AKTUALNY STAN BADAŃ NADPRZEWODNIKOWYCH OGRANICZNIKÓW PRĄDÓW *)

Transkrypt

1 Joanna KOZIEŁ AKTUALNY STAN BADAŃ NADPRZEWODNIKOWYCH OGRANICZNIKÓW PRĄDÓW *) W artykule przedstawiono motywację do badań nadprzewodnikowych ograniczników prądu (SFCL). Opisano ideę budowy i zasadę działania nadprzewodnikowych ograniczników prądu. Został zaprezentowany podział ograniczników, w którym uwzględniono typ transformatorowy, jak równieŝ wymieniono zalety poszczególnych typów ograniczników prądu. Słowa kluczowe: nadprzewodnikowy ogranicznik prądu typu transformatorowego, zwarcia, transformator. 1. WSTĘP Zwarcia awaryjne w sieciach elektroenergetycznych są duŝym zagroŝeniem dla transformatorów, generatorów, szyn zbiorczych i linii przesyłowych oraz zmniejszają pewność dostarczania energii odbiorcom. Ograniczanie prądów zwarcia za pomocą dławików i odpowiednio duŝej reaktancji transformatorów znacznie wpływa na wzrost kosztów budowy i eksploatacji systemu elektroenergetycznego, a więc i cenę energii elektrycznej. * ) Praca naukowa finansowana ze środków na naukę w latach jako projekt badawczy. mgr inŝ. Joanna KOZIEŁ j.koziel@pollub.pl Politechnika Lubelska, Wydział Elektrotechniki i Informatyki Instytut Podstaw Elektrotechniki i Elektrotechnologii PRACE INSTYTUTU ELEKTROTECHNIKI, zeszyt 238, 2008

2 194 J.Kozieł O dynamicznych skutkach sił powstających w urządzeniach elektroenergetycznych decyduje największa wartość chwilowa prądu zwarciowego (prąd dynamiczny) przepływającego przez nie podczas zwarcia. Maksymalna wartość sił mechanicznych od prądu zwarcia występuje zwykle w czasie, gdy prąd osiąga pierwsze maksimum po zwarciu tj. 0,005 sekundy przy częstotliwości 50 Hz. JeŜeli przerwiemy obwód zwarciowy lub powiększymy jego impedancję bardzo szybko tj. w czasie znacznie krótszym od 0,005 sekundy to siła dynamiczna nie osiągnie swojego pierwszego maksimum i nie wytworzy nadmiernych napręŝeń i uszkodzeń urządzeń elektromagnetycznych w zwartym obwodzie. Idea budowy nadprzewodnikowych ograniczników prądowych powstała ponad 20 lat temu, jednak warunki do tej realizacji powstały przed kilku laty, kiedy to wytworzono wysokotemperaturowe odpowiednie elementy nadprzewodnikowe oraz kontaktowe układy chłodzenia [1]. Rys. 1. Idea działania nadprzewodnikowych ograniczników prądu [4] 2. KONWENCJONALNE OGRANICZNIKI PRĄDU Wzrost wartości prądów zwarcia spowodowany silniejszymi powiązaniami sieci przemysłowej oraz wzrostem liczby elektrowni i mocy generatorów w nich zainstalowanych stawia coraz większe wymagania

3 Aktualny stan badań nadprzewodnikowych ograniczników prądów 195 aparaturze łączeniowej. Dodatkowe oddziaływanie silników indukcyjnych i generatorów przemysłowych związane jest z niebezpieczeństwem pojawienia się prądów zwarcia 50 ka. Dość skomplikowane jest kontrolowanie tak duŝych prądów ze względu na wytrzymałość łączeniową, cieplną oraz dynamiczną aparatury, konstrukcję rozdzielni oraz kabli, co powoduje tendencję ograniczania wartości prądów zwarcia poprzez powiększanie impedancji zwarcia w sposób sztuczny. Powiększanie wartości impedancji zwarcia Z K moŝe realizować na dwa sposoby. Pierwszym z nich jest wprowadzenie do sieci dodatkowych elementów bądź stosowanie elementów o dostatecznie duŝych impedancjach własnych, a drugim odpowiednie ukształtowanie struktury sieci (ograniczenie liczby elementów pracujących równolegle oraz powiązań między węzłami). NaleŜy zauwaŝyć, Ŝe powiększenie impedancji zwarciowej spowoduje pogorszenie jakości dostarczanej energii. Innym rozwiązaniem jest stosowanie urządzeń ograniczających wartość prądu zwarcia. Ze względu zasadę działania urządzenia podzielono na: urządzenia przerywające zwarty obwód, zanim prąd osiągnie duŝą wartość (do 5 ms), urządzenia z zastosowaniem elementów, których impedancja prawie zerowa zwiększa się znacznie podczas zwarcia ograniczającego prąd [7]. W literaturze oprócz stosowanych dławików zwarciowych, bezpieczników topikowych oraz automatyki rozcinającej jako urządzenie do ograniczania wartości prądu zwarciowego wyróŝniono ograniczniki konwencjonalne. Zasada działania ogranicznika konwencjonalnego została przedstawiona na rysunku 2. Rys. 2. Zasada działania ogranicznika prądu zwarciowego [14]: 1 - przekładnik prądowy,2- urządzenie mierzące szybkość narastania prądu, 3- ogranicznik

