Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние проблемы 10
1.1. Координация уровней токов короткого замыкания и параметров электрооборудования 10
1.2. Токи короткого замыкания в электроэнергетических системах 11
1.3. Методы ограничения токов короткого замыкания 13
1.3.1. Общий подход 13
1.3.2. Схемные решения 15
1.3.3. Специальные технические средства 23
1.4. Обоснование применения сверхпроводящих ограничителей тока в электроэнергетике 28
2. Высокотемпературная сверхпроводимость в электроэнергетике 32
2.1. Сверхпроводимость как явление. Краткая история вопроса 32
2.2. Прикладное использование явления сверхпроводимости 34
2.3. Сверхпроводимость и электроэнергетика: перспективы развития 37
2.4. Выводы 42
3. Сверхпроводящие ограничители тока 44
3.1. Постановка задачи 44
3.2. Сравнение различных типов сверхпроводящих ограничителей тока и выбор схемы модельного токоограничителя 46
3.3. СОТ индуктивного типа. Исследование и эксперимент 54
3.3.1. Влияние высокотемпературного сверхпроводящего составного экрана на внешнее магнитное поле 55
3.3.2. Сканирование внутреннего магнитного поля 58
3.3.3. Сверхпроводящий ограничитель тока с составным экраном из тонких колец 59
3.3.3.1. Общая характеристика и принцип действия 59
3.3.3.2. Влияние конструкции экрана на характеристики сверхпроводящего ограничителя тока 61
3.3.4. Выводы 71
4. Применение сверхпроводящих ограничителей тока в электрических сетях 6-10 кв. 74
4.1. Определение месторасположения сверхпроводящих ограничителей тока в электроэнергетических системах 74
4.2. Технические требования на сверхпроводящие ограничители тока 77
4.3. Сравнительный анализ эффективности применения бетонного реактора и сверхпроводящего ограничителя тока 88
4.3.1. Расчет токов короткого замыкания в основных точках схемы 88
4.3.2. Выбор секционного реактора 94
4.3.3. Расчет тока КЗ с учетом секционного реактора 95
4.3.4. Расчет тока КЗ с учетом сверхпроводящего ограничителя тока 97
Заключение
- Обоснование применения сверхпроводящих ограничителей тока в электроэнергетике
- Сверхпроводимость и электроэнергетика: перспективы развития
- Влияние высокотемпературного сверхпроводящего составного экрана на внешнее магнитное поле
- Сравнительный анализ эффективности применения бетонного реактора и сверхпроводящего ограничителя тока
Введение к работе
Актуальность темы. На современном этапе развития сложных электроэнергетических систем (ЭЭС), несмотря на то, что используются различные токоограничивающие устройства (ТОУ), проблема ограничения токов короткого замыкания (КЗ) до сих пор остается открытой. Рост тока короткого замыкания в электрических сетях всех классов напряжения делает актуальной разработку новых эффективных методов и устройств, предназначенных для его снижения.
В связи с этим в последнее время в развитых странах рассматриваются вопросы повышения эффективности функционирования и обеспечение устойчивого развития электроэнергетики на базе новых современных технологий. С появлением высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) к одному из перспективных направлений в электроэнергетике следует отнести разработку и внедрение в промышленных масштабах сверхпроводящих ограничителей тока (СОТ)1.
Проблему ограничения тока короткого замыкания приходится решать для распределительного устройства и сети генераторного напряжения теплоэлектростанции, на сборках генераторного напряжения укрупненных блоков гидроэлектростанции, на вторичной стороне (6-10 кВ) подстанции, в системе собственных нужд конденсационной электростанции и атомной электростанции и, наконец, в распределительном устройстве и сетях повышенных напряжений мощных районных электростанций.
Сверхпроводящие ограничители тока в различном конструктивном исполнении постепенно находят все большее практическое применение в задачах по ограничению токов КЗ. Однако эффективность использования таких устройств в электроэнергетике до сих пор полностью не изучена.
