CC BY
2УДК 538.945
Статья
Возможность ограничения токов короткого замыкания в электрических сетях, содержащих сверхпроводящие линии электропередач, с помощью ВТСП-предохранителя
В. В. Желтов1, Н. Н. Балашов1*, П. Н. Дегтяренко1'2, А. Ю. Архангельский1, А. Ю. Дегтяренко1,3, К. Л. Ковалёв1,4
1 Объединенный институт высоких температур Российской Академии Наук, ул. Ижорская, 13-2, 125412, Москва, Россия
2 ООО «С-Инновации», Научный проезд, 20-2, 117246, Москва, Россия
3 Физический институт имени П. Н. Лебедева Российской Академии Наук, Ленинский проспект, 53, 119991, Москва, Россия
4 Московский авиационный институт (Национальный исследовательский университет), Волоколамское шоссе, 4, 125993, Москва, Россия
* e-mail: [email protected]
Поступила в редакцию 26.06.2024, после переработки 11.10.2024, принята к публикации 25.10.2024.
Хорошо известно, что высокотемпературные сверхпроводящие (ВТСП) ленты 2-го поколения обладают высокими критическими характеристиками. За счет этих характеристик одним из возможных применений в электрических сетях может быть создание устройств ограничения токов короткого замыкания (КЗ) различного класса. Одним из таких устройств является сверхпроводящий предохранитель (ВТСП-П), конструкция которого была разработана и ранее защищена патентом. Благодаря своей простоте — устройство является наиболее дешевым, легко заменяемым после выхода из строя, и может обеспечивать защиту электрических сетей и ВТСП кабеля в режимах КЗ. Преимуществом использования ВТСП-П в предлагаемой конфигурации сети — является также и то, что в варианте защиты обычной электрической сети комплект ВТСП-П должен быть дополнен криогенной системой незначительной мощности, а при наличии ВТСП кабеля в таком дополнении нет необходимости, так как охлаждение ВТСП-П может быть осуществлено за счет общей криогенной системы. В представленной работе приведены расчеты эффективности ограничения токов с помощью ВТСП-П в электрической сети, содержащей сверхпроводящую линию электропередач.
Ключевые слова: ВТСП-ленты; ВТСП-кабели; ВТСП-предохранитель; ограничение тока повреждения; электрическая сеть; критический ток.
DOI: 10.62539/2949-5644-2024-0-3-53-63 1. Введение
Неизбежным следствием развития энергетических систем и повышения их мощности является рост токов короткого замыкания (КЗ). К настоящему времени уровень токов КЗ, становится критическим параметром, который ограничивает дальнейшее развитие электрических систем. Стратегический путь решения этой проблемы — установка, в качестве дополнительного оборудования, токоограничителей различных типов. Известно, что одним из перспективных способов решения этой задачи является создание токоограничителей, основанных на ВТСП [1, 2]. Сверхпроводящий ограничитель тока (СОТ) отличается от существующих токоограничителей малым уровнем энергетических потерь, способностью практически мгновенно реагировать на превышение тока (в том числе и токов КЗ) и быстро ограничивать его. В нормальных режимах устройство практически не оказывает влияния на условия работы системы, а в аварийных — вводит в сеть реактанс, необходимый для ограничения тока КЗ до требуемого уровня. На сегодняшний день разработкой и созданием СОТ занимаются большинство компаний из разных стран такие как AMSC (Бостон , США) и Siemens (Франция) — первое устройство
на 115 кВ/1.2 кА [3, 4], KEPCO (South Korea) — устройство на 154 кВ [5, 6], SuperOx (Россия) — устройство на 220 кВ/1.2 кА [7], Shanghai Jiaotong University (Китай) — устройство на 10 кВ/200 A [8, 9]. Используя ВТСП ленту 2-го поколения производства компании Shanghai Superconductor Technology Co., Ltd. (SST) (Китай), компания Zhongtian Technology (Китай) разработала устройство на 220 кВ/1.5 кА [10], компания Guangdong Power Grid (Китай) — устройство на ± 160 кВ/1.0 кА [11]. Однако, стоимость ТО известных типов (в том числе и сверхпроводящих) составляет около 10 000 долларов за 1 МВА номинальной мощности (то есть для уровней мощности, соответствующих оборудованию высокого класса напряжений, — порядка 10 млн. долларов за одно изделие).
