Новая концепция переключателя тока на основе высокотемпературного сверхпроводника

Новая концепция переключателя тока на основе высокотемпературного сверхпроводника

Возможность использования сверхпроводников в ка­честве активных элементов для ограничителей тока короткого замыкания (КЗ) привлекала исследователей достаточно давно. Однако высокая стоимость как устройств, так и хладагента (жидкий гелий) для низ­котемпературных сверхпроводников препятствовала их широкому применению. Открытие высокотемпературной сверхпроводимости возродило интерес к исследованиям в этой области, поскольку высокая температура перехо­да в сверхпроводящее состояние (90-120 К) позволяет использовать в качестве хладагента жидкий азот.

Простейший ограничитель тока основан на перехо­де сверхпроводника из сверхпроводящего состояния, в котором электросопротивление равно нулю, в нормаль­ное с конечным значением электросопротивления при возрастании тока сверх критического. При аварийной ситуации, сопровождающейся увеличением тока в сети, появление дополнительного балластного сопротивления (равного нулю в обычном режиме) смягчает режим КЗ. Преимущество использования сверхпроводящего актив­ного элемента состоит в том, что он (в отличие от механических размыкателей) имеет очень малое время срабатывания и более высокую надежность. Следует отметить, что в публикациях по ограничителям тока исследовалось в основном поведение сверхпроводяще­го активного элемента в перегрузочном режиме. В данной работе  предлагается новая концепция ап­парата защиты, в которой основное внимание уделяется комбинированию размыкателя цепи (электрические кон­такты которого выполнены из композитных материалов, не содержащих серебра) с ограничителем тока на основе высокотемпературного сверхпроводника (ВТСП).

Комбинирование размыкателя

и сверхпроводящего ограничителя тока

Рассмотрим цепь последовательно соединенных на­грузки сверхпроводящего ограничителя тока и размы­кателя (переключателя). Без ограничителя тока способ­ность переключателя защищать нагрузку определяется критическим значением мощности , которая разру­шает переключатель. В присутствии ограничителя тока суммарная мощность при КЗ W_ex перераспределяется между ограничителем и переключателем

.

Критическая мощность , при которой ограничитель тока разрушается, определяется удельным элек­тросопротивлением сверхпроводника в нормальном со­стоянии, его механической прочностью и конструктив­ными особенностями ограничителя. В комбинированной системе размыкателя и ограничителя тока мощность, выделяющаяся в размыкателе, будет меньше, чем без сверхпроводящего ограничителя, и критическое значе­ние мощности для переключателя может быть уменьшено

.

Выражение (1) имеет смысл при >. Если  <, вся мощность в режиме КЗ выделяется на сверхпроводящем ограничителе тока. Практическое значение выражения (1) заключается в том, что в комби­нированной системе ограничитель тока + переключатель возможно уменьшить требования к размыкателю цепи. Поэтому для таких переключателей можно использо­вать менее дорогостоящие контактные материалы, такие как бессеребряные композиты, состоящие из меди с малыми добавками ультрадисперсных алмазов. Другим преимуществом такой комбинированной систе­мы является повышение надежности срабатывания, так как ВТСП элемент защищает помимо нагрузки и сам   размыкатель.

Ограничитель тока на основе ВТСП

В настоящее время существует несколько концепций ограничителей.  Наиболее распространенными являются так называемые резистивная и индуктивная концеп­ции. В резистивных ограничителях тока сверхпро­водник непосредственно включен в схему с защищаемой нагрузкой. Ограничители такого типа требуют ре­шения технологической задачи изготовления контактов ВТСП-токопровод. В индуктивных ограничителях тока активный сверхпроводящий элемент, выполненный, как правило, в виде кольца или цилиндра, индуктивно связан с нагрузкой. Для реализации таких ограничителей необходимо учитывать 1) большие габариты устройств, в которых сверхпроводник экранирует магнитное поле; 2) возможность разрушения сверхпроводящих элементов при больших плотностях тока под действием пондеро­моторных сил. В устройствах обоих типов необходимо эффективно отводить выделяющееся в режиме короткого замыкания тепло от сверхпроводника.

В индуктивных ограничителях тока часто использует­ся ВТСП в виде полого цилиндра, который экранирует поле первичной обмотки. Внутрь сверхпроводника помещается железный сердечник. Коэффициент заполне­ния в устройствах такого типа не превосходит 0.6. Для эффективного теплоотвода необходимо, чтобы толщина стенок цилиндра не превышала ~ 2mm. Под действием пондеромоторных сил цилиндр подвергается значительным нагрузкам, по данным работы, осевое сжатие до ~ 1500N, давление на внешнюю поверх­ность 0.2 bar, что близко к пределу прочности керамиче­ского ВТСП. По этой причине большинство конструкций требуют бандажа, разгружающего активный элемент.

В данной работе  видоизменяется конструкция ин­дуктивного ограничителя тока, в котором ВТСП в виде стопки тонких колец с относительно большим ради­альным размером, которые разделены зазором, равным толщине колец ~ 2 mm. Это позволяет увеличить объем ВТСП и, следовательно, рабочую мощность ограничите­ля. Расчет показал, что увеличение радиального размера в 5 раз (до 10mm) позволяет отказаться от бандажа, поскольку осевая нагрузка на сверхпроводящее кольцо распределяется на большую площадь, чем в вышеописан­ном случае, и растягивающее напряжение на единицу длины сверхпроводящей стопки колец также меньше. Коэффициент заполнения в данной конструкции близок к единице, так как магнитопровод и набор колец разделены лишь стенкой пенопластового криостата. Дополнитель­ным преимуществом такой конструкции является то, что можно гибко и в широких пределах варьировать величину тока срабатывания ограничителя простым из­менением числа колец.

Синтез ВТСП Bi_1.8 Pb_0.3 Sr_1.9 Ca₂ Cu₃ O_x  проводился по керамической технологии из Bi₂ O₃, PbO, SrCO₃, СаСО₃, CuO при температурах до 840°С и продолжи­тельностью до 250 h с многократными промежуточными помолами. Малоугловые дебаеграммы показали, что до­минирующей является фаза Bi-2223. Измерения элек­тросопротивления р четырехзондовым методом показа­ли, что начало перехода в сверхпроводящее состояние происходит при

Т_с = 113 К,     ,

.