Nadprzewodnikowe. ograniczniki prądu. zwarciowego. Zabezpieczenie przeciwzwarciowe nadprzewodnikowe. zwarciowego (NOPZ)

Transkrypt

1 Nadprzewodnikowe ograniczniki prądu zwarciowego Zabezpieczenie przeciwzwarciowe nadprzewodnikowe ograniczniki prądu zwarciowego (NOPZ) Dr Joachim Bock Nexans Superconductors, Niemcy Firma Nexans uruchomiła pierwszy na świecie układ NOPZ, którego zadaniem jest zabezpieczenie wewnętrznego zasilania elektrowni opalanej węglem brunatnym w niemieckim mieście Boxberg. Joachim Bock, dyrektor generalny Nexans Superconductors, wyjaśnia, w jaki sposób ta innowacyjna technologia może przyczynić się do wzrostu bezpieczeństwa personelu oraz pracy elektrowni przy jednoczesnym obniżeniu kosztów inwestycyjnych. Coraz bardziej zdecentralizowane systemy dostaw energii elektrycznej, zwiększenie przepływów mocy oraz bieżące inwestycje w infrastrukturę i sprzęt wszystkie te zjawiska będą wymagały wprowadzenia znaczących zmian w istniejących systemach elektroenergetycznych. Modyfikacje te z pewnością przyczynią się do powstania wysokich prądów zwarciowych. Jedną z najczęstszych przyczyn wystąpienia zwarć w sieciach elektroenergetycznych jest uderzenie pioruna bądź awaria linii lub urządzenia elektroenergetycznego. Prowadzą one do powstania prądów zwarciowych, a te z kolei powodują niezwykle wysokie przeciążenia dynamiczne i cieplne wszystkich elementów systemu. Konstrukcja modułowa nadprzewodnikowych ograniczników prądu zwarciowego (NOPZ) sprawia, że można je stosować dla różnych poziomów napięcia znamionowego oraz prądów, a także dostosowywać do określonych charakterystyk ograniczających w przypadku pojawiania się zwarć. Urządzenia umożliwiające sterowanie wysokimi prądami zwarciowymi przyczynią się do znacznej poprawy bezpieczeństwa systemu oraz bardziej efektywnego ekonomicznie projektowania elementów sieci elektroenergetycznych. Tego typu możliwości oferuje NOPZ. W przeciwieństwie do bezpiecznika wysokonapięciowego, ogranicznik ten nie powoduje wyłączenia linii w momencie pojawienia się zwarcia, lecz jedynie redukuje prądy zwarciowe o bardzo wysokich wartościach do określonego poziomu. Jego dodatkową zaletą jest możliwość połączenia istniejących systemów, której nie da się przeprowadzić bez zastosowania ograniczników prądu. Podczas pracy urządzenia nadprzewodniki, z których jest ono zbudowane, zostają schłodzone do temperatury ok. 200 C. W tak niskich temperaturach, których uzyskanie jest możliwe i opłacalne dzięki zastosowaniu ciekłego azotu, w materiałach nadprzewodzących prawie całkowicie zanika opór elektryczny, nawet przy obciążeniach znamionowych. nr 4 (6)

2 Jeśli jednak płynący przez nadprzewodnik prąd przekroczy pewną wartość krytyczną (tzw. prąd krytyczny), materiał traci zdolność nadprzewodnictwa i przechodzi do stanu o dużej rezystancji. Ten stosunkowo wysoki opór redukuje wartość prądu zwarciowego do wcześniej określonego poziomu. Wspomniane wyżej właściwości materiałowe sprawiają, że nadprzewodniki są idealnym komponentem ograniczników prądu. Aktywny moduł NOPZ Aktywna część NOPZ składa się z 48 elementów nadprzewodnikowych na fazę połączonych szeregowo i umieszczonych w kriostacie z ciekłym azotem. Ich uzwojenia wyprowadzone są na zewnątrz układu kriogenicznego poprzez wysokonapięciowe przepusty, tzw. krioprzepusty oraz przewody prądowe odpowiednio zaprojektowane, aby radzić sobie z różnicą temperatur pomiędzy ciekłym azotem a