RU2027240C1 - Current-limiting reactor - Google Patents

Abstract

FIELD: electrical engineering. SUBSTANCE: reactor has dielectric carcass 1 onto which winding 2 made of typical conductor is wound. Winding 3 made of superconducting material and having the direction opposite to the winding of winding 2 is wound over winding 2. Windings 2 and 3 are connected in parallel. Winding 4 made of typical conductor is wound over winding 3. This winding is connected in series with windings 2 and 3. EFFECT: provided economy of the superconducting material. 2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам для ограничения тока короткого замыкания в электрической цепи. The invention relates to electrical engineering, in particular to devices for limiting the short-circuit current in an electrical circuit.

Известно токоограничивающее устройство [1], содержащее две встречно навитые на каркас обмотки, которые соединены параллельно, причем одна из параллельных ветвей содержит также резистивный элемент. Такое устройство служит как токоограничивающим реактором при переходных процессах при включении коммутационного аппарата, так и демпфирущим резистором при отключении аппарата. Оно может быть использовано в качестве шунтирующего коммутационный аппарат для ограничения бросков тока и перенапряжений, возникающих при коммутациях тока выключателями или разъединителями. Однако его нельзя применять для ограничения тока в цепи при коротких замыканиях в ней. Known current-limiting device [1], containing two counter-wound windings on the frame, which are connected in parallel, and one of the parallel branches also contains a resistive element. Such a device serves as a current-limiting reactor during transients when the switching device is turned on, and a damping resistor when the device is turned off. It can be used as a shunt switching device to limit inrush currents and overvoltages that occur when current is switched by switches or disconnectors. However, it cannot be used to limit the current in the circuit during short circuits in it.

Наиболее близким к предлагаемому является токоограничивающее устройство [2] содержащее две одинаковые по числу витков обмотки, соединенные параллельно, встречно навитые на один каркас и выполненные из сверхпроводников. При протекании рабочего тока, который меньше критического тока сверхпроводников, такое устройство практически не имеет ни активного, ни реактивного сопротивления. При увеличении тока при коротком замыкании вследствие превышения током критического значения сверхпроводник переходит в резистивное состояние и возникшее активное сопротивление ограничивает дальнейший рост тока короткого замыкания. Недостатком такого устройства является потребность в относительно большом количестве сверхпроводников, так как их суммарное сечение должно быть рассчитано на протекание рабочего тока. Closest to the proposed one is a current-limiting device [2] containing two windings of the same number of turns connected in parallel, counter-wound onto one frame and made of superconductors. When the operating current flows, which is less than the critical current of superconductors, such a device has practically no active or reactive resistance. When the current increases during a short circuit due to exceeding the critical value by the current, the superconductor enters a resistive state and the resulting active resistance limits the further growth of the short circuit current. The disadvantage of this device is the need for a relatively large number of superconductors, since their total cross section must be designed for the flow of the operating current.

Цель изобретения - уменьшение количества сверхпроводниковых материалов, используемых в токоограничивающем устройстве. The purpose of the invention is to reduce the number of superconducting materials used in a current-limiting device.

Цель достигается тем, что в токоограничивающем реакторе, содержащем две вложенные друг в друга, параллельно соединенные и навитые встречно обмотки, причем по крайней мере одна обмотка выполнена из материала, обладающего при рабочей температуре свойством сверхпроводимости по отношению к электрическому току, имеется по крайней мере три обмотки, причем по крайней мере одна из обмоток выполнена из материала, не обладающего свойством сверхпроводимости при рабочей температуре, а смежные обмотки выполнены из материалов с разными свойствами в отношении сверхпроводимости. The goal is achieved by the fact that in a current-limiting reactor containing two nested in each other, parallel connected and wound counter-wound windings, and at least one winding is made of a material having at the operating temperature the property of superconductivity with respect to electric current, there are at least three windings, and at least one of the windings is made of a material that does not have the property of superconductivity at operating temperature, and adjacent windings are made of materials with different properties in regarding superconductivity.

Указанные признаки отсутствуют в известных технических решениях. These signs are absent in the known technical solutions.

На фиг. 1 изображено предложенное устройство с последовательно-параллельным соединением обмоток; на фиг.2 - вариант с параллельным соединением обмоток и с магнитопроводом. In FIG. 1 shows the proposed device with a series-parallel connection of the windings; figure 2 - option with a parallel connection of the windings and the magnetic circuit.

