Nadprzewodniki… Chronią od zwarć

Na podstawie: W. Paul „Transmission Systems: Superconducting technology moves on”. Power Engineering International 6/2001, opracował Piotr Olszowiec

Właściciele sieci elektroenergetycznych dokładają starań, aby zmniejszyć zagrożenia towarzyszące zwarciom wielkoprądowym. Zestarzenie izolacji, wypadek lub uderzenie pioruna może wywołać przepływ prądu zwarciowego o natężeniu ograniczonym jedynie przez impedancję sieci między źródłem i miejscem zwarcia. Największe prądy zwarciowe mogą przekraczać ponad 100 razy prąd normalnego obciążenia, prowadząc do nadmiernych narażeń cieplnych i mechanicznych o wielkości proporcjonalnej do kwadratu prądu. Zagrożenie to stale wzrasta w miarę rozbudowy systemów elektroenergetycznych, któremu towarzyszy zwiększanie mocy zwarciowych. Wszystkie elementy systemu elektroenergetycznego zostały zaprojektowane na określoną wytrzymałość na przepływ krótkotrwałego prądu zwarcia. Zapewnienie wyższej wytrzymałości zwarciowej podnosi koszt urządzenia, jak również zwiększa nakłady na remonty, gdyż przepływ większych prądów przyspiesza zużycie elementów torów prądowych.


Zastosowanie urządzeń ograniczających ewentualne prądy zwarcia umożliwia obniżenie wymaganej wytrzymałości zwarciowej elementów systemu i zapewnia redukcję kosztów. Wynika stąd zapotrzebowanie na tzw. ograniczniki prądu zwarcia, które nie wywierają wpływu na przepływ prądu w czasie normalnej pracy sieci. Działanie dotychczas stosowanych ograniczników oparte było na rozstrajaniu obwodu rezonansowego złożonego z indukcyjności i pojemności na nieliniowych elementach, takich jak półprzewodniki, dławiki z rdzeniem żelaznym lub na nadprzewodnikach. Wszystkie wymienione sposoby nie są pozbawione praktycznych wad, jednak wśród nieliniowych materiałów nadprzewodniki wyróżniają się unikalną charakterystyką o skokowym przejściu rezystancji od wartości zerowej przy prądach roboczych do znacznych wartości przy przetężeniach prądowych.

Zjawisko nadprzewodnictwa zostało odkryte w 1911 r. przez holenderskiego fizyka Kammerlingh Onnes’a w trakcie badań własności rtęci w temperaturze –269 st. C. Ustalono, że poniżej pewnych krytycznych wartości temperatury, natężenia pola magnetycznego i gęstości prądu półprzewodniki tracą całkowicie oporność elektryczną. Wewnątrz tego charakterystycznego obszaru (zaznaczonego na rysunku kolorem granatowym) materiał posiada oporność elektryczną właściwą równą zeru. W sąsiednim, przejściowym obszarze (kolor jasnoniebieski) parametr ten szybko wzrasta w miarę zwiększania wspomnianych trzech wielkości. Na zewnątrz tego obszaru (kolor żółty) materiał zachowuje się jak zwykły przewodnik o oporności właściwej niezależnej od pola magnetycznego i gęstości prądu.

Dotychczas opracowano dwa typy nadprzewodzących ograniczników prądu zwarcia (SCFCL- superconducting fault current limiters): rezystancyjne i indukcyjne, których budowę objaśniono na poglądowych rysunkach. Prostszym rozwiązaniem jest ogranicznik rezystancyjny, w którym nadprzewodnik jest włączany szeregowo z chronioną linią. Dla zachowania stanu nadprzewodnictwa, ogranicznik jest zanurzony w cieczy chłodzącej o stałej temperaturze, natomiast prąd i pole magnetyczne mogą ulegać zmianie. Dostatecznie duży przekrój poprzeczny nadprzewodnika zapewnia gęstość prądu mniejszą od krytycznej. W tych warunkach rezystancja wynosi dokładnie zero, a impedancja dla prądu przemiennego jest pomijalnie mała. Nieznaczna reaktancja indukcyjna elementu jest spowodowana nieuniknionymi wymiarami nadprzewodnika. W układzie występują także straty cieplne wywołane prądami wirowymi wyindukowanymi przez zmienne pole magnetyczne.