4 196 J.Kozieł Najpopularniejsza konstrukcja (rys. 3) jest zbliŝona do aparatu produkowanego przez firmę Carl-Emag [14]. Rys. 3. Uproszczony przekrój ogranicznika prądu zwarciowego [14]: 1 - osłona izolacyjna, 2 - mikroładunek wybuchowy, 3 - tor prądowy główny, 4 - bezpiecznik, 5 - przekładnik izolujący Ograniczniki konwencjonalne mają dwa równoległe tory prądowe. Pierwszy o znacznym przekroju, przeznaczony do przewodzenia prądu roboczego jest wyposaŝony w mikroładunek wybuchowy (detonator). Zadziałanie detonatora jest sterowane z urządzenia mierzącego szybkość narastania prądu. Przy znacznych spodziewanych wartościach prądu (duŝe di/dt) jest wysyłany impuls powodujący rozerwanie (przerwanie) toru roboczego. Ostatecznie przerwanie obwodu i zgaszenie łuku odbywa się w bezpieczniku bocznikującym tor roboczy. Całkowite przerwanie obwodu nie trwa dłuŝej niŝ 1 ms (rys. 4) [14]. W tym wypadku sygnałem wyzwalającym jest szybkość narastania wartości prądu zwarciowego, tak więc ogranicznik rozróŝnia zwarcia: lekkie od cięŝkich. Prąd zwarciowy, którego wartość jest mniejsza niŝ wytrzymałość zwarciowa i zdolność wyłączania urządzeń, jest przerywany wyłącznikami lub rozłącznikami. Główną zaletą konwencjonalnych ograniczników prądu zwarciowego jest moŝliwość stosowania aparatury o wytrzymałości zwarciowej i

5 Aktualny stan badań nadprzewodnikowych ograniczników prądów 197 zdolności łączeniowej mniejszej niŝ wymagana wynikająca z mocy zwarciowej w miejscu ich zainstalowania (rys. 5). Rys. 4. Charakterystyka działania ogranicznika prądu zwarciowego [14] Rys. 5. Szkice ukazujące przykładowe miejsca instalowania ograniczników prądu zwarciowego (1) w rozdzielnicach SN [14] Wadą konwencjonalnych ograniczników prądu zwarciowego jest konieczność wymiany wkładek po kaŝdorazowym zadziałaniu. W obwodach z kondensatorami przy załączaniu baterii kondensatorów szybkość narastania przebiegów przejściowych prądu załączeniowego jest bardzo znaczna, co moŝe

6 198 J.Kozieł powodować błędne zadziałanie ograniczników [3], [14]. W celu wyeliminowania zbędnego (na skutek błędu) działania ograniczników prądu, stosowano rozbudowane układy rozpoznające przyczyny szybkiego narastania prądu (di/dt) i nie dopuszczające do działania ograniczników, jeŝeli są one wywołane innymi zdarzeniami niŝ zwarcia. Układy przepuszczają impuls na zadziałanie, jeŝeli wystąpiło zwarcie, a spodziewane wartości prądu zwarciowego są większe niŝ zdolność wyłączalna zainstalowanych wyłączników. NaleŜy podkreślić, Ŝe ograniczniki konwencjonalne są mało rozpowszechnione w Polsce. Zasadność ich wyboru jest oczywista w przypadkach bardzo duŝych mocy zwarciowych (przekraczających zdolność łączeniową i wytrzymałość zwarciową aparatów) [14]. Ograniczniki prądu budowane są na napięcie znamionowe do 30kV i prąd ciągły 3000 A [7]. Naukowcy podjęli badania nad nadprzewodnikowymi ogranicznikami prądów, jako optymalnym rozwiązaniem przy zapobieganiu zwarciom i ich skutkom. Na schemacie (rys. 6) przedstawiono motywy badań nad SFCL. Rys. 6. Motywacja do badań nadprzewodnikowych ograniczników prądu [4]

7 Aktualny stan badań nadprzewodnikowych ograniczników prądów IDEA DZIAŁANIA NADPRZEWODNIKOWYCH OGRANICZNIKÓW PRĄDÓW Szybkie i niezawodne działanie mogą zapewnić nadprzewodnikowe ograniczniki prądów, bowiem czas przejścia nadprzewodnika ze stanu nadprzewodzącego do rezystywnego wynosi kilkadziesiąt mikrosekund, a ich powrót do pracy po zadziałaniu jest natychmiastowy i nie wymaga wykonywania jakichkolwiek czynności. Rys. 7. Rzeczywista charakterystyka napięciowo prądowa nadprzewodnikowego ogranicznika prądu [1] 3. ZASADA DZIAŁANIA NADPRZEWODNIKOWYCH OGRANICZNIKÓW PRĄDU TYPU REZYSTANCYJNEGO, ZALETY I WADY Najprostszą konstrukcją nadprzewodnikowych ograniczników prądu (SFCL) są ograniczniki typu rezystancyjnego z elementem nadprzewodnikowym włączonym bezpośrednio do obwodu chronionego. Przy takim włączeniu nadprzewodnika przepływa przez niego zarówno normalny prąd obciąŝenia jak i prąd zwarciowy. Ograniczenie prądu zwarciowego po przekroczeniu przez niego wartości krytycznej prądu nadprzewodnika (I C ), następuje na skutek przejścia nadprzewodnika ze stanu nadprzewodzącego do stanu rezystywnego. Procesowi temu towarzyszy gwałtowny wzrost rezystancji elementu nadprzewodnikowego, a tym samym ograniczenie prądu zwarciowego. Zasadę budowy ogranicznika przedstawia rysunek 8.

