Содержание к диссертации
Введение
1 Явление сверхпроводимости и его техническое использование
1.1 Сверхпроводники: физические свойства и технология производства 19
1.2 Сверхпроводниковые ограничители токов короткого замыкания 27
1.3 Системы криогенного обеспечения и тепловой изоляции 32
1.4 Выводы по главе 38
2 Исследование тепловых процессов в секции токоограничивающего элемента сверхпроводникового ограничителя токов короткого замыкания
2.1 Переход неидеальных сверхпроводников второго рода в нормальное состояние
2.2 Теоретическое исследование температуры перегрева ВТСП проводов второго поколения в режиме ограничения тока короткого замыкания 47
2.3 Расчет времени остывания различных вариантов секции ВТСП токоограничивающего элемента в азотной ванне после перехода в нормальное состояние 53
2.4 Математическая модель ВТСП ограничителя токов короткого замыкания резистивного типа 65
2.5 Выводы по главе 75
3 Экспериментальное исследование модельного токоограничивающего элемента СОТ
3.1 Задачи экспериментов 76
3.2 Схемы экспериментов 78
3.3 Результаты исследований свойств ВТСП проводов второго поколения 85
3.3.1 Критические токи коротких образцов ВТСП проводов 85
3.3.2 Температурные зависимости погонного сопротивления различных ВТСП проводов 88
3.3.3 Сравнение параметров ВТСП проводов второго поколения различных производителей 91
3.4 Конструкция модельного токоограничивающего элемента СОТ 93
3.5 Результаты опыта короткого замыкания и измерения уровня потерь на переменном токе в модельном ВТСП токоограничивающем элементе 99
3.5.1 Переходные процессы в нелинейной электрической цепи содержащей модельный ВТСП токоограничивающий элемент СОТ 99
3.5.2 Измерение времени восстановления модельным ВТСП то-коограничивающим элементом сверхпроводящего состояния 105
3.5.3 Результаты измерения уровня потерь на переменном токе в модельном ВТСП токоограничивающем элементе 107
3.6 Сопоставление экспериментальных данных с результатами мате матического моделирования 110
3.7 Выводы по главе 122
4 Определение параметров токоограничивающих элементов, разработка конструкции основных узлов и системы криогенного обеспечения СОТ
4.1 Определение величины активного сопротивления СОТ первона чально вводимого в цепь тока короткого замыкания 124
4.1.1 Прототип секции токоограничивающего элемента СОТ для тяговых сетей постоянного и переменного тока 125
4.1.2 Параметры токоограничивающего элемента СОТ для тяговой сети переменного тока 127
4.1.3 Параметры токоограничивающего элемента СОТ для тяговой сети постоянного тока 129
4.1.4 Система принудительного перевода токоограничивающих элементов СОТ в нормальное состояние 130
4.2 Расчёт электроизоляции токовводов ВТСП устройств для тяговых сетей постоянного и переменного тока -. 131
4.3 Расчёт параметров системы криогенного обеспечения СОТ для тяговых сетей постоянного и переменного тока 137
4.4 Выводы по главе 146
5 Имитационное моделирование токоограничивагощего действия СОТ в тяговых сетях постоянного и переменного тока, оценка технико-экономической эффективности использования данного типа устройств
5.1 Отключение токов короткого замыкания в тяговых сетях постоянного и переменного тока 147
5.2 Имитационное моделирование токоограничивагощего действия СОТ в тяговой сети постоянного тока при его установке на фидере питания депо 150
5.3 Порядок взаимодействия СОТ с устройствами автоматики и защиты при его установке на вводах в распределительное устройство 27,5кВ 156
5.4 Имитационное моделирование токоограничивагощего действия СОТ в тяговой сети переменного тока при его установке на вводах РУ- 27,5кВ и отказе фидерного выключателя 159
5.5 Оценка величины ущербов по вине коротких замыканий в тяговых сетях переменного тока 164
5.6 Оценка стоимости прототипа промышленного образца однофазного СОТ для тяговых сетей переменного тока и возможного снижения его стоимости при серийном производстве 167
5.7 Определение экономического эффекта от внедрения комплекта серийно выпускаемых однофазных СОТ на типовой тяговой подстанции магистральных железных дорог переменного тока 168
5.8 Выводы по главе 172
Заключение 174
Список литературы 176
Приложения:
- Сверхпроводники: физические свойства и технология производства
- Теоретическое исследование температуры перегрева ВТСП проводов второго поколения в режиме ограничения тока короткого замыкания
- Схемы экспериментов
- Определение величины активного сопротивления СОТ первона чально вводимого в цепь тока короткого замыкания
Введение к работе
Существующее электротехническое оборудование тяговых подстанций и контактной сети - трансформаторы, токоограничивающие и сглаживающие реакторы, кабельные и воздушные линии, преобразовательные агрегаты - является резистивным оборудованием, обладающим активным сопротивлением. По этой причине при работе такого оборудования часть проходящей через него электрической энергии теряется, преобразуясь в тепло, аналогично тому, как превращается в тепло электрическая энергия в спирали электрической плитки. Из курса электротехники известно, что величина энергии, превращающейся в тепло, в каждый момент времени пропорциональна произведению квадрата протекающего тока на величину активного сопротивления участка цепи. Если выделяемое тепло не отводить от оборудования, то его токопроводящие части и их изоляция могут быть термически поражены и оборудование выйдет из строя. При нагреве голых медных токопроводящих частей сверх 200С они теряют свои упругие механические свойства, что, например, недопустимо для проводов контактной сети, которые в этом случае «отжигаются» и начинают «течь» — растягиваются под действием собственного веса наподобие резинового жгута и ложатся на рельсы, создавая устойчивые короткие замыкания. При нагреве изолированных токопроводящих частей интенсивно стареет их изоляция.
Таким образом, чтобы не допустить нежелательного перегрева токопроводящих частей оборудования протекающими по ним токами, приходится увеличивать их сечения, уменьшая тем самым их активные сопротивления и количество выделяемого в них тепла. В результате этого, силовое электрооборудование тяговых подстанций становится громоздким и тяжелым, а превращенная в тепло энергия тратится впустую, нагревая воздух вблизи трансформаторов, реакторов, выпрямительных агрегатов и землю в местах прокладки кабелей.
