Выпуски бюллетеня

ТомНомер
13 1
12 1 2 3 4 5 6
11 1 2 3 4 5 6
10 1 2 3 4 5
9 1 2 3 4 5
8 1 2 3 4 5
7 1
6 1 2 3 4
5 1 2 3 4 5 6
4 1 2 3 4 5 6
3 1 2 3 4 5 6
2 1 2 3 4 5
1 1 2
0 0

Тематический указатель

Китай: разработка ВТСП токоограничителя на 10 кВ и 200 А

2013, Tом 10, выпуск 1
Тематика: ВТСП устройства

Китайские специалисты из Shanghai Jiao Tong University разработали прототип СОТ резистивного типа, рассчитанный на номинальные напряжение 10 кВ и ток 200 А.

Рис. 1. Внешний вид ВТСП токоограничителя на 10 кВ и 200 А (справа) и фотография отдельной токоограничивающей секции (слева).

Внешний вид устройства представлен на Рис. 1. СОТ состоит из трех фаз, каждая из которых состоит из 15 соединенных последовательно токоограничивающих секций. Была изготовлена и испытана одна из токоограничивающих секций, рассчитанная на напряжение 400 В.

В токоограничивающей секции размещены 12 одиночных ВТСП лент длиной по 1 м. Сверхпроводящие ленты в секции соединяются в два параллельных участка, каждый из которых состоит из 6 последовательно соединенных лент (см. Рис. 2).

Рис. 2. Способ соединения ВТСП лент в токоограничивающей секции.

Для изготовления токоограничивающей ВТСП секции использовались YBCO ленты шириной 10 мм и толщиной 140 мкм, покрытые с обеих сторон медным стабилизатором толщиной 20 мкм. Изготавливались ленты методом PLD (Pulsed Laser Deposition) в Shanghai Jiao Tong University. Критический ток отдельной ВТСП ленты составляет примерно 145 А, а параллельное соединение двух YBCO лент в секции обеспечивает критический ток в 290 А.

Каждая токоограничивающая секция весит 4,5 кг, а вся трехфазная система, включая поддерживающую конструкцию – 265 кг.

Потери на переменном токе и контактное

сопротивление.

В отличие от токоограничителей, секции которых представляют собой бифилярные обмотки, конструкция разработанного китайскими специалистами СОТ обеспечивает непосредственный контакт всей поверхности ВТСП ленты с жидким азотом, что улучшает теплообмен и сокращает время восстановления сверхпроводящих свойств после короткого замыкания. Более того, токи в соседних ВТСП лентах текут в противоположных направлениях, и магнитное поле каждой ленты компенсируется магнитным полем от соседней ленты, что снижает величину потерь на переменном токе. Однако в такой конструкции возникает большое число спаев, в рассматриваемом токоограничителе – 1080 спаев. Поэтому необходимо исследовать два типа тепловых потерь: потери на переменном токе, возникающие в сверхпроводящих лентах, и потери из-за контактного сопротивления, возникающие в медных соединениях и токовводах.

Рис. 3. Потери на переменном токе в ВТСП секции СОТ.

На Рис. 3 представлены экспериментальные и расчетные значения потерь на переменном токе в токоограничивающей секции. Численный анализ основан на распределении тока и магнитного поля по поперечному сечению 12 ВТСП лент. Результаты расчета хорошо согласуются с экспериментальными данными при превышении током значения 0,6 Ic. Исследование отдельной ВТСП секции позволило оценить величину потерь на переменном токе в прототипе СОТ на 10 кВ. При рабочем токе устройства в 200 А потери составят приблизительно 90 Вт.

Другим источником тепловых потерь в разработанном токоограничителе является наличие сопротивления в контактах, соединяющих сверхпроводящие ленты в ВТСП секциях, а также в местах соединения с токовводами.

Контакт между YBCO лентами в секции осуществляется с помощью специально разработанных зажимов, которые позволяют не только точно и устойчиво расположить ленты на каркасе, но и минимизировать контактное сопротивление. Площадь поверхности контакта в каждом соединении составляет 2 см2. Несколько поддерживающих зажимов расположены в центральной части ВТСП секции для подавления перемещения лент во время перехода в нормальное состояние. Для достижения наилучшей электропроводности вместе с прижимным контактом использовалась пайка индием.

По вольтамперной характеристике на участке  между соседними лентами была вычислена величина контактного сопротивления. ВАХ всей токоограничивающей секции позволила определить общее сопротивление. В том случае, когда между сверхпроводящими лентами осуществлялся только прижимной контакт, контактное сопротивление ВТСП секции, возникающее из-за соединений сверхпроводящих лент, составило 0,294 мОм, а общее сопротивление секции – 0,330 мОм. Таким образом, контакт между соседними сверхпроводящими лентами дает значительно больший вклад в общее сопротивление ВТСП секции, чем соединения секции с токовводами. Применение совместно с прижимным контактом пайки индием позволило сократить величину общего контактного сопротивления токоограничивающей секции до 0,09 мОм, то есть приблизительно в 3,5 раза.

На Рис. 4 представлены зависимости потерь, возникающих в ВТСП лентах на переменном токе, тепловыделений в контактах, а также величина общих тепловых потерь в ВТСП секции СОТ от тока. Тепловыделения в контактах, представленные на графике, приведены для случая, когда ВТСП ленты в секции соединены только путем прижима, без применения индиевого припоя.

Рис. 4. Потери в ВТСП секции трехфазного СОТ на 10 кВ.

