Разработка и исследование сверхпроводниковых ограничителей тока резистивного типа

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Разработка и исследование сверхпроводниковых ограничителей тока резистивного типа

Буев А. Р.

Разработаны схемы, принцип действия ограничителей тока с резистивными ВТСП элементами. Исследованы режимы работы моделей таких устройств. Получены выражения для выбора оптимальных параметров конкретных сверхпроводниковых ограничителей тока.

Ключевые слова: токоограничители резистивные, выключатели тока автоматические, высокотемпературные сверхпроводники, Y123, толстые пленки, сигнальная цепь, технология получения.

Schemes, a principle of action of terminators of a current with resistive HTSC elements are developed. Operating modes of models of such devices are investigated. Expressions for a choice of optimum parameters concrete superconductors current terminators are received.

Keywords: Resistive current limiter switches a current automatic, high-temperature superconductors, Y123, thick films, an alarm chain, technology of reception.

Актуальность проблемы и постановка задачи. Величина токов перегрузки или токов короткого замыкания является одним из основных параметров электрической схемы. Особенно важным этот параметр является в случае оборудования подстанций и линий электропередач. Чем больше такой ток, тем более высокую отключающую способность должны иметь выключатели.

Такие устройства должны иметь большие массогабаритные показатели. Поэтому, по мере развития энергосистем, большое внимание уделялось ограничению токов короткого замыкания. Одним из путей их ограничения является установка в цепи тока токоограничивающих бетонных реакторов. Однако, при использовании таких реакторов, не всегда возможно удовлетворять одновременно требованиям по токоограничению и величине потерь, и по качеству напряжения на энергоприемниках в нормальных режимах.

Рост тока короткого замыкания в электрических сетях всех классов напряжения делает актуальной разработку новых устройств, предназначенных для его снижения. В отличие от бетонных токоограничивающих реакторов, которые входят своим постоянным реактансом в продольное сопротивление сети, как в режиме короткого, так и в нормальном режиме нагрузок, сверхпроводниковый ограничитель тока (СОТ) может иметь низкий реактанс в нормальном режиме и повышать его при коротком замыкании. Недостатком таких СОТ на низкотемпературных сверхпроводниках является то, что хладагентом в них служит жидкий гелий - дорогой и требующий сложного криотехнического оборудования.

Появление высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) позволяет создать токоограничивающие устройства - сверхпроводниковые ограничители тока, импеданс которых в нормальном режиме имеет невысокую величину, практически не влияющую на работу сети (цепи), и увеличивается при повышении потребляемого тока, в частности, при коротком замыкании. Это приводит к уменьшению тока до безопасной величины. В принципе, СОТ позволяет это сделать.

Для слаботочных цепей перспективны ограничители тока резистивного типа, СОТ со сверхпроводниковым экраном, т.е. индуктивные, и устройства смешанного типа. Они могут быть использованы в криоэлектронике и криоэлектротехнике. Такие ограничители и рассматриваются в данной работе.

Целью настоящей работы является разработка и исследование сверхпроводниковых ограничителей тока резистивного типа для различных цепей.

В качестве основных задач работы были выбраны разработка схем новых СОТ, их конструкций, способов их изготовления и исследование параметров СОТ.

Сверхпроводниковые ограничители тока резистивного типа

В настоящее время в мире активно разрабатываются несколько различных схем СОТ. Некоторые из них были доведены до стадии создания полупромышленных образцов. Наиболее показательны в этом плане работы по созданию опытных образцов СОТ большой мощности фирмой АВВ. В 1996 году был создан и испытан в условиях электростанции трехфазный 1МВА СОТ с ВТСП экраном, а в 2001 году были успешно проведены испытания 1,2 МВА СОТ резистивного типа. Также следует отметить полупромышленный образец трехфазного СОТ выпрямительного типа на 15 кВ, 1,2 кА, созданный в США фирмой General Atomic, IGC и лабораторией Лос-Аламоса [1].

Сегодня в мире активно разрабатывается два типа СОТ: резистивный и индуктивный. К СОТ индуктивного типа относятся устройства выпрямительного типа, устройства со сверхпроводниковыми экранами, с насыщенным магнитопроводом и др. Различные типы устройств обладают определенными достоинствами и недостатками. Например, схемы СОТ резистивного, трансформаторного типа и СОТ со сверхпроводниковым экраном включают материалоемкие ВТСП элементы, СОТ выпрямительного типа предлагает использование выключателей с малым временем срабатывания. Конечно, в большей степени это относится к промышленным СОТ, защищающим мощные сети. Поскольку промышленные СОТ имеют большие габариты и энергопотребление, их исследование приводили на уменьшенных макетах, которые сами представляют интерес, так как могут быть использованы в слаботочных цепях.

