Выпуски бюллетеня

ТомНомер
13 1
12 1 2 3 4 5 6
11 1 2 3 4 5 6
10 1 2 3 4 5
9 1 2 3 4 5
8 1 2 3 4 5
7 1
6 1 2 3 4
5 1 2 3 4 5 6
4 1 2 3 4 5 6
3 1 2 3 4 5 6
2 1 2 3 4 5
1 1 2
0 0

Тематический указатель

Сверхпроводящие ограничители тока (СОТ). 1996 – 2006 гг.

2006, Tом 3, выпуск 6
Тематика: ВТСП устройства

Разработка СОТ на основе ВТСП материалов началась практически одновременно с появлением самих ВТСП материалов. Следует отметить давние достижения российских ученых в этой области: ещё в 1988 г. в ЭНИН им. Г.М. Кржижановского был разработан и успешно испытан макет СОТ со сверхпроводящим экраном (рис. 1а) [1]. За прошедшие годы было предложено несколько различных схем СОТ, некоторые из них были реализованы в виде достаточно мощных демонстрационных образцов.

По принципу работы СОТ можно разделить на три группы: индуктивные, выпрямительные и рези-стивные.

Ограничение тока короткого замыкания в СОТ ин-дуктивного типа достигается за счет резкого воз-растания его импеданса, чего можно добиться раз-личными методами: экранированием сердечника из электротехнической стали ВТСП экраном, измене-нием степени насыщения магнитнопровода СОТ, гибридной схемой, когда экранирующая обмотка замкнута на сверхпроводящий элемент, шунтиро-ванием катушки индуктивности сверхпроводящим элементом и.т.д. СОТ индуктивного типа были реа-лизованы в виде макетных образцов сразу после разработки технологии изготовления массивных элементов из плавленой ВТСП керамики (конец 80-х - начало 90-х годов). В 1996 г. компания АBB из-готовила демонстрационный СОТ - 10 кВ; 1,2 МВА [2], затем его подвергли тщательным стендовым испытаниям и в течение года эксплуатировали в Женевской энергосистеме на подстанции “Kraftwerk am Löntsch” (рис. 1, б).

Рис. 1. СОТ со сверхпроводящим экраном: а) схема СОТ: 1 – сверхпроводящая обмотка; 2 – сердечник из электротех-нической стали; 3 – сетевая обмотка; 1988 г. б) 1,2 МВА СОТ на подстанции “Kraftwerk am Löntsch”,1996 г.

Однако в ходе работ над СОТ индуктивного типа выявили целый ряд принципиальных недостатков, в частности, недостаточное быстродействие, приво-дящее к слишком слабому ограничению (или отсут-ствию ограничения) ударного тока короткого замы-кания (к.з.). Кроме того, создание СОТ с ВТСП эк-раном мощностью более 5 МВА сильно затруднено по причинам технологического характера. Несмот-ря на указанные недостатки, СОТ индуктивного типа могут найти свою нишу, и соответствующие разработки продолжаются в ряде стран, например, в Израиле, однако, пока даже нет опытных образцов, способных работать в сети.

С появлением в конце 90-х годов ВТСП проводов 1-го поколения стало возможным изготовление ВТСП катушек индуктивности, что сделало возможным создание СОТ выпрямительного типа. Такой СОТ представляет собой диодный мост, в диагональ ко-торого включена сверхпроводящая катушка индук-тивности, поэтому скорость нарастания тока в за-щищаемой цепи ограничена ее индуктивностью, за счет чего достигается полное ограничение ударного тока к.з. Это скорее не столько «токоограничи-тель», сколько «замедлитель» скорости нарастания тока. Он просто заметно облегчает последующее и ОБЯЗАТЕЛЬНОЕ срабатывание обычных размыка-телей (см. ниже о проблеме с СОТ компании IGC). Следует отметить, что первое упоминание СОТ вы-прямительного типа в литературе относится к кон-цу 60-х годов прошлого века, однако из-за проблем с криогенным обеспечением и сверхпроводниковой технологией, исследования тогда ограничились лишь малыми лабораторными образцами.