Избавиться от указанных выше недостатков существующего резистивно-го оборудования тяговых подстанций можно, используя оборудование лишен-
ное активного сопротивления. Кроме того, использование такого оборудования позволит решить целый ряд проблем повышения надежности и улучшения эне-го- и ресурсосбережения, которые не могут быть решены традиционным путем. Электротехнические установки (оборудование) лишенные активного сопротивления обычно именуются «сверхпроводящими» или «сверхпроводниковыми». Именно такой терминологии мы и будем придерживаться ниже. Сверхпроводниковое электротехническое оборудование сегодня интенсивно разрабатывается во всех развитых странах (Франция, Германия, США, Япония, Корея) и уже началась его опытная эксплуатация на Западе.
Сверхпроводниковое оборудование работает при низких температурах необходимых для достижения его элементами сверхпроводящего состояния. Существует целый ряд сверхпроводящих материалов: одни из них нуждаются в охлаждении жидким гелием (температура 4,2К), другие в охлаждении достаточно более дешевым жидким азотом (температура 77К). Следует заметить, что в настоящее время охлаждение элементов сверхпроводникового электротехнического оборудования до криогенных температур является рутинной и хорошо отработанной операцией, используемой в ядерной физике и даже в медицине: в мире ежегодно производится более 1000 сверхпроводниковых томографов. Охлаждаемые части сверхпроводникового оборудования располагаются в специальных ёмкостях - криостатах. За создание и последующее поддержание внутри криостата необходимых для работы сверхпроводникового оборудования криогенных температур обычно отвечают микрорефрижераторы (криокулеры), надёжность и принцип действия которых близок к устройствам используемым в бытовых холодильниках.
Закономерно возникает вопрос, какое же сверхпроводниковое оборудование создано, апробировано и может быть уже сейчас спроектировано и изготовлено на территории Российской Федерации?
Вот его краткий перечень:
1. Сверхпроводниковые аналоги существующего оборудования:
Сверхпроводниковые силовые и преобразовательные трансформаторы (СПТ);
Сверхпроводниковые реакторы сглаживающих устройств подстанций постоянного тока (СПР);
Сверхпроводниковые кабельные линии (СПКЛ).
2. Принципиально новое сверхпроводниковое оборудование, не имеющее аналогов в традиционном исполнении:
Сверхпроводниковые индуктивные накопители энергии (СПИНЭ);
Сверхпроводниковые ограничители тока (СОТ).
Технико-экономический эффект от использования сверхпроводниковых
аналогов существующего оборудования при одинаковой электрической проходной мощности выражается в значительном сокращении габаритов и веса при одновременном, существенном увеличении перегрузочной способности и практически стопроцентном сокращении потерь энергии внутри оборудования.
Всё сверхпроводниковое оборудование пожаробезопасно, так как в любом состоянии ни гелий, ни азот не горят и не поддерживают горение.
Пример сокращения объема и веса силового понижающего трансформатора тяговой подстанции в сверхпроводниковом исполнении показан на рисунке 1.
Что же касается сравнения перегрузочной способности резистивного и сверхпроводникового трансформаторов (СПТ) одинаковой номинальной мощности то, по зарубежным данным, последний допускает двукратные перегрузки в течение 2-х суток, вместо перегрузки в 1,3 раза в течение 2-х часов у обычных трансформаторов. Использование понижающих сверхпроводниковых трансформаторов исключает необходимость закладывать резервные мощности в трансформаторное оборудование тяговых подстанций на случай выпадения одной из них. Существенно выше и шкала кратковременных перегрузок, сверхпроводниковый трансформатор способен выдерживать десятикратные перегрузки в течение 2-5 минут.
Сверхпроводниковый индуктивный накопитель энергии (СПИНЭ) представляет особый интерес, поскольку в отличие от остальных потребителей электрической энергии тяговые подстанции (ТП) системы тягового электроснабжения характеризуются крайне неравномерным графиком потребления энергии. Это объясняется тем, что пиковые значения токовых нагрузок ТП более чем в пять раз превышают эффективный суточный ток. С целью экономии энергии, повышения ее качества, уменьшения установленной мощности понижающих и преобразовательных трансформаторов ТП, а также с целью максимально эффективного использования энергии рекуперации, отдаваемой электроподвижным составом на крутых спусках и при торможении вблизи станций, целесообразно прибегнуть к установке на тяговых подстанциях СПИНЭ.
Рисунок 1 - Сравнительные габариты трансформаторов мощностью ЗОМВА: а - традиционного резистивного массой 48 тонн, б - сверхпроводникового массой 16 тонн
Конструктивно СПИНЭ представляет собой сверхпроводниковую катушку большой индуктивности и специальный полупроводниковый управляемый
преобразователь. Вне зависимости от типа подстанции (переменного или постоянного тока) СПИНЭ подключается непосредственно к шинам тягового напряжения и подзаряжается в моменты отсутствия тяговой нагрузки, накапливая энергию в виде электромагнитного поля, и отдает её в тяговую сеть в виде электрического тока в моменты пиковых нагрузок. Если на тяговой подстанции устанавливается СПИНЭ, позволяющий снять пиковое потребление энергии из питающей сети первичного электроснабжения, доведя его до постоянного среднесуточного, то габаритные размеры сверхпроводникового трансформатора уменьшатся примерно еще в 1,25-1,4 раза, а вес, соответственно, в 2-3 раза против указанных на рисунке 1.
Использование вместо обычных резистивных реакторов сглаживающих устройств типа РБФАУ-3,3-6500/3250У2 в цепи возврата тягового тока на тяговых подстанциях постоянного тока сверхпроводниковых реакторов (СПР), имеющих по сравнению с резистивным аналогом меньшие габариты и массу, позволит размещать их в стандартных фидерных ячейках. Величину индуктивности при изготовлении сверхпроводниковых реакторов можно будет принимать существенно большей, для сглаживания пульсаций выпрямленного тока при той или иной схеме выпрямления. Экономия только на внутренних потерях энергии в одном реакторе при такой замене может составить величину порядка 180 ОООкВт-ч в год на средневзвешенной тяговой подстанции.
Сверхпроводниковые ограничители тока (СОТ) предназначены для ограничения токов короткого замыкания (к.з.), как в цепях постоянного, так и переменного тока. Они обладают высоким быстродействием и надёжностью ввиду отсутствия механических частей. Их сопротивление в нормальном режиме работы практически равно нулю, но резко возрастает при достижении током в цепи заданного критического значения, тем самым, позволяя ограничить ток к.з. до требуемой величины. Целесообразность и необходимость ограничения токов к.з. объясняется спецификой работы тяговых сетей постоянного и переменного тока, в которых, вследствие особенностей токосъема скользящим полозом то-
коприёмника электроподвижного состава, количество к.з. в год на 100км длины примерно на два порядка больше, чем в промышленных сетях напряжением 6-35кВ и составляет 30-г50 на фидер (питающую линию контактной сети) в год.
