Разработка электромагнитной системы токоограничивающего реактора с ВТСП-экраном
Аннотация
Токоограничивающие устройства (ТОУ) – реакторы – используются в энергосистемах для ограничения токов короткого замыкания (КЗ), чтобы предотвратить повреждения электротехнического оборудования и предупредить возникновение аварийных ситуаций. Однако при номинальной работе сети возникает падение напряжения на реакторе (в основном индуктивного характера), что нежелательно. В связи с тем, что поддержание уровней напряжения в допустимых диапазонах – одно из основных требований для обеспечения надежности функционирования и живучести электроэнергетических систем – на сопротивление ТОУ накладываются ограничения. Обычно требуется, чтобы в номинальном режиме работы сети падение напряжения на реакторе не превышало 5 % фазного напряжения. Такое ограничение снижает эффективность защитного действия реактора. В идеале реактор должен иметь сравнительно небольшое реактивное сопротивление в номинальном режиме и повышенное сопротивление в режиме КЗ. Цель работы – предложить пути модернизации традиционных реакторов за счёт экрана, состоящего из короткозамкнутых колец на базе высокотемпературно-сверхпроводниковых (ВТСП) материалов, позволяющих существенно уменьшить индуктивность реактора в номинальном режиме работы, а следовательно, и падение напряжения на нем, при этом эффективность ограничения токов КЗ реактором не снижается. Разработанный реактор с ВТСП-экраном состоит из двух индуктивно связанных концентрических обмоток. Первичная обмотка (традиционная обмотка реактора) остается неизменной, вторичная обмотка – это ВТСП-экран, охлаждаемый до криогенных температур (77 К). В статье представлены численные модели, позволяющие определить индуктивность реактора в номинальном режиме (режим экранирования) и режиме КЗ. Показана разработанная конструкция ВТСП-экрана, состоящая из 71 кольца. Приведены результаты испытаний реактора с ВТСП-экраном.
Литература
2. Moyzykh M. et al. First Russian 220 kV Superconducting Fault Current Limiter (SFCL) For Application in City Grid. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2021, vol. 31, No. 5, DOI: 10.1109/TASC.2021.3066324.
3. Мойзых М.Е. и др. Первое в энергосистеме России токоограничивающее устройство на основе высокотемпературной сверхпроводимости. – Электричество, 2021, № 4, с. 4–16.
4. Alferov D.F. et al. Superconducting DC Current Limiting Vacuum Circuit Breaker. – Physics Procedia, 2012, No. 36, pp. 1264–1267, DOI: 10.1016/j.phpro.2012.06.287.
5. Elschner S. et al. ENSYSTROB – Resistive Fault Current Limiter Based on Coated Conductors for Medium Voltage Application. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2011, vol. 21, No. 3, pp. 1209–1212, DOI: 10.1109/TASC.2010.2100799.
6. Martini L. et al. Development, Testing and Installation of a Superconducting Fault Current Limiter for Medium Voltage Distribution Networks. – Physics Procedia, 2012, vol. 36, pp. 914–920, DOI: 10.1016/j.phpro.2012.06.229.
7. Kozak S. et al. The 15 kV Class Inductive SFCL. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2010, vol. 20, No. 3, pp. 1203–1206, DOI: 10.1109/TASC.2010.2042697.
8. Sokolovsky V. et al. Superconducting FCL: Design and Application. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2004, vol. 14, No. 3, pp. 1990–2000, DOI: 10.1109/TASC.2004.830608.
9. De Sousa W.T.B., Näckel O., Noe M. Transient Simulations of an Air-Coil SFCL. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2014, vol. 24, No. 4, DOI: 10.1109/TASC.2014.2311396.
10. Naeckel O., Noe M. Design and Test of an Air Coil Superconducting Fault Current Limiter Demonstrator. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2014, vol. 24, No. 3, DOI: 10.1109/TASC.2013.2286294.
11. ЗАО «СуперОкс» [Электрон. ресурс], URL: http://www.superox.ru (дата обращения 07.05.2025).
12. Gu C. et al. AC Losses in HTS Tapes and Devices with Transport Current Solved Through the Resistivity-Adaption Algorithm. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2013, vol. 23, No. 2, DOI: 10.1109/TASC.2013.2242069.
