LIMITADOR DE CORRIENTE DE DEFECTO.
Limitador de corriente de defecto (10) que comprende:
un nodo de entrada (11);
un nodo de salida (12);
un elemento de impedancia variable (13) conectado entre el nodo de entrada (11) y el nodo de salida (12);
un sistema de refrigeración de ciclos múltiples (14) que comprende un primer ciclo de refrigerante (30) en el que circula un primer refrigerante y al menos un ciclo de refrigerante adicional (32) en el que circula un segundo refrigerante, siendo los ciclos de refrigerante (30 y 32) ciclos cerrados y estando conectados térmicamente para refrigerar el elemento de impedancia variable (13), caracterizado porque el elemento de impedancia variable, que es un material superconductor con una temperatura de transición en el intervalo de 20 K a 60 K, está totalmente sumergido en el primer refrigerante y el primer ciclo de refrigerante está totalmente sumergido en el segundo refrigerante
Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/GB2004/002370.
Solicitante: ROLLS-ROYCE PLC.
Nacionalidad solicitante: Reino Unido.
Dirección: 65 BUCKINGHAM GATE,LONDON, SW1E 6AT.
Inventor/es: MALKIN, PETER, SARGENT,PHILIP,MICHAEL, SIMMERS,BRIAN,EDWARD.
Fecha de Publicación: .
Fecha Concesión Europea: 23 de Junio de 2010.
Clasificación Internacional de Patentes:
- H01L39/16 ELECTRICIDAD. › H01 ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS. › H01L DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES; DISPOSITIVOS ELECTRICOS DE ESTADO SOLIDO NO PREVISTOS EN OTRO LUGAR (utilización de dispositivos semiconductores para medida G01; resistencias en general H01C; imanes, inductancias, transformadores H01F; condensadores en general H01G; dispositivos electrolíticos H01G 9/00; pilas, acumuladores H01M; guías de ondas, resonadores o líneas del tipo guía de ondas H01P; conectadores de líneas, colectores de corriente H01R; dispositivos de emisión estimulada H01S; resonadores electromecánicos H03H; altavoces, micrófonos, cabezas de lectura para gramófonos o transductores acústicos electromecánicos análogos H04R; fuentes de luz eléctricas en general H05B; circuitos impresos, circuitos híbridos, envolturas o detalles de construcción de aparatos eléctricos, fabricación de conjuntos de componentes eléctricos H05K; empleo de dispositivos semiconductores en circuitos que tienen una aplicación particular, ver la subclase relativa a la aplicación). › H01L 39/00 Dispositivos que utilizan la superconductividad o la hiperconductividad; Procedimientos o aparatos especialmente adaptados a la fabricación o al tratamiento de estos dispositivos o de sus partes constitutivas (dispositivos consistentes en una pluralidad de componentes de estado sólido formados en o sobre un sustrato común H01L 27/00; superconductores caracterizados por la técnica de formación o por la composición de las cerámicas C04B 35/00; conductores, cables o líneas de transmisión superconductores o hiperconductores H01B 12/00; bobinas o arrollamientos superconductores H01F; amplificadores que utilizan la superconductividad H03F 19/00). › Dispositivos conmutables entre los estados normal y superconductor.
Clasificación PCT:
- H01L39/16 H01L 39/00 […] › Dispositivos conmutables entre los estados normal y superconductor.
Clasificación antigua:
- H01L39/16 H01L 39/00 […] › Dispositivos conmutables entre los estados normal y superconductor.
Fragmento de la descripción:
Limitador de corriente de defecto.
Las realizaciones de la presente invención se refieren a un limitador de corriente de defecto (FCL). De manera específica, se hace referencia a un FCL para una red de distribución eléctrica.
Las redes de distribución eléctrica se utilizan para transmitir corriente eléctrica desde una fuente hasta una carga. Si se produce un defecto eléctrico en este tipo de red, se generan grandes corrientes que pueden provocar daños en la carga. Los limitadores de corriente de defecto varían su impedancia cuando se produce un defecto y reducen la corriente.
Los materiales superconductores tienen un estado superconductor de baja impedancia y un estado normal de alta impedancia. Los mismos pueden utilizarse como elemento de impedancia variable en un limitador de corriente de defecto. Bajo condiciones de funcionamiento normales, el elemento superconductor presenta una impedancia aproximadamente nula y, por lo tanto, no se produce una caída de tensión a través del FCL. Cuando se produce un defecto y empieza a circular una corriente elevada, el elemento superconductor pasa de estado superconductor a estado normal, introduciendo impedancia en la red. En consecuencia, se produce una caída de tensión significativa a través del FCL.
Los superconductores de baja temperatura (LTS) tienen una temperatura de transición inferior a 23,2 K. La temperatura de transición (TC) es la temperatura por debajo de la cual es posible que el material sea superconductor. El material es superconductor cuando el campo magnético, la densidad de corriente y la temperatura aplicados están todos ellos por debajo de unos valores umbral que dependen del tipo de material. Es necesario utilizar helio líquido para enfriar un LTS por debajo de su temperatura de transición (TC), aunque resulta muy costoso y es un refrigerante ineficaz. Esto hace que la utilización del LTS sea cara en un FCL.
