№ 4
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2011
УДК 621.3.06
© 2011 г. АЛФЕРОВ Д.Ф., АХМЕТГАРЕЕВ М.Р., БУДОВСКИЙ А.И., БУНИН Р.А., ВОЛОШИН И.Ф., ДЕГТЯРЕНКО П.Н., ЕВСИН Д.В., ИВАНОВ В.П., СИДОРОВ В.А., ФИШЕР Л.М., ЦХАЙ Е.В.
СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Предложена схема сверхпроводникового токоограничивающего выключателя (СТВ) постоянного тока на номинальный ток 300 А, содержащего модуль на основе высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) второго поколения и быстродействующий вакуумный включатель постоянного тока. Приводятся результаты исследований токоограничивающей способности СТВ и времени восстановления сверхпроводимости после отключения тока при напряжении до 3,5 кВ.
Для защиты электрооборудования от повреждений при возникновении токов короткого замыкания (КЗ) применяются резистивные сверхпроводниковые ограничители токов (СОТ), основанные на высокотемпературных сверхпроводниках (ВТСП) [1, 2]. СОТ отличается от существующих токоограничителей малым уровнем энергетических потерь, способностью практически мгновенно реагировать на превышение тока (в т.ч. токов КЗ) и быстро ограничивать его. В нормальных режимах устройство не оказывает влияния на режим работы энергосистем, а в аварийных — вводит в сеть сопротивление, необходимое для ограничения тока КЗ до требуемого уровня.
Экономическая целесообразность создания резистивных ограничителей в значительной степени определяется стоимостью криостата и ВТСП ленты. Стоимость последней пропорциональна объему сверхпроводника V = ЬСПтаЬ (где ЬСП — длина одной ленты ВТСП; т — число параллельно соединенных лент, определяемое номинальным током сети и критическим током ленты; а, Ь — размеры сечения ленты). Минимальный объем ВТСП ленты при условии ее адиабатического нагрева
Vшia = ~и ¿огрА//САТ, (1)
определяется напряжением сети и, полной теплоемкостью С сверхпроводника в нормальном состоянии, амплитудой тока ограничения ;огр, длительностью воздействия Аt тока ограничения и допустимым нагревом АТпроводника за время Аt. Максимальная допустимая температура АТ нагрева ВТСП ограничена требованием обеспечения живучести ленты и быстрого восстановления ее сверхпроводящих свойств. Длительность режима токоограничения Аt определяется полным временем отключения сетевого выключателя и временем формирования сигнала релейной защиты и может составлять 100—150 мс. Выключатели предназначены для отключения токов КЗ величиной в десятки килоампер.
Однако применение СОТ не получило широкого распространения из-за большой стоимости сверхпроводникового материала. Перспективным способом уменьшения АТ при заданном объеме ВТСП является уменьшение длительности режима токоогра-ничения Аt [3], для этой цели предложена оригинальная схема сверхпроводникового токоограничивающего выключателя (СТВ), в котором последовательно с ВТСП подключен быстродействующий вакуумный выключатель [4, 5]. Такая схема позволит
Рис. 1. Принципиальная схема сверхпроводникового токоограничивающего выключателя постоянного тока
уменьшить длительность At воздействия одиночного КЗ до 10—15 мс и объем ВТСП при заданных параметрах токоограничения по сравнению с обычной схемой рези-стивного СОТ. Кроме того, использование СТВ позволит сократить время восстановления рабочего состояния ВТСП элемента.
Предложенная схема СТВ может найти применение в сетях постоянного напряжения железных дорог, где частота возникновения КЗ в системах тягового электроснабжения на порядок выше, чем в сетях среднего напряжения общепромышленного назначения [6].
В качестве быстродействующих вакуумных выключателей постоянного тока можно использовать как выключатели с электромагнитным приводом [7] с временем отключения до 8—9 мс, так и выключатели с индукционно-динамическим приводом [8] с временем отключения 3—5 мс. Указанные выключатели рассчитаны на класс напряжения до10 кВ и номинальный ток 1—3 кА.
В работе исследована возможность применения такого подхода к проблеме ограничения и отключения тока КЗ в цепях постоянного тока. Приводятся результаты испытаний макета СТВ на напряжение 3,5 кВ, номинальный ток 300 А, содержащего ВТСП модуль, размещенный в криостате с жидким азотом (хладагентом), и быстродействующий вакуумный выключатель постоянного тока.
Условия эксперимента и методика измерений
Сверхпроводниковый токоограничивающий выключатель [4, 5] содержит последовательно соединенные ВТСП модуль Я2 и быстродействующий вакуумный выключатель В с электромагнитным приводом и контуром противотока С1Ь1 (рис. 1). Параллельно участку цепи, содержащему выключатель и ВТСП модуль, подсоединено нелинейное сопротивление Я1 для поглощения энергии, накопленной в индуктивности внешней цепи Ь0, и ограничения коммутационных перенапряжений, возникающих при отключении тока. Контур противотока подключается к выключателю с помощью управляемого вакуумного разрядника Р (РВУ), который включается после размыкания контактов выключателя В. При включении РВУ в С1Ь1 контуре возникает переменный ток Iс
частотой ю « « 2гсД/С\ЬХ, который обеспечивает перевод тока /огр в выключателе через
ноль при условии Я2 > . Линейное сопротивление Я3 служит для зарядки кон-
денсатора С до напряжения ис = /огрЯ2 (Я2 < Я3).
