RU206406U1 - High voltage fuse with high temperature superconducting insert - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области плавких предохранителей и может быть применена в мощных электрических сетях для защиты силового электрооборудования и линий электропередач от токов короткого замыкания.Технический результат полезной модели - повышение надежности функционирования предохранителя со сменной ВТСП-вставкой и осуществляемой им защиты электрооборудования.Предохранитель содержит плавкую вставку (1) из высокотемпературных сверхпроводящих лент, предназначенную для размещения в криостате (2). Вставка (1) заключена в патрон (6), выполненный из электроизоляционного материала, сохраняющего упругость при температуре жидкого азота. Патрон (6) в его верхней и нижней частях снабжен отверстиями (9) и (8), предназначенными для сообщения полости (7) патрона (6) с внутренней полостью (3) криостата (2). Для оптимизации процесса дугогашения ось вставка (1) смещена относительно оси (12) патрона (6), а отверстие (9) выполнено в виде продольной щели. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.The utility model relates to the field of fuses and can be used in powerful electrical networks to protect power electrical equipment and power lines from short-circuit currents. The technical result of the utility model is to increase the reliability of the operation of a fuse with a replaceable HTSC insert and the protection of electrical equipment carried out by it. The fuse contains a fuse. insert (1) made of high-temperature superconducting tapes, intended for placement in a cryostat (2). The insert (1) is enclosed in a cartridge (6) made of an electrically insulating material that retains elasticity at the temperature of liquid nitrogen. The cartridge (6) in its upper and lower parts is equipped with holes (9) and (8), designed to communicate the cavity (7) of the cartridge (6) with the inner cavity (3) of the cryostat (2). To optimize the arc suppression process, the axis of the insert (1) is offset relative to the axis (12) of the cartridge (6), and the hole (9) is made in the form of a longitudinal slot. 1 C.p. f-crystals, 2 ill.

Description

Область техникиTechnology area

Полезная модель относится к области плавких предохранителей и может быть применена в мощных электрических сетях для защиты силового электрооборудования и линий электропередач от токов короткого замыкания (КЗ). В зависимости от характеристик защищаемого оборудования заявляемый предохранитель может быть использован как для полного отключения тока КЗ, так и для ограничения тока КЗ до момента срабатывания штатной релейной защиты. В последнем случае заявляемый предохранитель используется в качестве основного элемента токоограничителя, в котором параллельно предохранителю подключен шунт из не сверхпроводящего материала, сопротивление которого ограничивает ток КЗ после перегорания предохранителя.The utility model relates to the field of fuses and can be used in powerful electrical networks to protect power electrical equipment and power lines from short-circuit currents (SC). Depending on the characteristics of the protected equipment, the claimed fuse can be used both for complete shutdown of the short-circuit current and for limiting the short-circuit current until the standard relay protection is triggered. In the latter case, the inventive fuse is used as the main element of the current limiter, in which a shunt of non-superconducting material is connected in parallel to the fuse, the resistance of which limits the short-circuit current after the fuse blows.

Уровень техникиState of the art

Известен выбранный в качестве прототипа высоковольтный предохранитель, содержащий плавкую вставку из высокотемпературных сверхпроводящих лент (ВТСП-лент), предназначенную для размещения в криостате [CN 102545141 А, публ. 21.09.2016].Known selected as a prototype high-voltage fuse containing a fuse-link made of high-temperature superconducting tapes (HTSC tapes), intended for placement in a cryostat [CN 102545141 A, publ. 09/21/2016].

Преимущество плавких предохранителей с вставкой из ВТСП-лент (ВТСП-вставкой) перед обычными предохранителями - возможность достижения более высокого быстродействия, то есть более короткого времени размыкания защищаемой цепи при возникновении КЗ.The advantage of fuses with an insert made of HTSC tapes (HTSC insert) over conventional fuses is the possibility of achieving a higher speed of response, that is, a shorter opening time of the protected circuit in the event of a short circuit.