temperaturą na zewnątrz układu kriogenicznego. Ciekły azot schładzany jest za pomocą zewnętrznej kriochłodziarki. Po obniżeniu poziomu prądu zwarciowego następuje uruchomienie wyłącznika umieszczonego szeregowo z ogranicznikiem. NPOZ wyposażony jest w układ na bieżąco monitorujący jego działanie w razie pojawienia się nietypowych warunków, takich jak awaria kriochłodziarki, również następuje uruchomienie wyłącznika. Komunikacja z systemami telekontroli OSD obejmuje dane operacyjne i dodatkowe, takie jak informacje na temat awarii zasilania pomocniczego. Praca bezobsługowa Po wystąpieniu prądów zwarciowych ogranicznik wymaga chwilowego wyłączenia i schłodzenia, aby mógł odzyskać właściwości nadprzewodzące. Okres ten wynosi od kilku sekund do kilku minut, w zależności od jego typu, po których urządzenie może powrócić do pracy znamionowej w sieci i ponownie reagować na kolejne zwarcie. Kompaktowo zaprojektowany NOPZ zapewnia warunki pracy zbliżone do idealnych. W normalnych warunkach pracy jest on prawie zupełnie niewidzialny w systemie elektroenergetycznym nawet podczas awarii, ponieważ automatycznie redukuje prąd zwarciowy Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia bez względu na jego wysokość. Zastosowanie NOPZ jako elementu automatyki zabezpieczeniowej umożliwia łączenie systemów elektroenergetycznych praktycznie bez problemów związanych z występowaniem prądów zwarciowych. Urządzenia te są w stanie redukować je do bezpiecznych poziomów w ciągu zaledwie tysięcznych części sekundy. Potencjalne zastosowanie NOPZ Typowe zastosowania NOPZ są następujące: połączenie szyn z zachowaniem istniejącej aparatury łączeniowej zabezpieczenia transformatorów zabezpieczenie sieci lokalnych na terenach przemysłowych lub w parkach chemicznych zabezpieczenie wewnętrznych układów zasilania w elektrowniach łączenie sieci w celu obniżenia harmonicznych prądu. Dodatkowe korzyści płynące z zastosowania NOPZ: Bierne charakterystyki ograniczające nadprzewodnika sprawiają, że prąd zwarciowy jest efektywnie redukowany w pierwszym półokresie od pojawienia się zwarcia. NOPZ są z założenia bezpieczne, nie podlegają zużyciu i nie wymagają konserwacji. Ich działanie jest samoczynne, w związku z tym pojawienie się zwarć nie pociąga za sobą dodatkowych kosztów operacyjnych. Znaczące oszczędności można również osiągnąć w przypadku instalacji nowej lub modernizacji istniejącej aparatury łączeniowej poprzez obniżenie ich mocy zwarciowej. Wartość szczytowa (maksymalna) ograniczanego prądu zwarciowego i wartość prądu zwarciowego symetrycznego mogą być określane niezależnie od siebie. W przypadku wystąpienia zwarcia nie dochodzi do całkowitego wstrzymanie przepływu mocy, dzięki czemu możliwe jest wykorzystanie istniejących układów automatyki zabezpieczającej. Podczas pojawienia się zwarcia elementy systemu są w mniejszym stopniu narażone na przeciążenia mechaniczne oraz cieplne, co może znacząco wydłużyć ich okres eksploatacji. 68

3 Fot. 1. Na terenie należącej do Vattenfall Europe Generation AG elektrowni w Boxbergu jest prowadzone pilotażowe wdrożenie innowacyjnej technologii NOPZ opartej na zjawisku wysokotemperaturowego nadprzewodnictwa opracowanej przez firmę Nexans Superconductors Fot. 2. Elektrownia w Boxbergu jest opalana węglem brunatnym i posiada moc 1900 MW

4 Fot. 3. Zainstalowany układ NOPZ będzie stanowił zabezpieczenie przeciwzwarciowe wewnętrznego układu zasilania młynów bijakowych i kruszarek pracujących w elektrowni

