Результат интеллектуальной деятельности: ПРОВОДНИКОВАЯ СИСТЕМА ДЛЯ РЕЗИСТИВНОГО ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА ПО МЕНЬШЕЙ МЕРЕ С ДВУМЯ СВЯЗКАМИ ПРОВОДНИКОВ ИЗ СВЕРХПРОВОДЯЩИХ ПРОВОДНИКОВЫХ ЛЕНТ

Данное изобретение относится к проводниковой системе для резистивного переключательного элемента, содержащей по меньшей мере одну первую и одну вторую связку проводников. Связки проводников имеют каждая две проходящие параллельно, образующие бифилярную конструкцию проводниковые части, которые выполнены каждая по меньшей мере из одной сверхпроводящей ленты. Такая проводниковая система известна, например, из US 6275365 В1.

В сетях тока электрическая энергия передается от генератора к потребителям. При этом необходимо предотвращать короткие замыкания, поскольку они могут приводить к неисправимым повреждениям установок. Одной возможностью предотвращения коротких замыканий в сетях тока является применение так называемых ограничителей тока короткого замыкания.

Особенно предпочтительными относительно переключательных свойств и стоимости эксплуатации являются сверхпроводящие ограничители тока короткого замыкания. При работе они на основании сверхпроводимости не имеют или имеют лишь очень небольшие потери мощности и отличаются своим быстрым, реверсивным переключением. Принцип их действия основывается на переходе сверхпроводящей системы из сверхпроводящего в нормально проводящее состояние при возникновении тока короткого замыкания. Включенная последовательно в сеть сверхпроводящая система включает за счет этого перехода очень быстро сопротивление в сеть, которое ограничивает ток короткого замыкания. Таким образом, сеть и соединенные с ней установки защищены от тока короткого замыкания. После затухания тока короткого замыкания ограничитель тока короткого замыкания способен снова удалять из сети дополнительное сопротивление тем, что после охлаждения ниже критической температуры сверхпроводящая система возвращается из нормально проводящего обратно в сверхпроводящее состояние. Снова возможна передача тока в сети почти без потерь через ограничитель тока.

Из уровня техники, например, из US 6275365 В1, известны сверхпроводящие ограничители тока короткого замыкания с бифилярными, намотанными рядом друг с другом сверхпроводящими катушками. Каждая катушка выполнена из проводниковой ленты, которая состоит из двух проводниковых частей и намотана вокруг цилиндрического сердечника катушки. Проводниковая лента сложена вдвойне, при этом возникают две соседние проводниковые части, и каждая проводниковая часть электрически отделена от другой проводниковой части с помощью изолирующего слоя. Соседние катушки намотаны в разных положениях вдоль оси цилиндрического сердечника катушки. Соседние катушки могут быть соединены друг с другом параллельно. Однако при этом возникают проблемы относительно электрической прочности катушек. При такой конструкции общее приложенное к одной катушке напряжение падает на обоих наружных витках. При номинальных напряжениях, в частности, более 10 кВ, на основании необходимых расстояний между проводниковыми частями становятся слишком большими индуктивности, потери и занимаемое пространство.

Задачей изобретения является создание улучшенной проводниковой системы для резистивного переключательного элемента, в частности, ограничителя тока короткого замыкания с указанными в начале признаками, которая имеет высокую электрическую прочность, небольшую индуктивность и небольшие потери в переменном поле, при этом обеспечивается хорошая доступность охлаждающего средства к применяемым проводниковым лентам.

Указанная задача решена для проводниковой системы резистивного переключательного элемента с помощью признаков пункта 1 формулы изобретения.

Проводниковая система, согласно изобретению, для резистивного переключательного элемента содержит, по меньшей мере одну первую и по меньшей мере одну вторую связку проводников, которые выполнены каждая по меньшей мере из одной сверхпроводящей проводниковой ленты. В проводниковой системе каждая связка проводников имеет две проходящие параллельно, образующие бифилярную конструкцию проводниковые части по меньшей мере из одной проводниковой ленты. По меньшей мере одна первая и по меньшей мере одна вторая связка проводников выполнены с прохождением в общей плоскости рядом друг с другом, изолированно друг от друга с образованием общей обмотки катушки, при этом ее витки проходят в основном в виде спирали.

