ES2235612B2 - CURRENT INDUCTIVE LIMITER BASED ON MULTIPLE RINGS OR SMALL DIAMETER SUPERCONDUCTING FILMS. - Google Patents

Abstract

Limitador inductivo de corriente basado en múltiples anillos o películas superconductores de pequeño diámetro cuya misión es reducir las corrientes de fallo que surgen en los procesos de producción y distribución de la energía eléctrica, basado en múltiples anillos o películas superconductores de pequeño diámetro con una configuración tipo transformador en la que el primario es una bobina metálica devanada en torno a un núcleo magnético del cual se derivan una serie de brazos laterales de pequeña sección transversal, de forma que puedan alojar un conjunto de anillos superconductores que actúan como secundarios y que tienen un diámetro pequeño, del orden de 1-10 centímetros.Inductive current limiter based on multiple rings or small diameter superconducting films whose mission is to reduce the fault currents that arise in the processes of production and distribution of electrical energy, based on multiple rings or small diameter superconducting films with a type configuration transformer in which the primary is a metal coil wound around a magnetic core from which a series of lateral arms of small cross section are derived, so that they can accommodate a set of superconducting rings that act as secondary and have a diameter small, of the order of 1-10 centimeters.

Description

Limitador inductivo de corriente basado en múltiples anillos o películas superconductoras de pequeño diámetro.Inductive current limiter based on multiple rings or small superconducting films diameter.

Los materiales superconductores presentan la interesante propiedad de poseer una resistencia fuertemente no lineal y dependiente de varias magnitudes: la temperatura, la corriente que se hace circular por ellos y el campo magnético al que se hallen sometidos. Estos materiales están caracterizados por un estado de resistencia cero que se alcanza por debajo de una cierta temperatura crítica, T_{c}, por lo que deben estar refrigerados mediante líquidos criogénicos o refrigeradores eléctricos, y por debajo de una corriente I_{c} y un campo B_{c}. En aspectos de caracterización del superconductor es más propio referirse a la densidad de corriente crítica, J_{c}, que es la I_{c} por unidad de área atravesada por la corriente, J_{c} = I_{c} /A. Por encima de estos valores críticos, un superconductor experimenta una transición a un estado disipativo con resistencia no lineal, el cual puede desembocar en un régimen de resistencia óhmica (como la de un metal) si la disipación calienta el material lo suficiente o bien la corriente circulante excede un segundo valor crítico, denominado J* (véanse, por ejemplo, W. Klein et al., J. Low Temp. Phys. 61, 413 (1985); S. G. Doettinger et al., Phys. Rev. Lett. 73, 1691 (1994); Z. L. Xiao et al., Phys. Rev. B 59, 1481 (1999), y José María Viña Rebolledo, Contribución al estudio del transporte eléctrico en capas delgadas de cupratos superconductores: corrientes supercríticas y paraconductividad, Tesis Doctoral, Universidad de Santiago de Compostela (2003)).Superconducting materials have the interesting property of having a strongly non-linear resistance and dependent on several magnitudes: the temperature, the current that circulates through them and the magnetic field to which they are subjected. These materials are characterized by a zero resistance state that is reached below a certain critical temperature, T_ {c}, so they must be cooled by cryogenic liquids or electric refrigerators, and below a current I_ {c} and a field B_ {c}. In aspects of characterization of the superconductor it is more proper to refer to the critical current density, J_ {c}, which is the I_ {c} per unit of area crossed by the current, J_ {c} = I_ {c} / A. Above these critical values, a superconductor undergoes a transition to a dissipative state with non-linear resistance, which can lead to an ohmic resistance regime (such as that of a metal) if dissipation heats the material sufficiently or the current circulating exceeds a second critical value, called J * (see, for example, W. Klein et al ., J. Low Temp. Phys. 61 , 413 (1985); SG Doettinger et al ., Phys. Rev. Lett. 73 , 1691 (1994); ZL Xiao et al ., Phys. Rev. B 59 , 1481 (1999), and José María Viña Rebolledo, Contribution to the study of electrical transport in thin layers of superconducting cuprates: supercritical currents and paraconductivity , Doctoral Thesis , University of Santiago de Compostela (2003)).