1В дальнейшем речь идет только о СОТ на базе ВТСП
Разработка различных типов высокотемпературных сверхпроводящих токоограничивающих устройств активно ведется с начала 90-х годов прошлого века в целом ряде организаций нашей страны и за рубежом, среди них: ABB (Швейцария), VPTI Hydro-Quebec (Канада), Central Research Institute of Electrical Power Industry (Япония), СибНИИЭ, ЭНИН, Power Superconductor Applications (США), ИФ CO РАН, КрасГУ, ВНИИЭ, РНЦ «Курчатовский институт», General Atomic (США) и многие другие.
Целесообразность применения сверхпроводящих токоограничителеи для решения задачи ограничения токов КЗ проистекает вследствие следующих причин: нелинейной вольтамперной характеристики устройств, отсутствия в таких токоограничителях механических движущихся частей и контактов, сокращения потерь мощности в нормальном режиме работы по сравнению с используемыми бетонными реакторами, возможности более эффективной координации величины тока короткого замыкания и параметров оборудования электрической сети.
Существенной особенностью СОТ является то, что они могут использоваться в сочетании с классическими методами и устройствами ограничения токов КЗ.
Отдельную благодарность за ценные консультации в области ВТСП и помощь в проведении лабораторных экспериментов автор выражает руководителю НИЛ ВТСП, к.ф-м.н., доценту Марийского государственного университета А.Р. Буеву.
Цель н задачи работы. Целью диссертационной работы является оценка возможности применения высокотемпературных сверхпроводящих токоограничителеи, в частности ограничителей тока индуктивного типа с дискретным (составным) экраном, для задачи ограничения токов КЗ в электроэнергетических системах.
Проведение теоретических и экспериментальных исследований, направленных на разработку токоограничителя индуктивного типа с дискретным экраном из «тонких» колец, потребовало решения следующих
6 задач:
Усовершенствование конструкции токоограничителя индуктивного типа с ВТСП экраном и разработка модели СОТ с дискретным экраном.
Экспериментальное исследование влияния конструкции дискретного экрана из «тонких» колец на величину порога ограничения тока, определяемую по вольтамперной характеристике устройства.
Определение наиболее эффективной конструкции экрана для СОТ индуктивного типа.
Исследование и анализ области применения СОТ для задачи ограничения токов КЗ в электроэнергетических системах.
Сравнительный анализ эффективности использования в электрической сети 6-Ю кВ традиционных ограничителей тока (бетонных реакторов) и сверхпроводящих токоограничителей.
Методы исследований. При проведении исследований использовались положения теории высокотемпературной сверхпроводимости, методы обработки результатов эксперимента, теория электромагнитных процессов в электрических системах.
Научная новизна работы определяется следующими положениями:
Выполнены теоретический анализ и оценка принципиальной возможности применения высокотемпературных сверхпроводящих токоограничителей в системах электроснабжения. Показаны преимущества, недостатки таких устройств, определен круг задач, которые могут быть эффективно решены с использованием в электроэнергетических сетях СОТ.
Разработана физическая модель СОТ индуктивного типа с составным экраном из «тонких» колец, являющаяся дальнейшим развитием концепции СОТ с ВТСП экраном.
Впервые исследовано влияние конструкции дискретного экрана на величину порога ограничения тока, определяемую по вольтамперной
характеристике устройства.
Определена наиболее оптимальная конструкция экрана в токоограничивающем устройстве индуктивного типа. Впервые установлено, что неравномерное размещение колец в составном экране улучшает значение порога ограничения тока СОТ.
Выполнен сравнительный анализ эффективности использования сверхпроводящих ограничителей тока в системах электроснабжения. Показана целесообразность применения СОТ для задачи ограничения токов КЗ.
На основании результатов, полученных во время экспериментальных исследований, выдан патент на изобретение № 2230417 РФ, МКИ 7Н02Н9/02 «ВТСП ограничитель тока с дискретным экраном».
Основные положения, выносимые на защиту, заключаются в следующем:
Разработанная конструкция ВТСП дискретного экрана СОТ позволяет повысить основные характеристики устройства при большей его технологичности.
Физическая модель СОТ, разработанная в процессе выполнения диссертации, отражает основные свойства реальных устройств.