Предпочтительные варианты выполнения проводниковой системы, согласно изобретению, следуют из соответствующих зависимых пунктов формулы изобретения.

В одном предпочтительном варианте выполнения проводниковой системы спираль выполнена в форме архимедовой или логарифмической или гиперболической спирали или спирали Ферма. При этом две проходящие параллельно, образующие бифилярную конструкцию проводниковые части одной связки проводников соединены электрически и/или механически друг с другом на своих концах и/или началах, при этом образовано, по меньшей мере одно место соединения.

В одном предпочтительном варианте выполнения по меньшей мере одно место соединения выполнено в виде двух сходящихся под острым углом друг с другом начал и/или концов. В качестве альтернативного решения, по меньшей мере одно место соединения может быть выполнено U-образным, в частности, в изогнутом к одной стороне U-образном виде, и/или соединение может быть выполнено в двойном U-образном виде, в частности, в S-образном виде. Возможно также, что по меньшей мере одна проводниковая лента по меньшей мере в одном месте соединения связки проводников имеет частично эллиптическую, в частности, частично круговую форму. Возможны также комбинации форм мест соединения.

В одном предпочтительном варианте выполнения предусмотрено, что по меньшей мере два места соединения расположены эшелонированно в общей плоскости. В качестве альтернативного решения, по меньшей мере два места соединения могут быть также расположены в общей плоскости на периметре эллипса, в частности, круга. При этом особенно предпочтительно, что по меньшей мере два места соединения равномерно распределены по периметру. Они могут быть предпочтительно расположены в средней точке спирали или вблизи нее.

Сверхпроводящая проводниковая лента содержит в одном предпочтительном варианте выполнения высокотемпературный сверхпроводящий материал. Между соседними проводниковыми частями, в частности, между соседними проводниковыми частями одной связки проводников и между соседними проводниковыми частями соседних связок проводников выполнена изоляция. Предпочтительно, изоляция выполнена в виде по меньшей мере одной распорки, в частности, распорки, которая задает расстояние между соседними проводниковыми частями в диапазоне от 2 до 3 мм.

Две проводниковые части одной связки проводников особенно предпочтительно выполнены так, что они проводят ток в противоположных направлениях. Соседние проводниковые части соседних связок проводников могут быть выполнены так, что они также пропускают ток в противоположных направлениях.

В одном особенно предпочтительном варианте выполнения проводниковой системы по меньшей мере одна первая и по меньшей мере одна вторая связка проводников включены параллельно. В качестве альтернативного решения, по меньшей мере одна первая и по меньшей мере одна вторая связка проводников могут быть включены также последовательно. Возможны также комбинации включений различных связок проводников.

Места соединения проводниковых частей связок проводников предпочтительно соединены друг с другом электрически и/или механически. Под связками должно в дальнейшем пониматься соединение перед этим раздельных электрически и/или механически частей, или же электрическое и/или механическое соединение, которое имеется у проводниковых частей, которые выполнены из одного куска. В первом случае соединение ранее разделенных частей можно осуществлять, например, посредством пайки или сварки.

В целом, в основе изобретения лежит идея, что включенная последовательно в подлежащую защите сеть сверхпроводящая система при возникновении короткого замыкания переходит из сверхпроводящего в нормально проводящее состояние и тем самым очень быстро включает в сеть сопротивление, которое ограничивает ток короткого замыкания. В случае ограничения почти все номинальное напряжение падает в направлении тока линейно вдоль проводниковой системы. При этом расположение проводниковой ленты должно оптимально соответствовать определенным критериям, что предпочтительно обеспечивается с помощью проводниковой системы, согласно изобретению.

С одной стороны, проводниковая лента должна быть расположена так, что возникает возможно меньшая индуктивность, для того чтобы ограничитель тока в нормальном состоянии был для сети квази «незаметным». Этого можно в принципе достигать тем, что проводниковые зоны с противоположно направленными токами расположены на возможно меньшем расстоянии друг от друга. Как правило, расстояние между проводниками должно быть меньше ширины проводников.