5 Firma Nexans oprócz projektowania, produkcji i instalacji układów NOPZ ma również w swojej ofercie ich serwis, co gwarantuje bezpieczeństwo i ciągłość pracy tych urządzeń. NOPZ jest uważane za bezawaryjne urządzenie niskiego ryzyka, wykorzystujące elementy nieliniowe wysokotemperaturowe nadprzewodniki ceramiczne zamiast komponentów elektronicznych, elektromechanicznych, mechanicznych lub pirotechnicznych. Ich działanie polega na zdolności osiągnięcia stanu nadprzewodzenia przez materiał nadprzewodnikowy poniżej wartości krytycznej jego temperatury, co umożliwia przepływ normalnego prądu z minimalnym poziomem strat. Nadmierny wzrost wartości prądu spowodowany wystąpieniem prądu zwarciowego lub też utrata środka chłodzącego (ciekły azot) prowadzi do podwyższenia temperatury nadprzewodnika, w efekcie czego jego materiał wraca do stanu rezystywnego. Dodatkowa rezystancja umożliwia obniżenie wartości prądu zwarciowego do niższego, bezpieczniejszego poziomu. Proces ten często określany jest mianem blokady, ponieważ w jego efekcie ustanawiana jest wartość graniczna, której wartość prądu zwarciowego nie może przekroczyć. NOPZ przeprowadza wyżej opisaną operację w ciągu zaledwie kilku tysięcznych sekundy. Po jej zakończeniu urządzenie pozostaje w stanie o dużej rezystancji aż do momentu zadziałania wyłącznika prądowego NOPZ reaguje odpowiednio szybko, redukując pierwszą wartość szczytową prądu zwarciowego. Ma to ogromne znaczenie przy planowaniu zamknięcia wyłącznika na odcinku sieci, gdzie wystąpiła awaria. Poziom, do którego ma zostać obniżona wartość prądu zwarciowego, jest ustalany na etapie projektowania urządzenia, tak aby mógł służyć określonym celom. W większości przypadków za bezpieczny uznaje się poziom, który nie będzie wymagał przeprogramowywania istniejących układów automatyki zabezpieczeniowej. Włączenie do sieci układów nopz Dzięki prowadzonym obecnie badaniom, testom i projektom pilotażowym będzie możliwe zastosowanie na skalę przemysłową w sieciach urządzeń, których zadaniem jest obniżanie prądów zwarciowych do bezpiecznego poziomu. Włączenie tych układów do systemu niesie ze sobą wiele korzyści. NOPZ można będzie zastosować w sieciach na obszarach, które charakteryzują się wysoką częstotliwością występowania prądów zwarciowych lub też wysokim stopniem integracji generacji rozproszonej z systemem (np. systemy kogeneracyjne na obszarach zurbanizowanych). Pozwolą one ponadto odsunąć w czasie konieczność wymiany rozdzielni elektroenergetycznych lub rekonfiguracji sieci przy jednoczesnym utrzymaniu prądów zwarciowych na poziomie bezpiecznym dla pracy systemu. Na obszarach, które charakteryzują się występowaniem nadmiernych prądów zwarciowych, pojawiają się dodatkowo korzyści operacyjne wynikające ze znacznego ograniczenia często skomplikowanych prac przełączeniowych. Są one konieczne, aby w poszczególnych elementach sieci nie dochodziło do przekraczania mocy zwarciowej podczas rekonfiguracji sieci i zaników zasilania. Zmniejszy to liczbę przerw w dostawach energii oraz skumulowany roczny czas przerw w przeliczeniu na odbiorcę spowodowanych wyłączeniami linii lub czasową pracą na jednym obwodzie zasilającym. Dodatkową zaletą związaną z ich zastosowaniem w systemie jest poprawa warunków bezpieczeństwa pracy. Utrzymywanie prądów zwarciowych na bezpiecznym poziomie sprawi, że elementy sieci