Способ качественного улучшения тока, в частности, в ограничителе тока повреждения
Изобретение относится к электротехнике, к ограничителям тока повреждения. Технический результат состоит в экономичной и эффективном повышении качества электрического тока путем уменьшения гармонических искажений. Способ качественного улучшения тока включает этапы, на которых пропускают первичный ток (1) через первичную обмотку (2), обеспечивают связь вторичной обмотки (3) с первичной обмоткой (2) через общий магнитный поток. Вторичная обмотка (3) содержит сверхпроводник, выполненный с возможностью ослабления. Ослабление вызывает переход сверхпроводника из состояния сверхпроводимости с низким сопротивлением в ослабленное состояние с высоким сопротивлением, и направляют большую часть (8) общего магнитного потока первичной обмотки (2) и вторичной обмотки (3) в ферромагнитную среду (5а). При ослаблении общий магнитный поток перенаправляют таким образом, что в ослабленном состоянии с высоким сопротивлением сверхпроводника большая часть (17) общего магнитного потока направляется снаружи ферромагнитной среды (5а). 3 н. и 11 з.п. ф-лы, 5 ил.
Область техники
Настоящее изобретение относится к способу качественного улучшения тока, включающему в себя этапы, на которых:
пропускают первичный ток через первичную обмотку,
обеспечивают связь вторичной обмотки с первичной обмоткой через общий магнитный поток, причем вторичная обмотка содержит сверхпроводник, выполненный с возможностью ослабления, при этом ослабление вызывает переход сверхпроводника из состояния сверхпроводимости с низким сопротивлением в ослабленное состояние с высоким сопротивлением,
и, в состоянии сверхпроводимости с низким сопротивлением вторичной обмотки,
направляют большую часть общего магнитного потока первичной обмотки и вторичной обмотки в ферромагнитную среду.
Предшествующий уровень техники
Подобный способ известен из патентного документа DE 19524579 A1.
Настоящее изобретение относится к способу качественного улучшения тока и может использоваться, например, в области генерирования, передачи и распределения для защиты сети и оборудования от тока повреждения.
Качественное улучшение тока необходимо при генерировании, передаче и распределении электроэнергии. Качественное улучшение тока, понимаемое как ограничение токов повреждения (например, токов короткого замыкания), позволяет не только защитить электрическое оборудование от сверхтоков, но также использовать уже имеющееся оборудование при более высоком уровне передаваемой мощности.
Известно много способов, с помощью которых может осуществляться качественное улучшение тока, например, используя магнитное насыщение (реакторы насыщения), механическое переключение, электронное переключение (основанное на полупроводниковых переключателях), и т.д. Разработанные в последнее время способы качественного улучшения тока основаны на переходе сверхпроводника из состояния с низким сопротивлением (сверхпроводимости) в состояние с высоким сопротивлением (ослабления) и обеспечивают качественное улучшение сильных токов в среде и высоких напряжений. Наиболее экономичные (в частности в том, что касается потерь мощности и потребления криогенных веществ) способы качественного улучшения тока, использующие переход сверхпроводника, основаны на индуктивной связи улучшаемого тока цепи с сверхпроводником. Здесь нет необходимости в проводниках тока, соединяющих области температуры окружающей среды с областями криогенной температуры; сверхпроводник (типично, короткозамкнутая сверхпроводящая обмотка) может быть полностью герметичным, так что теплоизоляция является простой и эффективной. На основе этого подхода позднее были разработаны несколько способов качественного улучшения тока, используемые для ограничения токов повреждения.
Патентный документ JP 04112620 A раскрывает способ качественного улучшения тока, в котором улучшаемый ток цепи (первичный ток) пропускают через первичную обмотку, и вторичная обмотка, размещенная радиально внутри первичной обмотки и изготовленная из сверхпроводящего материала, связана с первичной обмоткой через общий магнитный поток. Как в состоянии с низким сопротивлением (сверхпроводимости), так и в состоянии с высоким сопротивлением (ослабления), общий магнитный поток направляется в воздухе. Способ обеспечивает только небольшой эффект качественного улучшения тока, и, более конкретно, только незначительный эффект ограничения тока.
