Сверхпроводящие ограничители тока (СОТ).

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 специфичную сферу их применения в будущем: данные СОТ не являются самостоятельными устройствами, их следует рассматривать как составные узлы преобразовательных агрегатов для вставок постоянного тока или линий электропередачи FACTS, а сверхпроводящие катушки в них являются своего рода индуктивными накопителями энергии. Высокая активность в США и Японии по созданию СОТ этого типа связана с национальной спецификой энергосистем: в США для увеличения пропускной способности линий электропередачи активно внедряется технология FACTS, а энергосистема Японии представляет собой настоящий «зоопарк», где сети с частотой 50 Гц соединяются вставками постоянного тока с 60 Гц сетями.

Развитие ВТСП технологии, приведшее к существенному улучшению свойств ВТСП керамики Bi-2212, и появление ВТСП проводов 2?го поколения, а также ВТСП пленок на основе иттрия (YBCO) позволило к настоящему времени реализовать такую простую с точки зрения электротехники, но такую сложную с точки зрения ВТСП технологии резистивную схему СОТ. Как ясно из названия, ограничение 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.