МОДУЛЬ СВЕРХПРОВОДЯЩЕГО ОГРАНИЧИТЕЛЯ ТОКА И ОГРАНИЧИТЕЛЬ ТОКА

Область техники.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электрических системах для ограничения электрического тока.

Предшествующий уровень техники.

Ограничитель тока защищает электрическую цепь от протекания по ней тока, превышающего номинальный ток (ток, на который рассчитана электрическая цепь). Большой ток (превышающий номинальный) может протекать по цепи вследствие, например, короткого замыкания.

Существует целый ряд конструкций токоограничителей, одной из которых является сверхпроводящий токоограничитель.

В основе сверхпроводящего токоограничителя лежит сверхпроводящий элемент, например, металлическая лента с тонкой пленкой сверхпроводника. Этот элемент встраивается в электрическую цепь.

При охлаждении сверхпроводника жидким азотом сверхпроводник не имеет электрического сопротивления (Rs=0), через цепь течет ток I=U/Ra в соответствии с законом Ома. Это - нормальный режим работы токоограничителя.

При возникновении нештатной ситуации (короткое замыкание) происходит падение сопротивления нагрузки (Ra⇒0), что приводит к резкому возрастанию тока I в цепи. Однако, когда ток в цепи I превысит критический ток сверхпроводника (Jc), у сверхпроводника появляется электрическое сопротивление (Rs>0), таким образом, ток в цепи / определяется сопротивлением токоограничителя I=U/Rs. В результате в цепи не происходит резкого увеличения тока; ток в цепи ограничивается на уровне критического тока сверхпроводника - это так называемый режим токоограничения.

При срабатывании токоограничителя (повышении тока в цепи и выходе сверхпроводника из сверхпроводящего состояния) на ленте сверхпроводника выделяется тепло (Q) в соответствии с законом Джоуля-Ленца (t - время токоограничения): Q=I²*t/R.

Это приводит к тому, что сверхпроводник нагревается, и чем больший ток необходимо ограничить - тем сильнее, что может привести к расплавлению сверхпроводника (то есть выходу из строя токоограничителя).

В традиционной конструкции токоограничителя (например, в существующих коммерческих устройствах, выпускаемых Nexans, см., US7995312) лента сверхпроводника помещена в жидкий азот, который, во-первых, обеспечивает охлаждение сверхпроводника ниже критической температуры при нормальной работе токоограничителя (сопротивление сверхпроводника Rs=0), а также препятствует расплавлению сверхпроводника в режиме токоограничения (когда сопротивление сверхпроводника Rs>0).

Однако, когда сверхпроводник находится в режиме токоограничения, выделение тепла на нем столь интенсивно, что жидкий азот, контактирующий со сверхпроводником, закипает. Это значит, что отвод тепла от сверхпроводника происходит уже не через жидкость, а через газообразный азот, имеющий низкую теплопроводность (2.43*10^-2 Вт/м/К при 273 К и атмосферном давлении), и отвод тепла происходит неэффективно - практически все тепло остается в сверхпроводнике, что и приводит к его интенсивному разогреву.

Как результат, традиционный токоограничитель может ограничивать ток не дольше, чем 0.1 секунды - при больших временах лента сверхпроводника попросту расплавляется.

Было сделано немало попыток устранить вышеописанные недостатки.

Так, сверхпроводящие элементы заключают в оболочки, чтобы избежать контакта сверхпроводника с жидким азотом.

В заявке US 2014087950 раскрывается модуль сверхпроводящего ограничителя тока, в котором сверхпроводник заключен в охватывающий элемент-капсулу, выполненную из теплопроводного материала, например, такого, как медь или алюминий и смолы. Для лучшего теплоотвода он снабжен выступающими ребрами. Внутри охватывающего элемента кроме с/п может находиться наполнитель. Сверхпроводник вместе с охватывающим элементом размещены в сосуде с жидким азотом. Данное техническое решение направлено на повышение надежности ограничителя тока за счет предотвращения состояния кипения охлаждающей жидкости при прохождении перехода от пузырькового кипения к пленочному в режиме ограничения тока.