elektroenergetycznych będą narażone na mniejsze przeciążenia elektrodynamiczne i cieplne. Ponieważ są one wprost proporcjonalne do kwadratu wartości prądu, nawet nieznaczna redukcja poziomu prądu zwarciowego może je znacznie obniżyć. Efektem tego będzie przeciwdziałanie prądom podtrzymania i wydłużony okres eksploatacji elementów sieciowych. NOPZ są w stanie przy zastosowaniu odpowiednich rozwiązań w zakresie automatyki zabezpieczeniowej umożliwić przyłączanie linii promieniowych, co doprowadzi do poprawy ciągłości dostaw i jakości dostarczanej energii (tzn. eliminacji migotania napięcia i harmonicznych prądu). Rezultatem tego będą radykalne zmiany w zakresie projektowania i eksploatacji sieci. Dodatkowe korzyści z zastosowania układów NOPZ w sieciach wynikają ze specyfiki wdrażanego rozwiązania technicznego, które wykorzystuje mechanizm przejścia ze stanu nadprzewodzenia do stanu rezystywnego. Urządzenia te, kiedy znajdują się w normalnym stanie (nadprzewodnictwa), nie zwiększają reaktancji sieci, a więc nie powodują przekroczenia górnego progu zakresu impedancji, w którym muszą mieścić się OSD, aby nie przekroczyć dopuszczalnych poziomów napięcia w przypadku nagłego deficytu mocy. NOPZ nie powodują także zwiększenia strat sieciowych. nr 4 (6)

6 Niezwykle ważnym z punktu widzenia OSD zagadnieniem jest obecnie wzrost współczynnika X/R, który powoduje wzrost składowej nieokresowej prądu, a w efekcie wzrost prądu zwarciowego niesymetrycznego podczas wyłączeń. Ma to również, w mniejszym stopniu, wpływ na wartość szczytową prądu włączeniowego w warunkach zwarciowych. Mimo iż podłączony szeregowo element bierny obniży składową okresową prądu, współczynnik X/R może wzrosnąć i chociaż zostanie zredukowana całkowita wartość prądu zwarciowego niesymetrycznego nie oznacza to automatycznie, że składowa nieokresowa prądu nie będzie rosła. Wyłączniki nie są poddawane testom służącym do określenia wzrostu składowej nieokresowej prądu i związanych z tym dłuższych czasów trwania łuków zwarciowych. Dzięki wykorzystaniu zjawiska przejścia ze stanu nadprzewodzenia do stanu rezystywnego NOPZ stawiają opór przepływowi prądu zwarciowego. Prowadzi to do obniżenia składowej nieokresowej i okresowej prądu oraz znacznie redukuje poziom prądu zwarciowego niesymetrycznego, co w efekcie wspomaga pracę wyłączników, a także obniża wartość szczytową napięcia (napięcie powrotne) wytworzoną w punkcie wyłączenia prądu zwarcia. Moc zwarciowa włączonego do sieci obciążenia impedancyjnego wyznaczana jest zgodnie z normą IEC909. W ten sposób OSD identyfikują obszary, gdzie przekraczane są szczytowe wartości prądu wyłączeniowego wyłączników (wytrzymałość zwarciowa). Szybka redukcja prądów zwarciowych przez NOPZ sprawia, że nie przekraczają one wartości dopuszczalnych. Dzięki temu nie jest konieczna rekonfiguracja sieci przed wyłączeniem. Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia Nadprzewodniki wysokotemperaturowe Nadprzewodniki wysokotemperaturowe (NW) zostały po raz pierwszy opisane w 1986 r. w Szwajcarii przez Alexa Müllera i Georga Bednorza z IBM, którzy odkryli nadprzewodnictwo mieszanego tlenku lantanu, baru i miedzi w temperaturze 35 K. W późniejszym okresie w wyniku badań udało się wyodrębnić wiele materiałów posiadających cechy nadprzewodnictwa w temperaturach przekraczających 77 K, co znacznie poszerzyło zakres potencjalnych zastosowań. Przed dokonaniem powyższego odkrycia środkiem