Проведение теоретических и модельных исследований показало более высокую эффективность разработанного СОТ с дискретным экраном по сравнению с бетонными токоограничивающими реакторами.
Достоверность результатов, полученных в диссертации подтверждается результатами экспериментов, в ходе которых была разработана модель СОТ с дискретным экраном, использованием стандартных схем электрических сетей в качестве исходной информации при проведении исследований, апробацией результатов на сравнительном анализе со значениями, определенными для традиционных токоограничивающих устройств, а также корректным применением методов теоретической электротехники и расчета электромагнитных процессов.
Практическая ценность. Выполненные исследования могут быть использоваться в АО-энерго, городских электрических сетях, проектных и исследовательских организациях при решении задачи координации уровней токов КЗ и параметров электрооборудования.
Основное практическое значение диссертационной работы заключается
в разработке и исследовании модели СОТ с дискретным экраном.
Предложенная в работе конструкция составного экрана для СОТ
индуктивного типа позволяет существенно увеличить величину порога
ограничения тока и тем самым повысить эффективность применения
сверхпроводящих токоограничителей индуктивного типа в
электроэнергетических системах.
Проведенные исследования представляют практический интерес для улучшения как технических показателей сверхпроводящих токоограничивающих устройств индуктивного типа с ВТСП экраном, так и улучшения технико-экономических показателей энергосистем, улучшения качества функционирования ЭЭС, повышения оперативности и надежности при ограничении токов короткого замыкания.
Личный вклад автора.
Автор проводил эксперименты по разработке конструкции дискретного экрана и созданию физической модели СОТ с дискретным экраном, исследованию влияния конструкции экрана на основные характеристики СОТ [78,79], обрабатывал и анализировал получаемые данные и давал их интерпретацию.
Апробация работы. Основные положения и научные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных, региональных конференциях, в том числе:
Региональной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука. Техника. Инновации» (НГТУ, г. Новосибирск, 4-7 декабря 2001, 2002 г.);
Международной научно-технической конференции «Школа по
сверхпроводимости 2002» (г. Протвино (Моск. обл.), 19-23 мая 2002 г.);
Международном семинаре по материаловедению «Steinfurter-Keramik-Seminar, Materialforschung und Anwendung» (Германия, г. Штайнфурт, 15-19 декабря 2002г.);
IX Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (ТПУ, г. Томск, 7-11 апреля 2003 г.);
VIII Международном российско-корейском симпозиуме по науке и технологии KORUS-2004 (ТПУ, г. Томск, 26 июня - 3 июля 2004 г.)
На семинарах кафедры «Системы электроснабжения предприятий» факультета Энергетики НГТУ.
Публикации. По результатам исследований соискателем лично и в соавторстве опубликовано 11 печатных работ, в том числе 1 патент на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Общий объем 124 страниц текста. Основной материал изложен на ПО страницах текста, иллюстрирован 30 рисунками, содержит 8 таблиц. Список использованных источников включает 94 наименования.
Обоснование применения сверхпроводящих ограничителей тока в электроэнергетике
Перед электроэнергетикой XXI века стоит альтернатива или ставить электрические машины, которые вырабатывают энергию и не только машины, но и трансформаторы, линии передачи старого поколения, или же построить совершенно новую электроэнергетическую систему.
Развитие электроэнергетики ведет к тому, что токи короткого замыкания в электроэнергетических системах постоянно возрастают и уже сейчас во время аварий они могут достигать более чем 20 кратного значения от номинального тока. В то же время не существует универсальных методов и способов решения задачи ограничения токов КЗ, которые позволяли бы найти решение близкое к оптимальному. Ни схемные решения, ни специальные токоограничиваїощие устройства не обеспечивают в полной мере желаемого эффекта. Следовательно, цель исследования состоит в нахождении такого подхода, который наиболее оптимально бы отвечал требованиям, предъявляемым к задаче ограничения токов КЗ.
