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 создает 3-х фазный ВТСП токоограничитель с насыщенным магнитопроводом для передающих сетей 220 кВ

2013, Tом 10, выпуск 3
Тематика: ВТСП устройства

Данный обзор посвящен разработке и созданию в Китае сверхпроводниковых ограничителей тока (СОТ) с насыщенным магнитопроводом для сетей 220 кВ. Началу работ по СОТ предшествовал анализ сетей в КНР [1] и выработка рекомендации по разработке высоковольтных СОТ, поскольку токи короткого замыкания (КЗ) напряжением 220 кВ достигают 40 кА и более, что делает разработку СОТ особенно актуальной

Принцип работы сверхпроводниковых ограничителей тока (СОТ) индуктивного типа основан на  использовании нелинейности намагниченности магнитопровода в случае резкого увеличения индуктивного сопротивления при КЗ. Ограничиваемый ток протекает по обычным обмоткам, находящимся на магнитопроводе. Возможно несколько различных схем индуктивных СОТ: трансформаторная схема (активно разрабатывается компанией Bruker); СОТ с ВТСП экраном; СОТ с насыщенным магнитопроводом. Для СОТ трансформаторного типа и СОТ с ВТСП экраном переход сверхпроводящих элементов в нормальное состояние вызывает увеличение импеданса размещенных на магнитопроводе обычных обмоток. В токоограничителях с насыщенным магнитопроводом переход ВТСП проводника в нормальное состояние не используется, и вполне возможна их реализация на основе обычных электротехнических материалов. ВТСП обмотки необходимы лишь для сокращения массо-габаритных характеристик и уменьшения потерь энергии. Отличительной особенностью всех видов индуктивных СОТ является значительно меньший расход ВТСП проводника по сравнению с резистивными СОТ с аналогичными параметрами. Несмотря на более высокий импеданс в номинальном режиме работы и меньшую глубину ограничения тока короткого замыкания, в ряде случаев индуктивные СОТ оказываются более выгодными по сравнению с резистивными.

 

Рис. 1. Схема одной фазы индуктивного сверхпроводникового токоограничителя [2]

 

 

 

Токоограничитель с насыщенным магнитопроводом на рабочее напряжение 35 кВ уже прошел испытания в сети. В настоящее время в реальной энергосистеме работает СОТ на 220 кВ, разработанный и изготовленный специалистами из Innopower Superconductor Cable Company, Ltd.; Beijing Electric Research Institute of Economics and Technologies; Tianjin Benefo Machinery and Electric Industry Holding Group Company и Tianjin Electric Power Corporation.

Принципиальная схема работы СОТ с насыщенным магнитопроводом изображена на Рис. 1. Схема включения трех фаз СОТ во время испытаний показана на Рис. 2. Фотографии магнитопроводов с обычными обмотками, а также отдельный вид ВТСП катушки подмагничивания приведены на Рис. 3.

 

 

 

Рис. 2. Электрическая схема измерения импеданса 3-х фазного индуктивного СОТ [3] на 220 кВ.

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3. Магнитопроводы, обмотки и ВТСП катушка подмагничивания СОТ на 220 кВ[2].

 

 

 

 

 

Рис. 4. Схематическое изображение 3-х фазного токоограничителя с насыщенным магнитопроводом на 220 кВ [3].

 

 

 

 

 

 

Масштаб устройства впечатляет: вес - 120 тонн, габаритные размеры - 8 ´ 8 ´ 9 м. Схематическое изображение СОТ показано на Рис. 4. При рабочем напряжении 220 кВ номинальный ток СОТ составляет 800 А. Ограничение тока КЗ достаточно слабое: с 50 кА ток ограничивается до 30 кА. Основные характеристики СОТ с насыщенным магнитопроводом приведены в таблице 1.

 

 

 

 

Таблица 1. Основные характеристики СОТ с насыщенным магнитопроводом.

Номинальное напряжение, кВ

220

Номинальный ток, А

800

Частота, Гц

50

Номинальное падение напряжения

<1.25%

Максимальны ток КЗ, кА

50

Максимальный ограниченный ток, кА

30

Время восстановления подмагничивания, с

<0,5

Общий вес, тонн

120

Габариты (длина-ширина-высота), м

8х8х9

 

СОТ состоит из шести магнитопроводов, по два на каждую из фаз и из шести обычных обмоток переменного тока. ВТСП подмагничивающая галетная обмотка постоянного тока, охватывает все магнитопроводы и в рабочем режиме их насыщает. Благодаря этому импеданс основных обмоток в номинальном режиме является малой величиной. В состав СОТ также входит источник питания постоянного тока ВТСП катушки подмагничивания на модулях IGBT и система быстрого разряда, которая состоит из нагрузочных резисторов и выключателя.

При коротком замыкании ток КЗ попеременно выводит из насыщения то один, то другой магнитопровод, из-за чего индуктивное сопротивление увеличивается, а ток ограничивается. Затем срабатывает система быстрого разряда, которая выводит ток из ВТСП катушки подмагничивания. Все магнитопроводы оказываются в ненасыщенном состоянии, индуктивность основных обмоток возрастает, ток КЗ ограничивается еще глубже. После КЗ система питания вновь вводит ток в ВТСП  катушку подмагничивания, индуктивное сопротивление падает. Разряд ВТСП катушки  подмагничивания должен происходить примерно за 5 мс, а восстановление подмагничивания – менее чем за 0,5 сек.

Катушка подмагничивания состоит из галет, намотанных из ВТСП 1-го поколения на основе Bi-2223, которые соединены последовательно в несколько секций (см Рис. 3), которые, в свою очередь, соединены параллельно. И в эти параллельные магнитные системы осуществляется столь быстрый ввод тока, и еще более быстрый разряд! Размеры ВТСП катушки подмагничивания: диаметр около 2 метров, высота примерно метр. Индуктивность такой катушки, расположенной на магнитопроводах, составляет сотни Генри.