Лучший уровень качественного улучшения тока был достигнут, когда магнитный поток направлялся в ферромагнитную среду, как в способе, описанном в DE 19524579. Здесь ток цепи (первичный ток) пропускается через первичную обмотку, и вторичная обмотка, размещенная радиально снаружи от первичной обмотки и выполненная из сверхпроводящего материала, связана с первичной обмоткой через общий магнитный поток. Как в состоянии с низким сопротивлением (сверхпроводимости), так и в состоянии с высоким сопротивлением (ослабления), общий магнитный поток направляют в ферромагнитный трансформаторный сердечник. Однако в состоянии с высоким сопротивлением вторичной обмотки этот способ качественного улучшения тока вносит сильные гармонические искажения в первичный ток; общие гармонические искажения легко могут превысить 20-30%. Эти гармонические искажения являются серьезной угрозой для безопасности электрических сетей и электрического оборудования, питаемого первичным током.
Краткое изложение существа изобретения
Задачей настоящего изобретения является обеспечение экономичного и эффективного способа качественного улучшения тока, который уменьшает гармонические искажения.
Эта задача решается, согласно изобретению, с помощью приведенного в начале описания способа, отличающегося тем, что при ослаблении осуществляют перенаправление общего магнитного потока таким образом, что большая часть общего магнитного потока направляется снаружи ферромагнитной среды в ослабленном состоянии с высоким сопротивлением сверхпроводника.
Было обнаружено, что увеличение части магнитного потока, которая направляется снаружи ферромагнитной среды, ведет к быстрому падению общего гармонического искажения (ОГИ), когда, выполненный с возможностью ослабления сверхпроводник вторичной обмотки находится в состоянии с высоким сопротивлением (ослабления). Независимо от используемого ферромагнитного материала, когда большая часть общего магнитного потока направляется снаружи от ферромагнитной среды, происходит падение ОГИ. Тем самым, перенаправление (перераспределение) некоторой части (процентной доли) общего магнитного потока из внутреннего в наружное пространство относительно ферромагнитной среды при ослаблении обеспечивает подавление, по меньшей мере, части гармонических искажений.
Отметим, что согласно изобретению, в состоянии с низким сопротивлением (сверхпроводимости) сверхпроводника, большая часть общего магнитного потока направляется в ферромагнитную среду, что обеспечивает хорошую связь первичной и вторичной обмоток во время нормальной работы и в основном во время начальной стадии перехода из режима нормальной работы (состояние с низким сопротивлением) в состояние с высоким сопротивлением. Тем самым, оборудование для реализации способа согласно изобретению может быть относительно небольшим. Кроме того, ферромагнитная среда также улучшает эффект ограничения тока в состоянии с высоким сопротивлением (ослабления) сверхпроводника, за счет увеличения индуктивности первичной обмотки.
Общий магнитный поток означает, что замкнутые линии магнитного потока проходят как через первичную обмотку, так и через вторичную обмотку. Большая часть потока означает более 50%, предпочтительно, по меньшей мере, 75% (применительно как к части потока в ферромагнитной среде перед ослаблением, так и к части потока снаружи ферромагнитной среды после ослабления; отметим, что эти две части потока могут быть независимы друг от друга и типично имеют различную величину). Магнитный поток может быть вычислен посредством интегрирования индукции магнитного потока В (которая вычисляется из формулы µо*µ*H) по области А, где µо и µ обозначают абсолютную и относительную магнитную проницаемость, соответственно.
Среда считается ферромагнитной, если относительная магнитная проницаемость µ (в ненасыщенном случае) составляет 1,1 или выше, предпочтительно 100 или выше (типично относительная магнитная проницаемость составляет порядка 1000 или выше, для обычного железа). Снаружи от ферромагнитной среды располагается немагнитная среда, такая как вакуум, газ (например, воздух), немагнитная жидкость (например, жидкий азот) или немагнитное твердое вещество (например, латунь, немагнитная нержавеющая сталь, и т.д.), типично с относительной магнитной проницаемостью между 0,99 и 1,01.
Перенаправление при ослаблении включает в себя уменьшение части (процентной доли) общего магнитного потока, которая направляется через ферромагнитную среду, обычно, по меньшей мере на 25%, предпочтительно по меньшей мере на 50%, более предпочтительно по меньшей мере на 75% (относительно полного общего потока). Другими словами, часть (процентная доля) общего магнитного потока, которая направляется в немагнитную среду, увеличивается (отметим, что полный общий магнитный поток увеличивается при ослаблении). В результате, после ослабления, большая часть общего магнитного потока первичной обмотки и вторичной обмотки направляется снаружи ферромагнитного материала.
