CC BY
29
В.Г. Данько, Є.В. Гончаров
ОБМЕЖУВАЧ СТРУМУ КОРОТКОГО ЗАМИКАННЯ З НАДПРОВІДНОЮ ОБМОТКОЮ
У статті розглянуто обмежувач струму короткого замикання з надпровідною обмоткою і запропоновано метод розрахунку його основних параметрів.
В статье рассмотрен ограничитель тока короткого замыкания со сверхпроводящей обмоткой и предложен метод расчета его основных параметров.
ВСТУП
Надпровідні матеріали знайшли застосування у електроенергетиці за рахунок своїх фізичних властивостей. За наявності надпровідного стану матеріал не має активного опору та виявляє діамагнітні властивості. Проводи або струмонесучі елементи виготовлені з надпровідників мають практично нульовий опір і високу щільність струму. При досягненні критичного значення температури або магнітного поля надпровідність втрачається.
Надпровідники можна поділити на низькотемпературні (НТНП) і високотемпературні (ВТНП). До НТНП відносять чисті метали (наприклад, Н РЬ, Уа), сплави (№>-Ті, №>-А1) і інтерметалеві сполуки (М^п, М^ве), які стійко працюють лише при температурі, близькій до температури рідкого гелію - 4,2 К. До ВТНП відносять різні керамічні сполуки, здатні працювати при температурі рідкого водню (ЬаВаСиО, Ьа8гСаСиО), або азоту -77 К (УВаСиО, Ві8гСаСиО) [1].
Для захисту від струмів короткого замикання існують різні традиційні пристрої захисту: плавкі запобіжники, вимикачі, реактори та різні пристрої обмеження струму. Одним з новітніх напрямів в електроенергетиці є надпровідні високотемпературні обмежувачі струму короткого замикання.
ТИПИ НАДПРОВІДНИХ ОБМЕЖУВАЧІВ СТРУМУ КОРОТКОГО ЗАМИКАННЯ
Надпровідний обмежувач струму (НПОС) короткого замикання вмикається у частину мережі, яка передбачає захист від аварійних струмів. Його перевага полягає в надмірно низькому опорі у порівнянні із традиційними струмообмежувальними реакторами в нормальному режимі. Крім того, є можливість практично безінерційно збільшувати його опір до необхід-ної величини при короткому замиканні.
За конструктивними особливостями можна виді -лити та розглянути дві основні схеми НПОС: резисти-вну (рис. 1) та індуктивну (рис. 2). На них ґрунтується більшість інших пропонованих конструкцій, які повинні задовольняти тим же вимогам.
Резистивна конструкція НПОС заснована на не-лінійності опору надпровідника. Струмообмежувач містить НП елемент, який послідовно з’єднаний з колом, що захищається. Конструктивно ці елементи можуть бути виготовлені як набір паралельно і послідо -вно з’єднаних тонких НП плівок, або масивних компонентів. В якості послідовного НПОС може використовуватися НП кабель.
У нормальному режимі функціонування захищеного кола амплітуда номінального струму нижче, ніж критичний струм НП елемента, і цей елемент знаходиться в надпровідному стані із нульовим опором. В аварійному режимі струм КЗ у колі зростає і викликає перехід НП елемента в резистивний стан, збільшуєть-
ся активний опір НП елемента, таким чином, результуючий опір обмежує струм КЗ. Принцип струмообмежувача шунтованого типу виконання аналогічний послідовному, але при цьому паралельно надпровіднику підключається резистор або обмотка.
Рис. 1. Резистивний НПОС послідовного (а) та шунтованого (б) типів
Рис. 2. Індуктивний НП струмообмежувач
Індуктивна конструкція НП струмообмежувача також використовує нелінійність вольт-амперної характеристики надпровідника. Цей тип конструкції можна уявити у вигляді трансформатора з НП нелінійним резистором в якості навантаження вторинної обмотки (рис. 2).
Принцип дії індуктивного обмежувача полягає у магнітному зв’язку між надпровідним елементом і захищеним колом. При нормальних умовах функціонування первинна обмотка умикається в електричне коло, яке захищається, вторинна обмотка короткозам-кнена НП елементом. Магнітний потік, який генерується первинною обмоткою, компенсується потоком вторинної короткозамкненої обмотки. За умов виникнення короткого замикання НП елемент втрачає надпровідність і переходить у резистивний стан внаслі-док зростання струму вище критичного значення. Активний опір вторинної обмотки стає значно більше, таким чином, наведений струм у вторинній обмотці різко зменшується. Магнітний потік первинної обмотки більше не компенсується, а отже зростає її індуктивний опір, що і обмежує струм короткого замикання у електричному колі [2].
