ВТСП токоограничители компании Nexans
2013, Tом 10, выпуск 1
Тематика: ВТСП устройства
Проект ENSYSTROB
Интенсивные исследования по созданию сверхпроводниковых ограничителей токов (СОТ) начались в Германии 15 лет назад и к настоящему времени уже успешно работают в различных электросетях коммерческие прототипы.
В сентябре 2009 года стартовал проект
ENSYSTROB, целью которого является создание трехфазного СОТ резистивного типа, рассчитанного на номинальные напряжение 12 кВ и ток 800 А. Над проектом работают специалисты из Karlsruhe Institute of Technology, University of Dortmund, компании Nexans Superconductors при поддержке правительства Германии. Разрабатываемый токоограничитель будет обеспечивать защиту собственных нужд электростанции. Отличительной особенностью этой области применения СОТ является большой ударный ток короткого замыкания.
Новый токоограничитель разрабатывается на основе устройства, ранее установленного на угольной электростанции г. Боксберг (Германия). Он будет отличаться от своего предшественника тем, что вместо токоограничивающих элементов круглого сечения из массива BSCOO‑2212 в нем будут использоваться ВТСП ленты 2-го поколения производства компании SuperPower. Ширина YBCO лент составляет 12 мм, критический ток – 275 А, а толщина стабилизирующего серебряного покрытия, необходимого для защиты ВТСП лент от перегрева во время коротких замыканий – 3 мкм.
Рис. 1. Внешний вид прототипа ВТСП секции СОТ, разрабатываемого в проекте ENSYSTROB.
Сверхпроводниковые секции токоограничителя будут представлять собой бифилярные катушки галетного типа. Прототип ВТСП секции СОТ уже изготовлен и его внешний вид представлен на Рис. 1. Токонесущий элемент прототипа секции состоит из двух ВТСП лент, сложенных вместе таким образом, что YBCO слой одной сверхпроводящей ленты прижат к подложке другой ленты. Два токонесущих элемента бифилярно намотаны на каркас катушки и подсоединены к общему контакту в центре ВТСП секции. Длина токонесущего элемента составляет 2,3 м. Контакт между токонесущими элементами осуществлялся путем механического прижима YBCO поверхностей сверхпроводящих лент к медным пластинкам через индиевую прокладку.
Итоговая конструкция ВТСП секции будет очень близка к своему прототипу. Отличие заключается в том, что для намотки галеты будут использоваться не два, а четыре токонесущих элемента, соединенных параллельно. Таким образом, токонесущая способность секции увеличится в 2 раза. Токи в смежных токонесущих элементах будут протекать в противоположных направлениях. Длина токонесущего элемента также будет увеличена и составит – 4,3 м. Все ВТСП ленты в этом случае также будут подсоединены к общему контакту в центре ВТСП секции.
Для обеспечения необходимой токонесущей способности три ВТСП секции будут соединены параллельно друг с другом в ВТСП сборку. Каждая фаза СОТ будет состоять из 16 таких сборок, соединенных последовательно, поэтому для изготовления одной фазы потребуется 1660 м сверхпроводящей ленты. Каждая сборка токоограничителя рассчитана на напряжение 433 В, то есть напряженность электрического поля на ВТСП лентах устройства составит 0,5 В/см. При работе СОТ в номинальном режиме на токе 800 А ток в каждой ВТСП ленте составит 34% от своего критического значения, а именно 67 А.
Рис. 2. Потери на переменном токе в зависимости от величины транспортного тока для различных расстояний между токонесущими элементами.
Для определения потерь на переменном токе в ВТСП лентах СОТ была построена двумерная модель, в которой бифилярная катушка галетного типа была представлена как пачка ВТСП лент с противоположными направлениями тока. Расчет проводился методом конечных элементов. Стоит отметить, что расчет потерь на переменном токе в пачке ВТСП лент можно провести аналитически, если для описания сверхпроводящих свойств использовать модель критического состояния. Результаты моделирования показали, что использование двух ВТСП лент для изготовления токонесущего элемента увеличивает величину потерь на переменном токе приблизительно в 2 раза.
Расстояние между токонесущими элементами также влияет на величину потерь на переменном токе. На Рис. 2 приведен график зависимости потерь от величины транспортного тока для различных расстояний между токонесущими элементами. Сближение токонесущих элементов до расстояния между ними в 3 мм снижает потери на переменном токе в 10 раз по сравнению с бесконечно отдаленными проводниками. При таком расстоянии в одной фазе СОТ при работе устройства на токе 800 А потери на переменном токе составят приблизительно 2 Вт, что значительно меньше, чем тепловые потери, выделяющиеся в токовводах, а в ВТСП секции потери не будут превышать 5 мВт/м. Такое низкое значение величины потерь на переменном токе связано с тем, что ток, протекающий в ВТСП лентах токоограничителя, составляет 34% от своего критического значения.
Рис. 3. Напряжение и ток в ВТСП секции СОТ в опыте короткого замыкания.