Установка СОТ на фидерах контактной сети существующих ТП переменного и постоянного тока позволит повысить надёжность отключения коротких замыканий в контактной сети коммутационными аппаратами (выключателями) и, тем самым, исключая случаи отказов выключателей, защитить силовое оборудование и токоведущие части от последствий электродинамического и термического воздействий, а контактные провода в месте дугового короткого замыкания от пережогов.
Установка СОТ на вводах в распределительное устройство 27,5кВ существующих тяговых подстанций переменного тока позволит не только уменьшить число пережогов проводов контактной сети, но и практически полностью исключить повреждения понижающих трансформаторов, значительно продлив тем самым их срок службы. Это объясняется тем, что, за счёт своего высокого быстродействия (полное время ограничения тока составляет 0,1-гІмс) СОТ способен не только ограничить установившееся значение тока короткого замыкания, но, что особенно важно, полностью срезать амплитуду ударного тока короткого замыкания. Следует особо отметить, что на это принципиально не способен ни один из самых совершенных выключателей переменного тока. Конструкция прототипа трёхфазного СОТ переменного тока на номинальную мощность 1MB А созданного компанией Siemens показана на рисунке 2.
Приведём некоторые соображения по экономической эффективности использования сверхпроводникового оборудования.
Для примера была подсчитана суммарная годовая экономия энергии получаемая при замене существующего резистивного оборудования (преобразовательного трансформатора и реактора сглаживающего устройства) сверхпроводниковыми на подстанции «Дмитров» Московской ж.д. Годовая экономия составляет величину порядка 200 0О0кВт-час или 360 000руб. в год.
Рисунок 2 - Конструкция прототипа трёхфазного СОТ номинальной мощностью 1MB А для сетей переменного тока: / - система криогенного обеспечения (компрессор и криокуллер), 2 - токовводы, 3 - токоограничивающие элементы (иттриевая (YBCO) пленка на керамической подложке), 4 - жидкий азот, 5 - криостат с многослойной термоизоляцией
В случае оборудования фидеров контактной сети СОТ экономия от снижения количества пережогов проводов контактной сети и рисков возникновения более тяжелых аварий по причине неотключённых коротких замыканий, составит величину порядка 1,9млн. руб. на подстанцию в год.
Таким образом, использование перечисленного выше сверхпроводникового оборудования позволит не только существенно сократить потери электрической энергии в оборудовании тяговых подстанций и питающих линиях первичного электроснабжения, но и улучшить её качество и, в целом, увеличить надежность функционирования систем тягового электроснабжения. В частности это будет достигнуто также и за счет возможности создания полностью закрытых тяговых подстанций постоянного и переменного тока с размещением всего высоковольтного и сверхпроводникового оборудования внутри здания.
В России, сохранявшей лидерство в области прикладной сверхпроводимости, наряду с США и Японией вплоть до начала 90-х годов, и сохранившей высокий научный и кадровый потенциал, прежде всего в отделении сверхпроводимости и физики твердого тела Курчатовского центра, в лабораториях ВНИИНМ им. Бочвара, ФГУП «ВЭИ», ОАО «ВНИИКП» и НИИ «Электромаш» (г. Санкт-Петербург) имеются все предпосылки для начала рабочего проектирования названного выше сверхпроводникового оборудования, изготовления его опытных образцов на Российских заводах и испытаний на действующих тяговых подстанциях ОАО «РЖД» и трансформаторных подстанциях РАО ЕЭС. Использование сверхпроводникового оборудования нужно, более чем другим потребителям электроэнергии, электрическим железным дорогам, в силу их крайне неравномерного по времени энергопотребления и высокой частоты возникновения коротких замыканий, по сравнению с электрическими сетями общепромышленного назначения.
Решением проблемы ограничения токов короткого замыкания занимались такие учёные как: профессора Пупынин В.Н., Герман Л.А., Кейлин В.Е., Овла-сюк И.Я., Фигурнов Е.П., Бочев А.С. и другие.
На сегодняшний день известно несколько способов ограничения амплитудного значения установившихся токов короткого замыкания, применяемых для защиты ЛЭП, но они не могут должным образом использоваться в системах тягового электроснабжения в силу специфики последних.
Актуальность работы также связана с тем, что интенсивная электрификация многих участков железных дорог производилась преимущественно во второй половине прошлого века, поэтому большая часть силового электротехнического оборудования уже выработала свой ресурс, и нуждается в замене. Вместе с тем темпы модернизации хозяйства электроснабжения таковы, что для замены только понизительных трансформаторов тяговых подстанций, эксплуатируемых на сегодняшний день сверх нормативного срока службы, понадобится минимум 100 лет. В основном ухудшению технического состояния трансформато-
ров способствует высокая частота возникновения коротких замыканий в тяговых сетях, которая примерно на два порядка выше, чем в распределительных сетях общепромышленного назначения аналогичного уровня напряжения (6-35кВ). При коротких замыканиях в обмотках трансформаторов возникают пон-дермоторные силы, многократно превышающие максимально допустимые значения, которые приводят к интенсивному старению изоляции. От коротких замыканий страдает и сама контактная сеть (пережоги и отжиг проводов), поэтому требуются срочные меры, позволяющие продлить сроки службы понизительных и преобразовательных трансформаторов, а также сократить число пережогов проводов контактной сети. Защитить обмотки понизительных трансформаторов от динамического действия токов короткого замыкания, а провода контактной сети от пережогов, могут единственные в своём роде безинерцион-ные коммутационные устройства - сверхпроводниковые ограничители тока, позволяющие не только срезать амплитуду ударного тока короткого замыкания, но и ограничить его квазиустановившееся значение.
Особо следует отметить, что сейчас, в период глобальной модернизации хозяйства электроснабжения железных дорог, как никогда открывается прекрасная возможность начать его техническое перевооружение с применением новейших технологий, в том числе, согласно Энергетической стратегии ОАО «РЖД» на период до 2010г. и на перспективу до 2030г., основанных на использовании явления сверхпроводимости. Эти технологии позволят вывести работу систем тягового электроснабжения (СТЭ) на новый качественный уровень и в полной мере способствовать реализации высокоскоростного и тяжеловесного движения.
Целью диссертационной работы является разработка сверхпроводниковых ограничителей токов короткого замыкания и исследование их токоограничи-вающего действия в системах тягового электроснабжения постоянного и переменного тока.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие теоре-
тические и экспериментальные задачи:
Исследование тепловых процессов в секции токоограничивающего элемента сверхпроводникового ограничителя токов короткого замыкания (СОТ).
