Токоограничители с насыщенным магнитопроводом: pro и contra
2007, Tом 4, выпуск 4
Тематика: ВТСП устройства
Целый ряд опытно-промышленных образцов токоограгничителей резистивного типа изготовленных и испытанных в 2005-2006 гг. показал возможность использования данных устройств в сетях 6-10 кВ, также хорошие результаты были получены и для устройств выпрямительного типа. Прочие же схемные решения, столь обильно описываемые в публи-кациях еще несколько лет назад, так и не смогли пройти путь от лабораторных макетов до полупромышленных образцов. Казалось, что подобная судьба постигла и токоограничители с насыщенными магнитопроводами, однако, в 2007 г интерес к ним неожиданно возобновился. Данный факт объясняется тем, что помимо University of Wollongong (Австралия) и Bar-Ilan University (Израиль) к разработкам в этой области активно подключились дос-таточно крупные для сверхпроводниковой индуст-рии компании SC Power (США) и InnoST (Китай). В свете последних заявлений SC Power об успешных испытаниях прототипа токоограничителя с насыщенным магнитопроводом на 15 кВ и о начале работ над устройством для сетей 138 кВ назрела необходимость более подробно осветить эту тему.
Токоограничитель (рис. 1) состоит из 2-х магнито-проводов с размещенными на них катушками тра-диционного исполнения, включенными в цепь, сквозь которую протекает ограничиваемый ток. Оба магнитопровода охватывает кольцевой криостат с ВТСП катушкой, сквозь которую протекает постоянный ток. В номинальном режиме работы оба магнитопровода насыщены, следовательно, индуктивное сопротивление устройства мало. В случае короткого замыкания один из магнитопроводов выходит из насыщенного состояния, что приводит к возрастанию индуктивного сопротивления и ограничению тока. Каждый из магнитопроводов выходит из насыщенного состояния в течение одного полупериода, что позволяет ограничить ток в течение целого периода. Очевидными достоинствами токоо-граничителя с насыщенными магнитопроводами являются: возможность реализации устройства на основе ВТСП проводов 1-го поколения в серебряной матрице, отсутствие ВТСП элементов в высоковольтной части и простота конструкции. Следует отметить также, что для трехфазного токоограничителя достаточно всего одной общей для всех фаз ВТСП катушки (рис. 2).
Рис. 1. Схема токоограничителя с насыщенным магнитопроводом.
В России работы над токоограничителем с насыщенным магнитопроводом велись в с 1997 по 2004 гг. в РНЦ "Курчатовский институт". Был изготовлен и испытан ряд малых макетных образцов (рис. 3), отдельные схемные решения были защищен патентами [1]. Методика расчета параметров токоограничителей с насыщенным магнитопроводом была детально разработана в МЭИ и ВНИИЭ. К 2004 г. стало ясно, что токоограничители с насыщенным магнитопроводом обладают рядом принципиальных недостатков, препятствующих их эксплуатации в сетях. Во-первых, токоограничители с насыщенным магнитопроводом чрезвычайно массивны – масса такого устройства в 1,5 – 2 раза превосходит массу трансформатора аналогичной мощности и класса напряжения. Во–вторых, ВТСП катушка является эквивалентом замкнутого витка в трансформаторе и во время короткого замыкания в ней наводятся дополнительные токи, из-за чего ударный ток ограничивается слабо или не ограничивается вообще. Чтобы добиться хорошего ограничения ударного тока постоянная времени цепи подмагничивания должна составлять 5 мс или менее, что накладывает ограничения на максимальную индуктивность ВТСП катушки подмагничивания и прочность её электрической изоляции. В-третьих, токоограничитель с насыщенным магнитопроводом это нелинейное устройство, которое может ухудшить качество напряжения в сети даже в номинальном режиме работы. Токоограничители SC Power, InnoST и РНЦ "Курчатовский институт" выполнены по одной и той же схеме, и описанные выше недостатки будут у каждого из этих устройств.
Рис. 2. Проекты трехфазных ВТСП токоограничи-телей с насыщенным магнитопроводом.
Предложенная Bar-Ilan University и компанией Ricor (Израиль) схема токоограничителя [2] с насыщенным магнитопроводом принципиально отлична от описанной выше. Токоограничитель Ricor (рис. 4) состоит из одного магнитопровода, который охваты-вает кольцевой криостат с ВТСП катушкой подмагничивания. Магнитопровод служит сердечником для медной катушки, сквозь которую протекает ограничиваемый ток. Между обмотками токоограничителя отсутствует индуктивная связь, что снимает проблему наведенных токов и перенапряжений в ВТСП катушке. В номинальном режиме работы ВТСП ка в насыщенное состояние – индуктивное сопротивление устройства мало. В случае короткого замыкания релейная защита включает схему быстрого разряда, ток в ВТСП катушки быстро спадает, магнитопровод выходит из насыщения – индуктивное сопротивление устройства резко возрастает. Масса токоограничителя Ricor будет более чем в 2 раза меньше, чем токоограничителей SC Power и InnoST той же мощности, однако, при этом расход ВТСП материалов также вырастет в несколько раз. Компания Ricor изготовила и успешно испытала макетный образец токоограничителя мощностью 120 кВ, было достигнуто хорошее ограничение ударного тока. В России похожая схема токоограни чителя разрабатывалась в РНЦ тушка вводит магнитопровод "Курчатовский институт", однако дальше опытов на малых макетах и оформления патента [3] дело не дошло. Строить прогнозы относительно коммерческой привлекательности токоограничителей такого типа пока еще преждевременно.
Рис. 3. Макет ВТСП тоограничителя, созданный в РНЦ "Курчатовский институт".
Рис. 4. Токоограничитель Ricor мощностью 120 кВА.
Можно ли создать работоспособный токоограничитель с насыщенным магнитопроводом? Да можно, но это будет массивное устройство, плохо ограничивающее ударный ток короткого замыкания. Главный и единственный плюс токоограничителя с насыщенным магнитопроводом его цена. Затраты на НИР и НИОКР по его разработке будут на порядок меньше чем для токоограничителя резистивного или выпрямительного типа, а себестоимость промышленного образца можно грубо оценить в сумму в 3-5 раз большую чем стоимость трансформатора аналогичной мощности и класса напряжения. В течение ближайших нескольких лет любой другой ВТСП токоограничитель будет стоить существенно дороже, и никакой реальной конкуренции у схемы с насыщенным магнитопроводом не будет. Разумеется, дальнейшее развитие ВТСП технологии и ожидаемое снижение цен на ВТСП материалы 2-го поколения сделает токоограничители с насыщенным магнитопроводом экономически невыгодными, но в течение нескольких ближайших лет при грамотной маркетинговой политике SC Power и InnoST вполне могут покрыть свои издержки и начать получать прибыль. Следует также отметить, что InnoST и Tritor, поставляющий ВТСП проводник для SC Power, обладают развитым производством ВТСП проводников 1-го поколения, но значительно отстают в разработке технологии ВТСП 2-го поколения, что заставляет их интенсивно искать любые возможные рыночные ниши для своих ВТСП проводников. Токоограничители же с насыщенным магнитопроводом являются одним из немногих применения ВТСП, где материалы 1-го поколения способны составить в течение ближайших лет составить реальную конкуренцию ВТСП материалам 2-го поколения.
- патент РФ на изобретение № 2254654
- V. Rozenshtein, A. Friedman et al., IEEE Trans. Appl. Super., 17, 1756 (2007); http://www.ricor.com.
- патент РФ на изобретение № 2254128