Другим критерием для расположения проводниковой ленты являются возможно меньшие потери в переменном поле также для ограничителей тока с номинальными токами в несколько кА (килоампер). Большие потери в переменном поле увеличивают общие потери и тем самым стоимость эксплуатации и требуют использования большей и тем самым более дорогой холодильной машины. Потери в переменном поле возникают, когда магнитный поток входит или выходит из сверхпроводящего проводника. Потери в переменном поле можно в принципе удерживать небольшими за счет подходящего параллельного включения отдельных проводников с небольшим поперечным сечением, или же за счет расположения, при котором возникающее магнитное поле удерживается небольшим, как, например, при противоположно направленных токах при возможно меньших расстояниях. Для достижения этого эффекта расстояние должно быть значительно меньше ширины проводника.

Расположение проводниковой ленты должно приводить к возможно более компактной конструкции. Этого можно достигать по существу за счет небольших расстояний между проводниками внутри переключательного элемента, а также между возможно имеющимися переключательными элементами.

Кроме того, расположение проводниковой ленты должно обеспечивать хорошую доступность для охлаждающего средства. Обычно, в качестве охлаждающего средства применяется жидкий азот. Хорошая доступность проводниковой ленты для охлаждающего средства обеспечивает возможность быстрого обратного охлаждения после процесса переключения. Этого можно достигать тем, что проводниковая поверхность, за исключением возможно имеющегося тонкого слоя изоляции, по существу свободно смачивается охлаждающим средством. В частности, проводниковая система не должна быть залита, например, эпоксидной смолой. Для обеспечения быстрого обратного охлаждения после процесса переключения, согласно изобретению, достаточно минимальное расстояние между соседними проводниковыми лентами примерно 2-3 мм.

Другим критерием для расположения проводниковой ленты является электрическая прочность. Требуемая при диэлектрических испытаниях электрическая прочность соответствует грубо в 5-10 раз большему напряжению, чем прикладываемое в случае ограничения напряжение, которое соответствует примерно номинальному напряжению сети. Электрическая прочность особенно важна при использовании в высоковольтной технике и обычно достигается за счет больших расстояний, покрытия поверхности пластмассами или заливки эпоксидной смолой. Таким образом, эти требования к электрической прочности противоречат указанным выше требованиям. Оптимизация критериев обеспечивается с помощью выполнения, согласно изобретению, резистивного переключательного элемента, т.е. ограничителя тока.

В частности, расположение по меньшей мере одной первой и по меньшей мере одной второй связки проводников, выполненных каждая из сверхпроводящей проводниковой ленты с параллельным прохождением в общей плоскости в виде спирали, обеспечивает оптимальный вариант выполнения в соответствии с указанными выше критериями. При этом изоляция в виде по меньшей мере одной распорки обеспечивает хорошую доступность для охлаждающего средства и оптимальное расстояние между проводниковыми лентами. Расположение в одной плоскости обеспечивает особенно компактную конструкцию. Включение связок проводников, например, параллельно, приводит к противоположному прохождению тока во всех соседних проводниковых лентах и тем самым к минимизации потерь.

За счет параллельного включения нескольких проводниковых лент удерживается небольшой длина отдельных лент даже при катушках с большими диаметрами. Таким образом, номинальное напряжение на одну катушку остается небольшим. Следовательно, нет необходимости в увеличении расстояния между лентами по причинам электрической прочности свыше благоприятного для выполнения критериев расстояния в 2-3 мм. За счет бифилярного расположения с небольшими расстояниями минимизируются создаваемые магнитные поля, что приводит как к небольшой индуктивности, так и к небольшим потерям в переменном поле. При ограничении тока при низком напряжении такое расположение также предпочтительно, поскольку за счет параллельного включения лент можно применять большие катушки и тем самым значительно улучшать использование пространство.

За счет расположения, согласно изобретению, проводниковых лент решаются проблемы электрической прочности, которые возникают в бифилярных дисковых катушках или вложенных друг в друга соленоидных катушках, согласно уровню техники, поскольку между обоими наружными витками падает практически все прикладываемое к катушке напряжение. Компактная конструкция уменьшает потери, которые возникают при высоком напряжении в системах со многими небольшими, включенными последовательно, или же включенных при больших номинальных токах параллельно катушках, согласно уровню техники. При выполнении с расположением всех катушек в осевом направлении в один ряд, получается неблагоприятная вытянутая в длину геометрия, а при параллельном расположении катушек рядом друг с другом, получается плохое использование пространства в криостатах. Эти проблемы преодолеваются с помощью расположения, согласно изобретению.