Разработка математической модели высокотемпературного сверхпроводникового (ВТСП) ограничителя токов короткого замыкания резистивного типа.
Экспериментальное исследование физических свойств ВТСП проводников второго поколения различных производителей и комплексные испытания модельной секции ВТСП токоограничивающего элемента резистивного типа в активно-индуктивной цепи переменного тока.
Верификация математической модели ВТСП ограничителя токов короткого замыкания резистивного типа на основе полученных экспериментальных данных.
Выбор параметров токоограничивающих элементов, разработка конструкции основных узлов и системы криогенного обеспечения будущих прототипов промышленных СОТ для систем тягового электроснабжения постоянного и переменного тока.
Имитационное моделирование токоограничивающего действия СОТ в тяговых сетях постоянного и переменного тока.
Для исследования тепловых процессов в секции токоограничивающего элемента сверхпроводникового ограничителя токов короткого замыкания использовалась программная среда COMSOL Multiphysics 3.4, ориентированная на решение широкого спектра инженерно-физических задач методом конечных элементов. Экспериментальные исследования физических свойств ВТСП проводников различных производителей и комплексные испытания модельной секции ВТСП токоограничивающего элемента резистивного типа проводились на экспериментальном стенде Института сверхпроводимости и физики твёрдого тела РНЦ «Курчатовский институт». Исследование токоограничивающего действия СОТ в тяговых сетях постоянного и переменного тока производилось при использовании специально разработанной для этих целей компьютерной программы основанной на решении методом итераций линейных и нелинейных ал-
гебраических уравнений, записанных, как в явном, так и в неявном виде. Научная новизна работы заключается в том, что:
предложен метод расчёта времени перехода неидеальных сверхпроводников второго рода в нормальное состояние;
доказана возможность существенного упрощения нестационарного уравнения теплопроводности используемого при расчёте температуры перегрева ВТСП проводников второго поколения за счёт перехода от двумерной (расчёт распределения температуры перегрева по сечению) к одномерной модели (расчёт температуры перегрева в центральной точке сечения);
предложена математическая модель ВТСП ограничителя токов короткого замыкания резистивного типа;
впервые в России проведены комплексные испытания модельной секции ВТСП токоограничивающего элемента резистивного типа, на основе которых произведена верификация математической модели ВТСП ограничителя токов короткого замыкания резистивного типа;
предложен метод расчёта электрической изоляции криогенной части то-ковводов ВТСП электротехнических устройств различного рода тока и уровня напряжения;
предложен метод расчёта токоограничивающего действия СОТ при его установке в силовых цепях действующих электроустановок (тяговых подстанций) постоянного и переменного тока.
Достоверность полученных результатов. Все экспериментальные исследования проводились с использованием высокоточной измерительной аппаратуры: цифрового запоминающего осциллографа АКТАКОМ АСК-3107 и многоканальной измерительной системы Agilent 34970А. Эффективность работы ВТСП токоограничивающего элемента резистивного была доказана предварительным моделированием переходных процессов в электрической цепи с его использованием. Точность моделирования подтверждена экспериментально (расхождение составляет не более 10%).
Практическая ценность работы заключается в том, что:
разработаны инженерные методы расчёта и проектирования ВТСП токоо-граничивающих элементов резистивного типа;
разработаны конструктивные решения будущих прототипов СОТ ориентированных на использование в тяговых сетях постоянного и переменного тока ОАО «РЖД»;
- разработана схема универсальной системы криогенного обеспечения
СОТ;
показана возможность размещения в стандартной ячейке постоянного тока СОТ и быстродействующего выключателя (ВАБ-49);
разработана ячейка ввода в распределительное устройство 27,5кВ с однофазными СОТ;
дан план размещения оборудования на территории типовой тяговой подстанции переменного тока с первичным напряжением ПОкВ, а также ячеек ввода с однофазными ограничителями токов короткого замыкания и системы их криогенного обеспечения;
разработан порядок взаимодействия СОТ с устройствами автоматики и защиты при его установке на вводах в распределительное устройство 27,5кВ.
Внедрение результатов работы. Разработанные методы расчётов и теоретических исследований носят новаторский характер, поэтому нашли своё применение при выполнении научно-исследовательских работ в таких организациях как: ООО «Центр«Атом-инновации» и Государственный университет аэрокосмического приборостроения (ГУАП). С использованием метода расчёта электрической изоляции криогенной части токовводов ВТСП электротехнических устройств различного рода тока и уровня напряжения разработаны токов-водные муфты для протитипа первой в России сверхпроводниковой кабельной линии, которые внедрены на испытательном полигоне ОАО НТЦ «Электроэнергетики».
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на VI
научно-практической конференции «Безопасность движения поездов» 26-27 октября 2005г., Москва, МИИТ; на третьем международном симпозиуме Eltrans2005, 15-17 ноября 2005г., Санкт-Петербург, ПГУПС; на международной конференции Siemens AG, 5 апреля 2006г., Москва; на заседании секции «Электрификация и электроснабжение» научно-технического совета ОАО «РЖД» «Перспективные технические средства и технологии для систем тягового электроснабжения железных дорог» 26-27 сентября 2006г. и 19-21 сентября 2007г. Москва, ОАО «РЖД»; на заседании совета по реализации генерального соглашения о сотрудничестве между Российской Академией Наук и ОАО РАО «ЕЭС России» по определению направлений развития ЕЭС России, 15 мая 2007г. Москва, РАН; VIII научно-практической конференции «Безопасность движения поездов» 1-2 ноября 2007г., Москва, МИИТ; на четвёртом международном симпозиуме Eltrans2007, 23-26 октября 2007г., Санкт-Петербург, ПГУПС; на конференции по физике конденсированного состояния, материаловедению и сверхпроводимости, посвященной 50-ти летию исследовательского ядерного реактора ИРТ, 26-30 ноября 2007, Москва, РНЦ «КИ»; на всероссийском семинаре по прикладной сверхпроводимости, 14 января 2009г., Москва, РНЦ «КИ». Публикации. По теме диссертационной работы имеется 17 публикаций, из них один патент на изобретение, одно свидетельство о регистрации программы для ЭВМ и две публикации в издании, рекомендуемом ВАК: «Электричество », №2, 2007г., «НТТ - наука и техника транспорта», №4, 2008г.
Сверхпроводники: физические свойства и технология производства
Некоторые чистые металлы при глубоком охлаждении сильно изменяют свои физические свойства, при этом происходит резкое уменьшение их электрического сопротивления, изменяются электромагнитные и термодинамические характеристики, например магнитная восприимчивость и теплоемкость. Это явление было обнаружено Камерлинг Оннесом в 1911 году и получило название — сверхпроводимость.