Este comportamiento no lineal de la resistencia, función de la temperatura, la corriente y el campo magnético aplicado, ha sugerido la utilización de los superconductores en dispositivos de limitación de corriente, destinados a reducir los efectos perniciosos de las altas corrientes y tensiones generadas durante un fallo en una línea de distribución eléctrica, bien sea en una central de producción o una red o ramificación local (T. Verhaege and Y. Laumond 1998, Handbook of Applied Superconductivity, 2, ed B. Seeber (Bristol: Institute of Physics Publishing), p. 1691; W. T. Norris et al, Cryogenics, 37, 657 (1997); W. Paul et al, Physica C, 354, 27 (2001), y P. Tixador, IEEE Trans. Appl. Supercond., 4, 190 (1994)).This non-linear behavior of the resistance, function of the temperature, the current and the applied magnetic field, has suggested the use of superconductors in current limiting devices, aimed at reducing the pernicious effects of the high currents and voltages generated during a failure in an electrical distribution line, either in a production plant or a local network or branch (T. Verhaege and Y. Laumond 1998, Handbook of Applied Superconductivity , 2 , ed B. Seeber (Bristol: Institute of Physics Publishing) , p. 1691; WT Norris et al , Cryogenics, 37 , 657 (1997); W. Paul et al , Physica C, 354 , 27 (2001), and P. Tixador, IEEE Trans. Appl. Supercond., 4 , 190 (1994)).

Dependiendo de la forma en que se inserte el superconductor en el circuito que se quiere proteger, se pueden distinguir dos concepciones fundamentales de limitador: resistivo e inductivo. El limitador resistivo puede ser simplemente un elemento superconductor (en forma de barra, película delgada, bobina, etc) conectado en serie con el circuito que se quiere proteger. El limitador se diseña de forma que, cuando por la línea circula la corriente nominal, no se exceda el valor crítico, I_{c}, de modo que la resistencia que ofrece es nula, y su presencia no se percibe. Sin embargo, cuando ocurre un fallo y la corriente crece hasta valores superiores a I_{c}, se produce la transición al estado disipativo (o incluso óhmico), y surge una resistencia que limita de forma efectiva la corriente. Nótese que, en principio, una vez se elimina el fallo de la línea, el superconductor regresa a su estado de nula disipación. El limitador es, por lo tanto, autosuficiente y no necesita de ningún elemento adicional que detecte el inicio o la desaparición de un fallo (el propio dispositivo es un detector). Por otro lado, su reacción es casi instantánea, y responde ante un fallo en tiempos del orden de 1 ms o menos.Depending on the way in which the superconductor in the circuit that you want to protect, you can distinguish two fundamental conceptions of limiter: resistive and inductive. The resistive limiter can simply be an element superconductor (bar-shaped, thin film, coil, etc) connected in series with the circuit that you want to protect. He Limiter is designed so that when the line circulates rated current, do not exceed the critical value, I_ {c}, so that the resistance it offers is zero, and its presence is not perceive However, when a fault occurs and the current grows up to values greater than I_ {c}, the transition to dissipative (or even ohmic) state, and a resistance arises that effectively limits the current. Notice that, in principle, once the line fault is eliminated, the superconductor returns to its state of zero dissipation. The limiter is, therefore, self-sufficient and does not need any additional elements that detect the start or disappearance of a fault (itself device is a detector). On the other hand, his reaction is almost instantaneous, and responds to a failure in times of the order of 1 ms or less.