В прототипе ВТСП-вставка выполнена из нескольких параллельных ВТСП-лент, соединенных медными шинами, которые закреплены в рамной конструкции, размещенной во внутренней полости криостата, и с помощью токопроводящих кронштейнов подключены к его криогенным токовводам.In the prototype, the HTSC insert is made of several parallel HTSC tapes connected by copper buses, which are fixed in a frame structure located in the inner cavity of the cryostat, and are connected to its cryogenic current leads using conductive brackets.

В нормальном режиме защищаемой цепи ток через вставку из ВТСП-лент (ВТСП-вставку) не превышает их суммарный критический ток. При этом ВТСП-ленты, охлаждаемые заполняющим криостат криоагентом (жидким азотом), находятся в сверхпроводящем состоянии, то есть имеют нулевое сопротивление. При возникновении КЗ в цепи, защищаемой предохранителем, ток, протекающий через ВТСП-вставку, возрастает до величины, превышающий суммарный критический ток ВТСП-лент. В результате ВТСП-ленты переходят из сверхпроводящего в нормальное состояние с ненулевым сопротивлением электрическому току и разогреваются выделяющимся на их активном сопротивлении джоулевым теплом.In the normal mode of the protected circuit, the current through the insert from HTSC tapes (HTSC insert) does not exceed their total critical current. In this case, HTSC tapes cooled by a cryoagent filling the cryostat (liquid nitrogen) are in a superconducting state, that is, they have zero resistance. When a short circuit occurs in a circuit protected by a fuse, the current flowing through the HTSC insert increases to a value exceeding the total critical current of the HTSC tapes. As a result, HTSC tapes pass from a superconducting to a normal state with a nonzero resistance to electric current and are heated by the Joule heat released on their active resistance.

Вследствие высокой скорости перехода из сверхпроводящего состояния в нормальное и малой толщины ВТСП-лент они разрушаются в результате электровзрывного процесса и размыкают защищаемую цепь. После отключения сработавшего предохранителя от источников напряжения рамная конструкция может быть заменена на новую ВТСП-вставку.Due to the high rate of transition from the superconducting state to the normal state and the small thickness of the HTSC tapes, they are destroyed as a result of the electroexplosive process and open the protected circuit. After the tripped fuse is disconnected from the voltage sources, the frame structure can be replaced with a new HTSC insert.

Недостаток прототипа состоит в том, что при каждом срабатывании предохранителя мощная ударная волна от электровзрыва ВТСП-лент, возникающая в жидком азоте, воздействует на криостат с риском его повреждения, а мелкодисперсионные продукты электровзрыва ВТСП-лент остаются в криостате, ухудшая изолирующие свойства криостата и криоагента. Это ухудшает процесс затухания дуги после электровзрыва ВТСП-лент, а также создает возможность возникновения дуги даже в номинальном режиме после нескольких замен ВТСП-вставки. По вышеизложенным причинам надежность функционирования предохранителя-прототипа падает настолько, что возникает необходимость перед каждой заменой сгоревшего предохранителя производить контрольную чистку криостата и замену криоагента.The disadvantage of the prototype is that at each operation of the fuse, a powerful shock wave from the electric explosion of HTSC tapes, arising in liquid nitrogen, affects the cryostat with the risk of damage, and the finely dispersed products of the electric explosion of HTSC tapes remain in the cryostat, deteriorating the insulating properties of the cryostat and cryoagent ... This worsens the process of arc decay after the electric explosion of HTSC tapes, and also creates the possibility of arcing even in the nominal mode after several replacements of the HTSC insert. For the above reasons, the reliability of functioning of the prototype fuse decreases so much that it becomes necessary to perform a control cleaning of the cryostat and replace the cryoagent before each replacement of a burnt fuse.