Другим возможным способом ограничения токов КЗ в различных электрических цепях является использование ВТСП-2. Это устройство представляет собой комплект ВТСП лент 2-го поколения, заключенных в сменяемую капсулу [1]. Это устройство в отличие от СОТ является более дешевым, простым в эксплуатации с возможностью быстрой замены после выхода из строя. (время сгорания 1.5-3 мс, обеспечение ограничения тока до 3-4 номинальных значений, замена на новый не более 10 мин).
Создание подобного устройства стало возможным благодаря совершенствованию технологии производства ВТСП лент 2-го поколения производства компании «C-Инновации», а также повышению их токонесущих характеристик. Ярким примером является тот факт, что значения критического тока за последнее время выросли на значительную величину от 450 А до 600 А. При этом удалось сохранить его однородность на всей длине изготавливаемого участка ленты длине при одновременном уменьшении общей толщины лент [12-15]. Стоит отметить, также, что в настоящее время стало возможным проводить большинство исследований на коммерческих ВТСП лентах 2-го поколения [16-18], при этом оптимизация структуры для достижения необходимых параметров устройств является приоритетной.
В настоящей статье предлагается вариант ограничения токов КЗ с помощью сверхпроводящего предохранителя (ВТСП-П) в составе электрической сети. Приведен алгоритм расчетов и определена эффективность ограничения токов КЗ с помощью ВТСП-П. Полученные алгоритмы расчетов можно в дальнейшем использовать для различных типов и параметров электрических сетей.
2. Схема моделирования
Схема защиты одной из фаз приведена на рис. 1. В качестве защищаемого участка сети изображен генератор, и последовательно соединенный с ним ВТСП кабель. Сгорающая вставка ВТСП-П может включаться в сеть последовательно, как перед кабелем, так и после него. На рисунке продемонстрировано включение вставки непосредственно в составе ВТСП линии. Параллельно вставке подключается шунт из несверхпроводящего материала, который является несменяемым элементом конструкции. Критический ток вставки и кабеля должен быть, как правило, на 20% выше амплитуды номинального тока сети, поскольку, согласно обычному регламенту, перегрузка сети менее чем на 20% не считается аварийным режимом. Особенность ВТСП лент вставки по сравнению с ВТСП лентами кабеля, состоит в значительно меньшей доле несверхпроводящих компонент в их составе. В результате, в режиме КЗ ВТСП ленты вставки разогреваются и сгорают значительно раньше, чем температура кабеля достигает значения, близкого к температуре разрушения сверхпроводимости.
В номинальном режиме вставка ВТСП-П и кабель находятся в сверхпроводящем состоянии. Ток сети определяется сопротивлением нагрузки JS = Jp и Jsh =0. На схеме (рис. 1) возникновение короткого замыкания имитируется замыканием ключа КЗ, после которого ток сети практически мгновенно превышает критический ток вставки и начинается ее разогрев. Вставка ВТСП-П в силу особенностей состава ее ВТСП лент, разогревается значительно интенсивнее кабеля и полностью разрушается в течение нескольких миллисекунд (время разрушения варьирует в зависимости от характеристик защищаемого участка сети). В процессе раз-
рушения вставки ток сети вытесняется в несверхпроводящии шунт, сопротивление которого и ограничивает ток до момента срабатывания стандартного реле защиты (РЗ).
Рис. 1. Электрическая схема имитации однофазного короткого замыкания. Обозначения: и, Я^, Ь^ — напряжение, активное сопротивление и индуктивность генератора, Яп, Ьп — активное сопротивление и индуктивность
нагрузки, JS — ток сети, Ь , Jp — индуктивность и ток вставки, Ял, Ьл и / л-сопротивление индуктивность и
ток шунта, Ьс — индуктивность кабеля, Р.З. — реле защиты [19].
