Индуктивный ограничитель тока утечки с разделенной системой первичной катушки
Изобретение относится к электротехнике, к ограничителям тока утечки. Технический результат состоит в повышении к.п.д. путем повышения отношения индуктивностей. Индуктивный ограничитель (1) тока утечки содержит нормально проводящую систему (2) первичной катушки, имеющую множество витков (3), сверхпроводящую короткозамкнутую систему (4) вторичной катушки. Система (2) первичной катушки и система (4) вторичной катушки расположены по меньшей мере, по существу, коаксиально друг другу и по меньшей мере частично вставлены друг в друга. Система (2) первичной катушки включает первую (2a) и вторую секцию (2b) катушки. Витки (3) первой секции (2a) катушки системы (2) первичной катушки расположены радиально внутри системы (4) вторичной катушки. Витки (3) второй секции (2b) расположены радиально снаружи системы (4) вторичной катушки. 15 з.п. ф-лы, 6 ил.
Изобретение касается индуктивного ограничителя тока утечки, включающего в себя:
- нормально проводящую систему первичной катушки, имеющую множество витков,
- сверхпроводящую, короткозамкнутую систему вторичной катушки,
при этом система первичной катушки и система вторичной катушки расположены по меньшей мере, по существу, коаксиально друг другу и по меньшей мере частично будучи вставлены друг в друга.
Такой индуктивный ограничитель тока утечки известен из EP 2 402 961 A1.
Ограничители тока утечки применяются, чтобы в случае коротких замыканий ограничивать ток, поступающий от источника. С помощью сверхпроводящих ограничителей тока утечки может также осуществляться защита от сравнительно высокой силы тока, например, в сетях электроснабжения общего пользования.
Сверхпроводящие ограничители тока утечки постоянного тока включают в себя, например, сверхпроводящий участок проводки, по которому течет подлежащий ограничению ток. Когда сила тока вследствие короткого замыкания повышается, критический ток в сверхпроводящем участке проводки превышается, так что этот участок становится нормально проводящим («Quench» - переход из сверхпроводящего в нормальное состояние), вследствие чего сопротивление сильно повышается. Из-за этого сила тока, которая протекает по участку проводки, соответственно снижается. Этот вид ограничителей тока называется также резистивным типом.
Сверхпроводящие ограничители тока утечки для применения с переменным током могут выполняться как в виде резистивных, так и в виде индуктивных ограничителей тока утечки. Индуктивные ограничители тока утечки, по существу, образуются индуктивно связанными витками. При этом через нормально проводящую систему первичной катушки («первичная сторона») протекает подлежащий ограничению переменный ток, а в сверхпроводящей системе вторичной катушки («вторичная сторона») индуцируется ток, который противодействует магнитному потоку, создаваемому током в системе первичной катушки. При этом индуктивность системы первичной катушки значительно повышается. Когда подлежащий ограничению переменный ток в системе первичной катушки вследствие короткого замыкания повышается, то повышается также индуцированный ток в системе вторичной катушки, пока не будет превышен критический ток в системе вторичной катушки и система вторичной катушки не станет нормально проводящей («Quench» - переход из сверхпроводящего в нормальное состояние). В нормально проводящем состоянии системы вторичной катушки ее ток компенсирует только лишь небольшую часть магнитного потока системы первичной катушки, вследствие чего, в свою очередь, повышается индуктивность системы первичной катушки. Это повышение индуктивного сопротивления ограничивает ток посредством системы первичной катушки.
Из EP 2 402 961 A1 известен индуктивный ограничитель тока утечки, в котором радиально внутри первичной катушки, включающей в себя множество витков, установлена вторичная катушка, которая выполнена в виде сверхпроводящего, короткозамкнутого кольца. Из DE 10 2010 007 087 A1 известен индуктивный ограничитель тока утечки, в котором внутри первичной катушки расположен криостат с вторичной катушкой. Из DE 196 28 358 C1 (а также из US 5 140 290 A, US 6 795 282 B2, US 7 586 717 B2, US 5 694 279 A, DE 195 24 579 A1, US 5 379 020 A) известно параллельное расположение первичной катушки и вторичной катушки и их соединение посредством кольцевого железного сердечника.
Коэффициент полезного действия индуктивного ограничителя тока утечки зависит от отношения индуктивностей системы первичной катушки в случае, с одной стороны, сверхпроводящей системы вторичной катушки («нормальный режим»), а с другой стороны, нормально проводящей системы вторичной катушки («аварийный режим»). В аварийном режиме ток в системе первичной катушки необходимо как можно сильнее снижать по сравнению с нормальным режимом, в соответствии с высоким отношением индуктивностей.
ЗАДАЧА ИЗОБРЕТЕНИЯ
В основе изобретения лежит задача предоставить ограничитель тока утечки с повышенным отношением индуктивностей.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Эта задача решается с помощью индуктивного ограничителя тока утечки вышеназванного рода, который отличается тем,
что система первичной катушки включает в себя первую секцию катушки и вторую секцию катушки,
при этом витки первой секции катушки системы первичной катушки расположены радиально внутри системы вторичной катушки,
и при этом витки второй секции катушки системы первичной катушки расположены радиально снаружи вторичной системы катушки.