В последние десятилетия большое внимание уделяется исследованиям и разработкам устройств, использующих в конструкции высокотемпературные сверхпроводниковые материалы, которые позволяют по-новому подойти к вопросам создания современного электротехнического оборудования. Увеличение плотности тока, повышение удельной мощности, а также наличие особых, присущих только сверхпроводникам, физических свойств, создают предпосылки для разработки высокоэффективных видов электротехнических устройств. В этой связи особого внимания заслуживает процесс быстрого роста работ по созданию макетных и опытно-промышленных образцов силового оборудования для энергосистем на основе использования ВТСП материалов.
Возможность использования сверхпроводников в качестве активных элементов для ограничителей тока КЗ привлекала исследователей достаточно давно [7,8]. Однако высокая стоимость, как устройств, так и хладагента (жидкий гелий) для низкотемпературных сверхпроводников препятствовала их широкому применению. Открытие высокотемпературной сверхпроводимости возродило интерес к исследованиям в этой области. Поскольку высокая температура перехода в сверхпроводящее состояние (90-120К) позволяет использовать в качестве хладагента жидкий азот и перспектива использования СОТ в промышленном масштабе представляется экономически обоснованной [9-13].
На нынешнем этапе развития рыночной экономики для достижения финансовой стабильности энергосистем на первое место выходит задача повышения сбора платежей за отпущенную потребителям энергию, но по-прежнему актуальной остается задача минимизации затрат энергосистемы на производство, транспортировку и распределение энергии [14]. Внедрение новых, технически более совершенных, токоограничивающих устройств вместо традиционных средств ограничения токов КЗ, можно рассматривать как один из возможных путей решения последней задачи [15-17].
СОТ могут использоваться в электрических сетях наряду с масляными, воздушными или вакуумными выключателями при этом выключатели можно выбирать, как минимум на ступень ниже по величине тока. Взамен силовых плавких вставок, пиротехнических защитных устройств и т.д..
Целесообразность применения СОТ в электроэнергетических системах обуславливается следующими преимуществами: Надежность и эффективность сверхпроводящих токоограничителей: а) нет механически движущихся частей, контактов, б) сверхпроводящее состояние - состояние «да-нет», в) срабатывание на КЗ с высокими скоростями, на физическом уровне; Возможность плавного дистанционного регулирования напряжения; Увеличение пропускной способности электросетей и числа потребителей электроэнергетической системы без включения дополнительных коммутирующих устройств и трансформаторов; Значительный выигрыш по энергопотреблению; Упрощение требований к стоящему за СОТ механическому или другого типа размыкателю. Одно из основных преимуществ СОТ по сравнению с применяемыми в электроэнергетических системах бетонными реакторами (РБ) - их нелинейная вольтамперная характеристика. Такая характеристика СОТ, обеспечивает резкое возрастание весьма малого сопротивления токоограничивающего устройства при нормальном режиме работы сети до величины, требуемой по условиям ограничения токов КЗ. Позволяет существенно снизить (практически до любого требуемого уровня) величину токов КЗ в электрических сетях, что положительно скажется на надежности работы и сроках службы силового и коммутационного оборудования, материалоемкости и стоимости кабельных линий электропередачи и выключателей. Именно в этом видят выгоду от применения СОТ исследователи из ряда западных электроэнергетических компаний [18]. Несомненно, если в ближайшем будущем такие устройства найдут широкое применение, то уже на стадии проектирования электрических систем можно будет применять электрические аппараты, рассчитанные на меньшие величины токов КЗ, и выключатели с меньшими номинальными отключаемыми токами. Такой подход сможет дать в перспективе значительный экономический эффект. Однако, на сегодняшний день нельзя увязывать вопрос о применении СОТ с возможностью одновременной глобальной реконструкции электрических сетей, и тем более нельзя этого делать при наличии многочисленных проблем в российской энергетике. Отсюда следует, что установка новых типов ТОУ на данном этапе не должна требовать радикальной замены оборудования остальных электросетевых объектов и не должна приводить к нарушению координации в работе установленного оборудования и устройств его релейной защиты и автоматики. Поэтому представляется целесообразным на данном этапе проектировать новые типы СОТ с учетом требования неизменности величин токов КЗ относительно уже существующих.