В настоящее время работы по созданию СОТ вы-прямительного типа активно ведутся в США и Японии. В 1999 г. в США содружеством компаний General Atomics и Intermagnetic General Corp. со-вместно с Los Alamos Natl. Lab. был разработан, изготовлен и испытан в энергосистеме Южной Ка-лифорнии демонстрационный образец трехфазного 20 МВА СОТ (рис. 2) [3]. Длительность короткого замыкания при использовании СОТ выпрямитель-ного типа строго лимитирована, в случае отказа вы-ключателя, стоящего после СОТ, происходит либо перегорание ВТСП, либо разрушение преобразова-тельного агрегата – что и произошло в 2001 г. с описанным выше токоограничителем. В 2005 г. в Японии прошли предварительные испытания одно-фазного высоковольтного (66 кВ) 10 МВА СОТ [4]. Испытания проводили при пониженном до 20 кВ напряжении, было достигнуто хорошее ограниче-ние тока к.з при полном подавлении ударного тока, работы над этим СОТ продолжаются.

В Китае с августа 2005 г. испытывается на дейст-вующей подстанции СОТ выпрямительного типа, снабженный устройством на основе IGBT вентилей, включающим в цепь (в момент к.з.) дополнительное активное сопротивление.

Рис. 2. СОТ выпрямительного типа: а) принципиальная схема СОТ; б) 20 МВА СОТ в энергосистеме южной Калифорнии, 2000 г.

Следует обратить внимание на крайне высокую стоимость СОТ выпрямительного типа и специ-фичную сферу их применения в будущем: данные СОТ не являются самостоятельными устройствами, их следует рассматривать как составные узлы пре-образовательных агрегатов для вставок постоянно-го тока или линий электропередачи FACTS, а сверхпроводящие катушки в них являются своего рода индуктивными накопителями энергии. Высо-кая активность в США и Японии по созданию СОТ этого типа связана с национальной спецификой энергосистем: в США для увеличения пропускной способности линий электропередачи активно вне-дряется технология FACTS, а энергосистема Япо-нии представляет собой настоящий «зоопарк», где сети с частотой 50 Гц соединяются вставками по-стоянного тока с 60 Гц сетями.

АвторыЛитературные ссылки   Инструкция по оформлению1. В конце каждого аРазвитие ВТСП технологии, приведшее к сущест-венному улучшению свойств ВТСП керамики Bi-2212, и появление ВТСП проводов 2?го поколения, а также ВТСП пленок на основе иттрия (YBCO) по-зволило к настоящему времени реализовать такую простую с точки зрения электротехники, но такую сложную с точки зрения ВТСП технологии рези-стивную схему СОТ. Как ясно из названия, ограни-чение тока короткого замыкания происходит за счет резкого возрастания активного сопротивления СОТ. В отличие от остальных схем СОТ, резистивные СОТ могут работать и в сетях постоянного тока.

Создание СОТ резистивного типа связано с решени-ем целого ряда инженерных и технологических за-дач: необходимо добиться синхронного перехода сверхпроводящих элементов СОТ в нормальное со-стояние за времена меньше 5 мс и равномерного на-грева сверхпроводящего элемента, а время остыва-ния сверхпроводящих элементов должно быть меньше чем время автоматического повторного включения (АПВ). Потери в ВТСП элементах на пе-ременном токе должны быть минимизированы для удешевления криогенного обеспечения. На сего-дняшний день пути решения описанных выше про-блем проработаны в достаточной мере, чтобы можно было приступить к созданию реальных полупро-мышленных СОТ, а не демонстрационных образцов, пусть и высокой мощности.

К началу 2006 г. в Германии, Японии и США были завершены работы по созданию реальных прототи-пов коммерческих СОТ для сетей 6-10 кВ. Одним из наиболее успешно реализованных проектов СОТ на напряжение 10 кВ является трехфазный полу-промышленный СОТ CULR-10 мощностью 10 МВА созданный в Германии [5,6]. СОТ состоит из 90 то-коограничивающих элементов на основе плавленой ВТСП керамики Bi2212 (рис. 3). Годичные испыта-ния CURL-10 в 2004 г. в энергосистеме показали его высокую надежность, глубокое ограничение токов короткого замыкания и хорошее быстродей-ствие в 3-5 мс. СURL-10 стал первым в мире СОТ, который можно считать реальным прототипом бу-дущих коммерческих устройств. Однако следует отметить высокую стоимость этого СОТ: цена од-ного (из 90 элементов) составляет 3000-5000 евро.