Los materiales superconductores de alta temperatura (HTS) basados en cerámica se desarrollaron en los años 80. Los materiales HTS pueden ser superconductores a temperaturas alcanzables mediante la utilización de nitrógeno líquido (77 K). El nitrógeno líquido es aproximadamente 20 veces más eficaz como refrigerante que el helio líquido y 10 veces más económico. No obstante, los materiales HTS son difíciles de fabricar, debido a su debilidad mecánica y a su naturaleza frágil.
El documento DE 199 04 822 C describe un dispositivo en el que se utiliza nitrógeno líquido para enfriar los cables de corriente de una carga, tal como un limitador de corriente. El nitrógeno se enfría en una máquina de refrigeración Joule-Thompson hasta una temperatura de 77 K y a continuación es conducido a lo largo de los cables de corriente en dirección contraria a la entrada de calor.
Por lo tanto, resultaría deseable disponer de un limitador de corriente de defecto superconductor que pueda utilizar nitrógeno líquido como refrigerante pero que tenga una resistencia mecánica superior a la de los materiales HTS.
Según la presente invención, se da a conocer un limitador de corriente de defecto que comprende: un nodo de entrada; un nodo de salida; un elemento de impedancia variable conectado entre el nodo de entrada y el nodo de salida; un sistema de refrigeración de ciclos múltiples, que comprende un primer ciclo de refrigerante en el que circula un primer refrigerante y al menos un ciclo de refrigerante adicional en el que circula un segundo refrigerante, siendo los ciclos de refrigerante ciclos cerrados y estando conectados térmicamente para refrigerar el elemento de impedancia variable, caracterizado porque el elemento de impedancia variable, que es un material superconductor con una temperatura de transición en el intervalo de 20 K a 60 K, está totalmente sumergido en el primer refrigerante y el primer ciclo de refrigerante está totalmente sumergido en el segundo refrigerante.
El elemento de impedancia variable del FCL puede estar dispuesto para pasar de un estado superconductor a un estado normal cuando la corriente en el nodo de entrada supera un umbral. En estado superconductor, la caída de tensión a través del FCL es mínima. En estado normal, la caída de tensión a través del FCL puede ser grande y la corriente suministrada por el nodo de salida es limitada.
Preferiblemente, el elemento de impedancia variable comprende un material superconductor metálico basado en boruro, tal como diboruro de magnesio.
La utilización de diboruro de magnesio permite obtener varias ventajas. El mismo es un material superconductor que es fácil de fabricar y del cual es posible procesar fácilmente grandes cantidades. También puede ser conformado en varias formas físicas. Esto permite obtener flexibilidad al diseñar el FCL. El material consistente en diboruro de magnesio puede ser fabricado fácilmente en cualquier forma razonable que permita optimizar el diseño del FCL para cualquier aplicación específica. Además, el proceso de fabricación permite obtener muestras fiables, homogéneas y repetibles en comparación con la falta de consistencia de las muestras de material semiconductor de alta temperatura (HTS). Asimismo, el coste del material consistente en MgB2 es considerablemente inferior al de los materiales HTS, en términos de costes de materia prima (polvo) y de proceso, y es probable que permanezca de esa manera. El diboruro de magnesio tiene una conductividad térmica aproximadamente 20 veces superior a la de los materiales HTS. Esto permite obtener un enfriamiento rápido y uniforme del superconductor, haciendo que el mismo sea menos susceptible a daños por shock mecánico o térmico. El aumento de corriente debido a un defecto en la red de suministro eléctrico es grande, normalmente, de cientos a miles de amperios, aunque el diboruro de magnesio tiene la resistencia mecánica suficiente para soportar las muy considerables fuerzas electromagnéticas generadas al producirse un defecto.
El elemento de impedancia variable puede estar sumergido en un primer refrigerante, que tiene un intervalo de temperaturas de 5 K a 76 K. Por ejemplo, el primer refrigerante puede ser neón líquido y el segundo refrigerante puede ser nitrógeno líquido. Este diseño de FCL utiliza neón líquido en vez de helio líquido como refrigerante. El neón líquido tiene una capacidad de calor específico aproximadamente 40 veces superior a la del helio líquido.
El tiempo de enfriamiento del elemento de impedancia variable que consiste en diboruro de magnesio es rápido. El tiempo de enfriamiento es el tiempo necesario para que el material superconductor pase de estado superconductor a estado normal. Este tiempo de enfriamiento rápido permite obtener diversas ventajas. El elemento de impedancia variable pasa rápidamente a imponer una carga en la red. Esto reduce las posibilidades de que la carga alimentada por la red de energía eléctrica sufra daños. Asimismo, se reduce el calor resistivo del elemento de impedancia variable, de modo que es necesario un menor enfriamiento.
El elemento de impedancia variable puede estar conectado eléctricamente en paralelo a una resistencia en derivación. Cuando la corriente en el elemento de impedancia variable supera un umbral, dicho elemento de impedancia variable pasa de un estado superconductor de baja impedancia a un estado normal de alta impedancia, provocando que la corriente circule a través de la resistencia en derivación. La resistencia en derivación puede transmitir su energía calorífica directamente al entorno.