Первые сверхпроводники на основе чистых металлов были способны сохранять сверхпроводящее состояние при температурах близких к абсолютному нулю и относительно невысоких магнитных полях. Незначительное увеличение индукции внешнего поля способно было инициировать их переход в нормальное состояние или резко снизить токонесущую способность. Отсутствие в то время надёжных систем криостатирования и тепловой изоляции, а также неизбежность огромных энергозатрат на получение жидкого гелия, делали применение сверхпроводников в при создании трансформаторов, реакторов, кабельных линий и др. экономически нецелесообразным. Эти причины стали ключевыми для поиска новых сверхпроводящих материалов, имеющих лучшие характеристики, что привело к открытию сплавов и многих интерметаллических соединений, способных работать в диапазоне температур 4,2-ь25К.
Эффект полного вытеснения магнитного потока из сверхпроводников, обнаруженный Мейснером в 1933 году, позволил говорить о них как об идеальных диамагнетиках. Однако последующие исследования показали, что с ростом напряженности поля и достижением ею определённого значения, энергетически более выгодным оказывается вхождение в толщу сверхпроводника отдельных квантов магнитного потока, чем сохранение мейснеровского состояния. При этом согласно теоретическому анализу [1] в сверхпроводнике нет участков, ко -19 торые бы полностью находились в нормальном состоянии. Такая неоднородность в поведении сверхпроводников, впоследствии была названа смешанным состоянием и стала основным критерием при разделении их на роды.
Основные физические параметры, относительно которых можно характеризовать состояние (фазу) сверхпроводников: Тк - критическая температура, Нк - напряженность критического магнитного поля. Напряженность критического магнитного поля и температура связаны между собой зависимостью, называемой фазовой диаграммой, которая индивидуальна для каждого сверхпроводника (рисунок 1.1, а). Фазовые диаграммы : а - некоторых элементов, сплавов и соединений [2]; б - первого рода: J — область сверхпроводимости, 2 - область нормальной проводимости; в - второго рода: 1 и 2 - тоже, что вб),3- область смешанного состояния [3]
Если при постоянной температуре происходит рост напряженности магнитного поля Н, то сверхпроводящее состояние 1 будет сохраняться до тех пор, пока Н НК. С достижением равенства между ними Н=НК сверхпроводящее / и нормальное 2 состояния будут находиться в равновесии, а при выполнении неравенства Н НК сверхпроводник перейдет в нормальное состояние 2 (рисунок 1.1, б). Если при постоянной температуре с ростом напряженности магнитного поля происходит проникновение магнитного потока не только в приповерхностный слой с толщиной равной глубине проникновения, но и в толщу сверх -20 проводника, то фазовая диаграмма разделится на две кривые НК\(Т) и Нуп(Т). В ограниченной ими области реализуется смешанное состояние сверхпроводника З, в котором он может прибывать при величине напряженности Нк\ Н Нк2 (рисунок 1.1, в). Таким образом:
Материал, способный оставаться в сверхпроводящем состоянии идеальным диамагнетиком, а с достижением напряженностью магнитного поля значения Н НК резко переходить в нормальное состояние - является сверхпроводником первого рода; Материал, в который с ростом напряженности магнитного поля и достижением ею значения Нкі Н Нк2 начинает частично проникать магнитный поток, но при этом нет участков, полностью перешедших в нормальное состояние - является сверхпроводником второго рода. При сопоставлении обобщённых фазовых диаграмм (рисунок 1.1, б и в), а также кривых (рисунок 1.1, а) видно, что сверхпроводники второго рода способны работать в магнитных полях, напряженность которых выше, чем напряженность их термодинамического критического поля HQ. ЭТО обстоятельство стало решающим при определении целесообразности их дальнейшего использования. Открытие в 1986 году Беднорцем и Мюллером нового класса сложных химических соединений, существенно расширило диапазон рабочих температур и позволило, не менее чем в десять раз, сократить энергозатраты на поддержание сверхпроводящего состояния. После чего мировая научная общественность стала говорить о конкурентоспособности сверхпроводникового электротехнического оборудования, а сверхпроводники стали разделять на низкотемпературные (НТСП) и высокотемпературные (BTCIJ). К НТСП второго рода, провода на основе которых (рисунок 1.2) наиболее часто используют при создании различного рода сверхпроводниковых устройств, можно отнести: сплав системы Nbi и интерметаллическое соединение Nb n. Технология производства длинномерных многожильных Nbi проводов позволяет получать их совместным прессованием с медью или бронзой, обес -21 печивающим надёжное соединение сверхпроводника с матрицей посредством диффузии [4]. Диффузионное проникновение одного материала в другой обеспечивает не только хороший электрический контакт, но и уменьшает переходное тепловое сопротивление. Материал матрицы, обладающий отличной теплопроводностью и, вместе с тем, имеющий более высокое удельное омическое сопротивление при криогенных температурах, но меньшее, чем развиваемое сверхпроводником в нормальном состоянии, обеспечивает распространение нормальной фазы и вывод тока из сверхпроводника, по всей его длине, при переходе последнего в нормальное состояние. НТСП проводники: а - поперечное сечение провода диаметром 0,5 мм, содержащего 61 Nbi волокно в медной матрице; б - поперечное сечение Nb Sn провода в бронзовой матрице с окруженной танталовым барьером сердцевиной из меди Первые промышленные Nb3Sn провода выпускались в виде лент с тонким сверхпроводящим слоем, который получали либо химическим осаждением из паровой фазы [5], либо методом поверхностной диффузии [6]. Из-за твёрдости и хрупкости присущей этому соединению, методы подобного рода применялись до тех пор, пока не была разработана технология проведения реакций в твердой фазе [7]. Позже был предложен более совершенный метод, основанный на использовании порошкообразного материала NbSn2, заключенного в ниобие-вой трубке [8], аналогичные результаты были получены методом порошковой металлургии [9]. В обоих случаях использование порошка дало мелкозернистую структуру, следовательно, высокие критические токи. Nb Sn провода с высокой токонесущей способностью, используемые в мощных установках, изготавливают специальным образом [10].
НТСП много лет выпускают как коммерческий продукт, поэтому технология их производства, казалось бы, была доведена до совершенства. Однако расширение области применения сверхпроводниковых устройств требует улучшения характеристик НТСП проводов, а именно: повышения токонесущей способности, увеличения скорости ввода тока в сверхпроводник без его перехода в нормальное состояние; равномерного распространения нормальной фазы по всей длине сверхпроводника (устранение так называемых горячих точек, в которых возможен его пережег (повреждение)), повышение термомагнитной устойчивости и др. Открытие ВТСП материалов сократило до минимума объем научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по совершенствованию НТСП проводов и технологии их производства, но, к счастью, не прекратило их вовсе. Последние разработки в этой области основаны на использовании металлов и соединений, обладающих сверхвысокой теплоёмкостью при низких температурах [11,12].