В соответствии с изобретением система первичной катушки радиально делится (по меньшей мере) на две секции катушки, а система вторичной катушки радиально располагается между этими двумя секциями катушки системы первичной катушки.
Для высокого коэффициента полезного действия индуктивного ограничителя тока утечки в нормальном режиме магнитный поток системы первичной катушки должен по возможности полностью устраняться магнитным потоком, индуцированным в системе вторичной катушки. Для этого система вторичной катушки должна быть по возможности придвинута ближе к системе первичной катушки, что однако достичь непросто вследствие конструктивно-технических краевых условий, таких как, например, толщины стенок и расстояния между стенками емкости криостата для сверхпроводящей системы вторичной катушки и окончательная радиальная протяженность систем катушек. У индуктивных ограничителей тока утечки для более высоких токов (например, в сетях электроснабжения общего пользования) система первичной катушки, а также система вторичной катушки имеют значительную толщину, так что часто значительная часть витков системы первичной катушки существенно удалена от системы вторичной катушки, и из-за этого полная компенсация вышеупомянутых потоков практически невозможна.
Благодаря делению системы первичной катушки на несколько секций катушки и вдвиганию системы вторичной катушки это расстояние несмотря на большую радиальную общую протяженность может быть эффективно уменьшено. Благодаря этому улучшается компенсация магнитного потока системы первичной катушки системой вторичной катушки в нормальном режиме или соответственно достигается более высокое отношение индуктивностей.
Секции катушки системы первичной катушки электрически соединены так, что индукции магнитного поля секций катушки во внутренней области радиально внутренней секции катушки суммируются, при этом секции катушки, как правило, включены последовательно. Витки обычно изготовлены из меди. Система вторичной катушки включает в себя по меньшей мере одну сверхпроводящим образом короткозамкнутую петлю провода. В системе вторичной катушки могут, в частности, применяться ленточные сверхпроводники (coated conductors - «проводники с покрытием»), но могут также применяться сверхпроводящие проволоки со сверхпроводящими филаментами, например, из Nb3Sn, NbTi или MgB2. Система вторичной катушки обычно защищена нормально проводящей шунтирующей системой (обычно кольцевой формы) от перегорания в случае перехода из сверхпроводящего в нормальное состояние; при надлежащих свойствах проводника (в частности, надлежащей геометрии проводника) можно, впрочем, также отказаться от шунтирующей системы (при желании, например, часто в случае изготовленной в виде ленточного проводника одновитковой катушке, для которой выполняется условие: 3≤U/B≤10, где U - периметр катушки, а B - ширина проводника). Для охлаждения система вторичной катушки обычно расположена в криостате, который, например, охлаждается жидким гелием или жидким азотом.
ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫЕ ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В одном из предпочтительных вариантов осуществления предлагаемого изобретением ограничителя тока утечки система вторичной катушки расположена в центре между крайним внутренним рядом витков первой секции катушки системы первичной катушки и крайним наружным рядом витков второй секции катушки системы первичной катушки. Благодаря этому может достигаться очень хорошая компенсация магнитного потока системы первичной катушки. В случае если плотность витков и/или число витков в разных секциях катушки системы первичной катушки сильно отличается, альтернативно система вторичной катушки может также располагаться так, чтобы среднее радиальное расстояние между витками системы первичной катушки и системы вторичной катушки сокращалось до минимума. В случае если система вторичной катушки имеет несколько радиально различных образом расположенных колец или витков, то радиальное положение системы вторичной катушки, как правило, определяется по середине между ее радиально крайними внутренними и радиально крайними наружными кольцами или витками.
При этом предпочтителен один из вариантов осуществления, при котором витки системы первичной катушки по меньшей мере, по существу, равномерно разделены на первую секцию катушки и вторую секцию катушки системы первичной катушки. С помощью такого распределения, как правило, радиальное расстояние от дальше всего удаленных витков обеих секций катушки системы первичной катушки до системы вторичной катушки может сокращаться. По существу, равномерное распределение имеет место, в частности, когда количество витков первой и второй секции катушки отличаются на 20% или менее, предпочтительно на 10% или менее, от меньшего числа витков.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления система вторичной катушки включает в себя одну или несколько сверхпроводящих, кольцеобразно замкнутых одновитковых катушек. Одновитковые катушки легко изготавливаются, в частности, с ленточными сверхпроводниками; кольцеобразные одновитковые катушки могут также выполняться без соединения (Joint) (благодаря сверхпроводящему покрытию кольцеобразно замкнутого держателя со сверхпроводящим материалом). Несколько сверхпроводящих одновитковых катушек могут вставляться радиально друг в друга или же располагаться аксиально друг над другом для образования системы вторичной катушки.
