СПИНы в Корее, Китае, Японии
2005, Tом 2, выпуск 2
Тематика: ВТСП устройства
В Korea Electrotechnology Research Institute (Changwon) cпроектирована, изготовлена и испыта-на магнитная система СПИН’а на 3 МДж из низкотемпературного сверхпроводника [1]. СПИН предназначен для улучшения качества электроэнергии в электрических сетях и состоит из собственно магнитной системы, системы криогенного обеспечения и преобразователя для связи с сетью. Параметры сверхпроводящего провода, из которого намотан магнит, приведены в таблице:
Используя результаты компьютерного моделирования и учитывая результаты испытаний сверхпроводящего кабеля, разработчики создали модельную обмотку, а уже с учетом результатов ее испытаний был изготовлен полномасштабный сверхпроводящий магнит. Существенная конструктивная особенность заключается в том, что каркас обмотки изготовлен из непроводящего материала. Для улучшения охлаждения обмотки на фланцах каркаса сделаны отверстия, а между слоями проложены прокладки из стеклотекстолита. Параметры магнита приведены в таблице.
Испытания магнита показали соответствие экспериментальных данных расчетным, то есть, он способен нести транспортный ток, соответствующий номинальной величине запасенной энергии, без перехода в нормальное состояние, а постоянная магнита соответствует величине, полученной при предварительных расчетах на ЭВМ.
В совместной работе Tsinghua Univ. и Inst. Electrical Engineering (Chinese Academy of Science) [2] разработана и изготовлена комбинированная система, которая может работать и как СПИН, и как токоограничивающий реактор, а также проведено моделиро-вание физических процессов в ней. Основная идея состоит в том, что и для того, и для другого режима основным элементом схемы может служить сверхпроводящая магнитная система без ферромагнитного сердечника (в других схемах токоограничивающих реакторов ВТСП кольцо или обмотка из сверхпроводника надеты на ферромагнитный сердечник). Магнитная система изготовлена из "обычного" сверхпроводящего кабеля на основе Nb-Ti, основные параметры СПИН - 150 кВА/0,3 МДж. Переход из одного режима работы (СПИН) в другой (токоограничитель) осуществляют при помощи коммутационной аппаратуры и преобразователя, который, когда система функционирует как СПИН, работает в режиме инвертора, а режиме реактора как выпрямитель. В схеме преобразователя, более сложной по сравнению с со схемами для обычных СПИН, используют транзисторы IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor – биполярный транзистор с изолированным затвором) и запираемые тиристоры GTO (gate-turn-off ). СПИН способен существенно ослабить или свести к минимуму такие нежелательные явления, как снижение или заброс (кратковременное увеличение амплитуды) напряжения, кратковременные перерывы в подаче напряжения, фликкерэффект (медленные флуктуации тока и напряжения) и неравномерная нагрузка фаз в трехфазной системе. Так, при снижении напряжения в сети СПИН работает в режиме разряда, препятствуя этому, а если происходит заброс напряжения, то преобразователь заставляет СПИН работать в режиме заряда, и увеличение напряжения становится существенно меньшим или даже не происходит совсем.
Соответствующая коммутационная аппаратура может перевести схему в режим токоограничивающего реактора. При возникновении короткого замыкания в защищаемой цепи, силовая электронная схема автоматически включит сверхпроводящую обмотку в защищаемую цепь, что приведет к увеличению индуктивности и снижению аварийного тока. Необходимо отметить, что схема в качестве либо реактора, либо СПИН работает не с одной и той же цепью, а с двумя, питаемыми от разделенной (секционированной) обмотки силового трансформатора. И два ключа коммутационной аппаратуры позволяют использовать сверхпроводящую магнитную систему либо в качестве СПИН для одной из этих цепей, либо в качестве реактора для другой. Это связано с тем что требования к режиму СПИН и реактора различны. Так, в режиме СПИН энергия, запасенная в обмотке (то есть, ток в ней) должна иметь определенную величину, а если она будет ниже, то СПИН будет работать неэффективно. И наоборот, если при работе в режиме реактора энергия будет слишком велика, то система может не выдержать слишком большого аварийного тока.
Поэтому после срабатывания схемы в каком-либо из двух режимов, ток в сверхпроводящей обмотке должен быть доведен до величины, соответствующей нормальному ("доаварийному") режиму. То есть, если произойдет восстановление напряжения при помощи СПИН, то он должен быть повторно заряжен, а если произойдет ограничение аварийного тока в режиме реактора, то обмотка должна быть разряжена, что составляет несколько труднее.
Результаты компьютерного моделирования показали, что схема с данной сверхпроводящей обмоткой способна эффективно работать в том или ином качестве. Однако, наибольшую трудность составляет ситуация, когда в обеих цепях одновременно будут иметь место аварийные ситуации – например, в первой произойдет снижение напряжения, а во второй - короткое замыкание. Решение этой проблемы будет предметом дальнейших исследований.
Авторы особо подчеркивают, что магнитная система обязательно должна быть снабжена схемой защиты от перехода в нормальное состояние. Это особенно важно именно для такой схемы, так как в ней могут возникать значительные аварийные токи в отличие от обычного СПИН.
Дальнейшие исследования будут направлены на поиск оптимальной величины запасенной энергии магнитной системы и разработку оптимальных способов управления схемой при одновременной аварии в защищаемых цепях. Подчеркивается, что такая система перспективна, так как при использовании одной и той же магнитной системы для двух различных функций расходы на создание СПИН и реактора могут быть существенно снижены.
Сотрудники Tokyo University of Science и University of Tokyo (Япония) исследовали возможность эффективного использования СПИНа для выравнивания нагрузки в железнодорожных высокоскоростных транспортных системах. Таких систем в настоящее время существует довольно много, например, Shinkansen в Японии, TGV во Франции, ICE в Германии. Потребляемая этими системами мощность испытывает большие пульсации, а ее максимальная величина достигает 10 МВт на один поезд. Это нарушает работу сети и снижает качество электроэнергии. Железнодорожные компании вынуждены платить штрафы за пиковое потребление электроэнергии и снижение ее качества, что становится препятствием на пути распространения высокоскоростных транспортных систем.
Для решения этой проблемы предлагается использовать различные системы накопления электрической энергии. Среди них СПИН отличается высокой скоростью передачи мощности и способностью к подавлению колебаний нагрузки. Однако, объемная плотность энергии в СПИНе невелика, и поэтому использование только одного СПИНа привело бы к тому, что на соответствующей подстанции он занял бы слишком много места.
Авторы предлагают комбинированную схему, состоящую из СПИНа и буферной аккумуляторной батареи, причем СПИН компенсирует высокочастотные колебания нагрузки, а батарея – низкочастотные. Проведенное математическое моделирование показало эффективность работы предложенной схемы, причем особо подчеркивается, что при такой схеме можно снизить размеры СПИНа и, соответственно, расходы на криогенное обеспечение. В предлагаемой схеме магнитная система СПИНа будет изготовлена из НТСП проводника.