Сверхпроводимость и электроэнергетика: перспективы развития
В XXI веке сверхпроводники должны сыграть ту же роль в развитии общества, что и полупроводники в XX веке [35,36]. Энтузиазм, вызванный открытием высокотемпературных сверхпроводников, не в последнюю очередь был связан с перспективой близкого эффективного внедрения ВТСП устройств в ЭЭС. Сильноточные сверхпроводниковые технологии ныне вышли на уровень, на котором при их использовании возможно создание нового поколения электроэнергетического оборудования, превосходящего по всем параметрам устройства традиционного исполнения [25,30,31,34], и это наглядно демонстрируют табл. 2 и 3 (см. стр. 38). Сравнение традиционного и сверхпроводящего турбогенератора мощностью 1200 MB А
Сегодняшняя ситуация складывается таким образом, что во многих странах в мире к 2010-2015 годам основное электротехническое оборудование, которое установлено сейчас на электростанциях, выработает более 50. - 75 % ресурса [37,38], и должно быть заменено на более экономичное, экологически безопасное и технически совершенное.
В сложившейся ситуации в промышленно развитых странах с целью обновления фондов электротехнического оборудования существуют или формируются общенациональные программы по сверхпроводимости. Например, в США программа «Сверхпроводимость для электроэнергетики 1996 — 2000 гг.» Официальная цель программы сформулирована вполне амбициозно: к 2010 г., периоду наиболее активной замены электроэнергетического оборудования, отработавшего свой ресурс во многих энергосистемах мира, электромашиностроительные фирмы США должны завоевать большую часть мирового рынка, предъявив ему дешевое и компактное сверхпроводниковое оборудование [25]. В Японии также оказывается мощнейшая социальная поддержка развитию этого направления.
При этом следует иметь в виду, что по оценкам Всемирного банка объем продаж сверхпроводникового оборудования возрастет в мире с 2 в 2000 г. до 244 млрд. долл. в 2020 г. (рис. 10) [25]. Иными словами, за 20-летний период ожидается более чем 100-кратный рост объема продаж.
В РФ только в последние годы начинает формироваться подобная программа по сверхпроводимости. Между тем, анализируя состояние электротехнического оборудования электроэнергетики РФ, можно наблюдать более плачевную ситуацию, чем в развитых странах мира.
Отечественное оборудование, составляющее техническую основу электроэнергетики, морально устарело и уступает современным требованиям и лучшим мировым изделиям. В России согласно статистическим данным [37] в 2000 г. достигли предельной наработки 34 мпн.кВт или 16 % мощности электростанций, в том числе ГЭС - 22 млнхВт, ТЭС — 12 мпн.кВт, В дальнейшем ситуация со старением основного энергетического оборудования будет ухудшаться, так согласно прогнозам к 2005 г. 74 млн. кВт, а к 2010 г. 104 млн. кВт или около 50 % действующего в настоящее время оборудования ТЭС и ГЭС выработает свой ресурс, а к 2020 г. -150 млн. кВт, что составит около 70 %. В связи с этим в ближайшие годы необходимо произвести замену значительной доли (более 50 %) практически выработавшего свой ресурс электроэнергетического оборудования, поскольку износ активной части фондов в электроэнергетике РФ составляет 60-65 %, в сельских распределительных сетях свыше 75 % [39,40].
Вместе с тем в России уже в начале столетия предстоит увеличить выработку электроэнергии в связи с ростом промышленного производства, необходимостью улучшения качества жизни и увеличения экспорта электроэнергии за рубеж. С учетом пропюзируемых объемов спроса на электроэнергию при оптимистическом и благоприятном вариантах развития суммарное производство электроэнергии может возрасти по сравнению с 2000 годом более чем в 1,2 раза к 2010 году (до 1070 млрд.кВтч ) и в 1,6 раза к 2020 году (до 1365 ылрд,.кВт-ч). При умеренном варианте развития экономики производство электроэнергии составит соответственно 1015 млрд.кВт-ч и 1215 млрл.кВт-ч (рис.11) [39].