El limitador inductivo tiene un diseño tipo transformador, en el que el primario (generalmente metálico) está conectado directamente al circuito que se quiere proteger, y el secundario es un superconductor que suele tener forma de anillo o cilindro hueco (también puede ser una bobina o una película depositada sobre un sustrato). Mientras circula la corriente nominal en el circuito, el flujo magnético que crea el primario en el núcleo magnético es cancelado por el que genera el superconductor, de forma que la inductancia efectiva del transformador es nula, y la única impedancia presente es la resistencia de la bobina primaria (y componentes debidas a posibles inductancias de fuga). Cuando se produce un fallo y se excede I_{c}, la transición del superconductor hace que la cancelación de flujo cese, por lo que surge una impedancia de carácter inductivo y resistivo (según el diseño domina una u otra componente) que limita la corriente. En cierto modo, esto puede verse como un transformador ideal cuyo secundario pasa de estar cortocircuitado a estar en circuito abierto.The inductive limiter has a type design transformer, in which the primary (usually metallic) is connected directly to the circuit that you want to protect, and the secondary is a superconductor that is usually ring-shaped or hollow cylinder (can also be a coil or a film deposited on a substrate). While the current circulates nominal in the circuit, the magnetic flux that the primary creates in the magnetic core is canceled by the one that generates the superconductor, so that the effective inductance of the transformer is null, and the only impedance present is the primary coil resistance (and components due to possible leakage inductances). When a fault occurs and is exceeded I_ {c}, the superconductor transition causes cancellation cease flow, so an inductive impedance arises  and resistive (depending on the design dominates one or another component) that Limit the current. In a way, this can be seen as a ideal transformer whose secondary goes from being shorted to Be in open circuit.

En ambos casos, debido a la elevada energía que se disipa en forma de calor en el proceso de limitación de la corriente, es deseable que el limitador no actúe más de unos pocos ciclos de red, que es el tiempo que necesitan los actuales interruptores de circuito para detectar el fallo y abrir la línea (deben esperar a que se alcance un cero de la corriente). Si bien el aumento de la temperatura del superconductor puede ser beneficioso en cuanto a incrementar la impedancia del dispositivo (lo cual debe suceder en un tiempo similar al de reacción, es decir, \sim1 ms), también puede provocar una recuperación muy lenta del dispositivo una vez eliminado el fallo, ya que el superconductor seguiría disipando y ofreciendo impedancia en la línea, algo indeseable (M. R. Osorio et al, Applied Superconductivity 1999 (EUCAS'01), Inst. Phys. Conf. Ser. No 167, 1, ed. X. Obradors et al (Bristol: Institute of Physics Publishing, J. W. Arrowsmith Ltd.) p. 1013 (2000), y M. R. Osorio et al, Physica C, 372-376, 1635 (2002)).In both cases, due to the high energy that dissipates in the form of heat in the current limitation process, it is desirable that the limiter does not act more than a few network cycles, which is the time required by current power switches. circuit to detect the fault and open the line (they must wait until a zero of the current is reached). While increasing the temperature of the superconductor can be beneficial in terms of increasing the impedance of the device (which should happen in a similar time to the reaction, i.e. \1 ms), it can also cause a very slow recovery of the device. Once the fault was eliminated, since the superconductor would continue to dissipate and offer impedance on the line, something undesirable (MR Osorio et al, Applied Superconductivity 1999 (EUCAS'01), Inst. Phys. Conf. Ser. No 167, 1 , ed X. Obradors et al (Bristol: Institute of Physics Publishing, JW Arrowsmith Ltd.) p. 1013 (2000), and MR Osorio et al , Physica C, 372-376 , 1635 (2002)).