Перед отправкой на подстанцию токоограничитель был предварительно испытан [2] на заводе изготовителе. Было определено значение импеданса обмоток при различных токах подмагничивания, см. Рис. 5 (при токе подмагничивания 100 А и выше обнаружено качественное изменение зависимости импеданса от величины тока сети). Проведена имитация грозового разряда напряжением до 1050 кВ, осуществлены высоковольтные испытания на напряжение до 395 кВ и длительные тесты на разогрев при работе на токе, близком к номинальному. Все испытания признаны успешными, после чего СОТ был смонтирован на подстанции Shigezhuang в городе Tianjin (Рис. 6), где и проходит эксплуатационные испытания.

 

 

 

Рис. 5. Зависимости импеданса СОТ от величины тока сети при различных значениях постоянного тока подмагничивающей обмотки [2].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 6. СОТ с насыщенным магнитопроводом на 220 кВ установлен на подстанции [3].

Рассмотрим, с какими проблемами и недостатками данной конструкции пришлось столкнуться создателям СОТ. В основном, это уже пройденные многими другими разработчиками проблемы, хотя и не в масштабах устройства на 220 кВ.

Во-первых, принципиальным недостатком данной конструкции СОТ являются малая глубина токоограничения: с 50 кА всего до 30 кА, и огромный объем железа, необходимый для работы устройства. При использовании меньшего количества железа произойдет насыщение магнитопровода во время КЗ, и устройство не сработает как ограничитель тока. Для увеличения глубины токоограничения и уменьшения массы и объема магнитопровода в 2005 г. в Курчатовском институте была предложена и запатентована схема токоограничителя с насыщенным магнитопроводом [4], содержащая дополнительные размагничивающие обмотки. Компании Zenergy с 2007 г. по 2011 г. удалось добиться значительных успехов в оптимизации конструкции магнитопроводов и обмоток подмагничивания, что позволило существенно  сократить масс-габаритные показатели ВТСП токоограничителей с насыщенным магнитопроводом. Однако, затем в Zenergy было признано неэффективным использование ВТСП обмоток в устройствах с рабочим напряжением ниже 110 кВ, и все дальнейшие работы продолжались уже без использования сверхпроводимости.

Главная проблема, о которой сообщают сами разработчики, состоит в том, что ВТСП катушка повреждается во время КЗ из-за возникающих в ней перенапряжений в процессе быстрого разряда (см. Рис. 7.). Повреждения связаны как с огромной индуктивностью катушки, так и с плохой устойчивостью ВТСП ленты, и не оптимальной для данного применения конструкцией обмотки. При КЗ возникает также ударная механическая нагрузка на обмотку, вызываемая силой Лоренца.

 

 

Рис. 7. Различные повреждения ВТСП обмотки в результате КЗ (пробой и дуговой разряд, механический отрыв серебрянных соединителей, и отжиг ВТСП ленты).

 

В этой ситуации хотелось бы отметить недостаточную информативность статей [2] и [3], в которых изложены результаты разработки и исследований СОТ с насыщенным магнитопроводом. Не хватает данных по геометрии магнитопроводов и обмоток, которые позволили бы посчитать напряжения, токи, поля, возникающие силы и механические напряжения и другие параметры работы данного СОТ, особенно интересные при КЗ. Нет осциллограмм КЗ, ограничения тока, и процесса разряда ВТСП обмотки. Особенно интересно было бы видеть осциллограммы процессов, во время которых ВТСП обмотка перегорала и повреждалась. Без всех этих данных какие-либо рекомендации будут неконкретны.

Несмотря на указанные нерешенные пока проблемы, масштабность работы китайских коллег вызывает уважение. Сделано и испытывается в реальных условиях столь крупное и дорогое устройство. Также впечатляет смелость подхода к ВТСП обмотке, изготовленной из единичной ленты с параллельными секциями. Несомненно, положено хорошее начало, и теперь мы будем с нетерпением следить за развитием проекта и созданием прототипа коммерческого сверхпроводникового токоограничителя.

 

1. Z.L. Chen, W.Z. Gong, A.L. Ren, M.R. Zi, Z.Q. Xiong, D.J. Si, and F. Ye/ Prospective of Applications of Superconducting Fault Current Limiters in Chinese Power Grids// Physics Procedia 36, 894 – 901 (2012).

2. J. B. Cui, B. Shu, B. Tian, Y. W. Sun, L. Z. Wang, Y. Q. Gao, L. Liu, Z. Q. Wei, L. F. Zhang, X. H. Zhu, Q. Li, H. Hong, J. B. Cao, W. Z. Gong, and Y. Xin/ Safety Considerations in the Design, Fabrication, Testing, and Operation of the DC Bias Coil of a Saturated Iron-Core Superconducting Fault Current Limiter// IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 23, 3, 5600704, (2013).

3. Y. Xin, Member, IEEE, W. Z. Gong, Y. W. Sun, J. B. Cui, H. Hong, X. Y. Niu, H. Z. Wang, L. Z. Wang, Q. Li, J. Y. Zhang, Z. Q. Wei, L. Liu, H. Yang, and X. H. Zhu/ Factory and Field Tests of a 220 kV/300 MVA Statured Iron-Core Superconducting Fault Current Limiter// IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 23, 3, 5602305 (2013).

4. М.П. Алексеев, В.Е. Кейлин, В.И. Кочкин, и др./ “Токоограничитель“, бюллетень № 17, 20.06.2005, патент на изобретение № 2254128

М.С. Новиков

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.