В заявке US 2009221426 (D3) раскрывается модуль ограничителя тока, содержащий высокотемпературный сверхпроводник, заключенный в капсулу из теплоизолирующего материала с высокой или низкой термостойкостью, причем толщина капсулы выбирается таким образом, чтобы создать температурный градиент поперек материала капсулы и вызвать пузырьковое кипение охладителя (жидкого азота) в режиме ограничения тока. Капсула, в частности, может быть выполнена из керамического теплоизолирующего стекла, по существу, она представляет собой достаточно тонкое покрытие, нанесенное на сверхпроводящий элемент, толщина которого составляет от 0,01 до 0,1 дюйма.

Как следует из описания данного патента, известное техническое решение направлено на то, чтобы не допустить пленочного кипения криогенной жидкости и заменить его на пузырьковое, что по мнению авторов патента позволит ускорить восстановление температуры среды после прохождения режима токоограничения.

Как следует из цитированных выше патентов, делается попытка избежать пленочного кипения, приводящего к снижению надежности работы токоограничителя. Однако, в случае изобретения в соответствии с US 2014087950 возникновение пленочного кипения, приводящее к разрушению токоограничивающего устройства (ТОУ), по-прежнему возможно. Это происходит потому, что рассеяние тепла происходит в криогенной жидкости, а капсула выступает в качестве посредника, в той или иной степени улучшающего теплопередачу от ВТСП к жидкому хладагенту. Как результат, при достаточно интенсивном тепловыделении переход от пузырькового кипения к пленочному, так или иначе, произойдет.

В случае же изобретения в соответствии с US 2009221426 ограничивается лишь тепловыделение из ВТСП в хладагент, таким образом, при интенсивном выделении тепла в модуле избыточное тепло будет накапливаться в ВТСП, приводя к его дополнительному разогреву, и как следствие, разрушению.

Вышеуказанные патенты направлены на устранение проблемы пленочного кипения, ограничивающего теплопередачу от ВТСП к жидкому хладагенту. В то же время, возможно вообще исключить проблему пленочного кипения, рассеивая тепло не в жидкой (либо газообразной) среде хладагента, а в твердом материале, в частности, неорганической керамике.

Раскрытие изобретения.

Задачей изобретения является обеспечение эффективного охлаждения ВТСП при срабатывании ТОУ путем исключения пленочного кипения при интенсивном тепловыделении за счет рассеивания тепла в твердом материале.

Поставленная задача решается модулем ограничителя тока, который включает, по меньшей мере, один сверхпроводящий элемент, расположенный в керамической капсуле и находящийся в термическом контакте с материалом капсулы, где капсула выполнена из термостойкой теплопроводной керамики с коэффициентом теплопроводности не менее 1 Вт/м/К, электрическим сопротивлением не менее 1*10⁵ Ом*м, и электрической прочностью более 400 В/мм.

В частных воплощениях изобретения задача также решается модулем, в котором капсула выполнена из оксидной керамики с коэффициентом теплопроводности от 1,4 до 2,3 Вт/м/К, отверждаемой при температуре, не превышающей 400°С.

В частных воплощениях задача изобретения может решаться модулем, в котором капсула выполнена из керамики, содержащей до 75 масс. % Аl₂О₃, до 15 масс. % MgO, 11-18 масс. % Mg₂(OH)₂PO₄ и до 2 масс. % Н₃ВO₃.

В этом случае в модуле капсула может быть выполнена из керамики, дополнительно содержащей до 40 масс. % карбида или нитрида, выбранного из группы, включающей С, SiC, BN, TiN.

В других воплощениях изобретения в модуле сверхпроводящий элемент представляет собой высокотемпературную сверхпроводящую ленту второго поколения.

Модуль может включать сверхпроводящий элемент, расположенный в капсуле в виде спирали.

Модуль может также включать несколько прямолинейных сверхпроводящих элементов, расположенных в капсуле параллельно друг другу.