chłodzącym dla metali wykazujących własności nadprzewodzące był skroplony hel, który wrze w temperaturze 4 K. Gaz ten okazał się jednak niezwykle kosztowny, podobnie jak proces jego chłodzenia, który wymagał specjalistycznego sprzętu i pochłaniał bardzo dużo energii. Odkrycie NW oznaczało niższe koszty chłodzenia i szerszy zakres zastosowań, takich jak wysokowydajne przewody elektryczne, mniejsze rozmiarowo transformatory, silniki oraz ograniczniki prądów zwarciowych. Wbrew powszechnym oczekiwaniom opracowanie metod produkcji wysokotemperaturowych materiałów nadprzewodzących, które można byłoby zastosować w sieciach wysokich napięć, okazało się wyjątkowo trudnym zadaniem. Materiały ceramiczne charakteryzuje nietrwałość i brak odporności na przeciążenia, co stanowi poważną przeszkodę dla wielu zastosowań, na przykład w przewodach elektrycznych. Tlenki bizmutowo-strontowo-wapniowo-miedziowe (BSCCO) oraz nadprzewodniki podobnego typu mają strukturę warstwową, w obrębie której cechy nadprzewodnictwa wykazują warstwy zawierające głównie atomy miedzi i tlenu. Ponieważ bardzo trudno jest wyprodukować duże monokryształy tych materiałów, elementy wykonane z materiałów proszkowych, a także taśmy i przewody, gdzie wysokotemperaturowe materiały nadprzewodzące stanowią cienką warstwę, zawierają NW o strukturze polikryształu. Układ poszczególnych kryształów należy odpowiednio modyfikować, z uwagi na to iż przewodnictwo elektryczne w kierunkach równoległych do płaszczyzn miedziowo-tlenowych jest znacznie większe niż w kierunku prostopadłym do tych płaszczyzn. Dlatego też większość prac badawczych poświęcono opracowaniu technologii produkcji, dzięki której byłoby to możliwe. W ich efekcie powstały pierwsze NW wykonane z materiałów Bi-2212 oraz YBCO. W 2002 r. firma ABB testowała układ jednofazowy z warstwą Bi-2212 przylutowaną do bocznika metalicznego, w której wycięto uzwojenie, aby zapewnić niską indukcyjność obwodu. Mniej więcej w tym samym czasie firma Siemens badała elementy pokryte cienką warstwą nadprzewodnika YBCO na podłożu szafirowym. W 2004 r. RWE w Siegen przeprowadziła pierwszy kluczowy projekt demonstracyjny o nazwie CURL 10. W ramach projektu w sieci zainstalowano wykonaną z Bi-2212 cewkę nadprzewodnikową produkcji Nexans Superconductors wlutowaną do metalicznego bocznika rurowego, w której wycięto uzwojenie bifilarne. Względy finansowe, dostępność i parametry wytrzymałościowe zdecydowały, iż za najlepszy materiał do komercyjnej produkcji NOPZ uznano Bi-2212 wytwarzany w technologii rurowo-proszkowej. 72

7 W oparciu o doświadczenia zdobyte podczas produkcji materiału nadprzewodzącego dla potrzeb projektu CURL 10 firma Nexans dostarczyła również elementy nadprzewodnikowe wykonane z Bi-2212, które wykorzystano podczas wdrożenia pierwszego projektu pilotażowego NOPZ w Wielkiej Brytanii. Element ten miał formę cewki wykonanej z Bi-2212 w technologii MCP (melt-cast processing) i wlutowanej do cylindra z miedzioniklu, który pełni rolę metalicznego bocznika mającego przeciwdziałać powstawaniu gorących miejsc w NW. Dla każdego z elementów wycięto uzwojenie o długości 3m i wklejono wewnętrzne wzmocnienie w postaci rury z tworzywa sztucznego. Funkcję ogranicznika prądu dla każdej z trzech faz pełniły 24 pary połączonych szeregowo cewek. Wdrożenie prototypowego układu NOPZ Miejsce przeprowadzenia pilotażowego wdrożenia układu NOPZ do sieci wyznaczono w 2006 r. Wybór