8 200 J.Kozieł Wartość prądu wyzwalania ograniczników rezystancyjnych zaleŝy od rodzaju zastosowanego nadprzewodnika, jego kształtu i wymiarów geometrycznych. Rys. 8. Nadprzewodnikowy ogranicznik prądu typu rezystancyjnego [3] Elementy nadprzewodnikowe ograniczników mogą być wykonane w postaci: stosów z płytek nadprzewodnikowych połączonych szeregowo bądź równolegle w celu uzyskania odpowiedniej wartości krytycznego prądu nadprzewodnika, cienkowarstwowych nadprzewodników YBCO na podłoŝach krystalicznych, masywnych nadprzewodników Bi i YBCO, spiral z taśm nadprzewodnikowych Bi-2223 i Bi W niektórych konstrukcjach stosuje się teŝ włókniste przewodniki niskotemperaturowe NbTi i Nb 3 Sn [1]. Elementy nadprzewodnikowe umieszczone w kriostacie, chłodzone są cieczami kriogenicznymi lub kontaktowo. Prąd do elementu nadprzewodnikowego doprowadzany jest przepustami prądowymi, wykonanymi częściowo z nadprzewodnika HTS, które pozwalają znacznie ograniczyć straty mocy w normalnych warunkach pracy ogranicznika, przy przepływie prądu z obszaru o temperaturze otoczenia do obszaru o temperaturze kriogenicznej. Przejściu elementu nadprzewodnikowego do stanu rezystywnego towarzyszy duŝy wzrost jego temperatury, związany z niewielką pojemnością cieplną materiału nadprzewodnika. Prąd przepływający przez nadprzewodnik,

9 Aktualny stan badań nadprzewodnikowych ograniczników prądów 201 znajdujący się w stanie rezystywnym powoduje powstawanie strat cieplnych (Joule a), wpływających na wydajność pracy układu chłodzenia. W celu zmniejszenia obciąŝenia elementu nadprzewodnikowego, bocznikuje się go elementem mniejszej impedancji tak, aby prąd przepływał przez bocznik a nie przez element nadprzewodnikowy w stanie rezystywnym o impedancji znacznie mniejszej. a) b) c) d) Rys. 9. Sposoby realizacji nadprzewodnikowych ograniczników prądu typu rezystancyjnego: a stos nadprzewodnikowy, b - ogranicznik cienkowarstwowy, c - nadprzewodnik masywny, d - spirala nadprzewodnikowa [1] Elementami bocznikującymi prąd ograniczników rezystancyjnych, mogą być rezystory, cewki, rzadziej warystory. Znajdują się one w temperaturze otoczenia i straty cieplne, powstające w wyniku przepływu prądu nie powiększają wymaganej wydajności układu chłodzenia ogranicznika. Po ustąpieniu zwarcia nadprzewodnik ponownie przechodzi do stanu

10 202 J.Kozieł nadprzewodnikowego i zanika przepływ prądu przez bocznik. Schematy elektryczne ograniczników rezystancyjnych, bocznikowanych elektrycznie przedstawia rysunek 10. Rys. 10. Schematy ograniczników rezystancyjnych bocznikowanych elektrycznie [1] Do zalet nadprzewodnikowych ograniczników prądu typu rezystancyjnego moŝna zaliczyć: mało skomplikowaną budowę ogranicznika i układu chłodzenia, szybki czas zadziałania, duŝą rezystancję nadprzewodnika znajdującego się w stanie rezystywnym, rzędu 10µΩm, co pozwala na zmniejszenie cięŝaru i objętości ogranicznika oraz moŝliwość pracy w obwodach prądu przemiennego i stałego. Do wad nadprzewodnikowych ograniczników prądu typu rezystancyjnego moŝna zaliczyć: konieczność stosowania przepustów prądowych, które powiększają koszt ogranicznika oraz powiększających wymaganą moc układu chłodzenia. 4. ZASADA DZIAŁANIA NADPRZEWODNIKOWYCH OGRANICZNIKÓW PRĄDU TYPU INDUKCYJNEGO, ZALETY I WADY W nadprzewodnikowym ograniczniku prądu typu indukcyjnego [1], obwód z elementem nadprzewodnikowym nie jest połączony galwanicznie z obwodem chronionym przez ogranicznik, a więc prąd zwarciowy nie przepływa przez nadprzewodnik. Nadprzewodnikowy ogranicznik prądu typu indukcyjnego, zwany takŝe ogranicznikiem z ekranowanym rdzeniem, ma budowę transformatora. Składa się z rdzenia magnetycznego oraz dwóch uzwojeń: pierwotnego i wtórnego.

11 Aktualny stan badań nadprzewodnikowych ograniczników prądów 203 Uzwojenie pierwotne, wykonane z miedzi, włączone jest bezpośrednio do obwodu chronionego, podczas gdy nadprzewodnikowe uzwojenie wtórne jest zwarte. Uzwojenie to jest wykonane najczęściej z nadprzewodnika wysokotemperaturowego Bi-2212 lub Bi-2223 (tab.1) w postaci cylindra, stanowiącego jeden zwój zwarty. Schemat elektryczne ogranicznika indukcyjnego przedstawia rysunek 11. Rys. 11. Nadprzewodnikowy ogranicznik prądu typu indukcyjnego [1],[3] W normalnych warunkach pracy, a więc przy prądzie mniejszym od prądu wyzwalania ogranicznika, cylinder nadprzewodnikowy znajduje się w stanie nadprzewodzącym, pełniąc rolę ekranu magnetycznego kolumny rdzenia magnetycznego, na której współosiowo umieszczone są oba uzwojenia. Strumień magnetyczny, indukowany przez uzwojenie pierwotne nie moŝe przeniknąć do rdzenia, co objawia się niska impedancją układu. Ogranicznik zachowuje się jak przekładnik prądowy. Z chwilą wystąpienia zwarcia w obwodzie chronionym, prądy w uzwojeniu pierwotnym konwencjonalnym i wtórnym nadprzewodnikowym gwałtownie rosną. Po przekroczeniu wartości krytycznej w uzwojeniu nadprzewodnikowym (wtórnym), jego rezystancja gwałtownie rośnie i jego przepływ zanika. Strumień magnetyczny indukowany przez uzwojenie pierwotne nie jest kompensowany przez przeciwnie skierowany strumień uzwojenia wtórnego i ogranicznik dla obwodu chronionego zachowuje się jak dławik o duŝej reaktancji. Gwałtowny wzrost impedancji uzwojenia pierwotnego, ogranicza prąd zwarciowy. Po ustąpieniu zwarcia uzwojenie wtórne powraca do stanu nadprzewodzącego i ogranicznik jest gotowy do pracy bez wymiany jakiegokolwiek elementu.