Поставленная задача также решается ограничителем тока, включающим данный модуль ограничителя тока, клеммы для включения упомянутого модуля в электрическую цепь и контейнер с криогенной теплопроводящей средой.

Сущность заявленного технического решения состоит в следующем.

В предлагаемой нами конструкции сверхпроводящего модуля ограничителя тока сверхпроводящий элемент (или несколько элементов) помещается в керамическую капсулу, покрывающую сверхпроводник со всех сторон, где сверхпроводник находится в термическом контакте с материалом капсулы.

Капсула выполнена из термостойкой теплопроводной керамики, теплопроводность которой составляет величину порядка 1 Вт/м/К и более. Эта капсула, в свою очередь, помещается в жидкий азот. Азот охлаждает керамику, которая, в свою очередь, охлаждает сверхпроводник до температуры ниже критической, и в нормальном режиме сверхпроводник пропускает электрический ток без сопротивления, аналогично традиционному токоограничителю.

При срабатывании токоограничителя (т.е. в режиме токоограничения) тепло, выделяющееся на сверхпроводнике, рассеивается по керамической капсуле благодаря ее высокой теплопроводности, и такого сильного разогрева, как в случае с традиционной конструкцией токоограничителя не происходит. Как результат, наш токограничитель способен ограничивать импульсы тока длительностью в 1 секунду и более без разрушения (т.е. в 10 раз более длительные, чем способен ограничить традиционный токоограничитель). После того как импульс тока закончился, жидкий азот охлаждает весь блок со сверхпроводником до температуры нормальной работы.

К материалу, из которого изготовлена капсула, предъявляются требования низкой электропроводности и высокой теплопроводности, а именно: электрическое сопротивление более 1∙10⁵ Ом∙м, электрическая прочность 400 В/мм, а теплопроводность - 1 Вт/м/К.

Верхние значения электрического сопротивления и теплопроводности ничем не ограничены. При электрическом сопротивлении материала капсулы менее 1∙10⁵ Ом·м и диэлектрической прочности менее 400 В/мм при работе устройства возможно протекание тока в обход ленты сверхпроводника (электрический пробой); таким образом, прибор не будет ограничивать ток (т.е. прибор не будет работать корректно), а также возможно разрушение самого модуля ТОУ. Если же теплопроводность материала капсулы будет менее 1 Вт/м/К, то тепло не будет эффективно рассеиваться по материалу капсулы, как следствие, произойдет разогрев ВТСП и его разрушение.

Таким требованиям (теплопроводность свыше 1 Вт/м/К, электрическое сопротивление менее 1∙10⁵ Ом·м, электрическая прочность свыше 400 В/мм) отвечают изоляции нагревательных проводов в высокотемпературных устройствах (печах) на основе, например, магний-фосфатных цементов, натрий силикатных цементов и др.

Так, натрий-силикатный цемент, содержащий 63 масс. % SiO₂, 37 масс. % Na₂SiO₃ (далее состав 1) обладает теплопроводностью 1.0-1.2 Вт/м/К, электрическим сопротивлением 10⁵-10⁶ Ом∙м, электрической прочностью 490 В/мм.

Хорошо зарекомендовала себя керамика на основе оксидов алюминия и магния, содержащая следующие компоненты, масс. %: до 75 масс. % Аl₂O₃, до 15 масс. % MgO, 11-18 масс. % Mg₂(OH)₂PO₄ и до 2 масс. % Н₃ВО₃ (далее состав 2). Ее теплопроводность составляет от 1,4 до 2,3 Вт/м/К, значения электросопротивления - от 1 до 2·10⁹ Ом·м электрическая прочность составляет 2090 В/мм.

Эта керамика (состав 2) может быть улучшена дополнительным введением оксида, карбида или нитрида, выбранного из группы, включающей Аl₂O₃, SiC, BN, TiN (до 40 масс. %), которые позволяют варьировать ее теплопроводность, электрическое сопротивление и КТР.

Дополнительным требованием к керамике является также температура ее отверждения, которая должна быть такой, чтобы при отверждении не был нанесен вред сверхпроводнику и не произошло разрушение его структуры. Эта температура не должна в некоторых случаях превышать 400°С.