С 2003 г. в США компания Nexans ведет работы по созданию матричного токоограничителя (MFCL), состоящего из большого числа сверхпроводящих токоограничивающих элементов, шунтированных индуктивностями [8]. Конечной целью проекта явля-ется создание СОТ для сетей 110-220 кВ. Компания Siemens в 2005 г. создала и успешно испытала мо-дельный трехфазный 1 МВА, 10 кВ СОТ на основе иттриевых ВТСП пленок (YBCO), быстродействие СОТ составило менее 2 мс, что позволило почти полностью ограничить ударный ток. Аналогичный проект был реализован в Ю.Корее [7]. В Японии фирма Toshiba ведёт разработку токоограничиваю-щих элементов для СОТ с током до 5 кА.

Рис. 3. СОТ CURL – 10: а) 3D вид CURL-10; б) СURL-10 в сборе (испытания 2004 г.): 1 – СОТ; 2 – система охлаждения; 3 – шкаф с управляю-щей автоматикой.

После появления в 2006 г. коммерческих ВТСП проводов 2-го поколения и проводов на основе MgB2 (диборида магния) можно ожидать их широ-кого использования для изготовления токоограни-чивающих элементов СОТ. Токонесущая способ-ность проводов на основе MgB2 выше, чем у всех ныне существующих ВТСП материалов, а их ожи-даемая цена составляет 5 долл./кАЧм (при рабочей температуре 25 К). Работы по созданию резистив-ного токоограничителя на основе MgB2 (6,6 кВ, 400А) ведутся в Англии компанией Rolls Royce.

Крупных проектов СОТ на основе ВТСП проводни-ков 2-го поколения пока не заявлено, но практиче-ски все разработчики СОТ в мире проводят иссле-дования малых макетных СОТ на их основе. Следу-ет отметить работы компании Siemens (на основе ленты 344S производства American Superconductor) и деятельность по сравнению свойств сверхпрово-дящих элементов, изготовленных из 2212 керамики, с элементами на основе ВТСП проводов 2-го поко-ления, осуществляемую командой разработчиков MFCL (компания Nexans). Первые публикации по данной тематике следует ожидать в ближайшие ме-сяцы.

Для охлаждения СОТ до рабочей температуры (66–77 К) обычно используют микрорефрижераторы (криокулеры) производства Stirling Cryogenics, Cry-oMech, SHI Cryogenics (Sumitomo). В течение бли-жайших нескольких лет прогнозируют сильное снижение цен на микрорефрижераторы на фоне улучшения их технических характеристик, что обу-славливается развитием целевых национальных программ в США и Германии, а также появлением на рынке новых крупных производителей (Siemens). Ставший классическим для криокулеров цикл Гиф-форда-Макмагона постепенно вытесняется более экономичным циклом Стирлинга, а использование пульсационных труб (Q-drive) в холодных головках позволит существенно повысить их надежность за счет отказа от движущихся частей.

По оценке компании Siemens, сделанной на основе анализа существующих прототипов СОТ, а также прогноза цен на криогенное оборудование и ВТСП материалы, стоимость СОТ в случае их массового производства составит 5000 долл. (140 тыс. руб.) в расчете на 1 МВА проходной мощности.

По мнению многих экспертов, СОТ является наиболее востребованным сверхпроводящим устройством для электроэнергетики. Видимо поэтому, число работ по СОТ, представленных на конференциях (например, на недавней ASC-2006), заметно больше числа работ по другим электротехническим устройствам.

В.Щербаков

  1. IEEE Trans. Magn. 27, 1089, (1991)
  2. IEEE Trans. Appl. Supercond. 5, 1059, (1995)
  3. IEEE Trans. Appl. Supercond. 10, 832, (2000)
  4. IEEE Trans. Appl. Supercond., 16, 683, (2006)
  5. IEEE Trans. Appl.Supercond.15, 1961, (2005)
  6. Supercond. Sci.&Techn. 17, 122, (2004)
  7. IEEE Trans. Appl. Supercond. 15, 2027, (2005)
  8. IEEE Trans. Appl. Supercond. 15, 1982 (2005)
Главная | Новости | Бюллетень | Конференции | Поиск публикаций в базе данных | Новое в базе данных
Российские организации | Энциклопедия | Цели сайта | Контакты | Полезные ссылки | Карта сайта | Помощь

© Copyright 2006-2012. Использование материалов сайта возможно только с обязательной ссылкой на сайт.
Свои замечания и пожелания вы можете направлять по адресу perst@isssph.kiae.ru
Техническая поддержка Alexey, дизайн Teodor.