Устройство (фиг. 1) содержит диэлектрический каркас 1, на который навита обмотка 2 из обычного проводникового материала. Поверх обмотки 2 навита обмотка 3, выполненная из сверхпроводящего материала и имеющая направление намотки, противоположное намотке обмотки 2. Обмотки 2 и 3 соединены параллельно. Поверх обмотки 3 навита обмотка 4, выполненная из обычного проводникового материала. Эта обмотка соединена последовательно с обмотками 2 и 3 и имеет направление намотки, одинаковое с обмоткой 3. Целесообразно, чтобы обмотка 2 имела число витков, превышающее число витков в обмотке 3. The device (Fig. 1) contains a dielectric frame 1, on which a winding 2 of ordinary conductive material is wound. Over winding 2, winding 3 is made of superconducting material and having a winding direction opposite to winding of winding 2. Windings 2 and 3 are connected in parallel. Over the winding 3, a winding 4 is wound, made of ordinary conductor material. This winding is connected in series with windings 2 and 3 and has a winding direction identical with winding 3. It is advisable that winding 2 has a number of turns exceeding the number of turns in winding 3.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

При протекании рабочего тока после его перехода из обмотки 4 в обмотки 2 и 3 он перераспределяется между последними так, что суммарное магнитное поле внутри устройства практически равно нулю, т.е. нулевое значение имеет индуктивное сопротивление устройства. При росте тока при возникновении короткого замыкания в сети и превышении его предельного значения сверхпроводящая обмотка переходит в резистивное состояние, в результате чего ток через нее практически перестает расти. Это значит, что при токах короткого замыкания индуктивное сопротивление устройства определяется только последовательно соединенными обмотками 2 и 4. Возникающее индуктивное сопротивление ограничивает рост тока короткого замыкания. When the working current flows after it passes from winding 4 to windings 2 and 3, it is redistributed between the latter so that the total magnetic field inside the device is practically zero, i.e. the inductive resistance of the device is zero. With increasing current when a short circuit occurs in the network and exceeding its limit value, the superconducting winding goes into a resistive state, as a result of which the current through it practically ceases to grow. This means that with short-circuit currents, the inductive resistance of the device is determined only by the windings 2 and 4 connected in series. The resulting inductive resistance limits the growth of the short-circuit current.

Преимущество размещения третьей обмотки 4 из обычного проводника, которая отделена от другой такой обмотки 2 обмоткой 3 из сверхпроводящего материала, заключается в том, что на сверхпроводнике в обмотке 3 действуют меньшие магнитные поля по сравнению с вариантом, соответствующим прототипу (т.е. вариантом, имеющим ту же индуктивность несверхпроводящей обмотки, что и совместно обмотки 2 и 4 предложенного устройства). Так как критическая плотность тока современных керамических высокотемпературных сверхпроводников сильно зависит от магнитного поля, это позволяет применять в устройстве сверхпроводниковую обмотку с меньшим сечением и меньшей длиной сверхпроводника, т.е. добиться экономии сверхпроводниковых материалов. The advantage of placing the third winding 4 from a conventional conductor, which is separated from another such winding 2 by a winding 3 of superconducting material, is that lower magnetic fields act on the superconductor in winding 3 compared with the version corresponding to the prototype (i.e., having the same inductance of a non-superconducting winding as jointly windings 2 and 4 of the proposed device). Since the critical current density of modern ceramic high-temperature superconductors is highly dependent on the magnetic field, this allows the use of a superconductor winding with a smaller cross section and a shorter superconductor length, i.e. achieve savings in superconducting materials.

Дальнейшее снижение магнитного поля, воздействующего на сверхпроводник, возможно путем дальнейшего увеличения числа вложенных друг в друга обмоток, в том числе сверхпроводниковых обмоток. На фиг. 2 изображен вариант с двумя сверхпроводниковыми обмотками и двумя обмотками из обычного материала. Устройство имеет цилиндрический каркас 1, на который в чередующемся порядке навиты обмотки 2 из обычного материала и обмотки 3 из сверхпроводникового материала. В данном случае все обмотки соединены параллельно, причем смежные обмотки имеют встречное направление обмотки. Для увеличения индуктивного сопротивления в режиме токоограничения устройство снабжено магнитопроводом 4, который может иметь, как в представленном случае, или не иметь воздушного зазора. Для более равномерного распределения токов могут быть применены выравнивающие катушки 5 индуктивности или другие индуктивные элементы. A further decrease in the magnetic field acting on the superconductor is possible by further increasing the number of windings embedded in each other, including superconducting windings. In FIG. 2 shows a variant with two superconducting windings and two windings of ordinary material. The device has a cylindrical frame 1, on which, in alternating order, windings 2 of ordinary material and windings 3 of superconducting material are wound. In this case, all windings are connected in parallel, with adjacent windings having the opposite direction of the winding. To increase the inductive resistance in current limiting mode, the device is equipped with a magnetic circuit 4, which may have, as in the present case, or may not have an air gap. For a more uniform distribution of currents, leveling inductors 5 or other inductive elements can be used.

Устройство на фиг. 2 работает следующим образом. The device of FIG. 2 works as follows.