Наилучшие результаты достигаются при использовании в качестве сверхпроводящих элементов в виде высокотемпературных сверхпроводящих лент 2 поколения.

Под высокотемпературными сверхпроводниками второго поколения (ВТСП) понимаются тонкие пленки сложного оксида RBa₂Cu₃O₇ (R - редкоземельный элемент), нанесенные на металлическую ленту-подложку. Они обладают набором уникальных свойств, что позволяет их использовать в качестве основы для токоограничителя: высокая критическая температура (88-92 К), высокая токонесущая способность (свыше 500 А/мм²), высокое сопротивление в несверхпроводящем состоянии (порядка 10^-8-10^-7 Ом∙м).

Сверхпроводник для токоограничителя характеризуется 2 параметрами: критическая температура (Tс) и критический ток (Jc). Критическая температура -температура, ниже которой у сверхпроводника пропадает электрическое сопротивление. Для используемого нами высокотемпературного сверхпроводника 2 поколения эта величина порядка 88-92 К. Критический ток - это максимальный ток, который может протекать по сверхпроводнику без возникновения электрического сопротивления. При превышении критического тока у сверхпроводника появляется электрическое сопротивление. Именно эта особенность и используется в сверхпроводящем токоограничителе.

Для нашей ленты критический ток составляет примерно 150 А (для ленты шириной 4 мм).

Токоограничитель конструируется в расчете на определенный ток, который будет идти по нему в нормальном режиме работы, например, на 1500 А. Для такого ТОУ надо будет использовать 10 наших лент, подключенных параллельно. Если бы наша лента имела критток в 300 А, то понадобилось лишь 5 отрезков лент. Таим образом, критток ленты определяет количество материала ВТСП, который будет необходим для того или иного ТОУ.

Необходимо отметить, что в капсуле модуля ограничителя может быть расположен только 1 сверхпроводник - для некоторых маломощных электрических цепей этого вполне достаточно.

Если цепь более мощная, то в одной капсуле можно разместить несколько сверхпроводников, установив их параллельно друг другу или для образования ограничителя тока составить несколько модулей, у которых в капсуле находится по одному сверхпроводнику.

Также можно выполнить керамическую капсулу со спиралеобразными канавками, в которые уложить по спирали сверхпроводник и сверху закрыть сверхпроводник керамикой.

Собранный модуль ограничителя тока устанавливают в контейнер с криогенной средой и подсоединяют клеммы для дальнейшего использования в качестве ограничителя тока в электрических цепях.

Примеры реализации изобретения.

Были выполнены 2 образца ленты и 2 образца керамики.

Пример 1.

Первый образец сверхпроводника представлял собой металлическую ленту, подложка которой была выполнена из нержавеющей стали, на подложку была нанесена пленка ВТСП на основе YBa₂Cu₃O₇ толщиной 1 мкм. Пленка ВТСП была покрыта слоем серебра, толщиной 1 мкм. Ширина ленты 4 мм.

Параметры ленты (первого образца):

Критический ток Jc (при 77 К): 160 А/4 мм.

Удельное электрическое сопротивление (при 297 К): 2.0 Ом/м.

Коэффициент термического расширения (КТР): 1·10-5 1/К.

Для формирования токоограничивающего модуля порошкообразный прекурсор керамики состава (1) смешивали с водой, образующуюся пасту наносили на ленту ВТСП первого образца и высушивали при комнатной температуре. При сушке происходило отверждение керамики вследствие химических реакций компонентов прекурсора (инициируемые водой), в результате чего полученный модуль приобрел механическую прочность. Толщина слоя керамики составляет 2 мм.

Полученная таким образом керамика обладала следующими свойствами (данные производителя): теплопроводность: 1.0-1.2 Вт/м/К, электрическое сопротивление 10⁵-10⁶ Ом·м (при 21 С), электрическая прочность 490 В/мм.

Прекурсор затвердевает при температуре ниже 200 С, что позволяет использовать этот состав для формирования оболочки ВТСП-ленты.

