Сверхпроводниковый ограничитель тока

Сверхпроводниковый ограничитель тока (СПОТ) — это электротехническое устройство, предназначенное для ограничения тока короткого замыкания (КЗ) в электрических сетях за счёт использования эффекта сверхпроводимости. В отличие от традиционных реакторов и автоматических выключателей, СПОТ не вносит активного сопротивления в цепь в нормальном режиме работы и автоматически переходит в резистивное состояние при превышении критического значения тока, ограничивая его амплитуду и длительность.

Принцип действия

В основе работы сверхпроводникового ограничителя тока лежит свойство сверхпроводящего материала терять сверхпроводимость (переходить в нормальное, резистивное состояние) при превышении одного из трёх критических параметров: критической температуры (T_c), критической плотности тока (J_c) или критического магнитного поля (H_c). В нормальном режиме ток в сети меньше критического значения, и сверхпроводящий элемент находится в состоянии сверхпроводимости с нулевым активным сопротивлением. При возникновении короткого замыкания ток резко возрастает, превышая J_c, что приводит к «гашению» сверхпроводимости. Сверхпроводник переходит в нормальное состояние, приобретая значительное активное сопротивление, которое ограничивает ток КЗ до безопасного уровня. После устранения короткого замыкания и снижения тока ниже критического значения сверхпроводник восстанавливает сверхпроводящее состояние (автоматически или принудительно).

Классификация

Сверхпроводниковые ограничители тока классифицируются по нескольким признакам.

По типу сверхпроводящего материала

• На основе низкотемпературных сверхпроводников (НТСП). Работают при температурах жидкого гелия (около 4,2 К). Используются, например, сплавы ниобий-титан (NbTi) и ниобий-олово (Nb₃Sn). Отличаются высокой стабильностью параметров, но требуют сложной и дорогостоящей криогенной системы.
• На основе высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП). Работают при температурах жидкого азота (около 77 К) или выше. Наиболее распространены материалы на основе иттрий-барий-медного оксида (YBCO) и висмут-стронций-кальций-медного оксида (BSCCO). Позволяют использовать более дешёвую и простую криогенику, что делает их перспективными для промышленного применения.

По конструктивному исполнению

• Резистивные (R-SFCL — Resistive Superconducting Fault Current Limiter). В них сверхпроводящий элемент напрямую включён последовательно в цепь. При КЗ его сопротивление резко возрастает, ограничивая ток. Это наиболее распространённый тип.
• Индуктивные (индуктивно-резистивные, I-SFCL). Используют сверхпроводящую катушку, которая в нормальном режиме обладает нулевым сопротивлением и шунтирует реактор. При КЗ сверхпроводимость катушки «гасится», и в цепь вводится индуктивное сопротивление, ограничивающее ток.
• Гибридные (гибридные ограничители тока). Сочетают сверхпроводящий элемент с традиционным быстродействующим выключателем или силовым полупроводниковым ключом. Сверхпроводник служит для быстрого ограничения тока, а выключатель — для его окончательного отключения.
• Магнитоиндуктивные (с магнитным экранированием). В них сверхпроводящий цилиндр (экран) помещается между первичной и вторичной обмотками трансформатора. В нормальном режиме экран экранирует вторичную обмотку, и ток в ней невелик. При КЗ экран теряет сверхпроводимость, и индуктивность цепи резко возрастает, ограничивая ток.

По типу восстановления

• С автоматическим восстановлением. После устранения КЗ сверхпроводник самостоятельно возвращается в сверхпроводящее состояние при снижении тока и температуры.
• С принудительным восстановлением. Требуется внешнее воздействие (например, повторное охлаждение) для возврата в сверхпроводящее состояние.

Устройство и основные компоненты

Типичный сверхпроводниковый ограничитель тока включает следующие основные элементы:

• Сверхпроводящий элемент (лента или стержень). Изготавливается из ВТСП или НТСП материала. Его длина и сечение рассчитываются таким образом, чтобы обеспечить заданное сопротивление в нормальном состоянии и достаточную токонесущую способность в сверхпроводящем.
• Криогенная система. Обеспечивает поддержание рабочей температуры сверхпроводника. Включает криостат (теплоизолированный сосуд), криокулер (рефрижератор) или систему подачи жидкого хладагента (азота, гелия), а также систему управления и мониторинга.
• Токовводы. Электрические соединения, которые передают ток от внешней цепи к сверхпроводящему элементу, находящемуся в криогенной среде. Должны иметь низкое теплоприток и высокую электрическую проводимость.
• Система управления и защиты. Контролирует ток, напряжение, температуру и давление в криогенной системе. При срабатывании ограничителя может выдавать сигнал на отключение выключателя или управлять процессом восстановления.
• Корпус и изоляция. Обеспечивают механическую прочность и электрическую изоляцию устройства.