Отсутствие возможности замены изношенного, выработавшего свой ресурс оборудования, связано с технологическими отказами, авариями и, как следствие, снижением надежности электроснабжения. Поэтому необходимо не только поддержание работоспособности, но и существенное обновление и реконструкция действующих станций и сетей. Постройка новых электроэнергетических объектов на базе новой техники, технологий производства и распределения электроэнергии и тепла. Это не было сделано своевременно из-за просчетов инвестиционной политики в области электроэнергетики и спада производства в электромашиностроении.
В этой связи можно процитировать одно из положение энергетической стратегии России на период до 2020 г.: «Особое значение для качественного обновления электроэнергетики имеют фундаментальные разработки в области высокотемпературной сверхпроводимости, позволяющие решить ряд важных проблем, таких, как создание токоограничителей, накопителей энергии, сооружение сверхпроводящих линий электропередачи для осуществления вводов электроэнергии в крупные города» [39].
Решать сложный комплекс проблем, накопившихся в электроэнергетике, можно только на базе новых технологий, которые обеспечат повышение эффективности оборудования, приемлемую его стоимость, соблюдение режима энерго - и ресурсосбережения при минимальной нагрузке на окружающую среду. Одна из перспективных областей использования ВТСП в электроэнергетике не в последнюю очередь связана с внедрением ВТСП устройств в сильноточную технику. По крайней мере, весь комплекс генераторов, трансформаторов, двигателей обеспечения собственных нужд электростанции можно сделать сверхпроводящим. Тогда возможно в будущем речь может идти о принципиально новой электроэнергетике.
Влияние высокотемпературного сверхпроводящего составного экрана на внешнее магнитное поле
В данном разделе диссертационной работы, описываются эксперименты [78-80], направленные на исследование интегральных физических характеристик ВТСП экранов. Исследуются экраны магнитного поля, а результаты этого исследования экстраполируются на электромагнитные экраны работающие в СОТ индуктивного типа с ВТСП экраном. Образцами при этом служили ВТСП материалы, сформованные в виде полых цилиндров и, обладающие экранирующими свойствами по отношению к внешнему магнитному полю, т.е., так называемые экраны магнитного поля. Исследуются, в частности, влияние макроструктуры (формы) ВТСП экрана на величину поля проникновения, а также технологические возможности повышения эффективности экранирования. Проведены также исследования с целью изучения возможности создания ТОУ на основе составного ВТСП экрана, направленные на совершенствование промышленных технологий их производства и применения.
Экраны, используемые в экспериментах, изготавливаются с помощью гидростатического прессования (обжатия) керамического порошка состава Bi2Sr2Ca2Cu08 5 на оправке с последующим термосинтезом в печи. Однако подобные экраны в силу технологических причин, таких как: неоднородность внутренних напряжений, вследствие прессования на оправке сложной и протяжённой формы, цельных цилиндрических экранов, неоднородность температуры в печи на протяжении объёма образца при его термообработке, неоднородность по размерам и химическому составу частиц исходного порошка, а также их нестехиометрия и неоднофазность, физически и химически неоднородны по своему составу и имеют в своих объёмах микротрещины различного размера (от долей микрона до долей миллиметра). В результате этого не все кольцевые контура, несущие экранирующие сверхпроводящие токи в ВТСП экранах, имеют одинаковые плотности критических токов. При этом, как показывает эксперимент, значения плотностей могут существенно отличаться, разница между значениями составляет 50 %. Вследствие этого вид одной из основных характеристик ВТСП экрана — поля проникновения, может диктоваться его «слабыми» местами, хотя относительное содержание этих «слабых мест» может быть и незначительным. С другой стороны, из элементарных электродинамических