Керамика сохраняет свои свойства при нагревании до 1000 С.

Пример 2.

Второй образец сверхпроводника представлял собой металлическую ленту, подложка которой была выполнена из сплава никеля Hastelloy с-276, на подложку была нанесена пленка ВТСП на основе YBa₂Cu₃O₇ толщиной 1 мкм. Пленка ВТСП была покрыта слоем меди, толщиной 1 мкм. Ширина ленты 12 мм. Параметры ленты (второго образца):

Критический ток Jc (при 77 К): 390 А/12 мм.

Удельное электрическое сопротивление (при 297 К): 0.37 Ом/м.

Коэффициент термического расширения (КТР): 1·10^-5 1/К.

Для формирования токоограничивающего модуля порошкообразный прекурсор керамики состава (2) смешивали с водой, добавляли в него 35 масс. % карбида кремния и полученную пасту наносили на ленту ВТСП второго образца и высушивали при комнатной температуре. При сушке происходило отверждение керамики вследствие химических реакций компонентов прекурсора (инициируемые водой), в результате чего полученный модуль приобрел механическую прочность. Толщина слоя керамики составляет 10 мм.

Полученная керамика обладала следующими свойствами:

Теплопроводность: 1.4-2.3 Вт/м/К. Удельное электрическое сопротивление: 1,46*109 Ом·м (при 21°C), электрическая прочность 2090 В/мм.

Прекурсор затвердевает при температуре ниже 200 С, что позволяет использовать этот состав для формирования оболочки ВТСП-ленты.

Керамика сохраняет свои свойства при нагревании до 1000 С.

На рис. 1 приведена полная электрическая схема для тестирования. ВТСП-модуль - образец ВТСП (в керамике и без нее), V - вольтметр Keithley, Xantrex - источник тока со встроенным амперметром.

На рис. 2 показан типичный вид зависимости тока (кривая 1) и напряжения (2) от времени при тестировании ВТСП-модуля (критический ток модуля 160 А).

Тестирование модуля осуществляли в соответствии со схемой на рис. 1.

Для тестирования модуля к ленте ВТСП в керамике параллельно подключали шунт, выполненный из нержавеющей стали, сопротивлением 0,125 Ом/м (297 К).

Полное сопротивление (при 297 К) ленты ВТСП и шунта относятся как 3:1 по примеру 1 и 1:2 по примеру 2.

Тестируемый образец (речь идет о ВТСП ленте в керамике и образце сравнения - ВТСП-ленте без керамической оболочки) помещался в жидкий азот и после охлаждения образца на него подавался импульс напряжения.

Напряжение U и ток I через образец измерялись на протяжении всего импульса с частотой в 0.04 с.

При тестировании варьировалось как напряжение, так и длительность импульса.

Было обнаружено, что разрушение ВТСП-ленты без керамики происходит при напряжении импульса свыше 1.3 В (длительность импульса - 0.8 с). В то же время ВТСП-лента, заключенная в керамический блок выдерживала импульсы напряжением до 5.0 В (с той же длительностью импульса в 0.8 с) без деградации электрических свойств (критический ток). Также ВТСП в керамическом блоке может выдерживать продолжительные импульсы напряжения (более 5 с при напряжении 1.3 В).

Поскольку теплота (Q) выделяющаяся на электрическом проводнике за время t, связана с напряжением U и током I через этот проводник уравнением:

Q=IUt,

то исходя из экспериментальных данных (рис. 2) можно оценить теплоту, при которой происходит разрушение ВТСП. Для нестабилизированной ленты эта величина составляет 125 кДж/м², в то время как для ленты, покрытой керамикой - 2500 кДж/м², то есть рассеяние теплоты в модуле с керамической капсулой происходит в 20 раз более эффективно, что и обуславливает большую стойкость ВТСП ленты к перегреву.

Видно, что при достижении критического тока в 160 А (кривая 1, 0.5 с) сверхпроводник выходит из сверхпроводящего состояния и имеет ненулевое сопротивление, что приводит к возникновению напряжения на нем (кривая 2).