Обмеження струму короткого замикання в НПОС індуктивного типу досягається за рахунок різкого зростання його опору, що можна здійснити різ -ними методами: коли обмотка, що екранує, замкнена на надпровідний елемент, екрануванням осердя з електротехнічної сталі НП екраном, зміною ступеня насичення магнітопроводу НПОС, і т.д.
електромагнітний обмежувач струму
КОРОТКОГО ЗАМИКАННЯ З НАДПРОВІДНОЮ ОБМОТКОЮ Розглянемо особливості роботи електромагнітного високотемпературного надпровідного обмежува-ча струму короткого замикання (ВТНП ОСКЗ), визначення критеріїв вибору його основних параметрів.
До розгляду пропонується така конструктивна схема електромагнітного ВТНП ОСКЗ (рис. 3) [3]. Середній стержень феромагнітного осердя 1 і рухомий якір 2, що утримується пружиною 3, охоплює кріостат 4 з ВТНП обмоткою 5. Струмовводи 6 з’єднують ВТНП обмотку з електричною мережею.
осердям; Яос - поперечний переріз осердя [5, 6].
Завдяки підстановки Пн в рівняння (1) отримуємо зв’язок між індукціями Б?, і Бк : Б§ = кос-Бк/кр.
Це дає можливість визначити число витків ВТНП обмотки м, якщо заданий струм навантаження 1Н:
к Б
М = косБК 8 , (3)
^0кр1н
де 5 - повітряний проміжок між якорем і осердям; д0 -магнітна стала.
Значення індукції Бк обирається на ділянці намагнічування для відповідного електротехнічного матеріалу, а коефіцієнт кр визначається за допомогою спе-ціальнихрозрахунків [7].
Таким чином, є всі вихідні дані для визначення числа витків ВТНП обмотки за формулою (3). А це, в свою чергу, дає можливість визначити розмір поперечного перерізу середнього стержня осердя Яос (з рівняння 2):
Я ос =-
и„
(4)
2л / мБК тому що Пн ~ и.
Поперечний переріз двох крайніх стержнів удвоє меншій, що забезпечує однакову індукцію у всіх стержнях.
Якщо у формулу (4) підставити значення числа витків відповідно до формули (3), то отримуємо залежність Яос від повної потужності навантаження, основних магнітних і конструктивних параметрів ВТНП ОСКЗ:
Мо крин 1 н _ Мо кр Ян
Я ОС =-
2л /кос б2 8
(5)
Рис. 3. Конструктивна схема ВТНП обмежувача струму з рухомим якорем
ВТНП обмотка охолоджується рідким азотом, який подається в кріостат. Там він випаровується і виходить назовні. Витрати рідкого азоту визначаються теплоприпливами в кріостат крізь його стінки, по струмовводах, а також (при роботі на змінному струмі) гістерезисними втратами в ВТНП обмотці.
При нормальній роботі ВТНП обмежувач струму з’єднаний послідовно з навантаженням ін і крізь нього проходить струм I, що дорівнює струму навантаження /н [4].
В залежності від характеру навантаження падіння напруги на ВТНП обмежувачі струму, яке визначається коефіцієнтом кос, можна закладати таким, щоб зменшення напруги на навантаженні по відношенню до напруги електричної мережі становило не більше 5%, що відповідає стандарту ДСТУ 3466-96, або ГОСТ 13109-97.
ВИЗНАЧЕННЯ ОСНОВНИХ ПАРАМЕТРІВ
Враховуючи те, що напруга, прикладена до ВТНП обмежувача струму, як в режимі нормальної роботи, так і при короткому замиканні врівноважується ЕРС самоіндукції, можна записати
иос _ кос ин — 2^Вд кр £ос , (1)
ин = 2л /м>ВК Яос, (2)
де /- частота змінного струму; м> - число витків ВТНП обмотки; В§ - індукція в проміжку між якорем і осердям в режимі нормальної роботи (рис. 2,а); Вк - індукція в осерді при з’єднанні якоря з осердям; кр - коефіцієнт розширення магнітного потоку в проміжку між якорем і
2л /к0
де Ян - повна потужність навантаження.