Предпочтительный вариант осуществления способа согласно изобретению характеризуется тем, что в состоянии с низким сопротивлением вторичной обмотки ферромагнитная среда не насыщена, и в состоянии с высоким сопротивлением вторичной обмотки, ферромагнитная среда насыщена. За счет того, что в состоянии с низким сопротивлением ферромагнитная среда не насыщена, может быть установлена хорошая связь первичной обмотки и вторичной обмотки. "Не насыщена" здесь означает, что ферромагнитная среда не насыщена в среднем; возможно, имеются очень небольшие области (например, <1% объема), которые могут быть насыщены из-за локальных магнитных эффектов (краевые области, углы, и т.д.). Насыщение ферромагнитного материала в состоянии с высоким сопротивлением облегчает перенаправление существенной части общего магнитного потока в пространство снаружи ферромагнитной среды при ослаблении.
Согласно другому предпочтительному варианту осуществления полный общий магнитный поток в состоянии с низким сопротивлением вторичной обмотки («несбалансированный поток») меньше, чем общий магнитный поток, направляемый снаружи ферромагнитной среды в состоянии с высоким сопротивлением вторичной обмотки. Тем самым может быть достигнут хороший эффект ограничения тока с уменьшенными гармоническими искажениями.
Дополнительно, предпочтительным является вариант, в котором первичный ток является переменным током или переменным током, наложенным на постоянный ток. Типично, переменный ток является током синусоидального типа. Такие первичные токи (токи цепи) можно легко качественно улучшить с помощью способа согласно изобретению.
Еще один предпочтительный вариант осуществления характеризуется, что внутри первичной обмотки и/или вторичной обмотки размещается хладагент, снаружи ферромагнитной среды. Этот хладагент используется для охлаждения сверхпроводника (который может, в частности, содержать материал с высокотемпературной сверхпроводимостью с критичной температурой 40 К или выше, предпочтительно 85 К или выше). Типично, пространство внутри первичной обмотки и/или вторичной обмотки только частично заполнено хладагентом. Хладагент может размещаться в сосуде, таком как криостат или тороидальный сосуд Дьюара. Возможно размещение вторичной обмотки внутри указанного сосуда. В качестве хладагентов могут использоваться, например, жидкий азот, жидкий гелий или жидкий неон. Сосуд может обеспечить возможность создания более компактной конструкции, и большее время работы между повторной заправкой или сменой хладагента. Необходимо отметить, что могут использоваться другие способы охлаждения вторичной обмотки, например, хладагенты размещаются снаружи обмоток и используются металлические тепловые связи с этими хладагентами, или прямое охлаждение (в частности, когда используются высокотемпературные сверхпроводники).
Согласно другому предпочтительному варианту в состоянии с высоким сопротивлением вторичной обмотки, вторичный ток, индуцируемый во вторичной обмотке, имеет абсолютное значение, равное или более 1/100, предпочтительно равное или более 1/50 от абсолютного значения первичного тока, умноженного на количество витков первичной обмотки. В этом случае вторичная обмотка может дополнительно способствовать эффекту ограничения/качественного улучшения тока за счет потерь на сопротивление, вносимых вторичной обмоткой. Несмотря на некоторое уменьшение общего магнитного потока, полный эффект остается в значительной степени положительным.
Также согласно настоящему изобретению предлагается ограничитель тока повреждения, в частности подходящий для реализации описанного выше способа согласно изобретению, содержащий:
первичную обмотку,
вторичную обмотку, содержащую сверхпроводник, выполненный с возможностью ослабления, и
сердечник из ферромагнитной среды, проходящий через как первичную обмотку, так и вторичную обмотку,
характеризующийся тем, что сердечник, первичная обмотка и вторичная обмотка выполнены с возможностью перенаправления существенной части общего магнитного потока первичной обмотки и вторичной обмотки изнутри сердечника наружу сердечника при ослаблении. С помощью ограничителя тока повреждения согласно изобретению сильными токами в среде или высокими напряжениями можно управлять без особых усилий, и в состоянии с высоким сопротивлением (ослаблении) не вносятся гармонические искажения. Сердечник, первичная обмотка (в частности ее геометрия) и вторичная обмотка (в частности ее геометрия) выполнены таким образом, что перенаправление общего магнитного потока достигается, когда вторичная обмотка теряет сверхпроводимость. Перенаправление существенной части здесь означает, что часть (процентная доля) общего магнитного потока, направляемая в ферромагнитную среду в состоянии сверхпроводимости с низким сопротивлением сверхпроводника на, по меньшей мере, 25%, предпочтительно, по меньшей мере, 50%, более предпочтительно, по меньшей мере, 75% (относительно полного общего магнитного потока), выше, чем в ослабленном состоянии с высоким сопротивлением сверхпроводника.