Por otro lado, el sobrecalentamiento puede provocar la degradación del elemento superconductor (incluso su fusión), especialmente debido a la presencia de puntos calientes o zonas débiles, que son regiones del material con, por ejemplo, menor temperatura crítica, T_{c}, o bien menor densidad de corriente crítica, J_{c}. Los superconductores llamados de baja temperatura crítica (SBT), cuya T_{c} es inferior a la de ebullición del nitrógeno líquido (77 K), suelen ser metálicos, y la homogeneidad es bastante buena. Además, poseen una conductividad térmica elevada (\sim100 W/m-K), por lo que el calor generado en la transición puede evacuarse con cierta facilidad al medio refrigerante. Estas propiedades los hacen poco sensibles al problema de los puntos calientes. Sin embargo, los superconductores de alta temperatura crítica (SAT) son cerámicos y mucho más heterogéneos. Por una parte en lo que se refiere a la estequiometría, pudiendo coexistir una fase dominante con proporciones no despreciables de precursores o productos intermedios. Por otra, tienen una estructura menos uniforme que un metal. Así, los SAT granulares están formados por una multitud de pequeños granos unidos entre sí, de forma que la transición al estado disipativo afecta primero a las fronteras intergranulares y, posteriormente, al interior del grano. Además, su conductividad térmica es mucho más reducida (\sim1 W/m-K), por lo que si existe una zona débil y se sobrecalienta, su expansión sería lenta y podría producirse un daño local en el material que empeorase las prestaciones del limitador.On the other hand, overheating can cause degradation of the superconducting element (including its melting), especially due to the presence of hot spots or weak areas , which are regions of the material with, for example, lower critical temperature, T_ {c}, or lower critical current density, J_ {c}. The so-called low critical temperature superconductors (SBT), whose T_ {c} is lower than that of boiling liquid nitrogen (77 K), are usually metallic, and the homogeneity is quite good. In addition, they have a high thermal conductivity (~ 100 W / mK), so that the heat generated in the transition can be easily evacuated to the cooling medium. These properties make them little sensitive to the problem of hot spots. However, critical high temperature superconductors (SAT) are ceramic and much more heterogeneous. On the one hand in regards to stoichiometry, a dominant phase may coexist with non-negligible proportions of precursors or intermediate products. On the other, they have a less uniform structure than a metal. Thus, granular SATs are formed by a multitude of small grains linked together, so that the transition to the dissipative state first affects the intergranular borders and then the interior of the grain. In addition, its thermal conductivity is much reduced (sim1 W / mK), so if there is a weak zone and it overheats, its expansion would be slow and local damage could occur in the material that would worsen the performance of the limiter.

La utilización de limitadores inductivos con corrientes elevadas exige el empleo de núcleos magnéticos de gran sección y, por lo tanto, de anillos superconductores con un diámetro lo suficientemente grande como para actuar como secundarios (decenas de centímetros). El aumento de las dimensiones de los anillos plantea problemas de falta de homogeneidad, dificultad en la fabricación y mala refrigeración (la relación entre la superficie que está en contacto con el medio refrigerante y el volumen del anillo es baja).The use of inductive limiters with high currents requires the use of large magnetic cores section and, therefore, of superconducting rings with a diameter large enough to act as secondary (tens of centimeters). The increase in dimensions of the rings poses problems of lack of homogeneity, manufacturing difficulty and poor cooling (the ratio between the surface that is in contact with the cooling medium and the volume of the ring is low).