Ограничение тока перегрузки или короткого замыкания в СОТ резистивного типа достигается за счет возрастания активного сопротивления при переходе в нормальное состояние ВТСП элемента СОТ. В большинстве предложенных конструкций СОТ резистивного типа ВТСП элемент зашунтирован балластным сопротивлением [2]. В штатном режиме ток течет по ВТСП элементу, импеданс СОТ незначителен. В случае перегрузки происходит переход ВТСП элемента в нормальное состояние, ток протекает как по ВТСП элементу, так и по его шунту, импеданс СОТ резко возрастает.

В данной работе было создано несколько СОТ резистивного типа, защищенных патентами РФ.

Токоограничитель-выключатель. Для ограничения тока в цепи часто используют токовые реле, которые отключают цепь, если ток в ней превышает установленную величину. Такие реле содержат контактные группы, в которых при срабатывании реле и больших (более 1 кА) токах возникает электрическая дуга. Она разрушает контакты и их приходится периодически заменять.

Нами предложено устройство, содержащее ВТСП резистивный элемент Rc , параллельно соединенный с катушкой токового реле L (рис.1, а). Критический ток ВТСП элемента Ic подбирается меньшим критического тока цепи Iкр и, когда ток цепи достигает значения Ic, ВТСП элемент переходит в нормальное состояние, ток в цепи падает (рис. 1, б).

а) б)

Рис. 1. Токоограничитель - выключатель: а) схема; б) осциллограмма тока в цепи

Если ток в цепи не возрастает, устройство работает как ограничитель тока (рис. 1б, график 1). Но если ток продолжает возрастать и достигает значения Iкр, срабатывает реле и цепь отключается (рис. 1б, график 2).

Iкр = Ic + Iср (1)

где Iср - ток срабатывания реле.

Использование такого устройства позволяет снизить ток размыкания [3].

В работе в качестве резистивного элемента был использован толстопленочный меандр из ВТСП Y123, имеющий сопротивление в нормальном состоянии 500 Ом, в качестве реле - устройство МГ-63А.

Двухступенчатый токоограничитель. Разработанное устройство обладает возможностью выключения предупреждающего сигнала или иных вспомогательных цепей при повышении тока в цепи. Устройство имеет также более высокую скорость и надежность срабатывания по сравнению с ранее описанным токоограничителем. Устройство содержит два резистивных ВТСП элемента Rc1, Rc2, соединенные параллельно с катушками токовых реле L1 и L2 (рис. 2, а).

а) б)

Рис. 2. Двухступенчатый токоограничитель: а) схема устройства; б) ВТСП структура; в) рабочая цепь; г) сигнальная цепь

Токоограничивающие ВТСП элементы выполнены в виде толстопленочных дорожек, размещенных одна над другой, и разделены изолирующей пленкой. Структура сверхпроводник 1 - изолятор 3 - сверхпроводник 2 нанесена на изолирующую подложку 4 (рис. 2, б).

ВТСП токоограничители имеют различные токи перехода в сверхпроводящее - нормальное состояние Ic1 и Ic2 ( Ic1 < Ic2). Если ток в рабочей цепи не превышает критического (I < Iкр), оба токоограничителя находятся в сверхпроводящем состоянии и общее сопротивление устройства равно нулю. При достижении током величины Ic1, первый токоограничитель переходит в нормальное состояние и первое реле (R1) срабатывает, включая сигнальную цепь b. Напряжение срабатывания реле пропорционально сопротивлению токоограничителя в нормальном состоянии Rc1.

Uср1 = Uc1 = Rc1Iкр1,(2)

где Uср1 - критическое напряжение ВТСП СОТ 1.

Пусть ток Iкр1 составляет 0,6 - 0,9 от Iкр2 - критического тока второго СОТ

Iкр1 = k1 Iкр2 , (3)

где k = 0,6 - 0,9 - коэффициент первого переключения, а

Iкр2 = k2 Iкр = k1k2Iкр1, (3')

где k2 - коэффициент второго переключения, k2 = 0,8 - 0,9.

После срабатывания первого токоограничителя ток в рабочей цепи падает на величину

?I = UP1 (4)

где RP1 - сопротивление катушки первого реле,

UP1 = UC1 - падение напряжения на СОТ1.

