Сверхпроводящие токоограничители резистивного типа в CESI RICERCA
2008, Tом 5, выпуск 6
Тематика: ВТСП материалы 1-го поколения, ВТСП устройства, Диборид магния MgB2
Итальянский исследовательский центр CESI RICERCA (CR) – создал и успешно испытал не-сколько опытных образцов сверхпроводящих токоограничителей резистивного типа на основе Bi-2223 проводников в серебряной матрице, а также MgB2 проводников. Согласно заявлениям специалистов CR сверхпроводящие токоограничители резистивного типа привлекательны по целому ряду причин: простоте конструкции, отсутствию импеданса в номинальном режиме работы, а также из-за того, что они не оказывают влияния на качество напряжения и тока в сети. ВТСП проводники на основе Bi-2223 в серебряной матрице были выбраны по причине их доступности и сравнительно низкой цены (хотя по мнению редактора, все преимущества, обусловленные низкой ценой Bi-2223, проводников компенсируется их низким удельным сопротивлением – количество ВТСП проводника на основе Bi-2223, необходимое для создания токоограничителя, будет в несколько раз выше, чем в случае использования пока более дорогих ВТСП проводников 2-го поколения). Проводники на основе MgB2, в силу их предполагаемой дешевизны и хороших критических свойств, считаются в CR наиболее подходящим материалом для будущих сверхпроводящих токоограничителей резистивного типа. По мнению специалистов CR, использование в токоограничителях резистивного типа дешевых сверхпроводников на основе MgB2 в сочетании с системой криогенного обеспечения на жидком неоне выгоднее, чем использование дорогих ВТСП проводников 2-го поколения, охлаждаемых жидким азотом.
Для оценки технических характеристик и возможностей сверхпроводящих токоограничителей резистивного типа были разработаны и испытаны несколько опытных образцов: трехфазный ВТСП токоограничитель на основе Bi-2223 проводников в серебряной матрице с номинальной мощностью в 1 МВА и рабочим напряжением 2,2 кВ, два модельных трехфазных ВТСП токоограничителя на 200 кВА и 400 В (также из Bi-2223 проводника) и однофазный сверхпроводящий токоограничитель на основе MgB2 ленточных проводников.
В ходе испытаний ВТСП токоограничителя с номи-нальной мощностью в 1 МВА имитировалось короткое замыкание фазы на землю, а также межфазное короткое замыкание, как для заземленной, так и для изолированной нейтрали. Ударный ток без ВТСП токоограничителя достигал 15440 А, использование токоограничителя позволило снизить ударный ток до 2000 - 3100 А. Фазы ВТСП токоограничителя были изготовлены из различных ВТСП про-водников, поэтому глубина ограничения тока короткого замыкания различными фазами отличалась. Длительность короткого замыкания составляла от 30 до 100 мс. Рабочая температура ВТСП токоограничителя в 65 К поддерживалась при помощи криокулера производства Stirling Cryogenics с холодопроизводительностью в 750 Вт, что позволило проводить длительные испытания без подлива жидкого азота. Избыточное давление в криостате ВТСП токоограничителя могло достигать 3 бар, однако, в ходе испытаний в криостате поддерживалось давление не выше чем 1 бар.
Рис. 1. Трехфазный ВТСП токоограничитель на 1 МВА и 2,2 кВ. Короткое замыкание в цепи с ВТСП токоограничителем и без него.
Трехфазные модельные ВТСП токоограничители на 200 кВА и 400 В предназначались для отработки технических решений которые были впоследствии использованы в токоограничителе на основе MgB2, на них также исследовалось влияние нагрева ВТСП проводника на процесс ограничения тока короткого замыкания. Конструктивно модельные ВТСП токоограничители представляли собой безиндуктивные катушки со слоевой намоткой в два или в четыре слоя намотанные на стеклотекстолитовых каркасах. Слои ВТСП секций токоограничителя коммутировались между собой таким образом, чтобы суммарная индуктивность была минимальной. При монтаже в криостате отдельные фазы ВТСП токоограничителя размещались либо коаксиально, либо Y-образно. В качестве ВТСП провод-ника использовались Bi-2223 ленты в серебряной матрице производства American Superconductor, чей критический ток в собственном поле составил 145 А при температуре 77 К и 245 А при 65 К. Перед изготовлением модельных ВТСП токоограничителей было проведено детальное математическое моделирование переходных процессов в них во время короткого замыкания.
Модель однофазного сверхпроводящего токоограничителя была изготовлена из многоволоконного ленточного проводника на основе MgB2 производства Columbus Superconductors, из которого был создан токоограничивающий элемент в виде безин-дуктивной катушки со слоевой намоткой. До рабочей температуры в 27 К токоограничитель охлаждался при помощи двухступенчатого криокулера производства Stirling Cryogenics, в качестве хладагента использовался жидкий неон. Критический ток коротких образцов сверхпроводящих лент на основе MgB2 составил около 225 А, измерения производились в собственном поле сверхпроводника при температуре 30 К. Сечение сверхпроводящих лент составляло 0,35×3,8 мм2. Для тепловой стабилизации в конструкцию ленточного проводника была введена медная сердцевина, окруженная волокнами из MgB2. Наличие медного стабилизатора гарантирует, что выделяющееся при локальном разогреве тепло будет эффективно отводиться в хладагент, предотвращая образование горячих точек и перегорание ленты. Для снижения потерь на переменном токе поперечное сопротивление ленточного сверхпроводника было увеличено путем заключения медного стабилизатора в никелевую оболочку. Чтобы предотвратить взаимную диффузию меди и никеля, волокна из MgB2 были покрыты диффузными барьерами из железа.
Рис. 2. Сечение ленточного проводника на основе MgB2.
Рабочее напряжение токоограничителя на основе MgB2 составляло 400 В при номинальном токе около 200А. В ходе испытаний токоограничителя были получены зависимости между длительностью процесса короткого замыкания, значением перегрева MgB2 ленты и ростом давления внутри криостата, вызванного испарением жидкого неона. Длительность короткого замыкания составляла от 30 до 100 мс. Сверхпроводящая лента на основе MgB2 нагре-валась до температуры 85 К при длительности короткого замыкания в 100 мс. Ударный ток без токоограничителя составлял 5 кА, токоограничитель сократил значение ударного тока до 1860 А, а установившийся ток короткого замыкания уменьшился до 1064 А.
В 2009 планируется изготовить и установить на подстанции в окрестностях Милана ВТСП токоограничитель с рабочим напряжением 10 кВ и мощностью 15 МВА. ВТСП проводник на основе Bi-2223 в серебряной матрице для него поставит Sumitomo Electric Industries. Токоограничители большой мощности на основе MgB2 и ВТСП проводников 2-го поколения пока находятся на стадии разработки проектов и технико-экономического обоснования. Все работы по данному проекту финансируются Министерством экономического развития Италии. Длительность проекта составляет 3 года, бюджет проекта – несколько миллионов евро.