ВТСП получили своё название из-за относительно более высоких температур перехода в сверхпроводящее состояние, чем НТСП. Большинство из них могут нормально работать при температуре жидкого азота (77 К). Их производство базируется на использовании медной окисной керамики - купратов, наиболее важными из которых являются - RE- и 5/-купраты {ТІ- и i g-купраты -ядовитые соединения, поэтому используются реже), смотрит таблицу Ш.1.
Теоретическое исследование температуры перегрева ВТСП проводов второго поколения в режиме ограничения тока короткого замыкания
Характер изменения тока в электрической цепи после перехода СОТ в нормальное состояние определяется не только параметрами этой цепи, но и в значительной степени тепловыми свойствами ВТСП проводов, в которых помимо высоких значений перегрева (допустимой считается величина в 100-150К), крайне нежелательно возникновение больших градиентов температуры в сечении проводника.
Моделирование теплофизических процессов проводилось для коммерческого ВТСП проводника 2-го поколения SF12050 ленточного типа производства компании SuperPower, представляющего собой «слоёный пирог», состоящий из хастеллоевой подложки (толщина 50мкм) и ВТСП слоя (1мкм), с двух сторон покрытый стабилизирующим слоем серебра толщиной 2мкм каждый (рисунок 2.10). Ширина этой ВТСП ленты - 12мм, длина 24м. Расчётная схема для исследования процесса резистивного нагрева ВТСП ленты представлена на рисунке , на котором в момент времени t = 0 ключ замыкается, и неизменное по величине напряжение источника питания прикладывается к нелинейному сопротивлению R(I, Т). Ток в цепи по мере роста температуры ВТСП ленты постепенно снижается. Начальное значение температуры составляет порядка 88К.
Удельное сопротивление ВТСП проводов второго поколения в нормальном состоянии практически полностью определяется сопротивлением их серебряного покрытия. Более того, удельное сопротивление серебряного слоя падает в несколько раз при охлаждении от комнатной температуры (20С) до азотной, а с ростом температуры увеличивается квазилинейно (рисунок 2.3).
Моделирование теплофизических процессов в ВТСП ленте, после её перехода в нормальное состояние, было проведено автором настоящей работы в автоматизированной системе COMSOL Multiphysics 3.4 [56], предназначенной для решения широкого ряда инженерных задач методом конечных элементов. Использование этого программного комплекса даёт огромные возможности в решении систем различных нелинейных дифференциальных уравнений, значительно ускоряя процесс вычислений, а также позволяет получать решения с высокой степенью точности.
В ходе вычислений использовалась 2d модель ленты - проводник бесконечной длины. Для упрощения задачи были сделаны следующие приближения: в расчете не учитывался слой YBaCuO, а таюке буферные слои, так как в силу их малой толщины, они не оказывают существенного влияния на теплофизиче-ские характеристики ВТСП проводника в целом. Из-за малой длительности короткого замыкания и значительного тепловыделения, нагрев ВТСП проводов -адиабатический. Переход токоограничителя в нормальное состояние, как это показано выше в разделе 2.1, происходит за пренебрежимо малое время, то есть мгновенно (см. рисунок 2.9) и после перехода весь ток протекает по серебру (в силу его существенно меньшего сопротивления), вызывая резистивный нагрев ВТСП ленты. Боковая поверхность ВТСП проводника теплоизолирована.
Длительность короткого замыкания (КЗ) была выбрана в 150мс, что вдвое больше обычного времени отключения фидерным выключателем близких КЗ в тяговых сетях переменного тока напряжением 27,5 и 2х27,5кВ, а также соответствует времени отключения выключателей на стороне переменного тока преобразовательного агрегата в тяговых сетях постоянного тока напряжением 3,ЗкВ при отказе фидерного выключателя. Для тяговых сетей переменного тока время длительности КЗ выбрано с необходимым запасом, чтобы в случае кране редкого, но при этом вероятного отказа фидерного выключателя или его защиты сохранить работоспособность токоограничителя путём его принудительного отключения или шунтирования. В таблице 2.2 приведены основные теплофизиче-ские параметры материалов секции токоограничивающего элемента СОТ. мощность джоулевого тепловыделения, отнесенная к объему серебра в проводе (для хастеллоевой подложки = 0), Вт/м3; U- допустимое падение напряжения на ВТСП проводе (выбирается из условия обеспечения электрической прочности изоляционного промежутка между соседними витками секции токоограничивающего элемента СОТ и составляет 380В - действующее значение); Ао(Т) - сопротивление серебряного слоя ВТСП провода (рисунок 2.3), Ом/м; L -длина ВТСП провода, м; S - суммарная площадь поперечного сечения серебряных слоев, м ; р, Ср и к - плотность, удельная теплоемкость и тензор теплопроводности вещества в каждой рассматриваемой подобласти соответственно (таблица 2.2).
В статьях, посвященных физическому моделированию методом конечных элементов [57, 58] не раз обсуждалась проблема характерных размеров модели. Системы, в которых хотя бы один размер является малым, по отношению к остальным, требуют построения сетки из чрезвычайно большого числа элементов, что существенно затрудняет работу и увеличивает время вычислений в сотни раз. Поэтому весьма полезно максимально упрощать исходную геометрию модельного образца. Для решения этой проблемы теплофизические параметры системы {О, СР; к) были заменены приведенными величинами для модельного ВТСП провода, в Г раз более толстого, чем реальный (по аналогии с [58] было выбрано значение Г = 20). Это приближение выглядело следующим образом: увеличение размера системы по оси у (толщины ленты) было учтено делением объемной мощности джоулевого тепловыделения Q и удельной теплоемкости Ср на Г; умножением ку на Г, и, наконец, делением компоненты теплопроводности кх на Г для подавления тепловой диффузии вдоль оси х. Авторы [59] показали, что при использовании такого приближения относительная погрешность в определении профиля температуры по сечению модельного образца пренебрежимо мала (менее 0,1%), поэтому такой способ расчета достаточно хорошо описывает тепловые процессы, происходящие в ВТСП проводе.