В предпочтительном варианте осуществления ограничителя тока повреждения согласно изобретению большая часть поперечного сечения первичной обмотки и большая часть поперечного сечения вторичной обмотки не заполнены ферромагнитной средой. Это облегчает перенаправление существенных частей общего магнитного потока наружу сердечника. Здесь, большая часть поперечного сечения составляет более 50%, предпочтительно 75% или более; даже 90% или более возможны в соответствии с изобретением. (Ферро)магнитный сердечник типично занимает между 2% и 40%, предпочтительно между 3% и 30%, наиболее предпочтительно между 5% и 20% поперечного сечения первичной обмотки и вторичной обмотки. Отметим, что процентные доли, приведенные в отношении поперечного сечения, типично также применимы для процентных долей в отношении объемов внутренних пространств обмоток.
Дополнительно является предпочтительным вариант осуществления, в котором сердечник имеет замкнутую форму. Это уменьшает поля рассеяния.
Альтернативно, в другом, также предпочтительном, варианте осуществления сердечник имеет разомкнутую форму, в частности когда первичная обмотка и вторичная обмотка располагаются коаксиально. Для разомкнутой формы требуется меньше материала. «Коаксиально» здесь означает, что обмотки имеют общую ось вращательной симметрии (отметим, что обмотки могут иметь, но не обязательно, круглую форму в поперечном сечении; обмотки могут иметь, например, прямоугольно-квадратную форму с четырьмя осями); типично, они располагаются одна внутри другой (типично внутренней обмоткой является вторичная обмотка). Дополнительно, обмотки предпочтительно располагаются без осевого смещения (т.е., не одна над другой).
В другом предпочтительном варианте осуществления вторичная обмотка представляет собой одновитковую короткозамкнутую обмотку. Эта вторичная обмотка является особенно простой для изготовления.
В предпочтительной дополнительной модификации этого варианта осуществления одновитковая короткозамкнутая обмотка содержит множество колец, связанных друг с другом. Используя множество колец абсолютный критический ток во вторичной обмотке можно отрегулировать до расчетного значения. Связь осуществляется через общий магнитный поток или/и гальванически (т.е. через электрическое поле).
Также предпочтительным является вариант осуществления, в котором ограничитель тока повреждения дополнительно содержит третью обмотку для обеспечения экранирования вихревого тока, в частности в котором третья обмотка представляет собой одновитковую короткозамкнутую обмотку нормальной проводимости. Эта обмотка позволяет обеспечить соответствие улучшенного или ограниченного тока расчетному значению, и таким образом обеспечить требуемое отношение номинального тока к улучшенному току (показатель «качественного улучшения» или «ограничения»). Если третья обмотка представляет собой обмотку одновиткового типа, она будет особенно легкой для изготовления. Отметим, что одновитковая третья обмотка может содержать множество колец, связанных друг с другом, в частности связанных через общий магнитный поток или/и гальванически (т.е. через электрическое поле).
В другом предпочтительном варианте осуществления вторичная обмотка содержит высокотемпературный сверхпроводник (ВТСП), предпочтительно типа проводник с покрытием. Тогда затраты на охлаждение сверхпроводника вторичной обмотки могут удерживаться на низком уровне. Критическая температура Тс высокотемпературного проводника типично выше 40 К, предпочтительно выше 85 К. В качестве материала ВТСП может использоваться оксид иттрий-барий-медь.
Также в объем настоящего изобретения входит использование описанного выше ограничителя тока повреждения согласно изобретению в описанном выше способе согласно изобретению.