padł na teren o charakterze półmiejskim w hrabstwie Lancashire w Wielkiej Brytanii, z uwagi na stosunkowo dużą przestrzeń dla planowanej instalacji i rzeczywiste potrzeby tamtejszej sieci. Jak się okazało, przeprowadzone wcześniej podwyższenie napięcia dwóch transformatorów 33/11 kv zasilających lokalną stację elektroenergetyczną sprawiło, że poziom prądu zwarciowego przewyższył znamionową zdolność załączania i wyłączania zainstalowanych w niej wyłączników. Wiązało się to z koniecznością budowy nowej stacji elektroenergetycznej i instalacji rozdzielni 11 kv z nowymi wyłącznikami na 10 liniach dystrybucyjnych, dwóch liniach zasilających rozdzielnię i jednego wyłącznika sekcji szyn. Jednocześnie z zastosowaniem tradycyjnego sposobu rozwiązania problemu nadmiernych prądów zwarciowych rozpoczęto prace projektowe układu NOPZ jako metody alternatywnej dla przebudowy wyżej wymienionej stacji elektroenergetycznej w oparciu o rzeczywiste warunki i potrzeby. Jako podstawę do wyznaczenia charakterystyki eksploatacyjnej projektowanego NOPZ przyjęto moc poprzedniej rozdzielni. Dawna rozdzielnia 11 kv odznaczała się mocą zwarciową 150 MVA, co oznaczało zdolność wyłączeniową i włączeniową (wytrzymałość zwarciową) o wartości odpowiednio 7,87 ka i 19,7 ka. Szczytowa wartość prądów zwarcia każdego z dwóch transformatorów wynosiła 11 ka (4,2 ka wartość skuteczna). W trakcie prac projektowych założono, że NOPZ powinien ograniczać prądy zwarciowe płynące przez każdy z wyłączników do poziomu stanowiącego 95% wytrzymałości zwarciowej poprzednich wyłączników, czyli odpowiednio 7,48 ka i 18,72 ka. Zadaniem układu NOPZ, który został przyłączony do sekcji szyn równolegle z istniejącym wyłącznikiem sekcji szyn (który podczas testu będzie otwarty), jest ograniczenie przepływu prądu zwarciowego z prawidłowo działającej do uszkodzonej szyny zbiorczej podczas wystąpienia zwarcia na linii odpływowej. Suma wartości tego prądu zwarciowego i prądu zwarciowego pochodzącego z transformatora bezpośrednio zasilającego szynę rozdzielni, na której doszło do zwarcia, nie może przekraczać poziomu stanowiącego 95% wytrzymałości zwarciowej dawnej rozdzielni. W ten sposób poziom ograniczenia prądu zwarciowego uzależniony jest od charakterystyki sieci oraz parametrów istniejących urządzeń. Instalacja pierwszego układu NOPZ w elektrowni Celem projektu pilotażowego prowadzonego przez firmę Vattenfall Europe Generation AG jest instalacja układu NOPZ jako zabezpieczenia przeciwzwarciowego wewnętrznego zasilania elektrowni opalanej węglem brunatnym w mieście Boxberg w Saksonii. Zastosowane przez Vattenfall rozwiązanie, oparte na technologii wysokotemperaturowych nadprzewodników opracowanej przez Nexans i zaprojektowane dla prądu znamionowego w wysokości 800 A, jest obecnie poddawane badaniom w warunkach rzeczywistych zainstalowano go na szynach 12 kv zasilających młyny bijakowe stosowane do kruszenia węgla. Układ NOPZ instalowany w elektrowni w Boxbergu został zaprojektowany i wykonany przez Nexans Superconductors zgodnie ze specyfikacją otrzymaną od firmy Vattenfall i Politechniki Brandenburskiej w Cottbus (Niemcy), która zapewnia wsparcie naukowe dla projektu. Urządzenie jest w stanie obniżyć prąd zwarciowy o wartości 63 ka do poziomu ok. 30 ka w trybie natychmiastowym, zaś po 10 tysięcznych sekundy do ok. 7 ka. Przedruk z Power Engineering International, June 2010, za zgodą Wydawcy, PennWell Corporation. 73