трансформатор электрического тока с сверхпроводящими катушками

Формула изобретения

1. Трансформатор электрического тока, включающий в себя первичную и вторичную обмотки, каждая из которых состоит по меньшей мере из одной первой катушки (2, 3, 11, 12, 14-16, 18, 19), образованной путем наматывания одного или нескольких сверхпроводящих сверхпроводников на металлической основе, отличающийся тем, что катушка первичной обмотки или вторичной обмотки последовательно соединена по меньшей мере с одной второй катушкой, образованной сплошной сверхпроводящей трубкой, выполненной в виде соленоида (5, 13, 17), при этом указанная вторая катушка расположена коаксиально по отношению к указанной первой катушке и выполняет функцию ограничителя тока.

2. Трансформатор по п.1, отличающийся тем, что вторую катушку располагают в участке трансформатора с наиболее слабым магнитным полем.

3. Трансформатор по п.1 или 2, отличающийся тем, что трубка (6) из металлического сплава с большим удельным сопротивлением расположена коаксиально по отношению к сплошной сверхпроводящей трубке, образующей указанную вторую катушку, и находится в механическом и электрическом контакте с последней, при этом обе трубки выполнены в виде соленоида.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение касается трансформатора электрического тока, включающего в себя сверхпроводящие катушки в первичной обмотке и/или вторичной обмотке.

Известно применение сверхпроводящих проводников на металлической основе для изготовления электрических трансформаторов с большой удельной весовой мощностью и повышенным кпд. В самом деле, применение сверхпроводящих проводников на металлической основе позволяет достичь более высокой плотности тока и намного уменьшить потери, чем при применении сплошных сверхпроводников или несверхпроводящих проводников.

Тем не менее, низкое электрическое сопротивление металлической матрицы (например, из серебра или сплава серебра) не позволяет эффективно ограничивать токи короткого замыкания, и поэтому трансформатор, а также другие электрические приборы, присутствующие в линии, необходимо определять так, чтобы они могли выдерживать повышенные токи короткого замыкания, если только не соединять их последовательно с устройством ограничения тока. Известны такие устройства, изготовленные с применением сплошных сверхпроводников, обладающих высоким электрическим сопротивлением при значениях тока, превышающих их нормальные характеристики.

Задачей настоящего изобретения является совмещение в одном приборе функций трансформатора и ограничителя тока при сохранении его оптимальных габаритов.

Основополагающая идея настоящего изобретения заключается в использовании такого количества сплошного сверхпроводника, которого как раз достаточно для ограничения тока и для создания ампер-витков, и в размещении его на участках трансформатора с наименьшим магнитным полем для достижения благодаря такому размещению значительного сокращения потерь в сплошном сверхпроводнике.

Более конкретно, задачей настоящего изобретения является создание трансформатора электрического тока, включающего в себя первичную обмотку и вторичную обмотку, каждая из которых состоит по меньшей мере из первой катушки, образованной путем наматывания одного или нескольких сверхпроводящих проводников на металлической основе, отличающегося тем, что катушка первичной обмотки или вторичной обмотки последовательно соединена по меньшей мере со второй катушкой, образованной сплошной сверхпроводящей трубкой, выполненной в виде соленоида, при этом указанная вторая катушка размещена коаксиально по отношению к первой катушке и имеет функцию ограничителя тока.

При выполнении трансформатора в соответствии с настоящим изобретением объем сверхпроводящих трубок сокращен до минимума, необходимого для эффективного ограничения токов короткого замыкания, а сверхпроводящие проводники на металлической основе использованы для выполнения остальных катушек.

Первое преимущество настоящего изобретения заключается в том, что сверхпроводящая трубка или сверхпроводящие трубки могут быть помещены в первичную обмотку для повышающего трансформатора или во вторичную - для понижающего трансформатора. Таким образом, они работают под током высокого и низкого напряжения, то есть при большом сечении и малом количестве витков, сокращая диэлектрические проблемы при ограничении тока.

В соответствии с конкретным вариантом осуществления трансформатора согласно настоящему изобретению сверхпроводящую трубку или сверхпроводящие трубки размещены на участках трансформатора, где магнитное поле самое низкое, за счет чего в них достигается значительное сокращение потерь и увеличение плотности тока, которую они могут выдержать.

В предпочтительном варианте каждая сверхпроводящая трубка находится в механическом и электрическом контакте с трубкой из металлического сплава, обладающего высоким сопротивлением, при этом соединение выполнено в виде соленоида;

кроме выполнения задачи механического усиления, трубка из металлического сплава способствует распространению перехода и сокращает нагревание сверхпроводящей трубки при ограничении тока.

Другие признаки и преимущества настоящего изобретения очевидны из описания двух вариантов выполнения, иллюстрируемых чертежами.

Фиг. 1 - вид в полуразрезе по оси D трансформатора в соответствии с настоящим изобретением, включающего в себя первичную обмотку высокого напряжения, выполненную из сверхпроводящих проводников на металлической основе и, во вторичной обмотке катушку из сверхпроводящих проводников на металлической основе, последовательно соединенную с узлом, выполненным из сверхпроводящей трубки и трубки из металлического сплава.

Фиг. 2 - вид в продольном разрезе детали узла, выполненного из сверхпроводящей трубки и трубки из металлического сплава.

Фиг.3 - вид в полуразрезе по оси D другого варианта трансформатора в соответствии с настоящим изобретением.

