Сверхпроводниковый токоограничитель
Коммутационный аппарат будущего
Защита электрооборудования от токов короткого замыкания (КЗ) до сих пор остается актуальной задачей. На протяжении всей истории электроэнергетики предлагаются различные решения этой задачи. В последние годы разрабатываются три концепции токоограничителя будущего: коммутационный, полупроводниковый и сверхпроводниковый.
О коммутационных ограничителях, называемых CLiP, мы рассказывали в журнале №4(28) 2004. Данное решение успешно применяется во многих странах мира на протяжении 10 лет в сетях среднего напряжения (до 35 кВ) на номинальные токи до 5000 А. Сейчас ведутся разработки на низкое и высокое напряжения. О полупроводниковых ограничителях также можно прочитать в нашем журнале №6(30) 2004. Такие ограничители находятся пока в стадии разработки – испытание промышленного образца на напряжение 138 кВ (по американскому стандарту) намечено на 2007 год.
Третьим решением задачи ограничения токов КЗ является сверхпроводниковый токоограничитель, который также еще разрабатывается, хотя несколько образцов уже установлены в сетях среднего напряжения некоторых стран. О принципах работы сверхпроводниковых ограничителей – в материале Павла Елагина.
 |
Павел Елагин,
инженер,
ООО «Росполь-Электро»,
г. Санкт-Петербург |
На протяжении уже нескольких десятилетий достаточно интенсивно ведутся работы по разработке и внедрению в электрические сети сверхпроводникового оборудования: генераторов, трансформаторов, кабелей и, конечно же, токоограничителей.
Ранние разработки ограничителей, как, впрочем, и другого оборудования, основывались на применении низкотемпературных сверхпроводников (НТСП). К их основному недостатку можно отнести то, что эти материалы находятся в сверхпроводящем состоянии только при температуре, всего на несколько градусов превосходящей абсолютный нуль, что, естественно, делает их охлаждение (в основном жидким гелием) очень дорогим, а саму токоограничивающую установку громоздкой и тяжелой в эксплуатации. Несмотря на это, некоторые разработчики достигли достаточно больших успехов в освоении НТСП-токоограничителей. Пожалуй, самым удачным можно назвать совместный проект французской электроэнергетической системы Electricite de France и концерна Alstom – созданный НТСП-токоограничитель выдержал испытания на 40 кВ.
Открытие в 1986 году высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) кардинально изменило положение, ведь теперь сверхпроводящего состояния можно достичь охлаждением не до 4К (как у НТСП), а до 77К, и, конечно, не жидким гелием, а азотом, что существенно удешевляет конструкцию ВТСП-токоограничителя и уменьшает его габариты.
Сфера применения
На сегодняшний день для ограничения токов КЗ в основном применяются реакторы, главным недостатком которых является падение активной и реактивной мощностей в номинальном режиме работы, что приводит к большим потерям. Альтернативой реакторам могут служить ВТСП-токоограничители, которые можно будет применять для:
- защиты трансформатора и фидера;
- подключения новых источников электроэнергии;
- заземления;
- секционирования;
- регулирования пусковых токов,
а также в других случаях при различных классах напряжения –
от 400 В до 500 кВ (рис. 1).
Пример схемы двухтрансформаторной подстанции
ВТСП-токоограничители помогут избежать повреждения оборудования, его замены на более дорогое (например, уже установленных на подстанции выключателей на другие с большим током отключения), увеличить пропускную способность, уменьшить стоимость применяемого оборудования при новом строительстве, исключить применение реакторов, повысить надежность и стабильность сети. Учеными было предложено достаточно много вариантов исполнений ВТСП-токоограничителей. Расскажем о наиболее распространенных.
Варианты исполнения
Резистивный тип
Самым «простым» и малогабаритным является резистивный тип токоограничителя (рис. 2), основанный на нелинейности сопротивления сверхпроводника. Резистивное исполнение в свою очередь делится на два: последовательное и шунтирующее.
Рис. 2
Схематичная конструкция резистивного токоограничителя
В первом случае (рис. 3) сверхпроводниковый безындуктивный резистор последовательно включается в схему с защищаемой нагрузкой. В нормальном режиме сопротивление токоограничителя равно нолю, но как только при аварии ток достигает заданной величины, токоограничитель выходит из сверхпроводящего состояния и переходит в резистивное. Такое исполнение ограничителя тока требует высокой плотности тока ВТСП-провода (что тяжело выполнить с технологической и экономической точек зрения) и эффективного отвода большого количества тепла от сверхпроводника, выделяющегося в режиме КЗ, для приемлемого времени восстановления сверхпроводящего состояния после устранения аварии. Поэтому последовательный резистивный тип токоограничителя можно применить в схемах, где нескольких минут восстановления после срабатывания достаточно. В принципе расчеты показывают, что указанное выше исполнение можно использовать и в схемах, где реализовано однократное автоматическое повторное включение (АПВ), но в этом случае потребуется намного большее количество самого ВТСП-провода, а криогенная установка увеличивает размеры токоограничителя в 8 раз, что, естественно, не совсем целесообразно.