Увеличенный диаметр катушек также приводит к более плохому использованию пространства, большей индуктивности, а также к более высоким потерям в переменном поле. За счет увеличенного диаметра катушек увеличивается длина проводника в катушке и увеличивается номинальное напряжение катушки. Следовательно, для обеспечения электрической прочности необходимо увеличивать также расстояние между лентами. Для применений с большими токами открываются возможности повышения критического тока для одной ленты за счет увеличения ширины проводника или за счет расположения нескольких катушек с узкими лентами с параллельным включением. Повышение тока проводника увеличивает сверхпропорционально сильно потери в переменном поле, если нельзя применять бифилярное расположение с очень небольшим расстоянием между обмотками. Параллельное включение многих катушек с узкими лентами в свою очередь ухудшает использование пространства. В противоположность этому, расположение, согласно изобретению, проводниковых лент обеспечивает возможность оптимального использования пространства с минимальными потерями.

Ниже приводится более подробное пояснение не имеющих ограничительного характера предпочтительных вариантов выполнения изобретения с предпочтительными модификациями в соответствии с признаками зависимых пунктов формулы изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи. При этом на чертежах соответствующие части обозначены одинаковыми позициями. На чертежах схематично изображено:

фиг. 1 - проводниковая система, согласно изобретению, для резистивного переключательного элемента с тремя связками проводников;

фиг. 2 - проводниковая система, аналогичная показанной на фиг. 1, однако с шестью связками проводников вместо трех;

фиг. 3 - проводниковая система, аналогичная показанной на фиг. 1, с U-образными местами соединения;

фиг. 4 - проводниковая система, аналогичная показанной на фиг. 3, с U-образными, соответственно, S-образными местами соединения;

фиг. 5 - проводниковая система, аналогичная показанной на фиг. 1, с имеющими заостренную форму местами соединения; и

фиг. 6 - проводниковая система, аналогичная показанной на фиг. 4, с вставленными друг в друга местами соединения.

На фиг. 1 схематично показана проводниковая система 1А, согласно изобретению, для резистивного переключательного элемента, которая имеет три связки проводников, а именно, связки 10, 20, 30 проводников. Каждая связка 10, 20, 30 проводников состоит по меньшей мере из одной сверхпроводящей проводниковой ленты 2. Каждая связка 10, 20, 30 проводников имеет две проходящие параллельно, образующие бифилярную конструкцию проводниковые части 11, 12, соответственно, 21, 22, соответственно, 31, 32 с соответствующим центральным местом 15, 25, 35 соединения. Связки 10, 20, 30 проводников расположены в одной общей плоскости смежно друг с другом и изолированы друг от друга. Связки 10, 20, 30 проводников сформированы в одну общую обмотку катушки, витки которой проходят в основном в виде спирали. Места 15, 25, 35 соединения связок 10, 20, 30 проводников выполнены частично круговыми и расположены в плоскости радиуса 71 круга по касательным вокруг средней точки 70 спирали.

Между двумя соседними проводниковыми частями 11, 12, соответственно, 21, 22, соответственно, 31, 32 связки 10, 20, 30 проводников расположены соответствующие распорки 3, которые служат в качестве электрических изоляторов между проводниковыми лентами 2. На фиг. 1 распорки 3 показаны в виде волнистых линий. Они могут быть выполнены с различной конструкцией, в частности, они могут фиксировать относительно друг друга проводниковые ленты 2 как в направлении, перпендикулярном плоскости чертежа, так и в направлении плоскости. Как правило, распорки 3 выполнены из пластмассы, такой как тефлон, или из других, устойчивых при низких температурах, электрически изолирующих материалов. Распорки 3 выполнены с такой формой, что они обеспечивают хорошую доступность проводниковых лент для охлаждающего средства. При этом в качестве охлаждающего средства можно использовать, в частности, жидкий азот, но также другие охлаждающие средства, такие как, например, жидкий гелий или жидкий неон.