Особенно предпочтителен один из вариантов осуществления, который предусматривает, что система вторичной катушки включает в себя первую секцию катушки и вторую секцию катушки, при этом первая секция катушки системы вторичной катушки расположена радиально внутри второй секции катушки системы вторичной катушки, и что нормально проводящая шунтирующая система расположена радиально между первой секцией катушки и второй секцией катушки системы вторичной катушки. С помощью шунтирующей системы может предотвращаться перегорание (в частности, плавление) сверхпроводника в случае перехода из сверхпроводящего в нормальное состояние; шунтирующая система обеспечивает параллельный относительно системы вторичной катушки, где произошел переход из сверхпроводящего в нормальное состояние, путь тока с низким сопротивлением, так что ток из системы вторичной катушки может выводиться в шунтирующую систему. Впрочем, в шунтирующей системе в нормальном режиме могут также индуцироваться вихревые токи. Вследствие этого повышается требуемая мощность охлаждения, и может также возникать значительная индуктивность рассеяния системы первичной катушки, из-за чего отношение индуктивностей падает. Благодаря расположению шунтирующей системы радиально между двумя секциями катушки сверхпроводящей системы вторичной катушки эта шунтирующая система может эффективно экранироваться от обеих соседних радиально внутри и снаружи секций катушки системы первичной катушки, так чтобы вихревые токи в шунтирующей системе были сокращены до минимума. Обычно как первая секция катушки, так и вторая секция катушки системы вторичной катушки обеспечивают, каждая в отдельности, по меньшей мере один сверхпроводящим образом короткозамкнутый путь тока.
При этом является предпочтительной одна из усовершенствованных форм этого варианта осуществления, в котором шунтирующая система имеет одно или несколько замкнутых шунтирующих колец, которые расположены радиально между первой секцией катушки и второй секцией катушки системы вторичной катушки. В этом случае посредством шунтирующего кольца или колец в случае перехода из сверхпроводящего в нормальное состояние ток может отбираться из системы вторичной катушки по всему периметру. Шунтирующее кольцо или кольца чаще всего изготовлены из ленточной высококачественной стали.
Предпочтительно при этом предусмотрено, что шунтирующая система имеет два расположенных, будучи вдвинутыми друг в друга, шунтирующих кольца, при этом радиально внутреннее шунтирующее кольцо соединено электрически проводящим соединением с первой секцией катушки системы вторичной катушки, а радиально наружное шунтирующее кольцо соединено электрически проводящим соединением со второй секцией катушки системы вторичной катушки. Благодаря этому секции катушки системы вторичной катушки могут защищаться отдельно. В частности, можно в определенной мере термически изолировать шунтирующие кольца первой и второй секций катушки, так чтобы переход из сверхпроводящего в нормальное состояние всей системы вторичной катушки мог растягиваться во времени. Следует учитывать, что для каждой секции катушки системы вторичной катушки могут также применяться несколько, обычно расположенных в осевом направлении друг над другом шунтирующих колец, чтобы отдельно защищать отдельные уровни системы вторичной катушки.
В одном из предпочтительных усовершенствованных вариантов осуществления шунтирующая система имеет множество металлических мостов, соединяющих эту шунтирующую систему с первой и/или второй секциями катушки системы вторичной катушки электрически проводящим соединением. Благодаря контактированию с отдельными мостами может целенаправленно устанавливаться протяженность отдельных защищенных областей. Чаще всего по периметру секции катушки системы вторичной катушки предусмотрено шесть или больше, в более крупных ограничителях тока утечки (например, для сетей электроснабжения общего пользования) даже двенадцать или более мостов. В случае одновитковых катушек из ленточных сверхпроводников расстояние ABS между мостами в окружном направлении предпочтительно выбрано так, что в отношении ширины B проводника выполняется: 3≤ABS/B≤10. Это предупреждает перегорание сверхпроводника в случае перехода из сверхпроводящего в нормальное состояние.
Предпочтителен также усовершенствованный вариант осуществления, в котором первая и вторая секции катушки системы вторичной катушки имеют различное число сверхпроводящих, кольцеобразно замкнутых одновитковых катушек. Благодаря этому может оптимизироваться распределение тока в одновитковых катушках, в частности для увеличения до максимума допустимой токовой нагрузки ограничителя тока утечки пропускать токи в нормальном режиме. Обычно это число отличается на 10% или более, предпочтительно 20% или более, от меньшего числа. Альтернативно первая и вторая секции катушки имеют одинаковое число сверхпроводящих, кольцеобразно замкнутых одновитковых катушек.
Особенно предпочтителен один из вариантов осуществления, в котором система первичной катушки и система вторичной катушки имеют конструкцию, по меньшей мере, по существу, вращательно-симметричную относительно оси, в частности относительно вертикальной оси. Благодаря этому предотвращаются пики магнитного поля, что содействует способности ограничителя тока утечки пропускать высокие токи. Вертикальная ориентация упрощает конструкцию, в частности, вследствие уменьшенных реакций опоры.