Algunos investigadores han propuesto solucionar estos problemas fabricando anillos superconductores de grandes dimensiones a partir de pequeños trozos que, posteriormente, se unen mediante un material muy similar que actúa como una cola (A. Leenders et al., IEEE Trans. Appl. Supercond., 11, 3728 (2001); K. Iida et al., Physica C, 370, 53 (2001), y S. Haseyama et al., Physica C, 354, 437 (2001)). Otros autores han utilizado como secundario una bobina metálica normal que se cortocircuita mediante una barra o bobina de material superconductor (P. Tixador, IEEE Trans. Appl. Supercond., 5, 1055 (1995); X. Granados et al., Physica C, 372, 1680 (2002), y X. Obradors et al., Supercond. Sci. Technol., 13, 879 (2000)), o bien con una película delgada (H. Choi et al., IEEE Trans. Appl. Supercond., 14, 1833 (2002)). Estos limitadores híbridos tienen la ventaja de eliminar la necesidad de emplear superconductores de grandes dimensiones, como ya hemos comentado uno de los más importantes inconvenientes de los limitadores inductivos, pero presentan pérdidas óhmicas en los contactos metálicos asociados con los elementos superconductores, incluso en ausencia de fallo alguno en la línea. Además, resulta muy complicado hacer uniones metal-superconductor de óptima calidad, lo que en ocasiones conlleva que la transición sea muy heterogénea, debido a que el calor generado en la parte metálica al paso de una corriente elevada afecta más a las partes más próximas del superconductor (X. Obradors et al., Supercond. Sci. Technol., 13, 879 (2000)).Some researchers have proposed to solve these problems by manufacturing superconducting rings of large dimensions from small pieces that, subsequently, are joined by a very similar material that acts as a tail (A. Leenders et al ., IEEE Trans. Appl. Supercond., 11 , 3728 (2001); K. Iida et al ., Physica C, 370 , 53 (2001), and S. Haseyama et al ., Physica C, 354 , 437 (2001)). Other authors have used as a secondary a normal metal coil that is short-circuited by a bar or coil of superconducting material (P. Tixador, IEEE Trans. Appl. Supercond., 5 , 1055 (1995); X. Granados et al ., Physica C , 372 , 1680 (2002), and X. Obradors et al ., Supercond. Sci. Technol., 13 , 879 (2000)), or with a thin film (H. Choi et al ., IEEE Trans. Appl. Supercond., 14 , 1833 (2002)). These hybrid limiters have the advantage of eliminating the need to use superconductors of large dimensions, as we have already mentioned one of the most important disadvantages of inductive limiters, but they have ohmic losses in the metallic contacts associated with the superconducting elements, even in the absence of any fault on the line. In addition, it is very difficult to make metal-superconductive joints of optimum quality, which sometimes means that the transition is very heterogeneous, because the heat generated in the metal part at the passage of a high current affects more the nearest parts of the superconductor (X. Obradors et al ., Supercond. Sci. Technol., 13 , 879 (2000)).

La presente invención consiste en un limitador inductivo de corriente, un dispositivo capaz de limitar una alta corriente de fallo en una línea de distribución de energía eléctrica utilizando para ello anillos de pequeño diámetro (entre 1 y 10 cm), los cuales pueden ser suplidos por películas superconductoras depositadas sobre un sustrato adecuado cuya actuación sería totalmente equivalente. El limitador está constituido por un núcleo compuesto por un grueso brazo central, en el cual se dispone el bobinado primario, y un conjunto de brazos laterales de menor sección transversal en los que se dispone un conjunto de anillos superconductores que actúan como secundario del transformador (en el caso de que se utilicen películas, éstas deberán tener un orifico central que permita acoplarlas en el núcleo). El número requerido de brazos y anillos viene dado por la potencia que se quiera transmitir en la línea en la cual se instale el dispositivo. A mayor número de anillos, más alta es la potencia que se puede limitar, ya que la corriente crítica global del dispositivo aumenta (S. R. Currás et al., Cryogenics, 37, 653 (1997)). Por otra parte, los brazos laterales, cuya sección es reducida para permitir el acomodo de las anillos de pequeño diámetro, tienen la función de ofrecer un camino al flujo magnético que sea equivalente al de un transformador de sección uniforme e igual a la del brazo central. De esta forma, la impedancia del dispositivo se mantiene y, por lo tanto, también su capacidad limitante.The present invention consists of an inductive current limiter, a device capable of limiting a high fault current in an electric power distribution line using small diameter rings (between 1 and 10 cm), which can be supplied by superconducting films deposited on a suitable substrate whose performance would be totally equivalent. The limiter is constituted by a core composed of a thick central arm, in which the primary winding is arranged, and a set of lateral arms of smaller cross-section in which a set of superconducting rings that act as secondary of the transformer ( in the case that films are used, they must have a central hole that allows them to be attached to the core). The required number of arms and rings is given by the power that you want to transmit on the line in which the device is installed. The higher the number of rings, the higher the power that can be limited, since the overall critical current of the device increases (SR Currás et al ., Cryogenics, 37 , 653 (1997)). On the other hand, the lateral arms, whose section is reduced to allow the accommodation of small diameter rings, have the function of offering a path to the magnetic flux that is equivalent to that of a transformer of uniform section and equal to that of the central arm . In this way, the impedance of the device is maintained and, therefore, also its limiting capacity.