12 204 J.Kozieł Ze względu na sposób realizacji obwodu magnetycznego, nadprzewodnikowe ograniczniki prądu typu indukcyjnego dzielimy na układy z otwartym i zamkniętym rdzeniem magnetycznym Ograniczniki indukcyjne z zamkniętym rdzeniem magnetycznym W ogranicznikach z zamkniętym rdzeniem magnetycznym cała droga strumienia zamyka się w Ŝelazie rdzenia. Rysunek 12 przedstawia rozkład strumieni magnetycznych ogranicznika. Rys. 12. Droga strumieni magnetycznych ogranicznika z zamkniętym rdzeniem magnetycznym; Φ r1 strumień rozproszenia pierwotnego, Φ r2 - strumień rozproszenia uzwojenia wtórnego, Φ strumień główny [1] Istnieją dwa główne sposoby technicznej realizacji ograniczników z zamkniętym rdzeniem magnetycznym, róŝniące się rozmieszczeniem uzwojeń. W pierwszym przypadku uzwojenie pierwotne i wtórne umieszczone są współosiowo, na jednej kolumnie rdzenia. W drugim przypadku uzwojenie pierwotne umieszczone jest na jednej kolumnie, natomiast wtórne na drugiej. W obu przypadkach uzwojenia nadprzewodnikowe umieszczone jest w kriostacie. Uzwojenia pierwotne znajduje się w temperaturze otoczenia, nie obciąŝając tym samym układu chłodzenia. Rdzeń magnetyczny powinien znajdować się w temperaturze otoczenia. Stwarza to konieczność stosowania kriostatów niemetalicznych z ciepłym otworem [1].

13 Aktualny stan badań nadprzewodnikowych ograniczników prądów Ograniczniki indukcyjne z otwartym rdzeniem magnetycznym W ogranicznikach indukcyjnych z otwartym rdzeniem magnetycznym strumień magnetyczny kolumny zamyka się przez nieograniczoną przestrzeń powietrzną (rys.13). Rozkład strumienia magnetycznego w powietrzu istotnie wpływa na efektywność ograniczania prądu. Zaletą ogranicznika indukcyjnego z otwartym rdzeniem magnetycznym w stosunku do ogranicznika z rdzeniem zamkniętym, jest łatwy dostęp do uzwojeń i kriostatu, prostsza budowa i mniejsza masa. Wadą jest wytwarzanie pola magnetycznego w duŝym obszarze przestrzeni, co prowadzi do spowolnienia procesu przechodzenia uzwojenia nadprzewodnikowego do stanu rezystywnego, a tym samym spowolnienia ograniczenia prądu. WaŜnym zagadnieniem przy projektowaniu ograniczników z otwartym rdzeniem magnetycznym jest wybór rdzenia o odpowiednim stosunku jego wysokości do średnicy. Rys. 13. Realizacja ogranicznika indukcyjnego z otwartym rdzeniem magnetycznym; Φ r1 - strumień rozproszenia uzwojenia pierwotnego; Φ r2 - strumień uzwojenia wtórnego, Φ - strumień główny [1] W obu rozpatrywanych rodzajach ograniczników indukcyjnych poziom prądu wyzwalania ogranicznika, wyznacza się przez dobór przekładni

14 206 J.Kozieł transformatora. Praktycznie sprowadza się do określenia liczby zwojów uzwojenia pierwotnego, poniewaŝ uzwojenie wtórne stanowi jeden zwój. Aby zmienić wartość prądu wyzwalania ogranicznika naleŝy zmienić liczbę zwojów uzwojenia pierwotnego, lub zastosować uzwojenie pierwotne z odczepami. Pierwszy sposób jest moŝliwy do realizacji w ogranicznikach z otwartym rdzeniem magnetycznym, drugi sposób stosuje się głównie w ogranicznikach z zamkniętym rdzeniem magnetycznym, gdzie wymiana uzwojenia pierwotnego jest niemoŝliwa Nadprzewodnikowy ogranicznik prądu typu indukcyjnego z regulowanym poziomem prądu wyzwalania Poziom prądu wyzwalania (zadziałania ogranicznika) określony jest przez wartość krytycznego prądu nadprzewodnika, po przekroczeniu, którego nadprzewodnik przejdzie do stanu rezystywnego. Wartość krytycznego prądu nadprzewodnika jest parametrem zaleŝnym od rodzaju i wymiarów geometrycznych zastosowanego elementu nadprzewodnikowego. W dotychczas omawianych ogranicznikach indukcyjnych wartość prądu wyzwalania, przy stałej wartości prądu krytycznego zastosowanego nadprzewodnika, określa się poprzez dobór odpowiedniej liczby zwojów uzwojenia pierwotnego, a więc poprzez zmianę przekładni transformatora. Zmiana wartości prądu wyzwalania w takich ogranicznikach wiąŝe się z koniecznością zmiany uzwojenia pierwotnego (zmiana przekładni transformatora). Tak więc, w praktyce kaŝdy ogranicznik indukcyjny, zwłaszcza z zamkniętym rdzeniem magnetycznym, moŝe być zaprojektowany na jedną wartość prądu zwarciowego. Z tego powodu zrodziła się koncepcja nadprzewodnikowego prądu z moŝliwością regulacji poziomu prądu wyzwalania, pozwalająca dostosować dany ogranicznik do konkretnych warunków pracy [1]. Podstawą konstrukcji ogranicznika jest transformator powietrzny (bezrdzeniowy), składający się z dwóch uzwojeń nadprzewodnikowych umieszczonych współosiowo. Uzwojeniem pierwotnym jest cewka wewnętrzna, włączona bezpośrednio do obwodu chronionego. Cewka zewnętrzna, stanowiąca uzwojenie wtórne jest zwarta. W normalnych warunkach pracy oba uzwojenia znajdują się w stanie nadprzewodzącym. SprzęŜenie magnetyczne pomiędzy uzwojeniami jest bardzo silne, wartość impedancji układu jest bardzo mała i nie oddziałuje na obwód chroniony. Po wystąpieniu zwarcia wartość prądu płynącego w obu