Рис. 3
Резистивный ВТСП - токоограничитель последовательного типа
Гораздо эффективнее применить шунтирующий тип (рис. 4). Принцип токоограничения аналогичен последовательному типу, но при этом параллельно сверхпроводнику подключается «теплый» резистор или катушка индуктивности. В номинальном режиме работы сопротивление ВТСП-катушки равно нолю и ток течет через нее. В период КЗ, при достижении сопротивления сверхпроводника достаточного значения, ток переключается на параллельно соединенный элемент, который и берет на себя весь «удар».
Рис. 4
Резистивный ВТСП - токоограничитель шунтирующего типа
В данном исполнении токоограничитель может выдержать несколько КЗ подряд с достаточно высоким быстродействием, т.к. температура сверхпроводника не увеличивается так сильно, как при последовательном соединении. Однако при изготовлении шунтирующего токоограничителя потребуется примерно на 10% больше ВТСП-провода. На сегодняшний день шунтирующий тип может быть применен в схемах с однократным АПВ, но в ближайшее время после некоторых доработок ВТСП-катушки и непосредственно самих ВТСП-материалов можно будет добиться 2-кратного АПВ.
Индуктивный тип
Нелинейность вольтамперной характеристики сверхпроводника также используется в токоограничителях индуктивного типа (рис. 5). Его можно представить в виде трансформатора с ВТСП-нелинейным резистором в качестве нагрузки вторичной обмотки (рис. 6).
Рис. 5
Схематичная конструкция индуктивного токо ограничителя
Рис. 6
Индуктивный ВТСП-токоограничитель
В нормальном режиме работы вторичная обмотка трансформатора замкнута на сверхпроводник – сопротивление токоограничителя близко к нолю. При возникновении КЗ резистор выходит из сверхпроводящего состояния и его сопротивление растет, в результате чего ток КЗ ограничивается индуктивным сопротивлением первичной обмотки. Основным недостатком индуктивного ВТСП-ограничителя тока можно назвать большие габариты устройства, а также более сложную конструкцию и высокую стоимость по сравнению с резистивными токоограничителями, что в конце 1990-х годов удержало многих разработчиков от дальнейшего освоения данного исполнения.
Индуктивный тип с насыщенным магнитопроводом
Хотелось бы отметить еще один вид токоограничителя, поскольку он является российской разработкой. Токоограничитель с насыщенным магнитопроводом (рис. 7) состоит из ВТСП-катушки подмагничивания, токовых катушек и магнитопроводов. Катушка подмагничивания служит для того, чтобы насытить магнитопроводы, при этом резко падает индуктивность токовых обмоток – токоограничитель работает в номинальном режиме.
Рис. 7
Токоограничитель с насыщенным магнитопроводом
В случае КЗ токовая обмотка создает магнитный поток, который компенсирует поток от катушки подмагничивания, магнитопроводы выходят из режима насыщения, индуктивность токовых обмоток возрастает – происходит ограничение тока. Поскольку ограничение тока требуется на обоих полупериодах, необходимо использование пары магнитопроводов и токовых катушек для каждой фазы.
Основным преимуществом токоограничителя с насыщенным магнитопроводом является то, что при токоограничении в нем не происходит переход сверхпроводящей обмотки подмагничивания из сверхпроводящего состояния в резистивное, что дает высокое быстродействие и готовность к следующему мгновенному срабатыванию.
Недостатком такого токоограничителя являются огромные габариты. В Европе, Америке и Японии такие размеры просто не приемлемы, но в России привыкли к большому количеству «железа», поэтому работы по дальнейшей реализации проекта продолжаются. В Курчатовском институте уже была успешно испытана модель трехфазного токоограничителя с насыщенным магнитопроводом.
Промышленные образцы
Разработки, которые первыми могут привести к промышленному производству ВТСП-токоограничителей, ведутся в Европе и Америке. Попробуем выделить несколько исследовательских групп:
1. Объединение американской компании American Super-conductor Corporation (ASC) и концерна SIEMENS ведет исследование в области резистивных ВТСП-токоограничителей. ASC уже давно присматривалась к токоограничителям, но ВТСП-материалы достаточно долгое время являлись экономически невыгодными для изготовления данного устройства.
К примеру, сверхпроводниковый провод ASC так называемого первого поколения стоит около 10 долларов за метр. Получалось, что стоимость только самой ленты токоограничителя 10 кВ с номинальным током 1250 А составляла порядка 85 тысяч долларов. Провод второго поколения, несомненно, более эффективен: его ориентировочная цена составит от 2 до 4 долларов за метр, а полная стоимость ленты для исполнения 10 кВ – от 22 до 44 тысяч долларов. Однако в этом случае вся сложность разработки токоограничителя заключается в технологии производства ленты. Первый метр ВТСП-провода второго поколения был представлен в 2003 году, а возможность производства провода длиной более 10 метров появилась только во второй половине 2004 года.