Проводниковые ленты 2 могут быть выполнены из сверхпроводящего материала, такого как, например, высокотемпературный сверхпроводящий материал Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O (BSCCO (2223)) в серебряной оболочке, или такого как, например, оксид меди редкоземельных элементов YBCO, нанесенный на стальную ленту. Особенно предпочтительным видом проводниковой ленты является так называемый проводник Ребеля. Возможны также комбинации различных сверхпроводящих материалов с низкой температурой перехода (материалов LTS), таких как NbTi или NB₃Sn, или высокотемпературных сверхпроводящих материалов (HTS) в нормально проводящих материалах, соответственно, на них.

Проводниковые ленты 2 бифилярной связки 10, 20, 30 проводников могут состоять из одной части или из нескольких составленных вместе частей. В случае, когда применяется состоящая из одной части проводниковая лента 2, возникает связка 10, 20, 30 проводников за счет сгибания вдвойне проводниковой ленты 2, при этом место сгиба называется в дальнейшем местом 15, 25, 35 соединения, которое соединяет друг с другом проводниковые части 11, 12, соответственно, 21, 22, соответственно, 31, 32. При составленных вместе проводниковых лентах 2 бифилярная связка 10, 20, 30 проводников возникает за счет расположения друг над другом двух проводниковых лент 2, при этом один конец соединяется механически и электрически, в частности, с геометрическим замыканием, и тем самым соединяются друг с другом механически и электрически соответствующие проводниковые части 11, 12, соответственно, 21, 22, соответственно, 31, 32. В этом случае место, в котором соединяются проводниковые ленты 2, называется в последующем местом 15, 25, 35 соединения. В последнем случае соединение можно осуществлять, например, с помощью пайки.

В местах 15, 25, 35 соединения противоположных концов по меньшей мере одной проводниковой ленты 2, т.е. на фиг. 1 на самом наружном крае спирали, на проводниковых частях 11, 12, 21, 22, 31, 32 установлены соответствующие контакты 13, 14, 23, 24, 33, 34 для электрического контактирования. Через контакты 13, 14, 23, 24, 33, 34 можно электрически контактировать проводниковые части 11, 12, 21, 22, 31, 32, в частности, включать последовательно или параллельно друг другу, и прикладывать внешнее положительное, соответственно, отрицательное напряжение.

В показанном на фиг. 1 примере выполнения контакты 13, 14, 23, 24, 33, 34 расположены равномерно на наружной окружности спирали. Одна проводниковая часть связки проводников находится в контакте с положительным потенциалом, а другая проводниковая часть связки проводников находится в контакте с отрицательным потенциалом (положительный потенциал +, соответственно, отрицательный потенциал -), при этом контакты 13, 14, соответственно, 23, 24, соответственно, 33, 34 бифилярной связки 10, соответственно, 20, соответственно, 30 проводников расположены вблизи друг друга на наружной окружности. Связки проводников расположены и электрически контактированы так, что непосредственно соседние проводниковые части непосредственно соседних связок проводников имеют противоположный знак приложенного потенциала.

Три места 15, 25 и 35 соединения проводниковой ленты 2 трех связок 10, 20, 30 проводников выполнены, как показано на фиг. 1, частично с круговой формой. Они расположены внутри спирали на круге 71 вокруг средней точки 70 спирали. На круге 71 означает в этом случае, что круговая форма места 15, 25, 35 соединения пересекается с кругом 71 вокруг средней точки 71, в частности, точно в одно точке.

На фиг. 2 схематично показан альтернативный вариант выполнения проводниковой системы 1В, согласно изобретению. В отличие от проводниковой системы 1А на фиг. 1, проводниковая система 1В на фиг. 2 имеет шесть вместо трех связок проводников. Форма и расположение связок проводников 10, 20, 30, 40, 50, 60 с их соответствующими проводниковыми частями 11, 12, соответственно, 21, 22, соответственно, 31, 32, соответственно, 41, 42, соответственно, 51, 52, соответственно, 61, 62 и местами 15, 25, 35, 45, 55, 65 соединения на фиг. 2 аналогична форме и расположению связок 10, 20, 30 проводников с их соответствующими проводниковыми частями 11, 12, соответственно, 21, 22, соответственно, 31, 32 и местами 15, 25, 35 соединения на фиг. 1, за исключением их пространственного расположения вследствие увеличенного количества связок проводников.