La corriente umbral puede ser la corriente en el momento en el que se supera la densidad de corriente de transición del elemento superconductor. De manera alternativa, el elemento superconductor puede estar dispuesto o configurado de modo que el campo magnético aplicado exceda el campo magnético de transición cuando la corriente supera la corriente umbral.
La densidad de corriente de transición está en el intervalo de 103 a 106 A/cm2 a la temperatura del neón líquido (27 K) y en campo inducido. La densidad de corriente de transición es una función de la calidad del material superconductor. Debido a que el límite superior de la densidad de corriente es alto, resulta posible que las dimensiones del elemento de impedancia variable sean pequeñas. Esto resulta ventajoso en aplicaciones en las que las limitaciones de espacio son importantes. Una aplicación de este tipo está en el campo de un sistema de propulsión eléctrico marino. En este tipo de sistema, resulta deseable que un FCL sea pequeño, ya que el espacio es escaso.
Reivindicaciones:
1. Limitador de corriente de defecto (10) que comprende:
un nodo de entrada (11);
un nodo de salida (12);
un elemento de impedancia variable (13) conectado entre el nodo de entrada (11) y el nodo de salida (12);
un sistema de refrigeración de ciclos múltiples (14) que comprende un primer ciclo de refrigerante (30) en el que circula un primer refrigerante y al menos un ciclo de refrigerante adicional (32) en el que circula un segundo refrigerante, siendo los ciclos de refrigerante (30 y 32) ciclos cerrados y estando conectados térmicamente para refrigerar el elemento de impedancia variable (13), caracterizado porque el elemento de impedancia variable, que es un material superconductor con una temperatura de transición en el intervalo de 20 K a 60 K, está totalmente sumergido en el primer refrigerante y el primer ciclo de refrigerante está totalmente sumergido en el segundo refrigerante.
2. Limitador de corriente de defecto (10) según la reivindicación 1, caracterizado porque el elemento de impedancia variable (13) comprende un material superconductor metálico basado en boruro.
3. Limitador de corriente de defecto (10) según la reivindicación 2, caracterizado porque el elemento de impedancia variable (13) está hecho de diboruro de magnesio.
4. Limitador de corriente de defecto (10) según las reivindicaciones 1-3, caracterizado porque el primer refrigerante está en el intervalo de temperaturas de 5 K a 76 K.
5. Limitador de corriente de defecto (10) según la reivindicación 4, caracterizado porque el primer refrigerante es neón líquido.
6. Limitador de corriente de defecto (10) según cualquiera de las reivindicaciones 1-5, caracterizado porque el elemento de impedancia variable (13) está configurado de modo que cuando la corriente eléctrica (15) suministrada al nodo de entrada (11) supera un umbral, la densidad de corriente en el elemento de impedancia variable (13) supera una densidad de corriente de transición y el elemento de impedancia variable (13) pasa de un estado superconductor de baja impedancia a un estado normal de alta impedancia.
7. Limitador de corriente de defecto (10) según la reivindicación 6, caracterizado porque la densidad de corriente de transición está en el intervalo de 103 a 106 A/cm2 a 27 K.
8. Limitador de corriente de defecto según cualquiera de las reivindicaciones 1-7, caracterizado porque el elemento de impedancia variable (13) está configurado de modo que cuando la densidad de flujo magnético en el elemento de impedancia variable (13) supera una densidad de flujo magnético de transición el elemento de impedancia variable (13) pasa de un estado superconductor de baja impedancia a un estado normal de alta impedancia.
9. Limitador de corriente de defecto (10) según cualquiera de las reivindicaciones 1-8, caracterizado porque al menos una interconexión superconductora de alta temperatura (42, 43) está conectada en serie con el primer elemento de impedancia variable (13).
10. Limitador de corriente de defecto según la reivindicación 9, caracterizado porque una primera (42) y una segunda (43) interconexiones superconductoras de alta temperatura conectan el elemento de impedancia variable del limitador de corriente de defecto.
11. Limitador de corriente de defecto (10) según la reivindicación 9 ó 10, en el que las interconexiones superconductoras de alta temperatura (42, 43) están sumergidas en un refrigerante de la segunda parte de refrigerante (49).
12. Limitador de corriente de defecto según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el refrigerante de la segunda parte de refrigerante (49) es nitrógeno líquido.
13. Limitador de corriente de defecto (10) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque una resistencia (17) está conectada eléctricamente en paralelo al elemento de impedancia variable (13).
14. Limitador de corriente de defecto según la reivindicación 13, caracterizado porque la resistencia (17) está situada fuera del sistema de refrigeración de ciclos múltiples (14) y el elemento de impedancia variable (13) está situado dentro del sistema de refrigeración de ciclos múltiples (14).
15. Limitador de corriente de defecto (10) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el elemento de impedancia variable (13) está dispuesto en una configuración resistiva.
16. Limitador de corriente de defecto (10) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el elemento de impedancia variable (13) está dispuesto en una configuración inductiva.
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