В другом предпочтительном варианте осуществления предусмотрено, что радиально внутри первой секции катушки системы первичной катушки расположен ферромагнитный сердечник. С помощью ферромагнитного сердечника фокусируется магнитный поток, благодаря чему компенсация магнитного потока системы первичной катушки в нормальном режиме может улучшаться и отношение индуктивностей (и, кроме того, также отношение полных сопротивлений) между аварийным режимом и нормальным режимом повышаться. Ферромагнитный сердечник может выполняться в различных формах, например, в виде трубы или цилиндра. Внутреннее пространство первой секции катушки системы вторичной катушки может быть целиком или (предпочтительно) только частично заполнено сердечником. При любой форме ферромагнитного сердечника возбуждение экранирующих токов в сердечнике может подавляться посредством ламинированных структур, прорезей или аналогичных надлежащих мер.
Предпочтителен также один из вариантов осуществления, при котором система вторичной катушки проходит в осевом направлении по меньшей мере точно на такое же расстояние, что и система первичной катушки. Благодаря этому также улучшается компенсация магнитного потока системы первичной катушки в нормальном режиме. Чаще всего выбирается, по существу, одинаковая осевая длина системы первичной катушки и системы вторичной катушки. В случае если секции катушки одной системы катушки в осевом направлении проходят на различное расстояние, то длина системы катушки определяется по двум концам тех секций катушки, которые выдаются соответственно дальше всего с каждой стороны в осевом направлении.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления предусмотрено, что секции катушки системы первичной катушки в осевом направлении проходят на различное расстояние. Благодаря этому может также оптимизироваться прохождение магнитного поля в ограничителе тока утечки, в частности для максимальной способности пропускать токи в нормальном режиме.
Предпочтителен также один из вариантов осуществления, при котором система вторичной катушки изготовлена с высокотемпературным сверхпроводящим материалом, в частности YBCO (оксид иттрия бария меди) или BSCCO (оксид висмута стронция кальция меди). Благодаря этому допустимая токовая нагрузка ограничителя тока утечки пропускать токи может повышаться. Высокотемпературными сверхпроводящими материалами согласно изобретению являются все сверхпроводящие материалы с температурой перехода в сверхпроводящее состояние, равной 40 К или выше.
Один из особенно предпочтительных вариантов осуществления предусматривает, что система вторичной катушки расположена в криостате, и что система вторичной катушки, первая и вторая секции катушки системы первичной катушки и криостат размещены так и имеют такие размеры, что для промежутков ZR в радиальном направлении между противолежащими друг другу сторонами системы вторичной катушки, с одной стороны, и первой и второй секциями катушки системы первичной катушки, с другой стороны, выполняется условие: ZR<1/2 DPS+1/2 DS, предпочтительно ZR<1/2 DPS, где DPS - толщина секции катушки системы первичной катушки в радиальном направлении, совместно ограничивающей соответствующий промежуток ZR, а DS - толщина системы вторичной катушки в радиальном направлении, совместно ограничивающей соответствующий промежуток ZR. Тем самым обеспечивается, что вышеназванные промежутки (которые, в частности, обусловлены толщиной стенки криостата) практически не оказывают отрицательного воздействия на сокращение расстояния вследствие разделения системы первичной катушки. В случае изменяющихся (например, в осевом направлении) промежутков соотношение касается усредненных промежутков; но альтернативно оно может также применяться к наименьшим промежуткам. Особенно предпочтительно промежутки всегда меньше или равны одной четверти, наиболее предпочтительно одной восьмой, толщины DPS совместно ограничивающей соответствующий промежуток ZR секции катушки системы первичной катушки в радиальном направлении. Также предпочтительно выполняется: ZR≤1/4 DPS+1/2 DS, или же ZR≤1/4 DPS+1/4 DS. Следует учитывать, что на одну систему вторичной катушки имеются два промежутка, которые подпадают под условия этого варианта осуществления. Следует учитывать, кроме того, что разные промежутки ZR могут иметь различный размер, а также толщины DPS разных секций катушки системы первичной катушки могут иметь различный размер.
Предпочтителен также один из вариантов осуществления, который предусматривает, что система первичной катушки имеет N секций катушки, где N ∈ IN и N≥3, и что ограничитель тока утечки имеет N-1 систем вторичной катушки, при этом каждая система вторичной катушки расположена радиально между двумя секциями катушки системы первичной катушки, в частности, при этом N=3 или N=4. В этом варианте осуществления система первичной катушки подвергается еще более тонкому разделению, благодаря чему системы вторичной катушки могут еще ближе придвигаться к виткам секций катушки системы первичной катушки; за счет этого возможно еще более увеличенное отношение индуктивностей.
