Новая концепция переключателя тока на основе высокотемпературного сверхпроводника, страница 2

Сверхпроводящие кольца для измерений изготавли­вались из этого порошка в специально изготовленной прессформе. Спрессованные кольца проходили оконча­тельный отжиг в безградиентных условиях. Получен­ные кольца имели внешний диаметр 10 cm, внутренний диаметр 8cm, толщину 2—6 тт. Величина плотности критического тока J_C пробных колец, определенная четырехзондовым методом, при 77 К составила 150 A/cm² (по критерию 1.

Испытания колец проводились на промышленной ча­стоте 50 Hz по схеме, показанной на рис. 1. Они дали следующие результаты. При значении тока в цепи 1А па­дение напряжения на нагрузке составляло U_r = 19 V, па­дение напряжения на ограничителе U_SC= 0 (< 10). При КЗ величина тока составляла 9 А, падение напряже­ния на ограничителе U_SC = 17 V (при этом плотность тока в кольце равна 760 A/cm²), падение напряжения на нагрузке  U_r0 (падение напряжения на подводящих проводах составило  2V).

Рис.1

Рис.2

На рис. 2 приведена вольтамперная характеристика одного из колец, измеренная индуктивным методом по схеме, показанной на рис. 1. Видно, что активный элемент имеет достаточно высокую перегрузочную спо­собность, т.е. может работать в стационарном режиме без разрушения при токах, много больших критических. Мощность, выделяющаяся в кольце, составляет ~ 150 W (20W/cm³) и эффективно отводится жидким азотом. Эксперименты с набором колец показали, что ток сра­батывания ограничителя аддитивен критическим токам отдельных колец.

Следует отметить, что эти экспериментальные резуль­таты получены для стационарного режима. Естественно, что в квазиимпульсном режиме, в котором и будет работать аппарат защиты (время, за которое срабатывает размыкатель), может достигнуть существенно более вы­соких показателей ограничителя, по крайней мере мощности ~ 2 kW на одно сверхпроводящее кольцо.

Таким образом, предложенная конструкция сверхпро­водящего ограничителя тока с использованием активного ВТСП элемента в виде набора плоских колец, на наш взгляд, также перспективна, как и конструкция, в кото­рой активный элемент выполняется в виде тонкостенно­го ВТСП цилиндра.

Разрывные контакты на медной основе

Ограничитель тока используется в качестве аппарата защиты, его главные контакты работают в продолжи­тельном режиме включения и, следовательно, основное требование — низкая величина и длительная стабиль­ность переходного сопротивления (R_J) в симметричной контактной паре.

Главным препятствием использования меди как осно­вы для разрывных электроконтактов, используемых в воздушной среде, является ее довольно высокое срод­ство к кислороду. Попытки снизить окисление медной матрицы и, таким образом, величину r_j, осуществляются путем легирования материала различными добавками, а также введением восстановителя (чаще всего графита).

Контакты системы медь-графит имеют общий недостатки — низкие значения твердости и прочности, в силу чего они обычно не могут использоваться в аппаратах с многоцикловыми ударными нажатиями.

Предложено вводить углерод в виде относительно дешевого алмазного порошка взрывного синтеза с раз­мерами основной фракции < . При этом химическая природа добавки сохраняется, но механические характеристики композита коренным образом улучшаются. При введении в матрицу контакта твердых, тугоплавких частиц алмаза возрастает стойкость к привариванию, материал дополнительно упрочняется. Добавка алмаза способствует также росту эрозионной стойкости контактов, охлаждая основание дуги (вследствие высокой теплопроводности алмаза), способствуя тем самым её гашению. Дополнительно в композит введены тугоплавкие металлы, также способствующие понижению величины и стабильности r_J, повышению механической и электрической износостойкости.

Вплоть до токов 1000 А величины находится в нормируемых пределах. Аналогичные данные получены нa контакторах переменного тока (I = 20,40, 100 А): абсолютные значения Т контактных пар лежали в пределах 315...342 К.

Технологическое поведение порошковых композиций, их окисление в воздухе при температурах, близких к рабочей температуре контактов 330... 390 К, и испытания в составе промышленных аппаратов показали, что контактные элементы из усматриваемых порошковых композитов на основе меди обладают необходимым комплексом основных эксплуатационных свойств и способы обеспечить надежную  работу коммуникационных аппаратов.

Величина критической мощности электрического контакта трудно поддается как экспериментальной проверке, так и теоретической оценке. Как правило, возможно указать только примерное значение . Для пары описанных в данной работе контактов критической можно считать мощность порядка ~ 30—50 kW. Ограничитель тока с набором 10 ВТСП колец позволяет уменьшить значение критической мощности переключателя на величину  ~ 20 kW, что сравнимо со значением . По нашим оценкам, комбинирован­ный аппарат ограничитель тока + переключатель будет способен работать при токах 100—1000 А для защиты уникального оборудования на крупных предприятиях и транспорте и в опасных технологических процессах.

Дальнейшая работа по созданию прототипа аппарата защиты электрических сетей КЗ на основе сверхпроводя­щего ограничителя тока и размыкателя на бессеребряных электрических контактах включает: 1) улучшение крити­ческих параметров ВТСП колец, 2) конструирование эле­мента срабатывания на основе бессеребряных контактов, 3) исследование поведения ограничителя в импульсном режиме.

Работа выполняется в рамках совместного российско-греческого проекта "Новая концепция переключателя, основанного на сверхпроводящем ограничителе тока и бессеребряных электрических контактах" (1998-2000 г.) и поддержана целевой программой Красноярской кра­евой администрации "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники Красноярского края" (проект № 18).

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

КРАСНОЯРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра КиПР

Курсовая работа

Новая концепция переключателя тока на основе высокотемпературного сверхпроводника

Выполнил:

А.П. Гардымова

Проверил:

                                                                                                    С.Г. Овчинеков

Красноярск 2006г