Из описания и прилагаемых чертежей могут быть выведены дополнительные преимущества. Признаки, приведенные выше и ниже в описании, могут использоваться в соответствии с изобретением как по отдельности, так и совместно в любой комбинации. Приведенные здесь варианты осуществления не должны пониматься как исчерпывающий перечень вариантов, и служат только в качестве примеров для описания настоящего изобретения.
Краткое описание чертежей
На чертежах:
Фиг.1а схематически изображает вариант осуществления ограничителя тока повреждения согласно изобретению для реализации способа согласно изобретению, в состоянии с низким сопротивлением (сверхпроводимости) вторичной обмотки;
Фиг.1b изображает ограничитель тока повреждения на фиг.1а в состоянии с высоким сопротивлением (ослаблении) вторичной обмотки;
Фиг.2 изображает диаграмму, иллюстрирующую расчетные общие гармонические искажения как функцию от части общего магнитного потока, направляемой снаружи ферромагнитной среды в ограничителе тока повреждения, сопоставимом с показанным на фиг.1b;
Фиг.3 изображает диаграмму, иллюстрирующую напряжение и расчетный ток в первичной обмотке ограничителя тока повреждения, сопоставимого с показанным на фиг.1b, как функции от времени, в состоянии с высоким сопротивлением (ослабления) вторичной обмотки, для различных частей общего магнитного потока, направляемых снаружи ферромагнитной среды;
Фиг.4а, 4b схематично изображают в поперечном сечении другой вариант осуществления ограничителя тока повреждения согласно изобретению, с замкнутым сердечником;
Фиг.5а, 5b схематично изображают в поперечном сечении другой вариант осуществления ограничителя тока повреждения согласно изобретению, с разомкнутым сердечником.
Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
Фиг.1а иллюстрирует ограничитель 20 тока повреждения согласно изобретению, который может использоваться для реализации способа качественного улучшения тока.
Ограничитель 20 тока повреждения содержит первичную обмотку 2, через которую пропускается (передается) первичный ток (или ток цепи) 1, вторичную обмотку 3, через которую пропускается (т.е. передается) вторичный ток 4, и сердечник 5 из ферромагнитной среды 5а.
Первичная обмотка 2 здесь содержит множество витков (например, пять витков, как показано на фиг.1а), тогда как вторичная обмотка 3 представляет собой одновитковую короткозамкнутую обмотку. Вторичная обмотка 3 содержит выполненный с возможностью ослабления сверхпроводник, так что вторичный ток 4 во вторичной обмотке 3 может протекать по сверхпроводящему пути тока в состоянии с низким сопротивлением (иллюстрирован на фиг.1а), или по пути тока с нормальной проводимостью в состоянии с высоким сопротивлением (ослабление). Для охлаждения вторичной обмотки до (или ниже) критической температуры Тс сверхпроводника, вторичная обмотка 3 типично размещается в сосуде, заполненном криогенной жидкостью, например, жидким азотом (для упрощения здесь не показан).
Вторичная обмотка 3 (или ее вторичный ток 4, соответственно) индуктивно связана с первичной обмоткой 2 (или ее первичным током 1, соответственно) через общую часть магнитного потока («общий магнитный поток»), обозначенную штриховыми линиями магнитного потока. Первичный ток 1 создает индукцию магнитного поля как внутри, так и снаружи первичной обмотки 2. Часть магнитного потока, которая проходит как внутри первичной обмотки 2, так и внутри вторичной обмотки 3, рассматривается как общая часть. Первичная обмотка 2 и вторичная обмотка 3 располагаются коаксиально, с соответствующей общей осью, проходящей вертикально на фиг.1а.
Сердечник 5 выполнен из ферромагнитной среды (материала), типично железа, предпочтительно, мягкого железа, и может быть в магнитном отношении или замкнутым или незамкнутым (на фиг.1а сердечник усечен). Остальное пространство вокруг сердечника 5 и внутри вторичной обмотки 3 заполнено немагнитной средой, здесь воздухом. В иллюстрируемом примере сердечник 5 занимает около 5% поперечного сечения (перпендикулярно вертикальной оси) вторичной обмотки 3.