Другие преимущества изобретения раскрываются в описании и на чертежах. Кроме того, вышеназванные и излагаемые ниже признаки в соответствии с изобретением могут применяться соответственно каждый в отдельности или в любых комбинациях. Показанные и описанные варианты осуществления не должны пониматься как окончательные, а, напротив, носят характер примеров изложения изобретения.
ДЕТАЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ И ЧЕРТЕЖЕЙ
Изобретение изображено на чертежах и поясняется подробнее с помощью примеров осуществления. Показано:
фиг. 1: схематичное, комбинированное изображение в сечении косоугольной проекции первого варианта осуществления предлагаемого изобретением индуктивного ограничителя тока утечки;
фиг. 2a: схематичное изображение в сечении второго варианта осуществления предлагаемого изобретением ограничителя тока утечки с системой вторичной катушки, включающую в себя радиально внутреннюю и радиально наружную секции катушки, между которыми расположена шунтирующая система;
фиг. 2b: фрагмент варианта осуществления с фиг. 2a, на схематичном виде в косоугольной проекции;
фиг. 3: схематичное изображение в сечении третьего варианта осуществления предлагаемого изобретением ограничителя тока утечки, имеющего систему вторичной катушки, включающую в себя радиально внутреннюю и радиально наружную секции катушки, между которыми расположена разделенная радиально на две части шунтирующая система;
фиг. 4: схематичное изображение в сечении четвертого варианта осуществления предлагаемого изобретением ограничителя тока утечки с системой вторичной катушки, включающую в себя радиально внутреннюю и радиально наружную секцию катушки, между которыми расположена шунтирующая система, при этом система вторичной катушки разделена в осевом направлении;
фиг. 5a: схематичное изображение в сечении пятого варианта осуществления предлагаемого изобретением ограничителя тока утечки с системой вторичной катушки, включающую в себя радиально внутреннюю и радиально наружную секцию катушки, между которыми расположена радиально разделенная на две части шунтирующая система, при этом система вторичной катушки разделена в осевом направлении;
фиг. 5b: схематичное изображение в сечении одного из вариантов пятого варианта осуществления с дополнительными мостами между радиально смежными шунтирующими кольцами;
фиг. 6: схематичное изображение в сечении шестого варианта осуществления предлагаемого изобретением ограничителя тока утечки, при этом система первичной катушки имеет три радиально находящихся на расстоянии секции катушки, между которыми расположены две системы вторичной катушки.
На фиг. 1 показано на схематичном изображении сечение одного из вариантов осуществления предлагаемого изобретением ограничителя 1 тока утечки.
Ограничитель 1 тока утечки имеет, по существу, вращательно-симметричную конструкцию относительно вертикальной оси A. Он включает в себя нормально проводящую систему 2 первичной катушки, имеющую первую, находящуюся радиально внутри секцию 2a катушки и вторую, находящуюся радиально снаружи секцию 2b катушки. Обе секции 2a, 2b катушки включают в себя каждая множество витков 3, при этом в показанном примере осуществления каждая секция 2a, 2b катушки включает в себя четыре ряда витков 3; витки 3 в совокупности равномерно разделены на обе секции 2a, 2b катушки. Обе секции 2a, 2b катушки включены электрически последовательно, чтобы ограничивать протекающий через них переменный ток. Радиально между обеими секциями 2a, 2b катушки расположена сверхпроводящая система 4 вторичной катушки. Система 2 первичной катушки и система 4 вторичной катушки ориентированы коаксиально относительно оси A и в осевом направлении имеют одинаковую длину; впрочем, достаточно, если эта ориентация или соответственно эти размеры соблюдаются по существу (например, при взаимном опрокидывании до 5°, или осевой выступающей части системы вторичной или первичной катушки в целом до 20%).
Система 4 вторичной катушки расположена в криостате 5, внутреннее пространство которого охлаждается не изображенным подробно образом (например, жидким азотом до 77K), так что система 4 вторичной катушки находится при температуре, которая ниже температуры перехода применяемого сверхпроводящего материала. Система 4 вторичной катушки включает в себя в простейшем случае только одну сверхпроводящим образом короткозамкнутую одновитковую катушку 9; альтернативно система 4 вторичной катушки может быть также выполнена с несколькими витками (при необходимости распределенными на несколько рядом витков), например, в виде соленоида. В этом случае витки системы 4 вторичной катушки по отдельности и/или группами или вместе короткозамкнуты сверхпроводящим образом.
При желании внутри первой секции 2a катушки может быть предусмотрен железный сердечник 8 (обозначен штриховой линией).
Система 4 вторичной катушки на фиг. 1 расположена в центре между радиально крайним наружным рядом 6 витков и радиально крайним внутренним рядом 7 витков.
Измеренный в радиальном направлении промежуток ZR между обращенными друг к другу, противолежащими сторонами S2 второй секции 2b катушки системы 2 первичной катушки и S4 системы 4 вторичной катушки соответствует в данном случае примерно 3/5 суммы половины толщины DPS второй секции 2b катушки и половины толщины DS системы 4 вторичной катушки; промежуток ZR соответствует также только 3/4 половины толщины DPS. Промежуток ZR, по существу, определяется (общей) толщиной WS стенки криостата 5 и расстояниями от второй секции 2b катушки и системы 4 вторичной катушки до криостата 5.