Сущность полезной моделиThe essence of the utility model

Технический результат полезной модели - повышение надежности функционирования предохранителя со сменной ВТСП-вставкой и осуществляемой им защиты электрооборудования.The technical result of the utility model is an increase in the reliability of the operation of a fuse with a replaceable HTSC insert and the protection of electrical equipment carried out by it.

В случае использования заявляемого предохранителя в составе токоограничителя, себестоимость изделия в целом может быть снижена, по сравнению с токоограничителями других типов (в частности, с резистивными сверхпроводящими токоограничителями) как минимум, на порядок.In the case of using the inventive fuse as part of a current limiter, the cost of the product as a whole can be reduced, in comparison with current limiters of other types (in particular, with resistive superconducting current limiters), at least by an order of magnitude.

Предметом полезной модели является предохранитель, содержащий плавкую вставку, по меньшей мере, из одной ВТСП-ленты, предназначенную для размещения в криостатате с жидким азотом, отличающийся тем, что указанная вставка заключена в патрон, выполненный из электроизоляционного материала, сохраняющего упругость при температуре жидкого азота, при этом патрон в его верхней и нижней частях снабжен отверстиями, предназначенными для сообщения полости патрона с внутренней полостью криостата.The subject of the utility model is a fuse containing a fuse link of at least one HTSC tape, intended for placement in a cryostat with liquid nitrogen, characterized in that said insert is enclosed in a cartridge made of electrical insulating material that retains elasticity at the temperature of liquid nitrogen , while the cartridge in its upper and lower parts is equipped with holes designed to communicate the cavity of the cartridge with the inner cavity of the cryostat.

Это повышает надежность функционирования предохранителя со сменной ВТСП-вставкой и осуществляемой им защиты электрооборудования, так как снижает вероятность повреждения криостата ударной волной электровзрыва ВТСП-вставки и/или потери электроизоляционных свойств криостата и криоагента, вследствие их загрязнения продуктами сгорания заменяемых ВТСП-вставок.This increases the reliability of the operation of the fuse with a replaceable HTSC insert and the protection of electrical equipment it provides, since it reduces the likelihood of damage to the cryostat by the shock wave of an electric explosion of the HTSC insert and / or loss of the electrical insulating properties of the cryostat and cryoagent due to their contamination with the combustion products of the replaced HTSC inserts.

Развитие полезной модели состоит в том, что ось плавкой вставки смещена относительно оси патрона, а отверстие в верхней части патрона выполнено в виде продольной щели, размеры которой согласуются с расположением и ориентацией ленты, таким образом, чтобы исключить возможность возврата отраженной ударной волны в межконтактный промежуток.The development of the utility model consists in the fact that the axis of the fusible link is displaced relative to the axis of the cartridge, and the hole in the upper part of the cartridge is made in the form of a longitudinal slot, the dimensions of which are consistent with the location and orientation of the tape, so as to exclude the possibility of returning the reflected shock wave into the contact gap ...

Как показали эксперименты, отраженная ударная волна обладает достаточной мощностью для сжатия разлетающихся продуктов сгорания ВТСП-лент, которое способно инициировать возникновение повторной электрической дуги.Experiments have shown that the reflected shock wave has sufficient power to compress the expanding combustion products of HTSC tapes, which is capable of initiating the onset of a repeated electric arc.

Осуществление полезной модели с учетом ее развитияImplementation of a utility model taking into account its development

На фиг. 1 и 2 показана конструкция заявляемого предохранителя с раскрытием размещения патрона во внутренней полости криостата.FIG. 1 and 2 show the design of the inventive fuse with the disclosure of the placement of the cartridge in the inner cavity of the cryostat.

На фигурах обозначено:The figures indicate:

1 - плавкая ВТСП-вставка.1 - fusible HTSC insert.