W przypadku zwarcia, wzrost gęstości prądu i natężenia pola magnetycznego wywołuje przesunięcie punktu pracy ogranicznika z wewnętrznego obszaru nadprzewodnictwa do strefy przejściowej. Nagły wzrost rezystancji nadprzewodnika powoduje pierwsze ograniczenie prądu zwarcia. Towarzyszący mu przyrost temperatury powiększa rezystancję materiału i wywołuje dalszy spadek prądu, zanim nastąpi jego przerwanie przez wyłącznik. Indukcyjny ogranicznik jest w zasadzie transformatorem, którego uzwojenie wtórne zwarto za pomocą nadprzewodnika. Uzwojeniem pierwotnym jest cewka włączona szeregowo w zabezpieczaną linię. Przy zaniedbaniu parametrów wzdłużnych transformatora ogranicznik indukcyjny wykazuje identyczne działanie jak jego rezystancyjny odpowiednik.

Prace nad wykorzystaniem niskotemperaturowych nadprzewodników do ograniczania prądów zwarciowych prowadziły m.in. GEC Alstom, EdF, Toshiba i Tepco. Jednak z powodu nadmiernych kosztów uzyskania wymaganej, ekstremalnie niskiej temperatury, badania te zakończyły się niepowodzeniem. Dopiero odkrycie wysokotemperaturowych nadprzewodników, które pracują w wyższych temperaturach (chłodzone ciekłym azotem w temperaturze –196 st. C) otworzyło drogę do realizacji ekonomicznie opłacalnych SCFCL. Liderem na tym polu jest firma ABB, której ograniczniki prądów zwarcia wykorzystują nadprzewodnik wysokotemperaturowy oparty na bizmucie Bi2212. Pierwszy prototyp SCFCL typu indukcyjnego o mocy 1,2 MVA powstał w 1996 roku i pomyślnie przeszedł próby w szwajcarskiej elektrowni wodnej NOK. Ponieważ ograniczniki indukcyjne posiadają złożoną budowę przy znacznej masie i wymiarach, więc ABB skierowało badania ku prostszym konstrukcjom ograniczników rezystancyjnych. W rezystancyjnych SCFCL przewody uzwojeń zastąpiono arkuszami materiału ceramicznego Bi2212. Najnowszy prototyp nadprzewodnikowego ogranicznika zwarć firmy ABB posiada moc 6,4 MVA i jest największym, jak dotychczas, układem tego rodzaju na świecie.


Przeprowadzone próby SCFCL potwierdziły ich absolutną niezawodność działania wynikającą z samej natury zjawiska nadprzewodnictwa, która zapewnia także nieograniczoną liczbę zadziałań bez zużycia urządzenia.

Nadprzewodnikowe ograniczniki zwarć znajdą szerokie zastosowanie w rozwijających się systemach elektroenergetycznych. Dla uzyskania sztywnego zasilania pozbawionego zakłóceń i odkształceń, odbiorcy nierzadko przyłączają się bezpośrednio do sieci o dużej mocy zwarcia. W zamian za poprawę jakości pobieranej energii, wzrasta jednak wartość prądów ewentualnych zwarć, co zwiększa narażenie aparatury sieciowej. Zastosowanie SCFCL okazuje się rozwiązaniem odwiecznego dylematu elektroenergetyki między potrzebą sztywnego zasilania, a techniczno-ekonomicznymi kosztami eliminacji zagrożeń wywoływanych przez wzrost mocy zwarciowych. Ograniczniki te można instalować w różnych miejscach systemu elektroenergetycznego: sprzęgłach układów szyn, na zasilaniu rozdzielni, w liniach wyprowadzenia mocy bloków itp. W każdym z tych przypadków zastosowanie SCFCL umożliwia dobór aparatury sieciowej, a zwłaszcza wyłączników o niższych prądach wyłączalnych (wytrzymałości zwarciowej). Jednocześnie pozwala na wykorzystanie możliwości, jakie stwarza zasilanie o zwiększonej mocy zwarciowej (wyższa jakość napięcia, większa pewność zasilania przy równoległej pracy dwóch źródeł). Wykonanie SCFCL o mocy znamionowej 6,4 MVA dowodzi, że wkrótce realna będzie konstrukcja tych układów o mocach przekraczających 10 MVA. Jednak powszechne wdrożenie SCFCL w systemach elektroenergetycznych stanie się opłacalne dopiero po obniżeniu kosztów eksploatacji ich układów chłodzenia.

Rys.1. Rezystywność nadprzewodnika może przyjmować trzy stany: stan rezystancji zero, stan przejściowy i stan normalnej rezystancji.






źródło: www.ekoenergia.pl