Новые исследования по токоограничителям
2005, Tом 2, выпуск 5
Тематика: Фундаментальные исследования
В совместной работе сотрудников Univ. Wollongong и компании Australian Superconductors (Австралия) построен и испытан ВТСП токоограничивающий реактор мощностью 1 МВт с насыщающимся магнитопроводом и с подмагничивающими обмотками постоянного тока, изготовленными из ВТСП проводника на основе Bi-2223/Ag [1]. Это устройство, реагирующее как на положительную, так и на отри-цательную полуволну тока КЗ, обладает практически мгновенной реакцией на КЗ и коротким временем восстановления. Оно способно выдерживать длительный аварийный ток 1200 A и снижать амплитуду тока КЗ в переходном режиме с 2200 A до 100 A. При испытаниях работа устройства не со-провождалась появлением сколько-нибудь значительных гармонических составляющих, и 99.96% всего спектра мощности приходилось на основную гармонику. Индуктивность устройства в нормальном режиме работы, то есть, в отсутствие КЗ, была менее 0,01 мГн, рабочий ток в обмотках – 40 А. ВТСП обмотки не связаны электрически с защищаемой цепью, и их переход в нормальное состояние исключается. Система работать при температуре жидкого азота.
В Budapest Univ. of Technology and Economics (Венгрия) разработана специальная конструкция токоограничивающего реактора, отличающаяся существенно уменьшенным импедансом в нормальном режиме работы и возможностью его регулировки в режиме токоограничения [2]. Такой реактор может быть сконструирован с заранее определенными эксплуатационными параметрами и способен выдержать несколько тысяч рабочих циклов (срабатывания при КЗ и возвращения в исходное состояние в нормальном режиме работы защищаемой цепи). Авторы исследовали возможности повышения их номинальной мощности и надежности. Для этого были рассмотрены различные схемы соединения ВТСП элементов реакторов – последовательная, параллельная и матричная. Проведены испытания последовательно и параллельно соединенных реакторов с целью исследования процессов токоограничения, происходящих при этом в каждом отдельном аппарате и действие всей группы токоограничивающих реакторов в целом.
В работе исследовались ВТСП модельные реакторы трансорфматорного типа, основными элементами которых являлись установленные на магнитопроводе кольца из YBCO с внутренним диаметром 31 мм. Токи в защищаемых модельных цепях при срабатывании реакторов изменялись примерно от 4 до 0,8 А, то есть уменьшались в пять раз. Характерное время срабатывания составило 5 мс. Авторам работы удалось добиться такого соединения реакторов в схеме и так отрегулировать ее, что разброс параметров реакторов (то есть, характеристик ВТСП-колец) не оказывает сколько-нибудь значительного влияния на работу всей группы в целом.
В работе [3] сотрудников ряда исследовательских лабораторий в Гренобле (Франция) впервые показана возможность использования в сетях постоянного тока двойных слоев YBa2Cu3O7-Au. Принцип действия ограничителей токов КЗ на основе таких элементов состоит в переходе в нормальное состояние сверхпроводящих пленок YBa2Cu3O7 при токе I*>Ic, где Ic - критический ток в начале процесса диссипации. Изучение переходов под воздействием импульсов тока показывает, что вызванный нагреванием переход в нормальное состояние может происходить с характерным временем задержки ttrans. Длительность этой задержки определяется амплитудой токового импульса. Для I* ~ 3IC, эта задержка составляет менее 10 мкс. Столь быстрый переход в нормальное состояние дает возможность осуществить эффективное ограничение тока. Восстановление сверхпроводящего состояния также может происходить при протекании тока. Это свойство представляет чрезвычайный интерес для случая автономной работы токоограничивающего реактора в сети, когда возникают переходные большие токи, обусловленные подключением мощных потребителей электроэнергии.
Композитные двухслойные ВТСП элементы YBCO-Au диаметром 51 мм были получены осаждением на сапфировые подложки толщиной 0,5 мм. Толщина слоев YBCO и Au составила, соответственно, 300 и 150 нм. Контакты усилены прессованной фольгой из индия. Критическая плотность тока сверхпроводника составила 3,3 x 106 A/cм2. Исследования переходов в нормальное состояние проводились в различных ус-ловиях охлаждения – в жидком азоте и в вакууме. Характерная величина тока ~20 – 40 А. Результаты работы показали перспективность таких элементов для использования в целях ограничения токов КЗ сетях постоянного тока. Планируется проведение дальнейших экспериментов с устройствами средней мощности порядка 100 кВА.
В работе корейских ученых из Yonsei Univ. [4] исследованы токоограничивающие свойства индуктивного ВТСП реактора, снабженного вспомогательной (добавочной) обмоткой. ВТСП реактор состоит из первичной медной обмотки, вторичной ВТСП обмотки (кольца) и вспомогательных ВТСП обмоток (также колец), магнитная связь между которыми осуществляется через трехстержневой магнитопровод. ВТСП реактор последовательно включается в энергетическую систему с целью ограничения аварийного тока. Устройство обладает быстро изменяющимся импедансом при КЗ. Для определенных диапазонов величины магнитного потока и длительности импульса тока амплитуда аварийного тока может стать относительно большой из-за насыщения магнитопровода. А вспомогательная обмотка спо-собна увеличить импеданс устройства на 31,3 %, предотвращая насыщение магнитопровода. Основные ВСТП элементы устройства - ВСТП (30% Y2BaCuO5 и 70% YBa2Cu3O7) кольца с внешним диаметром 64 мм, внутренним 51 мм, и высотой 5 мм. Критический ток 530 A, рабочее напряжение в исследуемой цепи - 50 В, а ток в медной обмотке при КЗ порядка 10 А (причем без ВТСП элемента он мог бы составить несколько сотен ампер).