При работе в нормальном режиме (иллюстрируемом на фиг.1а), когда величина первичного тока 1 (тока цепи) ниже порогового значения, которое вызывает ослабление в сверхпроводнике вторичной обмотки 3 (т.е., когда сверхпроводник находится в состоянии сверхпроводимости с низким сопротивлением), сверхпроводник экранирует (защищает) внутренний объем 10 вторичной обмотки 3. В результате только небольшой магнитный поток проникает в ее внутренний объем 10 (см. штриховые линии магнитного потока). Большая часть 8 (здесь около 90%) этого проникающего магнитного потока (общий магнитный поток) направляется внутри ферромагнитной среды 5а, т.е. через ферромагнитный сердечник 5, который в магнитном отношении не насыщен в этом режиме и, поэтому, может иметь относительно высокую проницаемость (например, от 100 до 4000 или даже более). Меньшая часть 7 (здесь около 10%) общего магнитного потока направляется снаружи ферромагнитной среды 5а. Проникающий магнитный поток, который вызывает индуктивность «рассеяния», в этом состоянии будет довольно небольшим (в сравнении с проникающим магнитным потоком в неэкранированном состоянии, см. ниже). Некоторая часть индуктивности рассеяния создается за счет магнитного потока 9, возникающего между первичной обмоткой 2 и вторичной обмоткой 3. Сумму потоков 7, 8 иногда называют «несбалансированный поток».
При действии тока повреждения (иллюстрируемого на фиг.1b), первичный ток (ток цепи) 1 вызывает вторичный ток 4 во вторичной обмотке 3, который превышает пороговое значение ослабления (т.е. сверхпроводник скачкообразно переходит в состояние с высоким сопротивлением). В результате ослабленный сверхпроводник больше не экранирует (не защищает) внутренний объем 10 вторичной обмотки 3 от магнитного потока (или по меньшей мере делает это не полностью). Магнитный поток начинает проникать в существенном количестве в ее внутренний объем 10 (см. штриховые линии потока) и вызывает перераспределение (или, другими словами, перенаправление) частей потока. Большая часть 17 (здесь около 70%) проникающего магнитного потока направляется теперь снаружи ферромагнитной среды 5а, тогда как меньшая часть 18 потока (здесь около 30%) все еще направляется внутри ферромагнитной среды 5а. Ферромагнитная среда 5а в этих условиях становится насыщенной.
В иллюстрируемом примере часть общего магнитного потока, направляемая внутри ферромагнитной среды 5а, падает с около 90% до около 30% (по отношению к соответствующему полному общему потоку) при ослаблении, и это означает, что часть, составляющая около (90-30)%=60% общего магнитного потока, перенаправляется изнутри ферромагнитной среды 5а наружу ферромагнитной среды 5а.
Типично, большая часть 17 магнитного потока, создаваемого, когда выполненный с возможностью ослабления сверхпроводимости сверхпроводник находится в состоянии с высоким сопротивлением, превышает по абсолютному значению несбалансированный поток (сумму частей 7 и 8 потока), создаваемый, когда сверхпроводник, выполненный с возможностью ослабления, находится в состоянии с низким сопротивлением.
Вследствие значительного увеличения полного абсолютного магнитного потока (сумма потоков 17 и 18 в сравнении с суммой потоков 7 и 8), индуктивность первичной обмотки 2 увеличивается, что ведет к увеличению импеданса (полного сопротивления) первичной обмотки 1. Тем самым начинается качественное улучшение первичного тока (тока цепи) 1. Дополнительно, существенный вторичный ток 4 индуцируется во вторичной обмотке 3, когда сверхпроводник, выполненный с возможностью ослабления, находится в состоянии с высоким сопротивлением, который дополнительно участвует в формировании импеданса первичной обмотки 2; ток 4 главным образом зависит от проводимости шунта, присоединенного к сверхпроводнику, выполненному с возможностью ослабления.
Когда ферромагнитная среда 5а становится насыщенной в магнитном отношении, проницаемость становится по существу зависимой от времени/поля. Это может вызвать нелинейные процессы во время синусоидального цикла напряжения, подаваемого на первичную обмотку 2, что может потенциально привести к образованию гармоник и, в итоге, к значительному общему гармоническому искажению синусоиды первичного тока 1.
