ВТСП токоограничители


Статус статьи

Проверено экспертами


Назначение

Эффективность и надежность работы токоограничителя крайне важны для работы всей энергосистемы. Механические и термические напряжения, возникающие в системе в режиме короткого замыкания (пропорциональные квадрату тока), заставляют проектировать все компоненты энергосистемы с огромными запасами. Повышение эффективности токоограничителей за счет использования сверхпроводников не только понизит прямые потери энергии в номинальном режиме, но и позволит существенно понизить капиталовложения в другие элементы энергосистемы.


Общие сведения

ВТСП–ограничители токов короткого замыкания (ВТСП ТО).

Принцип действия ВТСП ТО основан на переходе ВТСП от состояния сверхпроводимости к высокому сопротивлению при достижении критического тока. То есть в нормальных режимах ВТСП ТО практически не оказывает влияния на режим работы сети, а в аварийных вводит в сеть реактанс, необходимый для ограничения токов КЗ до требуемого уровня.

Примером может служить ВТСП токоограничивающий модуль Siemens (425 А, 8,4 кВ) (рисунок 1).

Рисунок 1. ВТСП токоограничивающий модуль Siemens (425 А, 8,4 кВ)
Рисунок 1. ВТСП токоограничивающий модуль Siemens (425 А, 8,4 кВ)


Традиционные токоограничивающие устройства – реакторы и индуктивно-емкостные ограничители.
Уникальные свойства сверхпроводящих материалов позволяют создать ограничители токов КЗ, не имеющие аналогов среди традиционных электротехнических устройств. Токоограничители позволяют также продлить срок службы коммутационной аппаратуры.

Основные типы ограничителей:

  • Индуктивные – имеют большие габариты и стоимость (рисунок 2)
  • Резистивные – проще, компактнее и дешевле.


Рисунок 2. Индуктивный ВТСП-токоограничитель
Рисунок 2. Индуктивный ВТСП-токоограничитель


Резистивные ограничители тока на основе ВТСП 2-го поколения являются наиболее перспективными для ограничения токов КЗ.

Основные требования, предъявляемые к ограничителям тока:

  • ограничение ударных токов КЗ в течение первого полупериода;
  • ограничение установившихся токов КЗ и низкий уровень потерь в нормальных режимах работы;
  • быстрый возврат к исходному режиму после ограничения аварийных токов;
  • высокая надежность, сопоставимая с надежностью силовых трансформаторов;
  • работа ограничителя тока не должна приводить к появлению опасных перенапряжений и препятствовать нормальному функционированию систем автоматики, защиты и высоковольтных выключателей;
  • полные потери должны быть ниже, чем в трансформаторе: в диапазоне от 0,01 до 0,1% номинальной мощности защищаемой цепи.


Актуальность использования

Основное преимущество ВТСП ТО заключается в его возможности иметь существенное низкое сопротивление по сравнению с эксплуатируемыми токоограничительными реакторами в нормальном режиме и практически безынерционно увеличивать его до требуемой величины при коротком замыкании, что позволяет использовать ВТСП ТО в сетях напряжением 10-500 кВ. Токоограничители позволяют также продлить срок службы коммутационной аппаратуры.


Эффекты от внедрения (использования)



Принцип функционирования

В простейших вариантах ВТСП ТО может использоваться свойство токонесущего элемента находиться в состояниях с нулевым или конечным сопротивлением. При превышении током в цепи критического значения сверхпроводник переходит в нормальное состояние и появляется сопротивление, ограничивающее ток.

Сверхпроводниковый ограничитель тока представляет собой устройство, надежно ограничивающее токи КЗ. Применение ограничителей тока существенно упрощает всю коммутационную аппаратуру, устанавливаемую за ними. Прежде всего резко снижается разрывная мощность высоковольтных выключателей.


Опыт применения

Сверхпроводящие токоограничители являются одними из наиболее перспективных электротехнических устройств ввиду отсутствия эквивалентных аппаратов обычного исполнения. Работа по созданию ВТСП ТО активно ведется в США, Японии, Европе и России.

Последние достижения этих стран:
Компании Toshiba и Fujikura в сотрудничестве с ISTEC (International Superconductivity Technology Center) и университетом Йокогамы разработали и успешно испытали трехфазный ВТСП токоограничитель резистивного типа.

Одним из наиболее успешных проектов ВТСП токоограничителей, является CURL 10 (и последующий CULT 110), разработанный и изготовленный компанией Nexans совместно с исследовательским центром Forschungszentrum Karlsruhe (Германия).

Компания American Superconductor совместно с Siemens уже достаточно давно занимается разработкой ВТСП токоограничителей. Работы по созданию высоковольтного (115 кВ, 1200 А) ВТСП токоограничителя проводятся при финансовой поддержке министерства энергетики США.

Российский опыт

Специалистами ВЭИ (Всероссийский Энерготехнический Институт) разработан макет ВТСП ТО с эффективным ограничением тока до 1000А при токе КЗ порядка 9 кА, с ВТСП SF 12100 на основе немагнитного высокорезистивного сплава Hastelloy компании SuperPower.

Особенность этой разработки состоит в том, что уменьшение объёма ВТСП, а значит и стоимости ВТСП ТО в целом, без снижения его эксплуатационных характеристик, в особенности допустимого нагрева ВТСП, достигается путём уменьшения длительности протекания тока в режиме токоограничения. Для этой цели последовательно с ВТСП предлагается включить быстродействующий выключатель, например, вакуумный выключатель со сверхбыстродействующим приводом.

Справочные факты – примеры внедрения

Специалистами Российского научного центра «Курчатовский институт» создан однофазный макет ТО на ВТСП 2-го поколения для железнодорожного транспорта. Для систем тягового электроснабжения важной особенностью является высокая частота возникновения коротких замыканий, что приводит к частым повреждениям контактной сети и питающим ее понижающим трансформаторам.

Разработанный ВТСП ТО - однофазное устройство с номинальным напряжением 3,5 кВ и током 250А (действующее значение), представляющее собой размещенную в заполненном жидким азотом криостате сборку из восьми токоограничивающих элементов в виде цилиндрических безиндуктивных катушек намотанных из ВТСП проводника 2-го поколения типа SF12100 производства компании SuperPower (США)

Сегодня, ведутся разработки ВТСП ТО в российской компании ЗАО "СуперОкс". Первый прозводитель ВТСП-провода второго поколения внедрит ТО устройство на построенной системообразующей подстанции "Мнёвники". ЗАО «СуперОкс» создана в 2006 году исследовательской группой Химического факультета МГУ имени Ломоносова, под руководством профессора Андрея Кауля, и инвестором Андреем Вавиловым.

Участники: производители, проектировщики, поставщики

Производители:

  • СуперОкс (Россия);
  • Fujikura (Япония);
  • Nexans (Франция);
  • Siemens (Германия);
  • SuperPower (США).


Ссылки


Архитектурные кейсы, связанные с технологией