соображений ясно, что по отношению к аксиальному внешнему полю, а именно такая ориентация поля в большинстве случаев представляет прикладной интерес, поперечные кольцевые трещины не имеют существенного значения. С учётом этих двух факторов впервые проведены эксперименты по экранировке аксиального магнитного поля составным, из «тонких» (поперечные размеры отдельного кольца много меньше его радиальных размеров) колец, ВТСП экраном. В эксперименте за основу берется цилиндрический, полый ВТСП экран из керамики состава Bi2Sr2Ca2Cu08+e с размерами: высота 120 мм, внутренний диаметр 18 мм, внешний диаметр 23 мм, толщина стенки 2,5 мм. Проводится исследование экрана на величину поля проникновения. Для этого экран размещается внутри, в центре катушки индуктивности, создающей однородное, параллельное ее оси магнитное поле. Катушка намотана медным проводом диаметром 0,33 лш, высота катушки 720 мм, внутренний диаметр 25 мм. Внутри экрана, в его центре, размещается датчик Холла, с помощью изменения тока катушки снимаются типичные гистерезисные кривые, изображённая на рис. 15, где 5,- магнитная индукция внутреннего магнитного поля, Ве—магнитная индукция внешнего магнитного поля. По гистерезис ной кривой определяется величина поля проникновения Вр, В качестве этого значения принимается такое значение Вр при котором некоторому значению Ве соответствует ненулевое значение В/. Получаем для гистерезисной кривой 1 величина поля проникновения Вр1 = 6,5 мТл. Предполагая, что исходный экран обладает неоднородной структурой, он с помощью специального устройства, разрезается на отдельные кольца высотой 3 мм. При этом все кольца маркируется для фиксации их взаимного расположения в исходном экране. Затем экран заново складывается из полученных колец с соблюдением их последовательности в соответствие с маркировкой. Для нового, составного экрана определяется величина поля проникновения и она оказывается практически такой же, как и у исходного цельного экрана ( 6 мТл). Снижение величины поля проникновения можно объяснить потерей ВТСП материала экрана в процессе разрезания. Затем каждое кольцо с помощью нового бесконтактного метода [81] тестируется на величину плотности критического тока. По результатам тестирования 35 колец, 20 % (7 шт.) имеют плотность критического токаус 20 А/см (примерно 2,5 % от максимальной величиныуСП7 = 800 А/см ), около 30 % (10 шт.) -jc 100 А/см2"(т. е. 12,5 % от jcm) и около 50 % (17 шт.) -jc jc,m- При этом расположение колец разного качества по высоте исходного экрана оказывается хаотическим, несколько самых «слабых» колец располагаются, примерно, в середине экрана. Из наиболее качественных колец (10 шт. cjcm 800 А/см ) собирается стопа - цилиндр, для которого полученного составного экрана снимается кривая гистерезиса (кривая 4 на рис.15) и определяется поле проникновения ВР2 12 мТл. Таким образом, видно, что для составного экрана из 10 колец хорошего качества (общая высота 30 мм) величина поля проникновения увеличивается примерно в 2 раза по сравнению с цельным экраном (высота 120 мм). Это факт подтверждает предположение о том, что однородность структуры ВТСП экрана существенно влияет на его характеристики.
Сравнительный анализ эффективности применения бетонного реактора и сверхпроводящего ограничителя тока
Защита распределительной кабельной сети осуществляется максимальной токовой защитой с выдержкой времени. Ток срабатывания защиты 1сра5 - 1,5 " Іраб.макс. Ток возврата /ешд.= 0,85 Icpag. Выдержка времени защиты на выключателе РКЛ tpiai = 0,6 сек, на секционном выключателе РП tce = 1,2 сек, на выключателях ПКЛ tnKJI = 1,8 сек (времена даны с учетом времени отключения выключателей). Последняя величина определяет максимальное время существования короткого замыкания и определяет /ю СОТ. Следует отметить тот факт, что в последнее время происходит внедрение в распределительных сетях электронных защит, которые позволяют уменьшить время существования короткого замыкания до 0,9 с, что облегчит требования на СОТ.