Общее гармоническое искажение (ОГИ) обычно определяется как отношение суммы мощностей всех гармонических частот выше основной частоты (частоты первой гармоники) к мощности основной частоты:
ОГИ=Σ мощности гармоник/мощность основной частоты = Р2+Р3+Р4+…+Pn/Р1
С помощью изобретения ОГИ может удерживаться на существенно низком уровне, когда перенаправление частей потока осуществляется правильным образом. При перенаправлении частей потока согласно изобретению, влияние общего магнитного потока, направляемого внутри ферромагнитной среды в состоянии с высоким сопротивлением сверхпроводника, когда ферромагнитная среда типично насыщена, будет ограничено. Тем самым, нелинейности, вносимые насыщенной ферромагнитной средой, также ограничиваются. Наоборот, общий магнитный поток создается в большей степени в пространстве снаружи ферромагнитной среды, т.е. в немагнитной среде, где на него не действуют негативные нелинейные эффекты. Тем самым, в первичном токе при действии тока повреждения возникает меньше гармонических искажений. Тем самым, электрические сети и оборудование, присоединенные к первичной обмотке, имеют дело с меньшим количеством пиков высокой частоты, которые особенно опасны даже при относительно небольшой силе тока.
Фиг.2 иллюстрирует значения общего гармонического искажения (ОГИ) первичного тока в ограничителе тока повреждения (сопоставимом с показанным на фиг.1a, 1b) при различных частях fr общего магнитного потока, направляемых снаружи магнитной среды в состоянии с высоким сопротивлением сверхпроводника вторичной обмотки. Из диаграммы можно увидеть, что в этом примере ОГИ падает, когда часть fr магнитного потока, направляемая снаружи от магнитной среды, составляет около 65% или выше. В этом расчетном и экспериментально подтвержденном примере, было выбрано синусоидальное напряжение U0=5000 В с частотой 50 Гц для первичной обмотки с числом витков N=40, длиной 0,5 ми радиусом 20 см, кроме того последовательное сопротивление первичной обмотки соответствует 0,2 Ом, дополнительно использован круглый железный сердечник, выполненный из легированной кремнием (Si) трансформаторной стали. Вихревые токи внутри железного сердечника были определены как ничтожно малые в обоих режимах, как нормальной работы, так и качественного улучшения тока.
Фиг.3 иллюстрирует напряжение V (синусоидальное напряжение, показано штриховой линией) в первичной обмотке, и результирующий первичный ток А в первичной обмотке как функции от времени t, в состоянии с высоким сопротивлением вторичной обмотки, для ограничителя тока повреждения, сопоставимого с показанным на фиг.1а, при величине части fr общего магнитного потока, направляемой снаружи магнитной среды, составляющей 0% (толстая сплошная линия) и 90% (тонкая сплошная линия), обе в условных единицах (у.е.). Ток А в обоих случаях сдвинут по фазе на 1/4 периода повторения относительно напряжения V. Кривая тока для fr=0% имеет плоские участки в областях около пересечений нулевой линии, что указывает на сильные гармонические искажения. Кривая тока при fr=90% в областях около пересечений нулевой линии не является плоской, но очень близка на протяжении полного периода повторения к кривой синусоидального типа, что указывает, что здесь отсутствуют существенные гармонические искажения.
Фиг.4а иллюстрирует вертикальное поперечное сечение варианта осуществления ограничителя 20 тока повреждения согласно изобретению, содержащего замкнутый кольцеобразный сердечник 5 из ферромагнитного материала 5а. Сердечник 5 проходит по центру через первичную обмотку 2, имеющую восемь витков и коаксиально расположенную одновитковую короткозамкнутую вторичную обмотку 3, причем последняя размещается в сосуде 21, заполненном криогенной жидкостью. Фиг.4b изображает горизонтальное поперечное сечение по линии В ограничителя тока повреждения на фиг.4а. Около 20% площади поперечного сечения вторичной обмотки 3 занимает сердечник 5.
Фиг.5а иллюстрирует вертикальное поперечное сечение варианта осуществления ограничителя 20 тока повреждения согласно изобретению, подобного показанному на фиг.4а, но содержащего незамкнутый полюсный сердечник 5. Дополнительно, как можно увидеть на фиг.5b, изображающей горизонтальное поперечное сечение по линии В на фиг.5а, ограничитель тока повреждения имеет овальную форму в горизонтальной плоскости.