На рисунке 2.13 показано распределение температуры в сечении ВТСП провода после перехода в нормальное состояние при резистивном нагреве серебряных слоев в течение 150мс с шагом в ЗОмс постоянным током. Численные маркеры показывают минимальное и максимальное значение температуры в сечении провода в каждый момент времени, при этом максимальное различие между самой горячей и самой холодной точками сечения не превышает 0,ЗК. Поэтому можно с уверенностью говорить об отсутствии градиентов температуры в сечении ВТСП провода, которые могут привести к локальному перегреву свыше допустимых значений, и вызвать деградацию свойств сверхпроводящего слоя. С пренебрежимо малой погрешностью временная зависимость температуры центральной точки будет справедлива для любой точки поперечного сечения ВТСП провода, как на постоянном, так и на переменном токе. Однако при расчёте временной зависимости температуры ВТСП провода на переменном токе, следует учесть, что его разогрев происходит от квадрата мгновенного значения тока, потому что тепловые постоянные времени ВТСП провода существенно меньше постоянных времени переходных электрических процессов развивающихся в цепи при переходе сверхпроводника в нормальное состояние.
Схемы экспериментов
Для измерения критического тока не только различных ВТСП проводов, но и модельного токоограничивающего элемента, использовалась установка изображенная на рисунке 3.1. Образец ВТСП провода длиной 200мм припаивался к зонду с медными токовводами, и затем помещался в испытательный криостат, заполненный жидким азотом. Для обеспечения хорошего электрического контакта образца с токовводами, спай между ними осуществляется на длине не менее 50мм [61]. К образцу в нескольких местах подпаивались потенциальные выводы. Чтобы исключить повреждения ВТСП проводов при пайке, она производилась легкоплавким припоем при температуре жала паяльника не более 200 С. Измерения критического тока производились в собственном поле ВТСП провода при температуре жидкого азота - 77К.
Схема измерения критического тока в образцах ВТСП проводов При помощи автоматизированной многоканальной измерительной системы Agilent 34970А измерялось падение напряжения на двух участках ВТСП провода длиной 40мм и 90мм. Ток через образец ВТСП провода измерялся при помощи последовательно включенного в цепь измерительного шунта ШИ 300/75. Величина критического тока определялась по В АХ исходя из критерия 1мкВ на 1см.
Измерение температурных зависимостей, погонного сопротивления различных ВТСП проводов производилось по изображенной на рисунке 3.2 схеме. Образец исследуемого ВТСП провода в один или несколько витков наматывался на массивную алюминиевую оправку. В качестве электрической изоляции использовалась каптоновая лента толщиной 50мкм предварительно наклеенная на оправку. Хороший тепловой контакт между оправкой и ВТСП проводом обеспечивался за счет натяга последнего и слоя кремнийорганической пасты, нанесенного поверх электрической изоляции. Размещение образца на оправке из материала с высокой теплопроводностью позволяет добиться равномерной температуры вдоль всего образца и достаточной стабильности температуры во времени. Концы образца ВТСП провода приклеивались к оправке при помощи каптоновой ленты. Длина ВТСП образцов выбиралась, по возможности, в 500мм или более, с тем, чтобы нивелировать неоднородности по длине провода и по толщине составляющих его слоев (подложка, серебряное покрытие, и.т.д.).
Измерение погонного сопротивления производилось четырехпроводным способом. В силу низкого значения измеряемого сопротивления, был выбран измерительный ток в 500мА. Токовые выводы припаивались к концам образца ВТСП провода. Подпайка потенциальных выводов произведена на расстоянии в Зсм от концов образца, что гарантирует отсутствие влияния перетекания токов в образце на результаты измерений. Чтобы исключить повреждения ВТСП проводов, все пайки производились легкоплавким припоем при температуре жала паяльника не более 200 С.
Цифровой мул ьти метр s Ifc Источник тока 500 мА IS Рисунок 3.2 - Схема эксперимента по измерению температурной зависимости удельного сопротивления коротких образцов ВТСП проводов (подключение термопар не показано) Оправка с исследуемым образцом помещалась в криостат, охлаждение оправки и образца производилось путем подачи в криостат небольших порций жидкого азота. Температура образца контролировалась термопарой (ТІ), размещенной в просверленном в глубине оправки отверстии, и платиновым термосопротивлением (Т2), приклеенным к одной из граней оправки. Для повышения точности измерений наружные поверхности образца ВТСП провода и платинового термо сопротивления теплоизолированы материалом с малым коэффициентом теплопроводности. Измерение падения напряжения на образце производилось при одновременном выполнении двух условий: Показания термопары (ТІ) и термосопротивления (Т2) отличаются не более чем на 1К; -80 За последние 20с показания термопары (ТІ) и термосопротивления (Т2) изменились не более чем на 1К. По окончанию измерения, в криостат впрыскивалась следующая порция жидкого азота, и цикл повторялся вплоть до перехода образца в сверхпроводящее состояние. Измерения температур и падения напряжения на образце производилось при помощи многоканального цифрового мультиметра Agilent 34970А. Измерительный ток подавался регулируемым источником тока Б5-44А, его величина дополнительно контролировалась цифровым вольтметром.
Для испытания модельного ВТСП токоограничивающего элемента был подготовлен стенд (рисунок 3.3), воспроизводящий условия работы ВТСП токоограничителя включенного в реальную сеть. В ходе испытаний через модельный ВТСП токоограничивающий элемент вначале пропускается номинальный ток, и лишь затем производилась имитация короткого замыкания.
Исследуемый ВТСП токоограничивающий элемент включался в сеть на фазное или линейное напряжение 220/3 80В последовательно с активной нагрузкой, тиристорным ключом ТК2 и вакуумным выключателем типа ВЫВ. Ти-ристорный ключ ТК2 служит для соединения цепи на время проведения опыта короткого замыкания, все остальное время он разомкнут. Сопротивление активной нагрузки подобрано таким образом, чтобы в номинальном режиме работы через ВТСП токоограничивающий элемент протекал электрический ток заданной амплитуды (близкий к критическому значению). По соображениям простоты эксперимента и удобства обработки полученных результатов все испытания производились в активно-индуктивной цепи с существенным преобладанием активной составляющей сопротивления, то есть в условиях, наиболее приближенных к рабочим в реальных сетях. Индуктивную составляющую в схеме в большей степени обеспечивает предвключенная сеть. При некоторой модернизации экспериментального стенда, ничто не мешает производить комплексные испытания ВТСП токоограничивающих элементов при различных соотношениях параметров электрической цепи (с преобладанием индуктивной, или ёмкостной составляющих).