Так как одной из функций СОТ является снижение требований к динамической стойкости оборудования сетей и подстанций, его токоограничивающее действие должно проявляться уже на первом полупериодё тока короткого замыкания. Поэтому независимо от места установки СОТ to - Уг Т сек. Время готовности СОТ к повторному срабатыванию будет определяться временем охлаждения ВТСП элемента до температуры хладагента после отключения тока и должно удовлетворять требованиям, предъявляемым электрической системой. Время восстановления СОТ своих свойств, соответствующих нормальному режиму работы сети после отключения короткого замыкания, должно быть минимальным. При создании СОТ желательно уменьшение этой величины, особенно для случая его установки на РУ собственных нужд и промышленных предприятий с двигательной нагрузкой.
Ток начала реагирования СОТ должен быть больше тока срабатывания защиты. Для распределительных сетей 6-10 кВ принято Кр = 2.
Кабельные линии (КЛ) распределительной сети в большей своей части прокладываются в земле. При повреждении К Л необходимо определить место повреждения, после чего производится ремонт кабеля. Определение места повреждения КЛ производится в два этапа. Сначала по приборам определяется расстояние от места измерения (подстанции) до места повреждения. Для проведения этого измерения необходимо, чтобы повреждение было очевидным - или короткозамкнутым между фазой кабеля и его оболочкой, или между фазами, или разомкнутым при перегорании фазы кабеля, причем последнее предпочтительнее. В случае если при повреждении КЛ этого не происходит, что случается, например, при пробое изоляции кабеля в случае его испытании повышенным напряжением, необходимо производить «дожигание» кабеля с помощью устройства дожига. Этот процесс в некоторых случаях может длиться несколько часов, что затягивает время ремонта КЛ. После определения расстояния до места повреждения КЛ и привязки его к местности, производят точное определение места повреждения индуктивным или акустическим (является более точным) методами. При этом, как правило, возможность, и скорость определения места повреждения определяются очевидностью повреждения КЛ. Наличие очевидности места повреждения существенно упрощает и ускоряет как определение поврежденного кабеля в пучке после раскопки котлована в месте повреждения, так и позволяет избежать такой опасной операции, как прокол кабеля.
На степень разрушения кабеля и на все перечисленные выше особенности определения места повреждения К Л влияет величина тока короткого замыкания в распределительной сети. Следует сказать, что скорость определения места повреждения КЛ напрямую влияет на скорость ремонта кабеля и, в конечном счете, на надежность электроснабжения потребителя. Введение такого нового элемента, как СОТ, в распределительную кабельную сеть 6-10 кВ не должно сказываться на условиях определения места повреждения КЛ.
Таким образом, при определении токоограничивающего действия СОТ возникают два противоречащих друг другу требования: 1) с одной стороны ток КЗ следует ограничивать как можно глубже, что дает возможность облегчить работу всего электрооборудования подстанций, снизить требования к коммутационной способности выключателей, уменьшить число их ремонтов и т.д., 2) с другой стороны по требованиям эксплуатации КЛ ток короткого замыкания не должен сильно отличаться от существующего. Исходя из этих соображений, величина токоограничения СОТ для распределительных сетей 6-Ю кВ принята равной 3, т.е. Ку = 3. Исходя из соотношения между номинальным током и током короткого замыкания, которое может быть оценено по соответствующим величинам для наиболее распространенного в кабельной сети типа выключателя ВМП-10, 1Н - 630 А, 1000А, 1откл - 20 кА, принимаем Кт = 7. Системы электроснабжения 6 кВ собственных нужд электростанций и ТЭЦ, а также промышленных предприятий с большой двигательной нагрузкой и непрерывными технологическими процессами имеют ряд отличий от распределительных сетей: больший уровень установившегося значения тока короткого замыкания из-за близости источника питания и наличия подпитки от двигателей нагрузки; большая величина ударного тока из-за наличия большой апериодической составляющей; время отключения короткого замыкания не превышает 0,5 сек включая время действия релейной защиты и отключения выключателя; сравнительно небольшая длина кабельных линий. При этом КЛ в основном размещаются в кабельных каналах, туннелях, блоках, на эстакадах, что облегчает поиск места повреждения. Кроме того, за счет большой величины тока короткого замыкания возможен поджиг неповрежденных кабелей, находящихся на одной или соседней полке с поврежденными, от дуги в месте короткого замыкания;
