСП 1 спадает до нуля в течение 2 мс.

Таким образом, в предложенном ограничителе токов КЗ минимальный объем ВТСП 1 согласно V˜I²Rdt может быть существенно уменьшен по сравнению с известными сверхпроводящими ограничителями токов КЗ (например, в прототипе сопротивление R составляет 200 Ом).

Работа частично поддержана Российским фондом фундаментальных исследований (грант № 06-08-01483).

Источники информации

1. Swarm S. Kaisi, HTS Fault Current Limiter Concept, Proceeding of IEEE Power Engineering Society Meeting, June 6-10. 2004.

2. Заявка Германии № 19939066, класс Н02Н 9/02, опубл. 2001-03-08.

3. Патент Германии № 4030413, класс Н02Н 9/02, опубл. 25.4.1991 (прототип).

Сверхпроводящий ограничитель токов короткого замыкания, содержащий параллельно соединенные высокотемпературный сверхпроводник с сопротивлением в нормальном состоянии R и цепь с конденсатором емкостью С, последовательно к которым подсоединен выключатель, отличающийся тем, что в цепи, параллельной сверхпроводнику, последовательно с конденсатором подсоединен дополнительно введенный линейный резистор с сопротивлением Z, а параллельно к участку цепи, содержащему выключатель и конденсатор, подсоединена дополнительно введенная цепочка с последовательно соединенными индуктивным элементом с индуктивностью L и быстродействующим коммутатором, причем указанные величины R, Z, L и величина индуктивности L_c неповрежденного участка цепи выбраны в соотношениях

R>Z; ; .