1. Способ качественного улучшения тока, содержащий этапы, на которых:
пропускают первичный ток (1) через первичную обмотку (2),
обеспечивают связь вторичной обмотки (3) с первичной обмоткой (2) через общий магнитный поток, причем первичная обмотка (2) и вторичная обмотка (3) расположены коаксиально и вторичная обмотка (3) содержит сверхпроводник, выполненный с возможностью ослабления, при этом ослабление вызывает переход сверхпроводника из состояния сверхпроводимости с низким сопротивлением в ослабленное состояние с высоким сопротивлением,
и в состоянии сверхпроводимости с низким сопротивлением вторичной обмотки (3) направляют большую часть (8) общего магнитного потока первичной обмотки (2) и вторичной обмотки (3) в ферромагнитную среду (5а),
отличающийся тем, что:
при ослаблении общий магнитный поток перенаправляют таким образом, что в ослабленном состоянии с высоким сопротивлением сверхпроводника большая часть (17) общего магнитного потока направлена снаружи ферромагнитной среды (5а), причем большая часть поперечного сечения первичной обмотки (2) и большая часть поперечного сечения вторичной обмотки (3) не заполнены ферромагнитной средой (5а).
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что:
в состоянии с низким сопротивлением вторичной обмотки (3) ферромагнитная среда (5а) не насыщена
и в состоянии с высоким сопротивлением вторичной обмотки (3) ферромагнитная среда (5а) насыщена.
3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что полный общий магнитный поток в состоянии с низким сопротивлением вторичной обмотки (3) меньше, чем общий магнитный поток, направляемый снаружи ферромагнитной среды (5а), в состоянии с высоким сопротивлением вторичной обмотки (3).
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что первичный ток (1) является:
переменным током или переменным током, наложенным на постоянный ток.
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что внутри первичной обмотки (2) и/или вторичной обмотки (3) снаружи ферромагнитной среды (5а) размещают хладагент.
6. Способ по п.1, отличающийся тем, что в состоянии с высоким сопротивлением вторичной обмотки (3) вторичный ток (4), индуцированный во вторичной обмотке (3), имеет абсолютное значение, равное или больше 1/100, предпочтительно равное или больше 1/50 абсолютного значения первичного тока (1), умноженного на число витков (N) первичной обмотки (2).
7. Ограничитель (20) тока повреждения, в частности, подходящий для осуществления способа по любому из пп.1-6, содержащий:
первичную обмотку (2),
вторичную обмотку (3), содержащую сверхпроводник, выполненный с возможностью ослабления, причем первичная обмотка (2) и вторичная обмотка (3) расположены коаксиально, и
сердечник (5) из ферромагнитной среды (5а), проходящий как через первичную обмотку (2), так и через вторичную обмотку (3),
отличающийся тем, что сердечник (5), первичная обмотка (2) и вторичная обмотка (3) выполнены с возможностью перенаправления существенной части общего магнитного потока первичной обмотки (2) и вторичной обмотки (3) из сердечника (5) наружу сердечника (5) при ослаблении, причем большая часть поперечного сечения первичной обмотки (2) и большая часть поперечного сечения вторичной обмотки (3) не заполнены ферромагнитной средой (5а).
8. Ограничитель (20) тока повреждения по п.7, отличающийся тем, что сердечник (5) имеет замкнутую форму.
9. Ограничитель (20) тока повреждения по п.7, отличающийся тем, что сердечник (5) имеет разомкнутую форму.
10. Ограничитель (20) тока повреждения по п.7, отличающийся тем, что вторичная обмотка (3) представляет собой одновитковую короткозамкнутую обмотку.
11. Ограничитель (20) тока повреждения по п.10, отличающийся тем, что одновитковая короткозамкнутая обмотка содержит множество колец, связанных друг с другом.
12. Ограничитель (20) тока повреждения по п.7, отличающийся тем, что дополнительно содержит третью обмотку для поддержания экранирования вихревого тока, в частности третья обмотка представляет собой одновитковую короткозамкнутую обмотку с нормальной проводимостью.
13. Ограничитель (20) тока повреждения по п.7, отличающийся тем, что вторичная обмотка (3) содержит высокотемпературный сверхпроводник предпочтительно типа проводника с покрытием.
14. Применение ограничителя (20) тока повреждения по любому из пп.7-13 в способе по любому из пп.1-6.