Исследование токоограничивающих свойств прототипа ВТСП секции проводилось в жидком азоте в открытом криостате. Секция подвергалась коротким замыканиям длительностью 120 мс. На Рис. 3 представлены изменения напряжения и тока ВТСП секции в течение опыта короткого замыкания. Напряженность электрического поля на ВТСП лентах составляла 0,54 В/см, а температура лент за время прохождения тока короткого замыкания через ВТСП секцию достигла 400 К. На первом полупериоде ударный ток короткого замыкания был ограничен до 21 кА (по амплитуде), через 50 мс амплитуда ударного тока короткого замыкания достигала 4,1 kA, что в 1,6 раза выше порога срабатывания токоограничителя, а по прошествии 100 мс ударный ток снижался до 6,6 – 7 кА. Всего ВТСП секция была подвергнута 20 коротким замыканиям. Деградации критических свойств не наблюдалось.
Проведенные исследования позволили выделить преимущества разрабатываемого токоограничителя над своим прототипом. Стоит отметить, что замена проводников на основе висмута YBCO лентами позволит сократить время восстановления токоограничителем сверхпроводящих свойств после устранения короткого замыкания с одной минуты до нескольких секунд.
Проект ECCOFLOW
Другой проект компании Nexans ECCOFLOW, направлен на создание резистивного СОТ, рассчитанного на напряжение в 20 кВ и ток 1 кА. В течение нескольких месяцев планируется испытать токоограничитель в месте соединения силовых шинопроводов в распределительной сети острова Мальорка (Испания), после чего он будет установлен на фидер трансформатора в VSE электросети в г. Кошице (Словакия) на длительный срок.
Разработанный токоограничитель будет состоять из трех фаз, каждая из которых набрана из 12 ВТСП секций диаметром 640 мм. Расстояние между секциями составляет 70 мм, а высота всей конструкции – 860 мм. Внешний вид одной фазы токоограничителя, а также его отдельной ВТСП секции представлен на Рис. 4.
Рис. 4. Внешний вид фазы СОТ на 20 кВ и 1кА (слева) и ВТСП секции (справа).
Компактные ВТСП катушки низкой индуктивности намотаны из YBCO лент шириной 12 мм с критическим током 300 А. Толщина защитного серебряного покрытия выбранных лент составляет 4 мкм. Шесть токонесущих элементов, представляющих собой две сложенные вместе параллельные ВТСП ленты, намотаны на каркас катушки и присоединены к общему контакту, расположенному в центре секции. Контакты между ВТСП лентами и медными шинами – прижимные, через индиевые прокладки. Значение контактного сопротивления в этом случае будет меньше 0,5 мкОм. Токи в соседних токонесущих элементах текут в противоположных направлениях. В трех из них токи текут к центру секции, а в трех остальных – к периферии.
Каждая секция токоограничителя рассчитана на напряжение 680 В. Параллельное соединение токонесущих элементов в ВТСП секции и последовательное соединение ВТСП секций, образующих фазу, обеспечивается с помощью медного треугольника, являющегося общим контактом для секций, смещенных друг относительно друга на 600.
Такая конструкция токоограничителя позволяет исключить параллельное соединение ВТСП секций, обеспечить низкое напряжение в ВТСП секциях, а также использовать для изготовления обмоток СОТ короткие отрезки ВТСП лент.
Длина ВТСП ленты, необходимая для изготовления обмоток токоограничителя, определяется из условия возможного нагрева сверхпроводника во время короткого замыкания. Температура сверхпроводника, в свою очередь, зависит от падения напряжения на устройстве (8 кВ), которое определяется импедансом сети (1,4 Ом) и максимальной величиной ограниченного тока (действующее значение – 1,4 кА). Максимальная температура ВТСП лент не должна превышать 360 К. Проведенные вычисления показали, что при длительности короткого замыкания в 80 мс это условие достигается при напряженности электрического поля в 0,515 В/см (действующее значение). Таким образом, длина ВТСП ленты, необходимая для изготовления одной фазы токоограничителя, составляет приблизительно 960 м, а для изготовления всего СОТ потребуется 2880 м сверхпроводника.
В случае короткого замыкания СОТ ограничивает ударный ток короткого замыкания на первом полупериоде до 10,8 кА.
Каждую фазу токоограничителя предполагается разместить в отдельном резервуаре, заполненном жидким азотом. Все три резервуара будут расположены в общем вакуумном объеме. Теплоприток по криостату, диаметр которого составит 2099 мм, а высота – 2215 мм, оценивается в 128 Вт без учета токовводов. Для обеспечения рабочей температуры устройства в 77 К планируется использовать микрорефрижератор замкнутого цикла хладопроизводительностью 1000 Вт. При нормальной работе СОТ тепло, идущее от ВТСП секций, испаряет жидкий азот, и газообразный азот течет к криокулеру, затем в теплообменнике газообразный азот превращается в жидкий и под действием гравитации спускается обратно в криостат.
Общие потери в СОТ при низкой температуре складываются из потерь на переменном токе в сверхпроводящих лентах, которые при номинальном токе составят 600 Вт, теплопритоков по криостату и токовводам, а также джоулева тепловыделения в токовводах и соединениях внутри криостата. При токе, составляющем 50% от критического значения, и температуре жидкого азота потери в токоограничителе не превысят 365 Вт.
1. Steffen Elschner et al., ENSYSTROB - Resistive Fault Current Limiter Based on Coated Conductors for Medium Voltage Application, IEEE Transactions On Applied Superconductivity, Vol. 21, No. 3,1209, June 2011
2. Mathias Noe et al., Conceptual Design of a 24 kV, 1 kA Resistive Superconducting Fault Current Limiter, IEEE Transactions On Applied Superconductivity, Vol. 22, No. 3, 5600304, June 2012