Розмір поперечного перерізу осердя ВТНП обмежувача струму визначає його основні масогабарит-ні показники.
Вплив числа витків ВТНП обмотки на ці показники можна вважати другорядними, а товщина теплоізоляції кріостата дуже мало залежить від потужності навантаження Ян, якщо вважати, що питомий теплоп-риплив у кріостат залишається на одному, технологічно досяжному, рівні.
ВИБІР ПРУЖИНИ ДЛЯ РОБОТИ ОБМЕЖУВАЧА СТРУМУ КОРОТКОГО ЗАМИКАННЯ Розглянемо за яких умов вибирається пружина, що утримує якір, а також - рух якоря під час короткого замикання в електричній мережі.
У вхідному стані пружина повинна утримати якір від магнітного тяжіння, тобто при у=0 (рис. 4) початкова сила пружини урівноважує магнітне тяжіння
^лро = 0,4В| Яос106. (6)
Рис. 4. Схема сил, прикладених до якоря
Як тільки в електричній мережі відбувається коротке замикання її напруга переходить на обмежувач струму, магнітне поле в повітряному проміжку 5 зростає до Вк, а сила магнітного тяжіння зростає в (Вк/В5)2 разів і
= 0,4В2 Яос106. (7)
Вона набагато більша за початкову силу пружини, і якір починає рухатись. Під час переміщення якоря сила пружини буде зростати, а її середнє значення дорівнюватиме
Пр Ср
пр0
(8)
де - коефіцієнт пружності пружини. Його величина повинна бути такою, щоб суттєво не заважати руху якоря під час короткого замикання і в той же час достатньою, щоб повернути якір в початковий стан після усунення короткого замикання.
Визначити коефіцієнт пружності Кщ, можна з таких міркувань: сила повністю розтягнутої пружини має бути на порядок меншою за силу магнітного тяжіння:
Fnp0 + KapS= 0,4B2 S_ 10
З
Я'пр =-
0,4B3 S„
10З - Fr
np0
8
(9)
(10)
Таким чином, звернувшись до середніх параметрів можна записати
У ос Яос Ія а ~ Рт ~ -^пр ср , (11)
де уос - питома щільність матеріалу осердя, /я - висота якоря (див. рис. 4), а - прискорення якоря.
З урахуванням того, що Б8 = кос-Бк/кр, а також співвідношень (6) - (11), отримуємо
(
0,4B;
106 - 110З -
k £ ^ОС 106
2kn
\
а = -
Уос 1Я
(12)
Якщо відкинути величини другого порядку малості, то
а =
0,4B^106 Уос 1Я
(13)
а час спрацьовування ВТНП обмежувача струму (час руху якоря)
t =.
у1З Уос 1я З
10"
(14)
ВИСНОВКИ Розглянуті можливі варіанти обмежувачів струму короткого замикання з надпровідною обмоткою, а також теоретичні засади електромагнітного обмежувача струму короткого замикання з якорем. Визначені критерії для вибору його основних параметрів, які є базовими для індуктивних ОСКЗ.
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1. Використання високотемпературної надпровідності в електроенергетичному обладнанні : монографія / В.Г. Данько, І.С. Полянська, Є.В. Гончаров; за ред. В.Г. Данько. - X.: НТМТ, 2011. - 248 с.
2. Данько В.Г., Гончаров Є.В. Аналіз роботи високотемпературного надпровідникового обмежувача струму короткого замикання // Східно-європейський журнал передових технологій. Енергозберігаючі технології і обладнання. -Харків: Технологічний центр, 2007. - № 6/5 (30). - С. 45-48.
3. Пат. 48214 Україна МКЗ H02H 9/00 Електромагнітний обмежувач струму короткого замикання з високотемпературною надпровідниковою обмоткою / Данько В.Г., Гончаров Є.В. - № u 200909З64; заявл. 18.09.09; опубл. 10.03.10, Бюл. № З. - 4 с. : 1 іл.
4. Данько В.Г., Гончаров Є.В. Електромагнітний надпровідний обмежувач струму короткого замикання // Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров’я: XVIII міжн. наук.-практична конф. (microCAD-2010), 12-14 травня: тези доп./ НТУ "ХПІ" - 2010. - С. 160.