15 Aktualny stan badań nadprzewodnikowych ograniczników prądów 207 Rys. 14. Ogranicznik z regulowanym poziomem prądu wyzwalania [1] uzwojeniach wzrasta. Przekroczenie prądu krytycznego uzwojenia wtórnego, powoduje przejście nadprzewodnika do stanu rezystywnego, prowadzące do wzrostu impedancji ogranicznika i ograniczenia prądu zwarciowego Nadprzewodnikowy ogranicznik prądu typu indukcyjnego z dwoma obwodami magnetycznymi i wspólnym uzwojeniem nadprzewodnikowym Jednofazowy ogranicznika prądu ze wspólnym uzwojeniem nadprzewodnikowym składa się z dwóch niezaleŝnych rdzeni magnetycznych oraz jednego wspólnego uzwojenia nadprzewodnikowego prądu stałego, sprzęgającego oba obwody magnetyczne [1]. W normalnych warunkach pracy nadprzewodnik znajdujący się w stanie nadprzewodzącym przy prądzie stałym, nie oddziałuje na obwód prądu przemiennego, a tym samym nie wnosi Ŝadnej impedancji do obwodu chronionego. Ponadto w skład ogranicznika wchodzą dwa konwencjonalne uzwojenia prądu przemiennego. Są one nawinięte na oddzielnych rdzeniach i przeciwnie ze sobą połączone. Takie nawinięcie powoduje, Ŝe w kaŝdej chwili czasowej, prąd płynący przez jedno z uzwojeń dodaje się do amperozwojów uzwojenia nadprzewodnikowego, podczas gdy prąd płynący przez drugie odejmuje się.

16 208 J.Kozieł Schemat elektryczny ogranicznika ze wspólnym uzwojeniem nadprzewodnikowym oraz jego budowę przedstawiono na rysunkach 15 i 16. Rys. 15. Schemat elektryczny ogranicznika ze wspólnym uzwojeniem nadprzewodnikowym: Φ a i Φ b strumienie w rdzeniach a i b; L indukcyjność obwodu prądu przemiennego; Ls indukcyjność obwodu z uzwojeniem nadprzewodnikowym [1] W normalnych warunkach pracy prąd stały przez uzwojenie nadprzewodnikowe nie powoduje utraty nadprzewodzenia i przejścia do stanu rezystywnego. Oba rdzenie magnetyczna znajdują się w stanie nasycenia, a ich przenikalność jest mała. Strumienie magnetyczne w obu rdzeniach, indukowane przez uzwojenie konwencjonalne, są skierowane przeciwnie tak, więc suma tych strumieni w uzwojeniach w uzwojeniu nadprzewodnikowym jest równa zeru. W czasie zwarcia gwałtowny wzrost prądu prowadzi do znacznego zwiększenia przenikalności magnetycznej obu rdzeni magnetycznych. W pierwszym półokresie prądu zwarciowego zmienia się przenikalność jednego rdzenia, a w drugim drugiego. Wzrost w danej chwili, przenikalności jednego rdzenia powoduje, Ŝe suma strumieni obu rdzeni, w uzwojeniu nadprzewodnikowym jest róŝna od zera, co powoduje indukowanie się prądu w uzwojeniu nadprzewodnikowym. Przekroczenie przez prąd indukowany wartości prądu krytycznego nadprzewodnika powoduje jego przejście do stanu rezystywnego. Związany z tym wzrost indukcyjności oddziałuje na uzwojenia prądu przemiennego, powodując ograniczenie prądu zwarciowego. Poziom ograniczania prądu ogranicznika moŝna w prosty sposób określić przez dobór odpowiedniej liczby zwojów uzwojeń prądu przemiennego.