То же самое относится в данном случае к промежутку между первой секцией 2a катушки и системой 4 вторичной катушки (подробно не изображено). Следует учитывать, что на схематичном изображении радиальные расстояния между наружной стенкой криостата 5 и секциями 2a, 2b катушки, а также радиальные расстояния между системой 4 вторичной катушки и внутренней стенкой криостата 5 изображены в увеличенном виде.
Благодаря предлагаемому изобретением радиальному разделению системы 2 первичной катушки и размещению системы 4 вторичной катушки радиально между секциями 2a, 2b катушки системы 2 первичной катушки радиальное расстояние между системой 4 вторичной катушки и дальше всего удаленным рядом витков системы 2 первичной катушки можно значительно сократить по сравнению с расположением системы вторичной катушки радиально внутри или радиально снаружи системы первичной катушки.
На фиг. 2a схематично изображен второй вариант осуществления предлагаемого изобретением ограничителя 1 тока утечки. Для упрощения показана только половина вида в сечении (относится также к фиг. 3, 4, 5a, 5b, 6). Прежде всего поясняются отличия от предыдущего варианта осуществления.
В этом варианте осуществления система 4 вторичной катушки, которая расположена в криостате 5, имеет первую, радиально внутреннюю секцию 4a катушки, и вторую, радиально наружную секцию 4b катушки. Каждая секция 4a, 4b катушки включает в себя в данном случае три расположенные друг в друге одновитковые катушки 9. Между секциями 4a, 4b катушки размещена нормально проводящая шунтирующая система 10, которая здесь включает в себя одно единственное, замкнутое шунтирующее кольцо 10a. Одновитковые катушки 9 обеих секций 4a, 4b катушки через распределенные в окружном направлении мосты 11 электрически и термически соединены друг с другом; область одного такого моста 11 особенно хорошо показана на фиг. 2b на схематичном виде в косоугольной проекции. Мост 11 образует решеткообразные зажимные держатели 12 для одновитковых катушек 9 и шунтирующего кольца 10a. Криостат 5 в данном варианте осуществления выполнен с двойной стенкой 5a, 5b и с расположенной в промежутке, вакуумированной областью 5c криоизоляции. Шунтирующее кольцо 10a посредством сверхпроводящих одновитковых катушек 9 обеих секций 4a, 4b системы 4 вторичной катушки магнитным образом экранировано в нормальном режиме от системы 2 первичной катушки как в радиальном внутреннем направлении, так и в радиальном наружном направлении.
В показанном на фиг. 2a варианте осуществления радиальный промежуток ZR соответствует примерно 4/10 суммы половины толщины DPS первой секции 2a катушки системы 2 первичной катушки и половины толщины DS системы 4 вторичной катушки относительно их противолежащих, обращенных друг к другу сторон S2, S4. В настоящем случае промежуток ZR соответствует также примерно 3/4 половины толщины DPS. То же самое относится в данном случае к промежутку между второй секцией 2b катушки системы 2 первичной катушки и системой 4 вторичной катушки (детально не изображено).
На фиг. 3 показан третий вариант осуществления предлагаемого изобретением ограничителя 1 тока утечки. Для упрощения криостат для системы 4 вторичной катушки на чертеже не показан (это относится также к фиг. 4, 5a, 5b и 6). Поясняются только существенные отличия от варианта осуществления с фиг. 2a.
В показанном на фиг. 3 варианте осуществления шунтирующая система 10 имеет два расположенных радиально друг в друге шунтирующих кольца 10a, 10b. Радиально внутреннее шунтирующее кольцо 10a соединено электрически и термически с одновитковыми катушками 9 первой секции 4a катушки системы 4 вторичной катушки посредством мостов 11, а радиально наружное шунтирующее кольцо 10b соединено с одновитковыми катушками 9 второй секции 4b катушки.
Благодаря разделению обоих шунтирующих колец 10a, 10b обе секции 4a, 4b катушки системы 4 вторичной катушки могут в определенной мере изолироваться друг от друга; в частности процессы перехода из сверхпроводящего в нормальное состояние в этих обоих секциях 4a, 4b катушки могут быть отделены друг от друга во времени.
В качестве другой особенности радиально внутренняя, первая секция 2a катушки системы 2 первичной катушки укорочена в осевом направлении по сравнению с системой 4 вторичной катушки и второй секцией 2b катушки системы 2 первичной катушки, чтобы оптимизировать распределение магнитного поля в ограничителе 1 тока утечки. Первая секция 2a катушки имеет соответственно этому также меньше витков 3, чем вторая секция 2b катушки.
На фиг. 4 показан вариант осуществления предлагаемого изобретением ограничителя 1 тока утечки. Снова поясняются только отличия от варианта осуществления с фиг. 2a.