2 - криостат с двойными стенками и теплоизоляцией, например, вакуумной, в межстеночной полости;2 - cryostat with double walls and thermal insulation, for example, vacuum, in the inter-wall cavity;

3 - внутренняя полость криостата 2;3 - the inner cavity of the cryostat 2;

4 - криогенные токовводы с высоковольтной изоляцией 5;4 - cryogenic current leads with high-voltage insulation 5;

6 - патрон из упругого электроизоляционного материала, сохраняющего упругость при температуре жидкого азота (например, из политетрафторэтилен, торговая марка фторопласт-4 или сверхвысокомолекулярного полиэтилена - СВМПЭ);6 - a cartridge made of an elastic electrical insulating material that retains its elasticity at the temperature of liquid nitrogen (for example, polytetrafluoroethylene, trade mark fluoroplast-4 or ultra-high molecular weight polyethylene - UHMWPE);

7 - внутренняя полость патрона 6;7 - the inner cavity of the cartridge 6;

8 и 9 - отверстия, выполненные в нижней и верхней частях патрона 6 соответственно, предназначенные для сообщения полости 7 с полостью 3.8 and 9 - holes made in the lower and upper parts of the cartridge 6, respectively, designed to communicate the cavity 7 with the cavity 3.

Вставка 1 может быть выполнена из одной ВТСП-ленты или нескольких параллельных ВТСП-лент, соединенных с токовводами 4, например, с помощью шин (как в прототипе) или, как показано на фигурах, с помощью концевых контактов 10 (например, ножевого или колпачкового типа), закрепленных на торцах патрона 6 и соединенных с плавкой вставкой 1. Контакты 10 предназначены для введения в размещенные в полости 3 криостата 2 ответные контакты 11, соединенные с токовводами 4.Insert 1 can be made of one HTSC tape or several parallel HTSC tapes connected to current leads 4, for example, using buses (as in the prototype) or, as shown in the figures, using end contacts 10 (for example, knife or cap type), fixed at the ends of the cartridge 6 and connected to the fusible insert 1. Contacts 10 are intended for insertion into the counter contacts 11 located in the cavity 3 of the cryostat 2 and connected to the current leads 4.

Отверстия 8 и 9 выполнены в нижней и верхней частях патрона 6 относительно его продольной оси 12.Holes 8 and 9 are made in the lower and upper parts of the cartridge 6 relative to its longitudinal axis 12.

Продольная ось вставки 1 смещена относительно оси 12 патрона 6.The longitudinal axis of the insert 1 is offset relative to the axis 12 of the cartridge 6.

Отверстие 9, выполнено в виде продольной щели, размеры которой согласуются с расположением и ориентацией вставки 1 таким образом, чтобы исключить возможность возврата отраженной ударной волны в межконтактный промежуток.The hole 9 is made in the form of a longitudinal slot, the dimensions of which are consistent with the location and orientation of the insert 1 in such a way as to exclude the possibility of returning the reflected shock wave into the contact gap.

Предохранитель, предназначенный для размещения в криостате, работает следующим образом.The fuse, designed to be placed in a cryostat, works as follows.

Патрон 6 с заключенной в него плавкой ВТСП-вставкой 1, представляющий собой сменный модуль, устанавливают контактами 10 (на фигурах показаны контакты 10 ножевого типа) в ответные контакты 11.The cartridge 6 with the HTSC fusible insert 1 enclosed in it, which is a replaceable module, is installed with contacts 10 (the figures show knife-type contacts 10) into the counterparts 11.

Полость 3 криостата 2 заполняют криоагентом (жидким азотом), обеспечивающим сверхпроводящее состояние ВТСП-вставки 1.The cavity 3 of the cryostat 2 is filled with a cryoagent (liquid nitrogen), which ensures the superconducting state of the HTSC insert 1.

С помощью коммутирующих устройств (на фигурах не показаны), подключенных к токовводам 4, предохранитель вводят в защищаемую электрическую цепь. В случае использования предохранителя в составе токоограничителя, параллельно ему подключают внешний шунт.With the help of switching devices (not shown in the figures) connected to current leads 4, the fuse is introduced into the protected electrical circuit. In the case of using a fuse as part of a current limiter, an external shunt is connected in parallel to it.