17 Aktualny stan badań nadprzewodnikowych ograniczników prądów 209 Rys. 16. Ogranicznik indukcyjny ze wspólnym uzwojeniem nadprzewodnikowym [1] Uzwojenie nadprzewodnikowe wykonane jest najczęściej w postaci pierścienia z nadprzewodnika Bi-2212, lecz stosuje się takŝe uzwojenia cylindryczne, wykonane z taśm nadprzewodnikowych Bi NADPRZEWODNIKOWY OGRANICZNIK PRĄDU TYPU HYBRYDOWEGO Koncepcja nadprzewodnikowego ogranicznika prądu typu hybrydowego powstała w wyniku próby poprawienia parametrów pracy ograniczników rezystancyjnych, zwłaszcza skrócenia ich czasu zadziałania [1]. Ograniczniki hybrydowe składają się z elementu nadprzewodnikowego, włączonego szeregowo w obwód chroniony oraz połączonego z nim szeregowo uzwojenia konwencjonalnego, wzbudzającego zewnętrzne pole magnetyczne. Schemat elektryczny ogranicznika hybrydowego przedstawia rysunek 17 [1]. W normalnych warunkach pracy, gdy prąd w obwodzie nie przekracza pewnej wartości krytycznego prądu nadprzewodnika element nadprzewodnikowy znajduje się w stanie nadprzewodzącym i rezystancja jego jest równa zeru. Pole magnetyczne równoległe do powierzchni nadprzewodnika, generowane jest przez uzwojenie wzbudzające, nie oddziałuje

18 210 J.Kozieł na element nadprzewodnikowy. Po wystąpieniu zwarcia w obwodzie, przejście elementu nadprzewodnikowego do stanu rezystywnego, a tym samym Rys. 17. Schemat elektryczny ogranicznika hybrydowego [1] ograniczenie prądu zwarciowego, spowodowane jest nie tylko przekroczeniem krytycznej wartości prądu nadprzewodnika (jak ma to miejsce w klasycznych ogranicznikach rezystancyjnych), ale takŝe przekroczeniem krytycznego natęŝenia pola magnetycznego nadprzewodnika. Prąd zwarciowy przepływający przez uzwojenie wzbudzające, generuje pole magnetyczne. Pole, którego natęŝenie jest o wiele większe niŝ natęŝenie pola generowanego w normalnych warunkach pracy, zaczyna oddziaływać na nadprzewodnik, powodując szybsze przejście do stanu rezystywnego. Wpływając na wartość tego pola, poprzez odczepy cewki, moŝemy zmieniać czas zadziałania ogranicznika. Im większe natęŝenie pola, tym krótszy czas zadziałania ogranicznika. 6. ZASADA DZIAŁANIA NADPRZEWODNIKOWYCH OGRANICZNIKÓW PRĄDU TYPU TRANSFORMATOROWEGO, ZALETY I WADY Wymagania stawiane materiałom nadprzewodnikowym dla SFCL są inne niŝ w przypadku pozostałych urządzeń nadprzewodnikowych przewidzianych do pracy wyłącznie w stanie nadprzewodzącym. SFCL typu transformatorowego nie wymagają przepustów prądowych jak ograniczniki rezystancyjne i nie wymagają uzwojenia nadprzewodnikowego tak jak ograniczniki indukcyjne. Wadą ograniczników transformatorowych jest zbyt mały wzrost impedancji ograniczającej prąd, powstałej wskutek przejścia elementu nadprzewodnikowego w stan rezystywny wywołany przekroczeniem

19 Aktualny stan badań nadprzewodnikowych ograniczników prądów 211 prądu krytycznego elementu nadprzewodnikowego. Impedancja uzwojenia wtórnego ogranicznika powiększy impedancję obwodu zwarciowego w czasie stanu wyczekiwania ogranicznika na zadziałanie, wskutek czego ograniczany prąd zwarcia jest mniejszy (przez przyrost względny rezystancji elementu nadprzewodnikowego). Rys. 18. Nadprzewodnikowy ogranicznik prądu typu transformatorowego [1],[3] Układ (rys.18) wyposaŝony jest w dwa wyłączniki. Zadaniem wyłącznika 1. jest ochrona sieci, zadaniem 2. jest ochrona stosu przed przegrzaniem. Otworzenie wyłącznika 2 podczas ograniczania prądu nie rozłącza zabezpieczonego obwodu i nie zmniejsza impedancji wprowadzonej do pętli zwarcia przez ogranicznik. Zaletą ograniczników typu transformatorowego jest moŝliwość uŝycia elementu nadprzewodnikowego dowolnego kształtu w prostym kriostacie bez stosowania dodatkowo przepustów prądowych.

20 212 J.Kozieł Rys. 19. Obwód elektryczny nadprzewodnikowego ogranicznika prądu typu transformatorowego [10]: I 1 - wartość prądu strony pierwotnej transformatora, I 2 -wartość prądu strony wtórnej transformatora, U 1 - wartość napięcia strony pierwotnej transformatora, U 2 - wartość napięcia strony wtórnej transformatora, L 1 - indukcyjność własna strony pierwotnej, L 2 - indukcyjność własna strony wtórnej, U S - napięcie źródła energii, M - indukcyjność wzajemna, Z L obciąŝenie, R 2 - rezystancja ograniczającego elementu nadprzewodnikowego Główną wadą ograniczników transformatorowych jest wymaganie większej rezystancji w stanie nienadprzewodzącym, aby zapewnić wymagany stopień ograniczania prądu. 7. TENDENCJE ŚWIATOWE W BADANIACH NAD NADPRZEWODNIKOWYMI OGRANICZNIKAMI PRĄDU Aby spełnić specyficzne wymagania dotyczące projektowania nadprzewodnikowych ograniczników prądu typu transformatorowego element nadprzewodnikowy powinien zostać zaprojektowany z taśmy drugiej generacji (2G). W innych zastosowaniach nadprzewodników wartość rezystancji w stanie nienadprzewodzącym jest bardzo mała i dlatego badania nad uzyskaniem materiałów o duŝej rezystywności w stanie normalnym nie były prowadzone.