В начале этого года ASC подписала контракт с SIEMENS о совместном проекте: SIEMENS применит ВТСП-провод второго поколения компании ASC в своем образце резистивного ограничителя тока. Демонстрационный образец будет рассчитан на 20 кВ, но с помощью нескольких аналогичных модулей будет возможно реализовать ограничитель на напряжение 110 кВ.
2. Компания ABB ведет достаточно успешные исследования сразу в двух направлениях: в области ВТСП-материалов и в области самой конструкции токоограничителей. В 1996 году на одной из электростанций Швейцарии на год испытаний был установлен ВТСП-токоограничитель ABB 1,2 МВА 10 кВ индуктивного типа. Однако, по ранее названным причинам, ABB отказалась от индуктивных ограничителей (хотя токоограничитель на швейцарской станции успешно выдержал работу в реальных условиях) в пользу резистивных. Был изготовлен токоограничитель 6,4 МВА 8 кВ с номинальным током 800 А и установлен в немецкую сеть RWE для испытаний.
3. Третьим перспективным проектом можно назвать токоограничитель Matrix, создаваемый компаниями SuperPower (США) и Nexans (Германия) и финансирующийся не только самими фирмами, но и американским правительством.
ВТСП-резистивный токоограничитель будет иметь матричную структуру (рис. 8): количество строк будет задаваться номинальным током сети, а количество столбцов – требуемым сопротивлением для ограничения тока.
 |
Рис. 8
ВТСП-токоограничитель Matrix |
Сам проект разбит на три части, каждая из которых должна завершиться созданием образца – прототипа. Первая фаза проекта завершилась в июле 2004 года изготовлением однофазного прототипа с номинальным напряжением 8 кВ, номинальным током 800 А с ограничивающей способностью 25 кА. Вторая часть должна закончиться в декабре 2005 года созданием однофазного прототипа 138 кВ. В декабре 2006 года проект будет завершен созданием трехфазного образца 138 кВ, готового для полноценного применения в действующей сети.
Кстати, несмотря на то, что SuperPower сама занимается разработкой и производством сверхпроводников, решение о том, что ВТСП-материалы будут производиться Nexans, было вынесено после успешного немецкого проекта CURL-10, когда в апреле 2004 года в уже упоминавшуюся RWE был установлен токоограничитель 10 МВА 10 кВ 600 А (рис. 9), являющийся пока самым мощным ВТСП-токоограничителем, работающим в действующей энергосистеме.
4. Хотелось бы отметить и Японию, которая тоже достаточно многого добилась в области ВТСП-ограничителей тока. В качестве примера можно назвать токоограничитель 6,6 кВ 2000 А (рис. 10), разработанный токийской электроэнергетической компанией и Toshiba. Конечным результатом разработчики хотели бы видеть сверхпроводниковый токоограничитель 500 кВ. Однако исследования пока приостановили, что связано с желанием японцев выпустить полупроводниковый выключатель.
Рис. 9
Токоограничитель 10 МВА 10 кВ 600 А (проект CURL-10)
Рис. 10
Токоограничитель 6,6 кВ 2000 А, разработанный токийской электроэнергетической компанией и фирмой Toshiba
Сравнение с другими концепциями
К недостаткам сверхпроводниковых токоограничителей в сравнении с коммутационными можно отнести более высокую стоимость и большие габариты, что связано с использованием криогенной системы. К преимуществам – способность АПВ, т.к. после срабатывания CLiP потребуется некоторое время для замены предохранителя. Хотя, если применить CLiP параллельно реактору, можно избежать перерыва в электроснабжении при перегорании предохранителя и потерь, связанных с работой реакторов. В любом случае проектировщики должны будут выбрать оптимальный вариант. Пока же из этих двух вариантов выбора нет – только коммутационный ограничитель тока (но до 35 кВ).
Сравнение полупроводникового и ВТСП-токоограничителей пока не представляется возможным, т.к. ни один промышленный образец не был еще полностью доработан. Можно лишь предположить, что при новом строительстве подстанций лучшим решением будет полупроводниковый ограничитель, а при реконструкции экономически целесообразным будет применение сверхпроводникового.
Мы рассмотрели возможные конструкции и применения ВТСП-токоограничителей, а также несколько проектов по созданию промышленного образца. Уже к 2010 году стоит ожидать выпуска первых серийных ВТСП-токоограничителей на среднее и высокое напряжение, причем их стоимость будет относительно невысока, если учесть огромные преимущества их применения. Хочется, чтобы не запаздывало промышленное производство токоограничителей в России, хотя инвестиции в проекты у нас и в других развитых странах просто несравнимы (например, в проект Matrix правительство США вложило $ 6 млн, что составило чуть менее половины всего бюджета).
| 