El número de brazos y anillos puede incrementarse siguiendo este esquema, según las exigencias de impedancia y corriente limitada que se deseen. Para un limitador de alta potencia, se requerirá un núcleo de gran sección uniforme, A, dada porThe number of arms and rings can Increase following this scheme, according to the requirements of impedance and limited current that are desired. For a limiter of high power, a large uniform section core will be required, A, given by

A \geq \frac{V_{eficaz} \sqrt{2}}{\pi \nu N_{p} B_{sat}}A \ geq \ frac {V_ {effective} \ sqrt {2}} {\ pi \ nu N_ {p} B_ {sat}}

donde V_{eficaz} es el voltaje de la línea, \nu la frecuencia de la señal de voltaje, N_{p} el número de vueltas del primario y, B_{sat} el campo de saturación del material magnético del núcleo. Con el diseño propuesto para el limitador, el brazo central (en el cual se halla el primario) tendrá la misma sección, A, y el número de brazos laterales vendrá dado por el cociente A/A_{lateral}, donde A_{lateral} es la sección de los mencionados brazos, y estará determinada por el diámetro de los anillos superconductores. Por último, los secundarios estarán repartidos por igual en todos los brazos, y su número será, como mínimo, igual al de brazos laterales.where V_ {effective} is the voltage of the line, \ nu the frequency of the voltage signal, N_ {p} the number of turns of the primary and, B_ {sat} the saturation field of the core's magnetic material. With the proposed design for the limiter, the central arm (in which the primary one is) will have the same section, A, and the number of lateral arms will be given by the ratio A / A_ {lateral}, where A_ {lateral} is the section of the aforementioned arms, and will be determined by the diameter of Superconducting rings Finally, the secondary ones will be distributed equally in all arms, and their number will be, as minimum, equal to arms lateral.

Para un número de anillos superconductores dado, la impedancia del limitador depende de la sección del brazo central. Por eso, si se juntan varios núcleos formando uno de mayor área y más brazos, la capacidad de limitación se ve incrementada. Así, con cuatro núcleos la impedancia es mayor que con tres, con dos, y ésta a su vez mayor que con uno solamente. De forma equivalente, al incrementarse la sección central y el número de brazos por encima de cuatro, el limitador puede funcionar a potencias cada vez más altas y ofrecer, cuando se produce un fallo, una alta impedancia que limite la corriente eléctrica.For a given number of superconducting rings, The impedance of the limiter depends on the arm section central. Therefore, if several cores are joined forming one of greater area and more arms, the capacity of limitation is increased. Thus, with four cores the impedance is greater than with three, with two, and this in turn greater than with only one. So equivalent, as the central section and the number of arms above four, the limiter can operate at higher and higher powers and offer, when a failure occurs, a high impedance that limits the electric current.

Ejemplo 1Example 1

Construimos un limitador superconductor inductivo formado por un conjunto de cuatro núcleos de hierro-silicio (3%), unidos entre sí mediante un primario común que los abraza en la zona de mayor sección, y ocho anillos superconductores de Bi-2223 (Bi_{1.8}Pb_{0.26}Sr_{2}Ca_{2}Cu_{3}O_{10+x}).We build a superconducting limiter inductive formed by a set of four cores of iron-silicon (3%), joined together by a common primary that hugs them in the area of greater section, and eight superconducting rings from Bi-2223 (Bi_ {1.8} Pb_ {0.26} Sr_ {Ca} {2} Cu 3 {10 + x}).