В этом варианте осуществления секции 4a, 4b катушки системы 4 вторичной катушки и шунтирующая система 10 разделены на несколько осевых уровней (в данном варианте пять уровней), ср. вертикальную ось A. На каждом уровне предусмотрено по одному шунтирующему кольцу 10a, три одновитковые катушки 9 для внутренней секции 4a катушки, три одновитковые катушки 9 для наружной секции 4b катушки и один мост 11.
Благодаря осевому разделению у ограничителей тока утечки, проходящих в осевом направлении (например, в пределах 1-2 м осевой высоты и больше) также могут применяться ленточные сверхпроводники с обычной шириной проводника (чаще всего от 1 см до 4 см в осевом направлении); на практике чаще всего предусмотрено десять или больше, часто также сорок или больше уровней.
Как показано в варианте осуществления ограничителя 1 тока утечки с фиг. 5a, внутри каждого уровня может также осуществляться также радиальное разделение. Соответственно радиально внутренние одновитковые катушки 9 первой секции 4a катушки системы 4 вторичной катушки и радиально внутреннее шунтирующее кольцо 10a соединены посредством моста 11, а также радиально наружные одновитковые катушки 9 второй секции 4b катушки и радиально наружное шунтирующее кольцо 10b соединены друг с другом посредством моста 11.
В одной из форм этого варианта осуществления, показанного на фиг. 5b, шунтирующие кольца 10a, 10b одного уровня соединены друг с другом электрически и прежде всего термически посредством дополнительных мостов 11a. Посредством этих дополнительных мостов 11a может устанавливаться, насколько быстро переход из сверхпроводящего в нормальное состояние в одной из двух секций 4a, 4b катушки вследствие обусловленного переходом из сверхпроводящего в нормальное состояние перераспределения тока распространяется на другую секцию 4a, 4b катушки. В показанном варианте здесь, кроме того, в радиально наружной секции 4b катушки предусмотрены только по две одновитковые катушки 9 на каждый уровень (вместо трех в варианте осуществления фиг. 5a).
На фиг. 6 показан, наконец, вариант осуществления предлагаемого изобретением ограничителя 1 тока утечки, у которого система 2 первичной катушки имеет всего три секции 2a, 2b, 2с катушки. Между радиально крайней внутренней секцией 2a катушки и радиально средней секцией 2с катушки, а также между радиально средней секцией 2с катушки и радиально наружной секцией 2b катушки расположена соответственно сверхпроводящая, короткозамкнутая система 4 вторичной катушки. Системы 4 вторичной катушки на фиг. 6 изображены соответственно с одновитковой катушкой 9, но альтернативно они могут быть выполнены также, как изображено на фиг. 2a-5b.
Следует учитывать также, что в данном случае секции 2a, 2b, 2c катушки системы 2 первичной катушки имеют соответственно различное число рядов витков (здесь четыре, три и два), при этом в радиальном наружном направлении число рядов витков на каждую секцию 2a, 2b, 2c катушки уменьшается. На практике в рамках изобретения вообще чаще всего предусмотрено тридцать или больше, часто шестьдесят или больше рядов витков на каждую секцию катушки системы первичной катушки, и секции катушки системы первичной катушки (или, соответственно, их ряды витков) имеют значительную радиальную толщину, чаще всего 6 см и больше, часто 15 см и больше.
Предлагаемый изобретением индуктивный ограничитель тока утечки может применяться для того, чтобы в случае перебоев в режиме работы (например, коротких замыканиях) ограничивать или предотвращать подъем тока в предназначенной для защиты электропроводке, в которой передается переменный ток. Электропроводка может, в частности, принадлежать сети электроснабжения общего пользования или же быть расположена в трансформаторной подстанции.
1. Индуктивный ограничитель (1) тока утечки, включающий в себя:
- нормально проводящую систему (2) первичной катушки, имеющую множество витков (3),
- сверхпроводящую, короткозамкнутую систему (4) вторичной катушки,
при этом система (2) первичной катушки и система (4) вторичной катушки расположены по меньшей мере, по существу, коаксиально друг другу и по меньшей мере частично вставлены друг в друга,
причем система (2) первичной катушки включает в себя первую секцию (2а) катушки и вторую секцию (2b) катушки,
при этом витки (3) первой секции (2а) катушки системы (2) первичной катушки расположены радиально внутри системы (4) вторичной катушки,
при этом витки (3) второй секции (2b) катушки системы (2) первичной катушки расположены радиально снаружи системы (4) вторичной катушки
и при этом система (4) вторичной катушки включает в себя одну или несколько сверхпроводящих, кольцеобразно замкнутых одновитковых катушек (9).
2. Ограничитель (1) тока утечки по п. 1, отличающийся тем, что система (4) вторичной катушки расположена в центре между крайним внутренним слоем (7) витков первой секции (2а) катушки системы (2) первичной катушки и крайним наружным слоем (6) витков второй секции (2b) катушки системы (2) первичной катушки.
