Испытан ВТСП токоограничитель Nexans на 11 кВ
2009, Tом 6, выпуск 2
Тематика: ВТСП устройства
Сверхпроводниковые ограничители токов (СОТ) короткого замыкания (особенно резистивного типа) являются одним из наиболее привлекательных применений высокотемпературной сверхпроводимости в электроэнергетике. Использование СОТ может предотвратить перегрузку коммутационной аппаратуры сети, которая возникает в результате коротких замыканий, а также избежать перебоев в энергоснабжении потребителей. В Nexans полагают, что подобные устройства могут играть ключевую роль в так называемых «умных сетях» будущего.
Одним из наиболее успешных проектов ВТСП токоограничителей, несомненно, является CURL 10, разработанный и изготовленный компанией Nexans совместно с исследовательским центром Forschungszentrum Karlsruhe (Германия). Успешные прошедшие в 2005-2006 гг. эксплуатационные испытания CURL 10 показали работоспособность ВТСП токоограничителей резистивного типа на базе массивных элементов из Bi-2212 керамики, после чего компания Nexans приступила к разработке сразу двух высоковольтных ВТСП токоограничителей: MFCL (совместно с компанией Super-Power, США) и CULT 110 (Германия). Следует отметить, что в ходе работ над токоограничителем MFCL его конструкция претерпела радикальные изменения, компания SuperPower отказалась от использования массивных ВТСП элементов из Bi-2212 в пользу ВТСП проводников 2-го поколения, и на сегодняшний день, в работах над сверхпроводящими элементами для токоограничителя МFCL компания Nexans участия не принимает. Проект CULT 110 финансируется германским правительством и в настоящий момент является самым крупным проектом ВТСП токоограничителя в Европе; он направлен на создание демонстрационного образца однофазного высоковольтного токоограничителя на 110 кВ, 1850 А, способного ограничить ударный ток до 31,5 кА, а установившийся ток короткого замыкания до 6 кА. Основные характеристики ВТСП токоограничителя CULT 110 приведены в таблице 1, для сравнения в ней указаны также параметры CURL 10.
Работы по проекту CULT 110 распределились между немецкими организациями следующим образом: все необходимые расчеты были выполнены в университете Лейбница (Гановер), Nexans Deutschland Industries разрабатывает криогенную часть проекта, Nexans SuperConductors изготавливает отдельные компоненты и проводит финальную сборку устройства, а научный центр Forschungszentrum Karlsruhe (ITP) отвечает за высоковольтные испытания.
Таблица 1. Основные характеристики CURL 10 и CULT 110.
Слабой стороной токоограничителей резистивного типа является опасность появления «горячих точек», вызванная неоднородностью перехода сверхпроводника в нормальное состояние. В проекте CURL 10 в качестве защиты применялся шунт из медно-никелевого сплава, спаянный со сверхпроводником по всей длине, но такое решение не годится для высоковольтных устройств в силу чрезмерного расхода сверхпроводника. Допустимая величина нагрева шунта накладывает ограничение по падению напряжению на сверхпроводящем элементе в 80 В/м, чего явно недостаточно. Для токоограничивающих элементов CULT 110 была предложена новая схема шунтирования, при которой поверх сверхпроводящего элемента наматывается медная обмотка, соединенная параллельно с ВТСП элементом (рис. 1). Во время короткого замыкания ток перетекает в шунтирующую катушку, которая создает магнитное поле, приводящее к быстрому и достаточно однородному переходу сверхпроводника в нормальное состояние. Такое решение позволяет поднять максимально допустимое падение напряжения на ВТСП элементе с 80 В/м до 320 В/м, по сравнению с активным шунтированием сверхпроводника по всей его длине, расход же сверхпроводника сокращается в 4 раза.
Рис. 1. ВТСП элемент для токоограничителя CULT 110.
Конструкция ВТСП элемента также претерпела ряд изменений по сравнению с CURL 10. Первоначально предлагался вариант, в котором плавленый сверхпроводящий элемент из
Bi-2212 керамики имел форму полого цилиндра, поверх которого наматывалась медная катушка, соединенная с ним последовательно. Однако для такой схемы уровень потерь на переменном токе был бы неприемлемо высок, и достигал бы 3 кВт для одной фазы токоограничителя CULT 110. Поэтому путем фрезеровки ВТСП элементу была придана форма спирали. Толщина ВТСП цилиндра была выбрана минимально возможной (2 мм) для снижения потерь на переменном токе и сохранения высокой критической плотности тока, ширина витка составляла 10,5 мм при диаметре цилиндра 50 мм.
Рис. 2. Схема включения ВТСП элементов CULT 110.
Для достижения рабочего напряжения в 110 кВ и тока в 1850 А требуется последовательно-параллельное соединение большого числа ВТСП элементов (см. рис 2). Ток через отдельный ВТСП элемент в k раз меньше суммарного тока (где k – количество параллельно соединенных цепочек), следовательно, потери на переменном токе снижаются в k2 раз (для CULT 110 k ~ 10). Общая длина сверхпроводника, необходимого для изготовления CULT 110, определенная из условия максимально допустимой температуры разогрева обмотки при коротком замыкании в 300 К, составила 231 м. При длине сверхпроводника в единичном ВТСП элементе в 260 мм для изготовления токоограничителя CULT 110 потребуется 650 таких элементов. ВТСП элементы были подвергнуты всесторонним испытаниям. Осциллограммы тока и напряжения на ВТСП элементе во время опыта короткого замыкания показаны
на рис. 3.
Рис. 3. Осциллограммы тока и напряжения на ВТСП элементе CULT 110.
Создание высоковольтного ВТСП токоограничителя большой мощности является сложной инженерной задачей, существует целый ряд вопросов, ответ на которые можно получить только в ходе полномасштабных эксплуатационных испытаний. Поэтому, прежде чем приступить к изготовлению токоограничителя CULT 110, компания Nexans разработала и изготовила еще один трехфазный ВТСП токоограничитель на 11 кВ, на котором будет проведена апробация конструктивных и технологических решений, разрабатываемых для использования в CULT 110. В отличие от CURL 10 в новом ВТСП токоограничителе используются ВТСП элементы, предназначенные для CULT 110, что позволило в несколько раз сократить расход ВТСП материалов и уровень потерь на переменном токе. Конструкция ВТСП токоограничителя, в целом, напоминает CURL-10 (рис. 4). Сокращение количества ВТСП элементов позволило сделать устройство более компактным.
Рис. 4. ВТСП токоограничитель Nexans ASL.
В ходе стендовых испытаний ударный ток был ограничен с 10,2 кА до 3,7 кА, а установившийся ток короткого замыкания удалось ограничить до 1,1 кА. ВТСП токоограничитель был подвергнут многократным коротким замыканиям, после 67 циклов коротких замыканий длительностью по 60 мс каждый, деградации критических свойств сверхпроводника обнаружено не было. После окончания стендовых испытаний токоограничитель был передан компании Applied Superconductor Ltd (Великобритания) для дальнейших эксплуатационных испытаний на распределительной подстанции на 11 кВ в Ланкашире, Великобритания.
- S. Elschner et al., “Coil in Coil – Components for the High Voltage Superconducting Resistive Current Limiter CULT 110”, IEEE/CSC & ESAS EUROPEAN SUPERCONDUCTIVITY NEWS FORUM, no. 3, January 2008.
- Superconductor Week, 23, no. 04, 1 (2009).
- http://www.conectus.org/newslinks.html