Выключатель содержит систему управления СУ, которая при помощи датчика напряжения ДН контролирует состояние ВТСП и подает сигналы управления на драйверы выключателя В и блок поджига РВУ.
Рис. 2. Модуль ВТСП с криостатом
Предложенная схема выключателя позволяет эффективно ограничивать и отключать ток КЗ в сетях и переменного, и постоянного токов. Кроме того, она способствует существенному облегчению работы быстродействующего выключателя.
ВТСП модуль выполнен в виде плоско-решетчатой рамной конструкции. Каждая решетка модуля представляет собой плоскую решетчатую раму в виде бифилярного меандра [9] и содержит две параллельные ВТСП ленты длиной по 5 м. Ленты в бифи-лярах своими подложками опираются на вертикальные изоляционные части каркаса. При этом пондеромоторные силы от параллельных токов прижимают ленты к каркасу, что устраняет вибрации при переменном токе и обеспечивает устойчивость лент при температурных деформациях.
Модуль содержит четыре последовательно соединенные решетки с общей длиной ленты = 2LСП = 40 м. В модуле использовалась лента 8Р12100 "М3-609-2" компании ЗирегРо^'ег. Критический ток ленты 1С = 313 А. Подобные ленты допускают перегибы с радиусом кривизны не менее 20 мм. Для повышения надежности предусмотрены термокомпенсация и прижимание медных серебрёных перемычек к серебрёной стороне лент в бифилярах с помощью калиброванных прижимов [9].
Модуль погружался в криостат с жидким азотом объемом ~130 л. Рис. 2 дает представление об относительных размерах ВТСП модуля и криостата.
Исследования коммутационных характеристик СТВ проводились на сильноточном стенде, содержащем конденсаторную батарею емкостью 10 мФ на максимальное напряжение 5 кВ и реактор с индуктивностью L0 = 6 мГн (рис. 3). СТВ (обозначен штрих-пунктирным контуром) содержит ВТСП модуль ^24, к которому последовательно подсоединен выключатель В. Параллельно выключателю В подсоединен контур противотока, состоящий из последовательно соединенных конденсатора С1 = 5 мкФ, катушки индуктивности L1 = 21 мкГн и управляемого вакуумного разрядника РВУ-71. Подключение СТВ к предварительно заряженной конденсаторной батарее осуществлялось с помощью вакуумного контактора Кх.
При подключении выключателя к стенду через него начинал протекать разрядный ток ¡оЬ с периодом Т0 = 24 мс. Амплитуда тока 1т регулировалась путем изменения зарядного напряжения и0. При замкнутых контактах выключателя В ток ¡оЬ в разрядной цепи равен току в ВТСП модуле.
Рис. 3. Схема испытаний
После превышения током iS критического значения Ic ВТСП выходит из состояния сверхпроводимости и на модуле появляется падение напряжения US, которое быстро увеличивается (в сверхпроводящем состоянии ВТСП падение напряжения на модуле пренебрежимо мало). Напряжение US подавалось в систему управления СУ. При превышении порогового значения напряжения система управления СУ вырабатывала сигнал на выключение быстродействующего выключателя В и включение вакуумного разрядника Р. Включение разрядника производилось с заданной временной задержкой (~9 мс), которая выбиралась так, чтобы контакты выключателя разводились на максимальное расстояние (равное 4 мм).
При включении разрядника Р в цепи выключателя начинал протекать противоток ic,
амплитуда которого Ic = UJ JL1 /С1 > iS. При этом суммарный ток в выключателе В спадал до нуля и происходило отключение тока iS, протекавшего в ВТСП модуле. Время восстановления сверхпроводящего состояния в ВТСП после нуля тока определялось путем измерения времени уменьшения сопротивления ВТСП модуля при протекании постоянного тока (1 А) источника J (рис. 3).
В процессе проведения испытаний разрядный ток i0b и ток iS в ВТСП модуле измерялись с помощью датчиков тока LT1 (LT1000-SI/SP58) и LT2 (LT1000-SI/SP69) соответственно. Измерялось также напряжение U12 на двух решетках ВТСП модуля высоковольтным щупом типа Р5100 фирмы Tektronix. Напряжение US на СТВ измерялось датчиком напряжения ДН2 типа CV-3-1500 фирмы LEM. Электрические сигналы регистрировались цифровыми осциллографами Tektronix TDS3024B и TDS3014B с последующей обработкой осциллограмм на ПК.
Результаты испытаний
Осциллограммы токов и напряжений, полученные в режиме токоограничения при напряжении Ц = 3 кВ, приведены на рис. 4. Здесь 13 и 10Ь — токи в ВТСП модуле и в разрядной цепи соответственно. Напряжения и8 и и12 — это падения напряжения на СТВ и на двух последовательно соединенных решетках модуля соответственно. Для сравнения на рис. 4 показан ожидаемый ток КЗ к при Ц = 3 кВ. При превышении током в ленте критического значения 1С на ВТСП модуле возникало напряжение и8. Отключение тока в выключателе происходило через ~9 мс после возникновения напряжения на ВТСП модуле. В момент отключения тока в цепи ВТСП на выключателе
Рис. 4. Осциллограммы токов и напряжений в режиме ограничения тока КЗ при напряжении Щ = 3 кВ: ^ и Us — ток и напряжение, СОТ; Т^ — то
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.