История развития

Идея использования сверхпроводимости для ограничения тока была предложена в 1960-х годах, но практическая реализация стала возможной только с появлением высокотемпературных сверхпроводников в конце 1980-х годов. Первые экспериментальные образцы СПОТ были созданы в 1990-х годах в США, Японии, Германии и России. В 2000-х годах начались полевые испытания прототипов в реальных электрических сетях. В 2010-х годах были введены в эксплуатацию первые промышленные образцы, например, в Германии (проект AMPACITY) и в Китае. В России разработкой СПОТ занимаются, в частности, в Национальном исследовательском центре «Курчатовский институт» и в ОАО «ВНИИКП».

Применение

Сверхпроводниковые ограничители тока применяются в следующих областях электроэнергетики:

• Защита распределительных сетей. Установка на подстанциях и в распределительных устройствах для ограничения токов КЗ, что позволяет использовать более лёгкое и дешёвое коммутационное оборудование.
• Защита генераторов и трансформаторов. Ограничение тока КЗ, протекающего через обмотки генераторов и силовых трансформаторов, предотвращая их повреждение.
• Ограничение токов в промышленных электросетях. В металлургической, химической и других отраслях, где возможны мощные короткие замыкания.
• Интеграция возобновляемых источников энергии. В сетях с высокой долей солнечной и ветровой генерации, где возможны значительные колебания тока и короткие замыкания.
• Защита сверхпроводящих кабельных линий. В перспективных проектах по передаче электроэнергии с использованием сверхпроводящих кабелей.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Нулевое сопротивление в нормальном режиме. Отсутствие потерь энергии на нагрев, что повышает КПД сети.
• Автоматическое срабатывание. Не требует внешнего сигнала и быстродействующих механических приводов.
• Очень высокая скорость ограничения тока. Переход в резистивное состояние происходит за микросекунды, что существенно быстрее традиционных выключателей.
• Ограничение не только амплитуды, но и длительности тока КЗ. Снижает термическое и динамическое воздействие на оборудование.
• Возможность многократного использования. После устранения КЗ устройство восстанавливает свои свойства.

Недостатки

• Высокая стоимость. Связана с необходимостью использования дорогих сверхпроводящих материалов и криогенной системы.
• Необходимость криогенного охлаждения. Повышает эксплуатационные расходы и требует квалифицированного обслуживания.
• Ограниченная токонесущая способность. В сверхпроводящем состоянии ток не может превышать критическое значение.
• Сложность проектирования и изготовления. Требует точного расчёта параметров и высокотехнологичного производства.
• Риск потери сверхпроводимости при перегрузках. Может привести к ложным срабатываниям.

Перспективы развития

Основные направления развития сверхпроводниковых ограничителей тока связаны с совершенствованием высокотемпературных сверхпроводников, снижением стоимости их производства и повышением надёжности криогенных систем. Ведутся работы по созданию компактных и экономичных устройств, пригодных для массового внедрения в распределительные сети. Развитие технологий ВТСП-лент второго поколения (2G HTS) позволяет создавать СПОТ с улучшенными характеристиками. Ожидается, что в ближайшие десятилетия СПОТ станут одним из ключевых элементов «умных» сетей (Smart Grid) и систем передачи электроэнергии на сверхпроводящих кабелях.

Источники

• Г. К. Зельдович, А. В. Гуревич. «Сверхпроводниковые ограничители тока: принципы работы, конструкции, применение». — М.: Энергоатомиздат, 2015.
• Ю. В. Троицкий, И. А. Ковалёв. «Высокотемпературные сверхпроводники в электроэнергетике». — СПб.: Изд-во Политехнического университета, 2018.
• «Superconducting Fault Current Limiters: Technology, Applications, and Economics». — EPRI Report, 2012.
• «CIGRE Technical Brochure 640: Superconducting Fault Current Limiters». — CIGRE, 2015.
• Материалы конференций «Applied Superconductivity Conference» (ASC) и «European Conference on Applied Superconductivity» (EUCAS).