Из Рис. 4 видно, что потери на переменном токе, возникающие в ВТСП лентах, значительно меньше тепловыделений в контактах, однако при приближении тока к критическому значению потери в ВТСП лентах на переменном токе растут значительно быстрее.

Максимально допустимое падение напряжение на YBCO ленте.

Напряжение, которое может выдержать единица длины YBCO проводника за время короткого замыкания, определяет количество ленты, необходимое для создания токоограничителя на заданный уровень напряжения.

Для определения максимально допустимого падения напряжения на одиночных YBCO лентах был проведен ряд экспериментов по имитации короткого замыкания длительностью от 20 мс до 200 мс. Для исследования максимально допустимого падения напряжения были выбраны ВТСП ленты с максимально близкими критическими токами (от 143 до 146 А).

Для имитации коротких замыканий использовался понижающий трансформатор с током 500 А во вторичной обмотке. Напряжение на вторичной обмотке трансформатора постоянно и составляло20 В, длину ленты постепенно уменьшали от 25 см с шагом 5 см вплоть до ее перегорания. Таким образом, определялось максимально допустимое значение напряжения, приходящегося на единицу длины YBCO ленты. При увеличении длительности короткого замыкания лента нагревается до большей температуры, то есть максимально допустимое напряжение снижается. В таблице 1 приведены максимально допустимые напряжения при разной длительности короткого замыкания.

Падение напряжения на единицу длины нормального участка проводника растет преимущественно линейно с увеличением длительности короткого замыкания, пока ВТСП лента не сгорит. В проведенных опытах не было подключено последовательно или параллельно ленте ни шунтирующего, ни линейного сопротивления. Все напряжение во время короткого замыкания было приложено к лентам, поэтому полученные результаты отражают наиболее неблагоприятную ситуацию.

Эксперименты по короткому замыканию.

Для исследования влияния шунтирующего сопротивления на величину ограниченного тока были проведены эксперименты по имитации короткого замыкания, в которых к ВТСП ленте длиной 20 см были параллельно подсоединены шунтирующие сопротивления в 20  мОм и 200 мОм. Эксперименты проводились на двух уровнях напряжения. При приложенном к ВТСП ленте напряжении в 20 В (действующее значение) ударный ток короткого замыкания составлял 1,4 кА (по амплитуде), а при напряжении в 40 В (действующее значение) – 2,8 кА (по амплитуде). Результаты экспериментов представлены на Рис. 5.

Рис. 5. Ток короткого замыкания при различных значениях шунтирующего сопротивления. Действующее значение напряжения, приложенного к ВТСП ленте, составляет 20 В (слева) и 40В (справа).

Добавление шунтирующего сопротивления позволяет снизить величину ограниченного тока, причем при большем значении приложенного напряжения шунтирующее сопротивление оказывает большее влияние на величину ограниченного тока. Таким образом, использование шунтирующего сопротивления позволяет заметно снизить падение напряжения на ВТСП лентах и защитить их от перегорания.

Сравнение результатов экспериментов по имитации короткого замыкания, проведенных при приложенных к образцу напряжений 20 В и 40 В (действующие значения), показывает, что увеличение в 2 раза приложенного напряжения увеличивает ограниченный ток короткого замыкания на первом полупериоде только на 30%. Это говорит о том, что в эксперименте с большим напряжением ВТСП секция токоограничителя развивает и большее сопротивление. Связан этот эффект с более однородным переходом сверхпроводящих лент в нормальное состояние при большем значении напряжения. Всего было проведено 20 экспериментов, последующее измерение вольтамперных характеристик не показало деградации критического тока.

Важной характеристикой устройства является время восстановления токоограничителем сверхпроводящего состояния под нагрузкой после устранения короткого замыкания, для чего с одиночной ВТСП лентой длиной 20 см были проведены эксперименты при напряжении 40 В. Критерием, определяющим время восстановления сверхпроводящего состояния, являлось снижение напряжения до значения 1 мкВ/см. Длительность короткого замыкания менялась от 20 мс до 120 мс. Нормальный ток составлял 100 А, а ограниченный ток короткого замыкания – 1 кА (действующие значения), шунтирующее сопротивление в исследованиях времени восстановления не использовалось. Результаты измерения времени восстановления ВТСП секцией сверхпроводящего состояния под нагрузкой для различных длительностей короткого замыкания приведены в таблице 2.

Таблица 2

 

 

1.  Z. Hong et al., The Development and Performance Test of a 10 kV Resistive Type Superconducting Fault Current Limiter, IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol. 22, No. 3, 5600504, June 2012

2.  L. Ying et al., AC Loss and Contact Resistance of Resistive Type Fault Current Limiter Using YBCO Coated Conductors IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol. 22, No. 3, 5602204, June 2012

3.  B. Lin et al., Test of Maximum Endurable Quenching Voltage of YBCO-Coated Conductors for Resistive Superconducting Fault Current Limiter IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol. 22, No. 3, June 2012

 

 

Примечание научного редактора:

Обращаем Ваше внимание, что большинство проектов по электротехническим устройствам на основе ВТСП 2-го поколения реализуется из сверхпроводящих материалов собственного изготовления.

Н.С. Вохмянина

Главная | Новости | Бюллетень | Конференции | Поиск публикаций в базе данных | Новое в базе данных
Российские организации | Энциклопедия | Цели сайта | Контакты | Полезные ссылки | Карта сайта | Помощь

© Copyright 2006-2012. Использование материалов сайта возможно только с обязательной ссылкой на сайт.
Свои замечания и пожелания вы можете направлять по адресу perst@isssph.kiae.ru
Техническая поддержка Alexey, дизайн Teodor.