21 Aktualny stan badań nadprzewodnikowych ograniczników prądów 213 W ostatnich latach zagadnieniem tym zajmuje się kilka ośrodków na świecie i są publikowane juŝ pierwsze wyniki [9]. Rys. 20. Taśma nadprzewodnikowa drugiej generacji o szerokości 4 cm, produkt American Superconductors [11] Od 2002 roku nastąpił znaczny postęp w produkcji taśm, czego efektem jest powtarzalna produkcja taśm o prądzie krytycznym A/cm szerokości. Poziom ten zbliŝa się do wartości 300 A/cm szerokości - wartości granicznej do produkcji komercyjnej kabli nadprzewodnikowych. Wartość ta została juŝ przekroczona, lecz w taśmach o niewielkich długościach. Taśmy HTS drugiej generacji (2G) składają się z podłoŝa, na którym cienka warstwa nadprzewodnika przewaŝnie YBa 2 Cu 3 O 7 ( YBCO ), jest naparowana lub następuje wzrost sieci krystalicznej YBCO. W finalnym produkcie jest ona bardzo równa tworząc powłokę, która jest faktycznie pojedynczym kryształem. Grubość powłoki nadprzewodnika to wymiar rzędu 1

22 214 J.Kozieł µm. Im wyŝszy stopień orientacji krystalicznej warstwy nadprzewodnika jest osiągnięty w procesie produkcji, tym większa gęstość prądu krytycznego taśmy. Wyzwaniem dla technologii RABiTS, w której uŝywa się krystalograficznie teksturowanych podłoŝy jest wyeliminowanie wszelkich zanieczyszczeń, które mogą spowodować defekty na powierzchni, co zostało osiągnięte przez stosowanie bardzo czystych materiałów oraz sterylnego środowiska w procesie deformacji. Następnym wyzwaniem jest osiągnięcie bardzo gładkiej powierzchni podłoŝa, poniewaŝ ziarno o grubości 30-50µm moŝe spowodować spadek jakości wąskich taśm na przykład przez przypadkowe zgrupowanie niekorzystnych granic ziaren blokując przepływ prądu przez znaczną część szerokości taśmy. W procesie RABiTS osiągnięta została efektywna tlenowa warstwa buforowa, którą zapewnia dobra adhezja. Pierwsza warstwa (zarówno Y 2 O 3 jak i CeO 2 ), które optymalizują adhezje powierzchni metal-tlen, druga warstwa YSZ, która blokuje dyfuzje atomów metalu i trzecia warstwa, tlenek ceru, która zapewnia doskonałe warunki dla warstwy YBCO. Wszystkie te warstwy mogą być napylane jonowo z doskonałą powtarzalnością za pomocą magnetronów DC [7]. Rys. 21. Struktura (RABiTS/MOD 2G HTS wire) taśmy drugiej generacji [11] Obecnie testowane prototypy nadprzewodnikowych ograniczników prądu zostały zestawione w tabeli 1. Budowane są prototypy wszystkich typów ograniczników, w większości rezystywne. Są to dane zebrane w 2007 roku. Podawany rok jest to rok, w którym wykonano testy danego prototypu.

23 Aktualny stan badań nadprzewodnikowych ograniczników prądów 215 TABELA 1. Stan badań nad nadprzewodnikowymi ogranicznikami prądu: (testowane prototypy)[4] Nazwa firmy Kraj/Rok Typ Dane techniczne: Ilośc faz Nadprzewodnik ACCEL/Nexans SC Niemcy/2004 Rezystancyjny 6.9kV, 600A 3F BSCCO 2212 Nexans Niemcy/2008 Rezystancyjno kV, 1.8kA 1F BSCCO 2212 indukcyjny KEPRI Korea/2007 Rezystancyjny 13.2kV 3F BSCCO 2212 General Atomics USA/2002 Mostek 7.2kV, 1.2kA 1F BSCCO 2223 taśma diodowy Yonsei University Korea/2004 Mostek 3.8kV, 200A 3F BSCCO 2223 taśma diodowy CAS Chiny/2005 Mostek 6kV, 1.5kA 3F BSCCO 2223 taśma diodowy Innopower Chiny/2007 indukcyjny 20kV, 1.6kA 3F BSCCO 2223 taśma Zenergy power Austria, USA, indukcyjny 7.6kV, 1.2kA 3F BSCCO 2223 taśma Niemcy/2009 KEPRI Korea/2004 Rezystancyjny 3.8kV, 200A 3F YBCO cienka warstwa CRIEPI Japonia/2004 Rezystancyjny 1kV, 40A 1F YBCO cienka warstwa Mitsubishi Japonia/2004 Rezystancyjny 200V, 1kA 1F YBCO cienka warstwa Siemens/AMSC Niemcy/2007 Rezystancyjny 7.5V,267A 1F YBCO AMSC/Siemens USA/Niemcy Rezystancyjny 115/ 3kV,- 3F YBCO Hundai/AMSC Korea/2007 Rezystancyjny 13.2kV,630A 1F YBCO IGC Superpower USA/2009 Rezystancyjny 80kV, -ka 3F YBCO Rolls Royce Wielka Brytania Rezystancyjny 6.6kV, 400A - MgB 2 8. WNIOSKI Zainteresowanie autora artykułu to nadprzewodnikowe ograniczniki prądu typu transformatorowego. Celem artykułu było zapoznanie Czytelnika z podziałem nadprzewodnikowych ograniczników prądu z uwzględnieniem genezy nadprzewodnikowych ograniczników prądu typu transformatorowego. Podział jest nie pełny ze względu na ograniczoną objętość artykułu. Zainteresowanym polecam lekturę [1]. Aby spełnić specyficzne wymagania dotyczące projektowania nadprzewodnikowych ograniczników prądu typu transformatorowego element nadprzewodnikowy powinien zostać zaprojektowany z taśmy drugiej generacji (2G). W tym kierunku będą rozwijać się badania i testy w przeciągu najbliŝszych lat. Materiały nadprzewodnikowe dla SFCL powinny charakteryzować się duŝą rezystywnością w stanie rezystywnym oraz duŝą gęstością prądu krytycznego. Z dostępnych obecnie na rynku wysokotemperaturowych materiałów