Следует отметить, что предложенная на рисунке 3.3 схема, может составить основу производственного экспериментального стенда. Имитация короткого замыкания в схеме производится путем шунтирования активной нагрузки тиристорным ключом ТК1, схема управления которого обеспечивает требуемую длительность короткого замыкания. Вакуумный выключатель ВНВ, оснащенный независимой от обоих тиристорных ключей схемой управления, при переходе ВТСП токоограничивающего элемента в нормальное состояние производит разрыв цепи. Использование вакуумного выключателя позволяет испытывать ВТСП токоограничивающий элемент в условиях максимально приближенных к реальным. Вакуумный выключатель также является дополнительным предохранительным устройством, защищающим ВТСП элемент от перегорания в случае отказа тиристорных ключей или сбоя в схемах управления ими.
Определение величины активного сопротивления СОТ первона чально вводимого в цепь тока короткого замыкания
Величина активного сопротивления СОТ первоначально вводимого в цепь протекания тока короткого замыкания - RQOT зависит от многих параметров: места его установки, сопротивления питающей сети, типа и количества силового оборудования постоянно находящегося в работе, уровня тепловыделений внутри криостата во время токоограничивающего действия и расхода сверхпроводника. Сокращение последних - задача, не имеющая оптимума. Однако ввиду того, что СОТ является сверхбыстродействующим устройством, параметр RCOT не может быть бесконечно большим в связи с допустимым уровнем перенапряжений на индуктивности защищаемой цепи (рисунок 4.1).
Характер зависимостей: тепловыделений внутри криостата СОТ при то коограничивающем действии, уровня перенапряжений на индуктивности защищаемой цепи и расхода сверхпроводника SF12050 в функции параметра і?сот при 1у сот = const В случае установки СОТ на питающих линиях (фидерах) параметр ROOT будет необходимо выбирать, ориентируясь на величину длительно допустимого тока установленной последовательно с ним коммутационной аппаратуры, потому как в случае отказа последней токоограничитель обеспечит её целостность, помимо продления срока службы при нормальных отключениях. Более того, токоограничивающее действие будет происходить при практически неизменном уровне напряжения у других потребителей, получающих питание от тех же самых шин.
В случае установки СОТ на вводах в распределительное устройство (РУ) параметр RCOT очевидно следует выбирать исходя из длительно допустимого тока защищаемой им электроустановки. Однако здесь сразу же следует отметить, что для предотвращения ложных срабатываний СОТ возможны поправки по току, связанные с отстройкой от удалённых от шин РУ коротких замыканий.
Прототип секции токоограничивающего элемента СОТ для тяговых сетей постоянного и переменного тока Количество сверхпроводника необходимое для изготовления токоограничивающего элемента СОТ определяется: величиной рабочего тока, величиной ограниченного тока и длительностью короткого замыкания, оказывающей непосредственное влияние на величршу допустимого перегрева используемого ВТСП провода.
Рабочие токи современного силового электроэнергетического оборудования превосходят критический ток любого доступного на сегодняшний день ВТСП провода второго поколения, поэтому, исходя из соображений унификации и упрощения ремонтно-восстановительных работ в случае повреждения, токоограничивающие элементы СОТ будет разумно изготавливать из отдельных секций - плоских бифилярных катушек (рисунок 4.2) со следующими параметрами:Рабочее напряжение секции (действующее значение) 380В
Рабочий ток секции (действующее значение) 250А Критический ток (амплитудное значение) 400А Ограниченный ток короткого замыкания (усреднённое действующее зна чение за время работы СОТ) на уровне 220А Рисунок 4.2 - Секция токоограничивающего элемента СОТ - плоская бифилярная катушка (галета): / - медная подпаечная пластинка; 2 - медные присоединительные клеммы; 3 - фиксационные блоки; 4 - опорная часть; 5 - боковые щёчки Принципиальная возможность создания секции токоограничивающего элемента СОТ была проверена на практике (смотрите раздел 3.3). Комплексные испытания изготовленной галеты показали [69], что критический ток в проводнике после его укладки на каркас снизился на ЗОА и составил 186А, вместо в коротком недеформированном образце. Снижение критического тока говорит о неполной компенсации поля собственного тока ввиду различия диаметров отдельных витков обмотки, а также о возможных недопустимых локальных деформациях причиненных ВТСП проводу при его намотке. Вместе с тем изготовление отдельной секции токоограничивающего элемента СОТ с обозначенными выше параметрами возможно при намотке двух ВТСП проводов SF12050 в параллель при длине одного куска 24м. Также можно принять, что отдельные секции токоограничивающего(щих) элементов СОТ, работающих на постоянном и переменном токе не будут иметь кардинальных отличий.
При известных номинальных параметрах отдельной секции токоограничивающего элемента СОТ, несложно подсчитать общее количество ВТСП провода требуемого для изготовления токоограничителя на заданный уровень рабочей мощности и величину первоначально вводимого им сопротивления в цепь протекания тока короткого замыкания.
На переменном токе у трансформатора типа ТДТНЖ (или ТДТНЭ) мощностью 40МВА номинальный ток обмотки напряжением 27,5кВ составляет 840А. С учётом отстройки от удалённых (в конце фидерной зоны) токов короткого замыкания при установке СОТ на вводах в распределительное устройство, величину номинального тока необходимо выбирать, как минимум, с полуторо-кратным запасом 1260А. Соответственно, количество последовательно соединённых секций токоограничивающего элемента в одной импровизированной ветви Nc =27500/380 = 73, параллельно соединённых ветвей Nn =1260/250 = 5, итого 365 секций на одну фазу. Общий расход ВТСП провода SF12050 на фазу Ly = 2-24-365 = 17520м. Начальное, вводимое в цепь протекания тока сопротивление СОТ составит RQOT = 150м. Критический ток токоограничивающего элемента равен 2000А, время перехода в нормальное состояние - собственное время СОТ порядка 0,1-0,6мс (смотрите рисунок 2.9).
Внешний вид токоограничивающего элемента однофазного ВТСП СОТ переменного тока а) и его принципиальная схема б) Расчёты показали, что для обеспечения нулевого сопротивления СОТ в штатном режиме работы системы тягового электроснабжения требуется пять параллельных ветвей (смотрите раздел 4.1.1). Учитывая особенности конструкции токоограничивающего элемента СОТ (рисунок 4.3, а) его удобнее формировать из блоков (Б), которые уже ориентированы на заданное значение рабочего тока путём параллельного соединения отдельных секций. Общая схема соединения секций в токоограничивающем элементе СОТ - последовательно-параллельная (рисунок 4.3, б). Ввиду того, что секции токоограничивающего элемента СОТ представляют собой бифилярные катушки, взаимным электромагнитным влиянием отдельных блоков можно пренебречь.