13. Zhang K. et al. Magnetization Simulation of REBCO Tape Stack with a Large Number of Layers Using the Ansys A-V-A Formulation. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2020, vol. 30, No. 4, DOI: 10.1109/TASC.2020.2965506.
14. Zubko V.V. et al. AC Losses Analysis in Stack of 2G HTS Tapes in a Coil. – Journal of Physics: Conference Series, 2020, vol. 1559, DOI: 10.1088/1742-6596/1559/1/012115.
15. Зубко В.В., Занегин С.Ю., Иванов Н.С. Анализ потерь в обмотках и стопках из ВТСП-лент второго поколения. – Электричество, 2020, № 5, с. 54–60.
16. Zubko V. et al. Analysis of Behaviour of HTS Tapes Cooled by Liquid Nitrogen Under Currents More Than the Critical Current. – IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2019, vol. 502, DOI: 10.1088/1757-899X/502/1/012178.
#
1. Okakwu I.K., Orukpe P.E., Ogujor E.A. Application of Superconducting Fault Current Limiter (SFCL) in Power Systems: A Review. – European Journal of Engineering Research and Science, 2018, vol. 3, No. 7, pp. 28–32, DOI: 10.24018/ejers.2018.3.7.799.
2. Moyzykh M. et al. First Russian 220 kV Superconducting Fault Current Limiter (SFCL) For Application in City Grid. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2021, vol. 31, No. 5, DOI: 10.1109/TASC.2021.3066324.
3. Moyzyh M.E. et al. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2021, No. 4, pp. 4–16.
4. Alferov D.F. et al. Superconducting DC Current Limiting Vacu-um Circuit Breaker. – Physics Procedia, 2012, No. 36, pp. 1264–1267, DOI: 10.1016/j.phpro.2012.06.287.
5. Elschner S. et al. ENSYSTROB – Resistive Fault Current Limiter Based on Coated Conductors for Medium Voltage Application. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2011, vol. 21, No. 3, pp. 1209–1212, DOI: 10.1109/TASC.2010.2100799.
6. Martini L. et al. Development, Testing and Installation of a Superconducting Fault Current Limiter for Medium Voltage Distribution Networks. – Physics Procedia, 2012, vol. 36, pp. 914–920, DOI: 10.1016/j.phpro.2012.06.229.
7. Kozak S. et al. The 15 kV Class Inductive SFCL. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2010, vol. 20, No. 3, pp. 1203–1206, DOI: 10.1109/TASC.2010.2042697.
8. Sokolovsky V. et al. Superconducting FCL: Design and Application. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2004, vol. 14, No. 3, pp. 1990–2000, DOI: 10.1109/TASC.2004.830608.
9. De Sousa W.T.B., Näckel O., Noe M. Transient Simulations of an Air-Coil SFCL. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2014, vol. 24, No. 4, DOI: 10.1109/TASC.2014.2311396.
10. Naeckel O., Noe M. Design and Test of an Air Coil Superconducting Fault Current Limiter Demonstrator. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2014, vol. 24, No. 3, DOI: 10.1109/TASC.2013.2286294.
11. ZAO «SuperOks» (CJSC SuperOx) [Electron. resource], URL: http://www.superox.ru (Access on 07.05.2025).
12. Gu C. et al. AC Losses in HTS Tapes and Devices with Transport Current Solved Through the Resistivity-Adaption Algorithm. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2013, vol. 23, No. 2, DOI: 10.1109/TASC.2013.2242069.
13. Zhang K. et al. Magnetization Simulation of REBCO Tape Stack with a Large Number of Layers Using the Ansys A-V-A Formulation. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2020, vol. 30, No. 4, DOI: 10.1109/TASC.2020.2965506.
14. Zubko V.V. et al. AC Losses Analysis in Stack of 2G HTS Tapes in a Coil. – Journal of Physics: Conference Series, 2020, vol. 1559, DOI: 10.1088/1742-6596/1559/1/012115.
15. Zubko V.V., Zanegin S.Yu., Ivanov N.S. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2020, No. 5, pp. 54–60.
16. Zubko V. et al. Analysis of Behaviour of HTS Tapes Cooled by Liquid Nitrogen Under Currents More Than the Critical Current. – IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2019, vol. 502, DOI: 10.1088/1757-899X/502/1/012178