3. Ограничитель (1) тока утечки по п. 1, отличающийся тем, что витки (3) системы (2) первичной катушки по меньшей мере, по существу, равномерно разделены на первую секцию (2а) катушки и вторую секцию (2b) катушки системы (2) первичной катушки.
4. Ограничитель (1) тока утечки по п. 1, отличающийся тем, что упомянутая одна или несколько сверхпроводящих, кольцеобразно замкнутых одновитковых катушек (9) изготавливается из ленточного сверхпроводника.
5. Ограничитель (1) тока утечки по п. 1, отличающийся тем,
что система (4) вторичной катушки включает в себя первую секцию (4а) катушки и вторую секцию (4b) катушки, при этом первая секция (4а) катушки системы (4) вторичной катушки расположена радиально внутри второй секции (4b) катушки системы (4) вторичной катушки,
и что нормально проводящая шунтирующая система (10) расположена радиально между первой секцией (4а) катушки и второй секцией (4b) катушки системы (4) вторичной катушки.
6. Ограничитель (1) тока утечки по п. 5, отличающийся тем, что шунтирующая система (10) имеет одно или несколько замкнутых шунтирующих колец (10а, 10b), которые расположены радиально между первой секцией (4а) катушки и второй секцией (4b) катушки системы (4) вторичной катушки.
7. Ограничитель (1) тока утечки по п. 6, отличающийся тем, что шунтирующая система (10) имеет два шунтирующих кольца (10а, 10b), расположенные вставленным друг в друга образом, при этом радиально внутреннее шунтирующее кольцо (10а) соединено электрически проводящим соединением с первой секцией (4а) катушки системы (4) вторичной катушки, а радиально наружное шунтирующее кольцо (10b) соединено электрически проводящим соединением со второй секцией (4b) катушки системы (4) вторичной катушки.
8. Ограничитель (1) тока утечки по п. 5, отличающийся тем, что шунтирующая система (10) имеет множество металлических мостов (11), соединяющих шунтирующую систему (10) с первой и/или второй секциями (4а, 4b) катушки системы (4) вторичной катушки электрически проводящим соединением.
9. Ограничитель (1) тока утечки по п. 5, отличающийся тем, что первая и вторая секции (4а, 4b) катушки системы (4) вторичной катушки имеют различное число сверхпроводящих, кольцеобразно замкнутых одновитковых катушек (9).
10. Ограничитель (1) тока утечки по п. 1, отличающийся тем, что система (2) первичной катушки и система (4) вторичной катушки выполнены по меньшей мере, по существу, вращательно-симметрично относительно оси (А), в частности относительно вертикальной оси (А).
11. Ограничитель (1) тока утечки по п. 1, отличающийся тем, что радиально внутри первой секции (2а) катушки системы (2) первичной катушки расположен ферромагнитный сердечник (8).
12. Ограничитель (1) тока утечки по п. 1, отличающийся тем, что система (4) вторичной катушки проходит в осевом направлении по меньшей мере точно на такое же расстояние, что и система (2) первичной катушки.
13. Ограничитель (1) тока утечки по п. 1, отличающийся тем, что секции (2а, 2b) катушки системы (2) первичной катушки в осевом направлении проходят на различное расстояние.
14. Ограничитель (1) тока утечки по п. 1, отличающийся тем, что система (4) вторичной катушки изготовлена с высокотемпературным сверхпроводящим материалом, в частности YBCO (оксид иттрия бария меди) или BSCCO (оксид висмута стронция кальция меди).
15. Ограничитель (1) тока утечки по п. 1, отличающийся тем, что система (4) вторичной катушки расположена в криостате (5); и что система (4) вторичной катушки, первая и вторая секции (2а, 2b) катушки системы (2) первичной катушки и криостат (5) размещены так и имеют такие размеры, что для промежутков ZR в радиальном направлении между противолежащими друг другу сторонами (S2, S4) системы (4) вторичной катушки, с одной стороны, и первой и второй секциями (2а, 2b) катушки системы (2) первичной катушки, с другой стороны, выполняется ZR<1/2 DPS+1/2 DS, предпочтительно ZR<1/2 DPS, где DPS - толщина системы (2) первичной катушки в радиальном направлении, совместно ограничивающей соответствующий промежуток ZR секции (2а, 2b) катушки, DS - толщина системы (4) вторичной катушки в радиальном направлении, совместно ограничивающей соответствующий промежуток ZR.
16. Ограничитель (1) тока утечки по п. 1, отличающийся тем, что система (2) первичной катушки имеет N секций (2а, 2b, 2с) катушки, где N ∈ IN и N≥3, и что ограничитель (1) тока утечки имеет N-1 систем (4) вторичной катушки, при этом каждая система (4) вторичной катушки расположена радиально между двумя секциями (2а, 2b, 2с) катушки системы (2) первичной катушки, в частности, при этом N=3 или N=4.