На фиг. 3 схематично показан другой альтернативный вариант выполнения проводниковой системы 1С, согласно изобретению. В отличие от показанной на фиг. 1 проводниковой системы 1А, проводниковая система 1С на фиг. 3 имеет вставленные друг в друга связки 10, 20, 30 проводников с расположенными на прямой 72 эшелонированными местами 15, 25, 35 соединения. Распорки 3 расположены между проводниковыми лентами 2. Места 15, 25, 35 соединения выполнены каждое U-образным, при этом U-образная форма изогнута к одной стороне за счет намотки витков в спираль. Другое отличие показанного на фиг. 3 варианта выполнения, согласно изобретению, от варианта выполнения проводниковой системы 1А на фиг. 1, состоит в расположении контактов 13, 14, 23, 24, 33, 34. Контакты на фиг. 3 не расположены равномерно на окружности спирали, как на фиг. 1, а находятся друг над другом в одном месте окружности спирали в плоскости чертежа. Показанный на фиг. 1 вариант выполнения имеет преимущество более высокой электрической прочности по сравнению с показанным на фиг. 3 вариантом выполнения, поскольку контакты имеют большее пространственное расстояние друг от друга. Однако в определенных случаях предпочтительным может быть по техническим причинам контактактирования показанное на фиг. 3 расположение.

На фиг. 4 схематично показан другой альтернативный вариант выполнения проводниковой системы 1D, согласно изобретению. Аналогично показанной на фиг. 3 проводниковой системы 1С, проводниковая система 1D на фиг. 4 имеет вставленные друг в друга связки проводников 10, 20, 30 с расположенными на прямой 72 эшелонированными местами 15, 25, 35 соединения, которые выполнены U-образными, соответственно, S-образными. Распорки 3 расположены между проводниковыми лентами 2. В отличие от показанного на фиг. 3 варианта выполнения, контакты 12, 22, 32 первой проводниковой части 11, 21, 31 связок 10, 20, 30 проводников расположены на стороне периметра спирали вдоль прямой, проходящей через среднюю точку спирали, эшелонированно друг над другом в плоскости чертежа, в то время как контакты 13, 23, 33 второй проводниковой части 14, 24, 34 связок 10, 20, 30 проводников расположены на противоположной стороне периметра спирали вдоль той же прямой эшелонированно друг над другом. Показанный на фиг. 4 вариант выполнения изобретения обеспечивает очень хорошую электрическую прочность.

На фиг. 5 схематично показан другой альтернативный вариант выполнения проводниковой системы 1Е, согласно изобретению, со сходящимися под острым углом местами 15, 25, 35 соединения. Аналогично показанной на фиг. 1 проводниковой системе 1А, проводниковая система 1Е на фиг. 5 имеет вставленные не друг в друга, а эшелонированные рядом друг с другом места 15, 25, 35 соединения связок 10, 20, 30 проводников. Последовательность эшелонирования проводниковых частей в показанном на фиг. 5 примере выполнения при рассматривании снаружи внутрь спирали составляет 11, 12, 21, 22, 31, 32, тем самым проводниковые части одной связки проводников всегда расположены смежно друг с другом. В противоположность этому, последовательность эшелонирования проводниковых частей в показанных на фиг. 3 и 4 вариантах выполнения при рассматривании снаружи внутрь спирали составляет 31, 21, 11, 12, 22, 32. Таким образом, в последнем случае связки проводников эшелонированы друг в друге, т.е. вставлены друг в друга, и за исключением самой внутренней и самой наружной связки 10 и 30 проводников, проводниковые части всегда расположены непосредственно смежно исключительно с проводниковыми частями другой связки проводников. На фиг. 5 места 15, 25, 35 соединения эшелонированы внутри спирали в плоскости чертежа друг над другом вдоль изогнутой линии 72.

Другой пример выполнения проводниковой системы 1F, согласно изобретению, показан на фиг. 6, в котором сходящиеся под острым углом места соединения расположены с вставлением друг в друга. Таким образом, показанный на фиг. 6 вариант выполнения соответствует показанному на фиг. 3 варианту выполнения 1С, за исключением формы мест 15, 25, 35 соединения.

Возможна комбинация отдельных признаков показанных на фиг. 1-6 вариантов выполнения 1А-1F. В частности, можно выбирать расположение контактов независимо от расположения мест соединения.