Если ток в рабочей цепи продолжает расти, то при его величине I = IC2 переключится в нормальное состояние СОТ2 и

IC2 = jC2 bC2 hC2, (5)

где jC2 - критическая плотность тока СОТ2;

bC2 - ширина ВТСП дорожки СОТ2;

hC2 - толщина ВТСП дорожки.

В этом случае на СОТ2 появляется падение напряжения, при котором срабатывает второе реле.

, (6)

где - сопротивление СОТ2;

- критическая плотность тока.

Чтобы увеличить скорость и надежность срабатывания второго токоограничителя (СОТ2), необходимо использовать еще и механизм подавления его сверхпроводимости с помощью магнитного поля СОТ1. Это поле создается током I1. Предполагая, что ВТСП элемент СОТ2 размещается вблизи провода с током I1, индукцию поля B1 с достаточной точностью можно определить по известной формуле для магнитного поля прямого длинного провода:

, (7)

где - магнитная постоянная;

r - расстояние от края проводника.

Необходимо, чтобы индукция этого магнитного поля равнялась критической индукции поля для СОТ2 .

. (8)

Пусть - толщина диэлектрика, тогда

. (9)

Отсюда можно записать соотношение

. (10)

На основании выражений (2) и (10) можно записать

. (11)

Из выражений (10) и (11) получаем соотношение:

. (12)

Выражения (10) и (12) позволяют выбрать оптимальные параметры устройства.

Были выбраны следующие условия эксперимента: критический ток рабочей цепи Iкр=50А, ток предварительного включения сигнальной цепи Iкр1 = 0,8А, Iкр = 40А. Материал СОТ1 - Bi 2212 с плотностью критического тока =А/см2. Материал СОТ2 - Y123 с параметрами = А/см2, = 5 Тл. Согласно выражениям (10) и (12) рассчитаны параметры дорожек СОТ: b1=1,25 см, b2=0,8 см.

В данной работе на подложку MgO (100Ч20Ч1 мм) наносили толстую ВТСП пленку Y123 (=0,1 мм) и вжигали её. Затем напыляли методом магнетронного распыления изолятор MgO. После этого наносили ВТСП пленку Bi - 2212 (=0,8 мм) и вжигали.

Устройство работает следующим образом (рис. 3). В интервале 0 - t1 ток рабочей цепи постоянен I0 < Iкр1. Сопротивление устройства равно нулю. При t>t1 ток в рабочей цепи возрастает и при t=t1 составляет I=Iкр1.Первый токоограничитель переходит в нормальное состояние и приобретает сопротивление R1 = 12 Ом. На реле появляется напряжение срабатывания Uср1=Iкр1R1=42 В. Включается сигнальная цепь 2 (контактная группа k1).

Рис. 3. График работы токоограничителя

сверхпроводниковый ограничитель резистивный

При дальнейшем увеличении тока цепи при t=t3 до I=IC2 в нормальное состояние переходит второй ВТСП ограничитель, в цепи появляется сопротивление R2 = 40 Ом и ток в цепи падает (рис. 3). Если ток в цепи не возрастает, СОТ работает в режиме токоограничителя (участок 1), если ток продолжает возрастать, то при I=Iкр (t=t4) устройство отключает рабочую цепь (участок 2, рис.3).

Таким образом, разработаны и исследованы модели резистивных сверхпроводниковых ограничителей тока. В работе получены выражения, позволяющие выбирать оптимальные параметры СОТ. Установлено, что разработанные устройства способны защищать электрические цепи от перегрузки.

В перспективе проведенную работу и полученные результаты необходимо использовать в промышленных СОТ. Планируется также провести аналогичное исследование индуктивных ограничителей тока.

Список литературы

E. Leung, B. Rurley, N. Chitwood, et al. Design & Development of a 15 kV, 20 kA HTS Fault Current Limiter // IEEE Transaction on Applied Superconductivity, 2000, vol. 10, No 1 - p.p. 832 - 835.

T. Hoshino, M Nishikawa, K. M. Salim, et al. Preliminary studies on characteristics of series - connected type superconducting fault current limiter for system design // Physica C, 2001. Vol.354 - p.p. 120 - 124.

Пат. 2198458 РФ Токоограничитель - выключатель / В. Н. Игумнов, Н. М. Скулкин, А. Р. Буев, опубл. в БИ 2003. N 13.

Размещено на Allbest.ru