З. Данько В.Г., Гончаров Є.В. Надпровідний обмежувач струму короткого замикання з рухомим якорем // Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров’я: XVIII міжн. наук.-практична конф. (microCAD-2011), 01-03 червня: тези доп. / НТУ "ХШ". - 2011. - С. 141.
6. Гончаров Є.В. Застосування електромагнітного надпровідного обмежувача струму // Вісник НТУ "ХПІ". Збірник наукових праць. Тематичний випуск: Проблеми удосконалення електричних машин і апаратів. Теорія і практика. -Харків: НТУ "ХШ". - 2010. - № ЗЗ. - С. 19-22.
1. Данько В.Г., Гончаров Є.В. Теоретичні засади і вибір основних параметрів електромагнітного надпровідного обмежувача струму // Вісник НТУ "ХПІ". Збірник наукових праць. Тематичний випуск: Проблеми удосконалення електричних машин і апаратів. Теорія і практика. - Харків: НТУ "ХПІ". - 2011. - № 48. - С. 30-36.
Bibliography (transliterated): 1. Vikoristannya visokotemperaturnoi nadprovidnosti v elektroenergetichnomu obladnanni : monografiya / V.G. Dan'ko, I.S. Polyans'ka, C.V. Goncharov; za red. V.G. Dan'ko. -H.: NTMT, 2011. - 248 s. 2. Dan'ko V.G., Goncharov C.V. Analiz roboti visokotemperaturnogo nadprovidnikovogo obmezhuvacha strumu korotkogo zamikannya // Shidno-evropejs'kij zhurnal peredovih tehnologij. Energozberigayuchi tehnologii і obladnannya. - Harkiv: Tehnologichnij centr, 2001. - № 6/З (30). - S. 4З-48. і. Pat. 48214 Ukraina MKZ H02H 9/00 Elektromagnitnij obmezhuvach strumu korotkogo zamikannya z visokotemperaturnoyu nadprovidnikovoyu obmotkoyu / Dan'ko V.G., Goncharov C.V. - № u 200909З64; zayavl. 18.09.09; opubl. 10.03.10, Byul. № З. - 4 s. : 1 il. 4. Dan'ko V.G., Goncharov C.V. Elektromagnitnij nadprovidnij obmezhuvach strumu korotkogo zamikannya / Informacijni tehnologii: nauka, tehnika, tehnologiya, osvita, zdorov'ya: XVIII mizhn. nauk.-praktichna konf. (microCAD-2010), 12-14 travnya: tezi dop./ NTU "HPI" - 2010. - S. 160. 5. Dan'ko V.G., Goncharov C.V. Nadprovidnij obmezhuvach strumu korotkogo zamikannya z ruhomim yakorem / Informacijni tehnologii: nauka, tehnika, tehnologiya, osvita, zdorov'ya: XVIII mizhn. nauk.-praktichna konf. (microCAD-2011), 01-03 chervnya: tezi dop. / NTU "HPI". - 2011. - S. 141. б. Goncharov C.V. Zastosuvannya elektromagnitnogo nadprovidnogo obmezhuvacha strumu / Visnik NTU "HPI". Zbirnik naukovih prac'. Tematichnij vipusk: Problemi
udoskonalennya elektrichnih mashin і aparativ. Teoriya і praktika. -Harkiv: NTU "HPI". - 2010. - № ЗЗ. - S. 19-22. 7. Dan'ko V.G., Goncharov C.V. Teoretichni zasadi і vibir osnovnih parametriv elektromagnitnogo nadprovidnogo obmezhuvacha strumu // Visnik NTU "HPI". Zbirnik naukovih prac'. Tematichnij vipusk: Problemi
udoskonalennya elektrichnih mashin і aparativ. Teoriya і praktika. -Harkiv: NTU "HPI". - 2011. - № 48. - S. 30-36.
Надійшла 28.02.2012
Данько Володимир Григорович, д.т.н., проф.,
Гончаров Євген Вікторович Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут" кафедра загальної електротехніки 61002, Харків, вул. Фрунзе, 21 тел.: (0З1) 1016421
Danko V.G., Goncharov E.V.
A fault current limiter with a superconducting winding.
In the article, a fault current limiter with a superconducting winding is considered, a method of its main parameters calculation offered.
Key words - superconducting coil, high-temperature superconductivity, ferromagnetic core.
2
3