24 216 J.Kozieł nadprzewodnikowych (rys.22.) moŝna bez ograniczeń budować ograniczniki rezystancyjne oraz indukcyjne. W przypadku nadprzewodnikowych ograniczników prądu typu transformatorowego pojawiają się trudności uzyskania wystarczających wartości impedancji ograniczającej prąd zwarcia. Rys. 22. Wartości rezystywności próbek materiałów nadprzewodnikowych w funkcji temperatury [9] Ogranicznik pracuje w większości w stanie wyczekiwania na zwarcie, tak więc chłodzony jest azotem ze względu na niŝsze koszty. W budowie SFCL wykorzystywane są wysokotemperaturowe nadprzewodniki (HTS). Gdy wartość prądu przekroczy wartość I C najistotniejsze jest, aby ogranicznik bardzo szybko ograniczył prąd zwarcia. Istotny przyrost rezystancji R powinien być na tyle dostatecznie duŝy, aby skutecznie ograniczyć wartość prądu. NaleŜy formułować wymagania dla nadprzewodnikowych materiałów, aby materiałowcy chcieli wytwarzać nowe materiały szczególnie niezbędna do projektowania i budowy nadprzewodnikowych ograniczników prądu. LITERATURA 1. Janowski i inni: Nadprzewodnikowe ograniczniki prądu. LIBER, Lublin 2002.

25 Aktualny stan badań nadprzewodnikowych ograniczników prądów Janowski T., Kozak S., Kondratowicz-Kucewicz B.,Wojtasiewicz G., Kozak J.: Analysis of Transformer Type Superconducting Fault Current Limiters. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol. 17, No. 2, June, 2007, pp Kozak S., Janowski T.: Materiały nadprzewodnikowe nadprzewodnikowych ograniczników prądu, Prace Naukowe IPEE Politechniki Wrocławskiej, nr.44, Konferencje nr 18 (Postępy w Elektrotechnologii) Wrocław- Jamrozowa Polana, września 2006, str Noe M.: Superconducting Fault Current limiters (SCFCLs). Summer School on Materials and Applications on Superconcuctivity. July 23-27, 2007 at Forschungszentrum, Karlsruhe, Germany, Institute For Technical Physics. 5. Kozieł J.: Nadprzewodnikowe ograniczniki prądu typu transformatorowego. Materiały VII Seminarium Doktorantów Wydziału Elektrotechniki i Informatyki Politechniki Lubelskiej, Lublin 2005, str Kozieł J, Janowski T, Kozak S.: Analiza przydatności wytwarzanych przewodów nadprzewodnikowych na uzwojenie wtórne nadprzewodnikowych ograniczników prądu typu transformatorowego. SAEM 08 and XVIII Sympozjum of PTZE, Zamość str Kacejko P., Machowski J.: Zwarcia w systemach elektroenergetycznych. Wydawnictwo Naukowo- Techniczne, Warszawa Kozieł J, Janowski T.: The Project of Transformer Type of Superconducting Fault Current Limiter. 5 th International Conference: Electromagnetic Devices and Process in Environment Protection- ELMECO-5, Nałęczów, September 2005,Conference Proceedings, Lublin 2008, pp Biju A., Sarum P.M., Aloysius R.P., Syamaprased U.: Improved flux pinning properties of Yb substituted (Bi, Pb)2212 Superconductor. Journal of American Ceramic Society, Volume 90, Issue 10, pp , October Yamaguchi H., Yoshikawa K., Nakamura M., Kataoka T., and Kaiho K.: Current Limiting Characteristics of Transformer Type Superconducting Fault Current Limiter. IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY, VOL. 15, NO.2, JUNE 2005, pp Malozemoff A.P.: Second Generation HTS Wire: An Assessment. 2004: available: Rupich M. W., Verebelyi D. T., Zhang W., Kodenkandath T. and Li X.: Metalorganic Deposition of YBCO Films for Second- Generation High Temperature Superconductor Wires. MRS BULLETIN, AUGUST 2004, pp GAUZZI A. et al., Continuous Deposition of Thermally Co-Evaporated YBCO/CeO2/Ni Coated Conductors, IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol 15, no 2, pp , June Markiewicz H.: Urządzenia elektryczne, Wydawnictwo Naukowo- Techniczne, Warszawa Rękopis dostarczono dnia r. Opiniował: prof. dr hab. inŝ. Jacek SOSNOWSKI

26 218 J.Kozieł THE PRESENT STATE OF RESEARCHES ON SUPERCONDUCTING FAULT CURRENT LIMITERS Joanna KOZIEŁ ABSTRACT: The article presents the motivation to curry researches on superconducting fault current limiters (SFCL). The construction and the operation may of superconducting fault current limiters has been described the most important classification of SFCL, that includes the transformer type of superconducting fault current limiters, as well as advantages of particular current limiter types are presented in this article. IEl, Warszawa Nakład egz. Ark. wyd. 18,44. Ark. druk. 13,62. Pap. off. Kl.III. 80 g. Oddano do druku w grudniu 2008 r. Druk ukończono w styczniu 2009 r. Redakcja Dział Informacji Naukowo-Technicznej Indeks nr 37656