El esquema del dispositivo se muestra en la Figura 1. a, y una fotografía del mismo en la Figura 1. b. Está formado por 4 núcleos toroidales (T), y sus correspondientes anillos superconductores (S). El primario (P) abraza los cuatro toroides, y está conectado en serie a la línea que se quiere proteger de un fallo (C). Los núcleos están constituidos por láminas de material de 0.3 mm de espesor, enrolladas unas sobre las otras pero aisladas eléctricamente entre sí para minimizar las pérdidas producidas por las corrientes que se inducen en ellas (el aislante representa una pérdida de material magnético de un 5%). La longitud de camino magnético es de 14 cm, y la sección de cada uno de los brazos laterales de 2.3 cm^{2}, siendo la sección central de 9.2 cm^{2}. El campo magnético de saturación, B_{sat}, es de aproximadamente 1.7 T. El primario está construido con hilo de cobre de 0.3 mm de diámetro y tiene 40 vueltas. Los anillos superconductores tienen 0.5 cm de altura, 2.1 cm de diámetro interno y 0.25 cm de espesor de pared. Su temperatura crítica es T_{c} = 108 K, y su densidad de corriente crítica a la temperatura de ebullición del nitrógeno líquido (77 K) es J_{c} > 1000 A/cm^{2}.The scheme of the device is shown in the Figure 1. a, and a photograph thereof in Figure 1. b. This formed by 4 toroidal nuclei (T), and their corresponding superconducting rings (S). The primary (P) embraces the four toroids, and is connected in series to the line you want protect from failure (C). The nuclei are constituted by 0.3 mm thick sheets of material, rolled one over the others but electrically isolated from each other to minimize losses caused by the currents that are induced in them (the insulator represents a loss of magnetic material of 5%). The Magnetic path length is 14 cm, and the section of each of the lateral arms of 2.3 cm2, the central section being 9.2 cm2. The magnetic saturation field, B_ {sat}, is approximately 1.7 T. The primary is constructed with wire 0.3 mm diameter copper and has 40 turns. The Rings superconductors are 0.5 cm high, 2.1 cm in diameter internal and 0.25 cm wall thickness. Its critical temperature is T_ {c} = 108 K, and its critical current density at temperature of boiling of liquid nitrogen (77 K) is J_ {c}> 1000 A / cm2.

Para estudiar la actuación del limitador, se conectó a un circuito eléctrico en el cual se simuló un fallo al eliminar una resistencia. La impedancia del limitador antes del fallo es de unos 0.75 \Omega, y tras el mismo, de \approx 4.8 y 3.5 \Omega, según se empleen uno o dos anillos superconductores por brazo lateral. En cada caso, la corriente que debe circular por el primario para provocar la transición de los secundarios al estado disipativo es de aproximadamente 2.5 y 5 A.To study the performance of the limiter, we connected to an electrical circuit in which a fault was simulated Remove a resistance. The impedance of the limiter before failure is about 0.75 \ Omega, and after it, of \ approx 4.8 and 3.5 \ Omega, depending on whether one or two superconducting rings are used by side arm. In each case, the current that must circulate through the primary to cause the transition from secondary to state  Dissipative is about 2.5 and 5 A.

La Figura 2 muestra las curvas de corriente en el primario, I_{p}, frente a voltaje aplicado en la línea, V_{aplicado}, con el fin de ilustrar la diferencia en corriente limitada cuando se incrementa el número de anillos superconductores en cada brazo, y la variación de impedancia a medida que se añaden núcleos para incrementar la sección del transformador. Los datos experimentales de esta figura se refieren a la configuración experimental del Ejemplo 1 (4 núcleos y 1 ó 2 anillos en cada brazo lateral), así como a dos diseños diferentes de limitador, uno con 2 núcleos y el otro sólo con 1 y, en cada caso, con 1 ó 2 anillos en los brazos laterales. Los bobinados primarios tienen en todos los casos 40 vueltas.Figure 2 shows the current curves in the primary, I_ {p}, versus voltage applied on the line, V_ {applied}, in order to illustrate the difference in current limited when the number of superconducting rings is increased in each arm, and the impedance variation as they are added cores to increase the transformer section. The data Experimental of this figure refer to the configuration test of Example 1 (4 cores and 1 or 2 rings on each arm side), as well as two different limiter designs, one with 2 nuclei and the other with only 1 and, in each case, with 1 or 2 rings in the side arms. The primary windings have in all 40 laps cases.