В нормальном режиме защищаемой цепи, ток через вставку 1 не превышает значения критического тока ВТСП-ленты, и вставка 1, охлаждаемая заполняющим криостат 2 жидким азотом, находится в сверхпроводящем состоянии с нулевым электрическим сопротивлением. При возникновении КЗ в цепи, защищаемой предохранителем, ток, протекающий через вставку 1, возрастает до величины, превышающий критический ток ВТСП-ленты. ВТСП-лента вставки 1 переходит из сверхпроводящего состояния в нормальное с ненулевым сопротивлением электрическому току и разогревается джоулевым теплом, выделяющемся на активном сопротивлении ВТСП-ленты.In the normal mode of the protected circuit, the current through insert 1 does not exceed the critical current of the HTSC tape, and insert 1, cooled by liquid nitrogen filling the cryostat 2, is in a superconducting state with zero electrical resistance. When a short circuit occurs in a circuit protected by a fuse, the current flowing through insert 1 increases to a value exceeding the critical current of the HTSC tape. The HTSC tape of the insert 1 passes from the superconducting state to the normal state with a nonzero resistance to electric current and is heated by the Joule heat released at the active resistance of the HTSC tape.

Вследствие высокой скорости перехода из сверхпроводящего состояния в нормальное и малой толщины ВТСП-ленты возникает электровзрывной процесс ее разрушения с зажиганием и погасанием электрической дуги между частями ВТСП-ленты, соединенными с контактами 10. Возникающая при электровзрыве ударная волна распространяется в криоагенте (жидком азоте), заполняющем патрон 6, который, благодаря упругости его материала, демпфирует ударную волну, снижая энергию ее воздействия на стенки патрона. При этом мелкодисперсионные продукты электровзрывного сгорания ВТСП-ленты, которые в устройстве-прототипе полностью попадают в полость 3 криостата 2, в заявляемой конструкции ВТСП-предохранителя оседают на внутренней поверхности патрона 6, не попадая в полость 3 и не ухудшая электроизоляционные свойства криостата и криоагента.Due to the high speed of the transition from the superconducting state to the normal state and the small thickness of the HTSC tape, an electroexplosive process of its destruction occurs with the ignition and extinction of an electric arc between the parts of the HTSC tape connected to the contacts 10. The shock wave arising from an electric explosion propagates in a cryoagent (liquid nitrogen), filling the cartridge 6, which, due to the elasticity of its material, dampens the shock wave, reducing the energy of its impact on the walls of the cartridge. In this case, the fine-dispersed products of the electroexplosive combustion of the HTSC tape, which in the prototype device completely fall into the cavity 3 of the cryostat 2, in the claimed design of the HTSC fuse settle on the inner surface of the cartridge 6 without falling into the cavity 3 and without deteriorating the electrical insulating properties of the cryostat and the cryoagent.

В результате сгорания ВТСП-вставки 1 ток КЗ через защищаемое оборудование либо прекращается, либо (в случае использования вставки в составе токоограничителя) вытесняется во внешний шунт. После отключения коммутирующими устройствами токовводов 4 от высокого напряжения патрон 6 со сгоревшей вставкой 1 заменяют.As a result of the combustion of the HTSC insert 1, the short-circuit current through the protected equipment is either stopped, or (in the case of using the insert as part of the current limiter) is displaced into the external shunt. After the switching devices disconnect the current leads 4 from the high voltage, the cartridge 6 with the burnt out insert 1 is replaced.