В рабочем режиме электрической цепи протекающие токи меньше критического тока для сверхпроводниковых обмоток, поэтому ток по обмоткам распределяется обратно пропорционально числу витков в обмотках, в результате чего магнитное поле внутри каркаса практически полностью компенсируется и токоограничивающее устройство обладает пренебрежимо малым активным и реактивным сопротивлением. При превышении током критического значения сверхпроводниковые обмотки переходят в резистивное состояние, прирост тока происходит в основном в обмотках, изготовленных из обычного проводника, и так как они имеют одинаковое направление намотки, это ведет к появлению индуктивного сопротивления. In the operating mode of the electric circuit, the flowing currents are less than the critical current for superconducting windings, so the current is distributed in the windings inversely to the number of turns in the windings, as a result of which the magnetic field inside the frame is almost completely compensated and the current-limiting device has a negligible active and reactive resistance. When the current exceeds the critical value, the superconducting windings turn into a resistive state, the current increases mainly in windings made of a conventional conductor, and since they have the same winding direction, this leads to the appearance of inductive resistance.

Применение нескольких пар обмоток в устройстве по фиг. 2 позволяет в соответствующее число раз увеличить номинальный ток в сравнении с устройством, имеющим одну пару обмоток тех же габаритов. Чтобы эти два устройства сделать равными по номинальному току, не достаточно пропорционально увеличить сечения проводников в обычной и сверхпроводниковой обмотках, так как в этом случае соответствующим образом увеличилось бы магнитное поле, воздействующее на сверхпроводниковую обмотку, что ведет к уменьшению номинального тока. Для компенсации этого отрицательного эффекта сечение сверхпроводника придется увеличить. Одновременно придется увеличить его длину, чтобы получить то же самое значение сопротивления обмотки в резистивном состоянии. Таким образом, увеличение числа обмотки и в этом варианте их соединения приводит к экономии сверхпроводникового материала. The use of several pairs of windings in the device of FIG. 2 allows to increase the rated current in an appropriate number of times in comparison with a device having one pair of windings of the same dimensions. To make these two devices equal in nominal current, it is not enough to proportionally increase the cross-sections of conductors in ordinary and superconducting windings, since in this case the magnetic field acting on the superconducting winding would correspondingly increase, which leads to a decrease in the nominal current. To compensate for this negative effect, the cross section of the superconductor will have to be increased. At the same time, it will be necessary to increase its length in order to obtain the same value of the resistance of the winding in the resistive state. Thus, an increase in the number of windings and, in this embodiment, their connection leads to savings in superconducting material.

Когда критические магнитные поля используемых сверхпроводников малы (меньше индукции насыщения ферромагнетиков), что характерно для керамических высокотемпературных сверхпроводников, эффективность устройства может быть повышена за счет применения магнитопроводов с воздушным зазором (как изображено на фиг. 2) или без него. Эффективность устройства может быть повышена также за счет применения сверхпроводниковых обмоток со значительно большим числом витков, чем у обмотки из обычных материалов (например, в 10 раз и больше), так как при этом в соответствующее число раз может быть уменьшено сечение сверхпроводника, а часть сверхпроводниковой обмотки заменена обмоткой из обычного несверхпроводникового материала. When the critical magnetic fields of the superconductors used are small (less than the saturation induction of ferromagnets), which is characteristic of ceramic high-temperature superconductors, the efficiency of the device can be improved by using magnetic circuits with an air gap (as shown in Fig. 2) or without it. The efficiency of the device can also be improved through the use of superconducting windings with a significantly larger number of turns than the winding of ordinary materials (for example, 10 times or more), since in this case the cross section of the superconductor can be reduced by the corresponding number of times, and part of the superconducting the winding is replaced by a winding of ordinary non-superconducting material.

Claims (3)

1. ТОКООГРАНИЧИВАЮЩИЙ РЕАКТОР, содержащий две основные обмотки, одна из которых выполнена из сверхпроводника, отличающийся тем, что он снабжен дополнительной обмоткой, основные обмотки навиты встречно и параллельно соединены между собой, причем смежные обмотки имеют разные свойства сверхпроводимости. 1. A current-limiting reactor containing two main windings, one of which is made of a superconductor, characterized in that it is equipped with an additional winding, the main windings are wound in opposite and parallel to each other, and adjacent windings have different properties of superconductivity. 2. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что основные обмотки соединены последовательно с дополнительной. 2. The reactor according to claim 1, characterized in that the main windings are connected in series with an additional one. 3. Реактор по п.1, отличающийся тем, что он снабжен четвертой обмоткой, все обмотки параллельно соединены между собой. 3. The reactor according to claim 1, characterized in that it is equipped with a fourth winding, all windings are connected in parallel with each other.

Images