Leyenda para la figura 2:Legend for figure 2:

\Diamond

\;

-\ Diamond

 \; 

-

Un núcleo y un anilloA core and a ring

\triangledown

\;

-\ triangledown

 \; 

-

Un núcleo y dos anillosA core and two rings

\triangle

\;

-\ triangle

 \; 

-

Dos núcleos y un anillo en cada unoTwo cores and one ring in each

\Box

\;

-\ Box

 \; 

-

Dos núcleos y dos anillos en cada unoTwo cores and two rings in each

\medcirc

\;

-\ medcirc

 \; 

-

Cuatro núcleos y un anillo en cada unoFour cores and a ring in each

\ding{73}

\;

-\ ding {73}

 \; 

-

Cuatro núcleos y dos anillos en cada unoFour cores and two rings in each

La Figura 2 muestra que, cuanto mayor es el número de anillos superconductores, más alta es la corriente que se necesita para alcanzar la transición al estado disipativo (que se aprecia como un cambio de pendiente de las curvas, correspondiendo la recta inicial al estado superconductor): para una anillo se ha marcado con I_{c}, y para dos anillos con 2xI_{c}. También se puede ver en esta figura que la pendiente de las curvas I_{p}- V_{aplicado} se vuelve menor al aumentar el número de núcleos, y por lo tanto la sección central y el número de brazos laterales. Esto indica que la impedancia, Z, crece, ya que Z = V_{aplicado}/I_{p} = 1/pendiente. Tras producirse un fallo y con un único núcleo, las impedancias son 2.7 y 1.9 \Omega, según se empleen 1 ó 2 anillos. Con dos núcleos son 3.6 y 2.3 \Omega.Figure 2 shows that, the higher the number of superconducting rings, the higher the current that is need to reach the transition to dissipative state (which appreciate as a change in slope of the curves, corresponding the initial line to the superconducting state): for a ring it has marked with I_ {c}, and for two rings with 2xI_ {c}. I also know You can see in this figure that the slope of the curves I_ {p} - V_ {applied} becomes smaller as the number of cores increases, and therefore the central section and the number of lateral arms. This indicates that the impedance, Z, grows, since Z = V_ {applied} / I_ {p} = 1 / pending. After a failure has occurred and with a single core, the impedances are 2.7 and 1.9 \ Omega, as use 1 or 2 rings. With two cores are 3.6 and 2.3 \ Omega.

Claims (1)

1. Limitador inductivo de corriente superconductor basado en un circuito magnético, un bobinado primario y varios secundarios superconductores, cuya utilidad es reducir las corrientes de fallo que surgen en los procesos de producción y distribución de electricidad, siendo escalable a grandes potencias empleando secundarios superconductoras de pequeño diámetro, caracterizado por un circuito magnético con una parte de gruesa sección transversal y otra parte formada por varios segmentos de menor sección que en conjunto suman la misma sección que en la parte gruesa; el primario abraza la parte gruesa del circuito magnético y está conectado en serie a la línea que se quiere proteger de fallos, y el secundario está formado por varios anillos o películas superconductoras crecidas sobre arandelas de pequeño diámetro dispuestos en los segmentos de menor sección del circuito
magnético.1. Inductive superconducting current limiter based on a magnetic circuit, a primary winding and several secondary superconductors, whose utility is to reduce the fault currents that arise in the processes of production and distribution of electricity, being scalable to large powers using secondary superconductors of small diameter, characterized by a magnetic circuit with a part of thick cross section and another part formed by several segments of smaller section that together add up the same section as in the thick part; the primary embraces the thick part of the magnetic circuit and is connected in series to the line that is to be protected from faults, and the secondary is formed by several rings or superconducting films grown on small diameter washers arranged in the segments of smaller section of the circuit
magnetic.