Как следует из вышеизложенного, совокупность существенных признаков заявляемого предохранителя, характеризующегося тем, что вставка 1, по меньшей мере, из одной ВТСП-ленты, предназначенная для размещения в криостате 2, заключена в патрон 6, выполненный из электроизоляционного материала, сохраняющего упругость при температуре жидкого азота, и при этом патрон 6 в его верхней и нижней частях снабжен отверстиями 9 и 8 соответственно, предназначенными для сообщения полости 7 патрона 6 с внутренней полостью 3 криостата 2, необходима и достаточна для достижения указанного в заявке технического результата, а именно повышения надежности функционирования предохранителя со сменной ВТСП-вставкой и осуществляемой им защиты электрооборудования, благодаря снижению вероятности повреждения криостата ударной волной электровзрыва ВТСП-вставки и/или потери электроизоляционных свойств криостата и криоагента в результате загрязнения продуктами сгорания заменяемых ВТСП-вставок.As follows from the foregoing, the set of essential features of the inventive fuse, characterized in that the insert 1, of at least one HTSC tape, intended for placement in the cryostat 2, is enclosed in a cartridge 6 made of electrical insulating material that retains elasticity at liquid temperature. nitrogen, and at the same time the cartridge 6 in its upper and lower parts is equipped with holes 9 and 8, respectively, designed to communicate the cavity 7 of the cartridge 6 with the internal cavity 3 of the cryostat 2, is necessary and sufficient to achieve the technical result specified in the application, namely, to increase the reliability of operation a fuse with a replaceable HTSC insert and the protection of electrical equipment carried out by it, due to a decrease in the likelihood of damage to the cryostat by a shock wave of an electric explosion of the HTSC insert and / or loss of the electrical insulating properties of the cryostat and cryoagent as a result of contamination with combustion products of the replaced HTSC inserts.

Как показали проведенные эксперименты, выполнение в верхней части патрона 6 продольной щели 9 и смещение оси плавкой вставки 1 относительно оси 12 патрона 6 дополнительно способствует достижению вышеуказанного технического результата.As shown by the experiments, the execution in the upper part of the cartridge 6 of the longitudinal slot 9 and the displacement of the axis of the fusible insert 1 relative to the axis 12 of the cartridge 6 additionally contributes to the achievement of the above technical result.

Заявленная совокупность признаков полезной модели не известна из уровня техники и, следовательно, удовлетворяет критерию «новизна».The claimed set of features of a utility model is not known from the prior art and, therefore, satisfies the criterion of "novelty".

Полезная модель удовлетворяет критерию «промышленная применимость», так как надежная работа заявленного предохранителя подтверждена серией проведенных экспериментов на переменном токе с амплитудой до 500 А.The utility model meets the criterion of "industrial applicability", since the reliable operation of the declared fuse has been confirmed by a series of experiments carried out on alternating current with an amplitude of up to 500 A.

Claims (2)

1. Предохранитель, содержащий плавкую вставку, по меньшей мере, из одной высокотемпературной сверхпроводящей ленты, предназначенную для размещения в криостате с жидким азотом, отличающийся тем, что указанная вставка заключена в патрон, выполненный из электроизоляционного материала, сохраняющего упругость при температуре жидкого азота, при этом патрон в его верхней и нижней частях снабжен отверстиями, предназначенными для сообщения полости патрона с внутренней полостью криостата.1. A fuse containing a fusible link of at least one high-temperature superconducting tape, intended for placement in a cryostat with liquid nitrogen, characterized in that said insert is enclosed in a cartridge made of an electrically insulating material that retains elasticity at the temperature of liquid nitrogen, at In this case, the cartridge in its upper and lower parts is equipped with holes designed to communicate the cavity of the cartridge with the internal cavity of the cryostat. 2. Предохранитель по п. 1, отличающийся тем, что ось плавкой вставки смещена относительно оси патрона, а отверстие в его верхней части выполнено в виде продольной щели, размеры которой согласуются с расположением и ориентацией вставки.2. The fuse according to claim 1, characterized in that the axis of the fuse insert is displaced relative to the axis of the cartridge, and the hole in its upper part is made in the form of a longitudinal slot, the dimensions of which are consistent with the location and orientation of the insert.

Images