Трансформатор в соответствии с настоящим изобретением, показанный на фиг.1, включает в себя, в частности, магнитную цепь 1, первичную катушку 2 и две вторичные катушки 3 и 4, соединенные последовательно. Катушки 2, 3 и 4 являются коаксиальными, при этом катушка 3 расположена между катушками 2 и 4.

Катушки 2 и 3 выполнены в виде многослойных соленоидов путем наматывания одного или нескольких сверхпроводящих проводников на металлической основе, например, из серебряных лент, содержащих множество сверхпроводящих керамических нитей из Bi₂Sr₂CaCu₂O₇. Данные ленты выдерживают плотности тока порядка 30 А/мм², сравнительно высокие по сравнению со эначениями 5-10 А/мм² для сплошных трубок из Bi₂Sr₂CaCu₂O₇. Они отличаются весьма незначительной толщиной (обычно 0,2 мм), что позволяет значительно снизить потери по сравнению со сплошными трубками, имеющими толщину порядка нескольких миллиметров.

Бобина 4 выполнена из сплошной трубки 5 из Bi₂Sr₂CaCu₂O₇ и из трубки 6 из металлического сплава (например, из нержавеющей стали, мельхиора или инконеля), соединенных в виде соленоида, как показано на фиг.2. Трубку 5 насаживают на трубку 6, например, путем расширения одной из трубок или сужения другой трубки для обеспечения механического и электрического контактов между каждым витком после обработки таким образом, чтобы при выполнении трубкой 5 функции ограничителя тока ток частично проходил по трубке 6. Сплошной проводник Bi₂Sr₂CaCu₂O₇ при потере сверхпроводимости имеет большое удельное сопротивление (порядка 10 Омм), которое предопределяет его функцию ограничения тока. Такое ограничение может достигаться при условии, что достаточная часть обмоток (обычно 10%) выполнена из сплошного Bi₂Sr₂CaCu₂O₇. Присутствие коаксиальной трубки, параллельно соединенной с трубкой 5 из металлического сплава, находящейся с первой в механическом и электрическом контактах, позволяет избежать ухудшения свойств сверхпроводника при перегреве вследствие локальной потери сверхпроводимости, снижая эффект Джоуля, увеличивая термическую инерцию и способствуя распространению перехода.

Учитывая, что для ограничения тока необходимо использование только части сплошного сверхпроводника, в соответствии с первым преимуществом настоящего изобретения можно размещать сверхпроводящие трубки в первичной обмотке в случае повышающего трансформатора или во вторичной обмотке в случае понижающего трансформатора, как показано для трансформатора по фиг.1. Таким образом, они работают при токе высокого и низкого напряжений, то есть при большом сечении и малом количестве витков, что в наибольшей степени соответствует такому типу обмотки, снижая диэлектрические проблемы при ограничении тока.

Предпочтительно размещать сверхпроводящие трубки на участках трансформатора с наиболее слабым магнитным полем, в результате чего достигается преимущество, заключающееся в значительном сокращении потерь и в значительном увеличении выдерживаемой ими плотности тока. Профиль магнитного поля внутри обмоток известен из уровня техники; на фиг.1 он представлен линией 10 в произвольных единицах. Магнитное поле является максимальным между катушками 2 и 3 и практически нулевым на внешней и внутренней границах участка обмоток. Вследствие своего крайнего положения сверхпроводящая трубка подвергается очень незначительному воздействию магнитного поля и поэтому отличается небольшими потерями.

Само собой разумеется, что настоящее изобретение не ограничено геометрической формой, показанной в качестве примера на фиг.1. В принципе специалисту не составит труда определить участки трансформатора с нулевым значением магнитного поля, чтобы разместить там сверхпроводящие трубки. Один из возможных вариантов трансформатора, выполненного в соответствии с настоящим изобретением, показан на фиг.3.

На фиг. 3 показан понижающий трансформатор электрического тока, включающий в себя последовательно в направлении от оси D к внешней стороне девять коаксиальных катушек, обозначенных позициями 11-19. Катушки 11, 15 и 19 образуют первичную обмотку, катушки 12-14, 16-18 образуют вторичную обмотку. Катушки 12-14 соединены последовательно, катушки 16-18 также соединены последовательно. Катушки 13-17 представляют собой сверхпроводящие трубки, выполненные в виде соленоида, дублированные трубками из металлического сплава, также выполненные в виде соленоида; другие катушки выполнены из сверхпроводящих сверхпроводников на металлической основе. Профиль магнитного поля показан линией 20 в произвольных единицах; его значение становится нулевым на середине толщины двух сверхпроводящих трубок 13 и 17, которые поэтому отличаются очень незначительными потерями.

Выполнение трансформатора в соответствии с настоящим изобретением отличается многими преимуществами по сравнению с простым соединением трансформатора со сверхпроводящими катушками и ограничителями тока. Действительно, защита трансформатора от токов короткого замыкания при помощи сплошных сверхпроводящих трубок, формирующих ампер-витки, приводит к значительному сокращению себестоимости по сравнению с трансформатором, соединенным внешним образом с ограничителем тока. С другой стороны, конструкция трансформатора, соответствующая настоящему изобретению, позволяет помещать сплошные сверхпроводящие трубки, необходимые для ограничения тока, на участках со слабым магнитным полем, где они максимально проявляют свои лучшие характеристики. И, наконец, снижаются активные и реактивные потери, а также потребности в использовании криогенных охладителей.