На пути к высоковольтному ВТСП токоограничителю
2009, Tом 6, выпуск 3
Тематика: ВТСП устройства
В настоящее время каждая из компаний производителей ВТСП проводников 2-го поколения активно занимается разработкой на их основе ВТСП токоограничителей для распределительных сетей напряжением 110 кВ. Хотя ни одна из компаний пока не создала даже однофазного прототипа на рабочее напряжение, концепции предлагаемых устройств вырисовываются достаточно четко. Следует отметить, что конструкция ВТСП токоограничителя во многом определяется свойствами используемого в нем проводника. ВТСП ленты 2-го поколения про-изводства American Superconductor и SuperPower сильно отличаются по своим свойствам. Большое отличие существует и в производственных мощно-стях компаний, а значит и в объемах ВТСП ленты, доступной разработчикам токоограничителей. Ниже дан краткий обзор по ВТСП токоограничителям, разрабатываемым компаниями American Superconductor и SuperPower.
Компания American Superconductor совместно с Siemens уже достаточно давно занимается разра-боткой ВТСП токоограничителей. Работы по созданию высоковольтного (115 кВ, 1200 А) ВТСП токоограничителя проводятся при финансовой поддержке министерства энергетики США. В 2007 г. был изготовлен и испытан однофазный ВТСП токоограничитель с рабочим током 300 А и напряже-нием 7,2 кВ, состоящий из 15 плоских безиндуктивных катушек, намотанных из ВТСП проводника типа 344S шириной 4 мм, соединенных параллельно и последовательно. Про этот токоограничитель уже писалось в нашем бюллетене ранее (т. 4, вып. 2). В 2008 г. из ВТСП ленты типа 344S шириной 12 мм производства American Superconductor был изготовлен прототип модуля высоковольтного токоограничителя с номинальным током 425 А и напряжением 8,4 кВ (рис. 1). Токоограничивающий модуль состоит из шести бифилярных галетных катушек, соединенных последовательно. Межвитковая изоляция тефлоновая. На каждую из ВТСП катушек было израсходовано 52 м сверхпроводника, общий расход сверхпроводника составил 312 м. Высокая величина номинального тока связана с пониженной до 73,5К рабочей температурой; при работе в жидком азоте при атмосферном давлении номинальный ток падает до 300 А. Восстановление ВТСП элементом сверхпроводящих свойств после ограничения тока короткого замыкания происходило за 16 с (рис. 2).
Рис. 1. ВТСП токоограничивающий модуль Siemens (425 А, 8,4 кВ).
Рис. 2. Осциллограммы токов и напряжений в ходе ограничения тока кз.
Одной из основных проблем при разработке высоковольтных токоограничителей является обеспечение требуемой диэлектрической прочности изоляции. Согласно техническим требованиям, ВТСП токоограничитель должен выдерживать испытательное напряжение в 275 кВ и грозовой импульс в 650 кВ, что потребовало особой конструкции криостата (рис. 3) в форме горизонтально расположенного цилиндра, на концах которого располагаются токовводы; также были предприняты специальные меры по оптимизации электрических полей внутри криостата. Требуемой диэлектрической прочности изоляции удалось добиться за счет работы в переохлажденном до 72-74К жидком азоте при повышенном до 5 атм давлении. Для высоковольтного токоограничителя предполагается использовать токовводы, разработанные ранее компанией Nexans для ВТСП кабеля LIPA.
Рис. 3. Схема криостата высоковольтного ВТСП токоограничителя.
Компания SuperPower уже несколько лет разрабатывает ВТСП токоограничитель матричного типа (MFCL), представляющей собой большое число ВТСП элементов, соединенных друг с другом последовательно и параллельно. Каждый из ВТСП элементов шунтирован медной катушкой индуктивности. Такая схема позволяет существенно сократить ток, протекающий через ВТСП элементы во время короткого замыкания, снизить перегрев, уменьшить время восстановления токоограничителя и сократить расход сверхпроводника. С самого начала проект был направлен на создание высоковольтного (115 кВ, 1200 А) токоограничителя и выполнялся при финансовой поддержке министерства энергетики США. Первоначально планировалось использование массивных сверхпроводящих элементов из Bi-2212 керамики производства компании Nexans, однако, после неудовлетворительных результатов испытаний опытного образца концепция MFCL была пересмотрена в пользу использования ВТСП проводников 2-го поколения производства SuperPower. Компания Nexans сейчас занимается самостоятельными разработками матричного токоограничителя на основе массивных элементов из Bi-2212 в рамках проекта CULT-110, о чем мы уже писали ранее (т.6, вып.2).
Рис. 4. Токоограничивающий модуль MFCL.
В конце 2008 г. компания SuperPower изготовила и испытала прототип ВТСП токоограничивающего модуля MFCL, рассчитанного на номинальный ток в 1200 А, представляющего собой решетку, набранную из коротких отрезков ВТСП лент 2-го поколения собственного производства шириной 12 мм, спаянных друг с другом (рис. 4). Спаи между ВТСП лентами были разработаны таким образом, чтобы исключить риск возникновения "горячих точек". Положение ВТСП ленты в решетке выбиралось с учетом влияния их магнитных полей друг на друга, за счет чего удалось добиться равномерного распределения тока между всеми параллельно соединенными проводниками. ВТСП модуль зашунтирован медной катушкой индуктивности, отношение реактивного сопротивления которой к активному составляет 30. Данная конструкция обладает обширной охлаждаемой поверхностью, что позволяет не только добиться восстановления ВТСП токоограничителем сверхпроводящего состояния за времена меньшие времени автоматического повторного включения (около 0,3 с), но даже обеспечивает возврат ВТСП элемента в сверхпроводящее состояние в случае протекания через него тока - т.н. восстановление под нагрузкой. Данное требование было изначально заложено в техническое задание и во многом определило конструкцию прототипа модуля MFCL. Для исследования процесса восстановления под нагрузкой было изготовлено и испытано несколько малых макетных образцов. Осциллограммы напряжений и токов в процессе ограничения тока короткого замыкания и последующего возврата макета ВТСП элемента в сверхпроводящее состояние без отключения тока приведены на рис. 5. Большое внимание было уделено также вопросам диэлектри-ческой прочности изоляции. Было проведено специальное исследование пробоя в жидком азоте при различной геометрии электродов, давлении азота и наличии (или отсутствии) пузырьков.
Рис. 5. Осциллограммы токов и напряжений в ходе ограничения тока кз и восстановления под нагрузкой.