3. Алгоритм расчета
При численном расчете режима КЗ определяются следующие характеристики: ударный ток (/), экстремальное значение тока в переходном процессе режима КЗ — /0(т0), максимальное напряжение на вставке ВТСП-П, изменение температуры и сопротивления вставки вплоть до ее разрушения, максимальная температура нагрева кабеля.
Ударный ток достигается, как правило, в первой четверти цикла изменения тока после начала КЗ и, в силу кратковременности действия, практически не влияет на нагрев элементов сети. Однако, для устройств, основанных на взаимодействии с магнитным полем, его высокие значения опасны, так как вызывают динамические удары, которые для крупных устройств могут составлять сотни тонн. В зависимости от конкретной ситуации, считаются допустимыми величины / не выше 4-15 действующих значений тока.
Высокие значения тока в конце режима КЗ /0(т0) недопустимы, так как могут привести к разрушению контактов РЗ.
Нагрев ВТСП-кабеля не должен привести к нарушению его сверхпроводящих свойств. Считается, что сверхпроводники второго поколения устойчивы к нагреву до 200 °С [19]. Снижение температуры относительно этого значения приветствуется, поскольку приводит к уменьшению времени охлаждения кабеля, необходимому для восстановления сверхпроводимости и к уменьшению расхода азота на это охлаждение.
В номинальном режиме сопротивления ВТСП-кабеля и вставки принимаются равными 0 и изменение напряжения и тока сети вычисляются аналитически, используя следующую систему уравнений:
и = ио + ф)
и 0 . / ч J = ■ sm (со/)
Я + яп
ф = агС^ - g
(1)
ю■(L + L + L + L )
\ g п р с!
I = Л/(Я + Я )2 +ю2 ^ + L + L + L
g п \ g п р с
Момент наступления короткого замыкания задается в исходных данных программы в долях периода изменения тока. При I > 1КЗ распределение токов в сети и изменение напряжения на вставке ир(/) определяются дифференциальными уравнениями:
(( + К)• + ¿Л + (( -¿ак (Т))• (Т) + иР (,Тр) = ик)
ир (Тр) "= ("-3СР (Тр))• ЯЕР(ТР)• ^^
ир ^р ) Rsh Jsh ^ Lsh
dJ ,
sh dt
(2)
JS J sh + JP'
где: ¿ск(Тк) и JCр(Tр) критические токи сверхпроводящих компонент кабеля и вставки, зависящие от их температур Тк и Тр; ЯЕк(Тк) и ЯЕр(Тр) — эквивалентные сопротивления всех несверхпроводящих компонент кабеля и вставки. Зависимость критических токов кабеля и вставки JC(T) аппроксимируется формулой [20]:
У (Т) = У (Т = 77К).5.3• 1ПГ^ (3)
V 11 У
Приращение температур на каждом шаге интегрирования вычисляется из уравнения:
(т (4)
л тс (т)
где: Я(Т), Jj(t,T) и С (Т) — сопротивление, ток и теплоемкость компоненты г кабеля или вставки, а суммирование ведется по всем компонентам.
Зависимости характеристик материалов компонент от температуры (теплоемкостей и удельных электрических сопротивлений) описываются аппроксимационными соотношениями. При расчете процесса разрушения вставки используются соотношения, описывающие весь диапазон изменения агрегатных состояний компонент.
4. Результаты расчетов
Ранее нами исследовалась возможность ограничения токов КЗ за счет активного электрического сопротивления ВТСП-линий электропередач, возникающего вследствие потери
ими сверхпроводящих свойств [21]. Для оценки эффективности дополнительного подключе-
ния сверхпроводящего предохранителя целесообразно сравнить расчеты этой работы с результатами настоящего раздела.
В [21] были проведены расчеты для четырех кабелей (К1-К4), отличающихся между со-
бой составом и площадями сечения несверхпроводящих компонент (см. Таблицу 1). Предпола-
галось, что фаза каждого из кабелей содержала по 60 ВТСП-лент фирмы SuperPower (ленты SP)
в стандартном или модифицированном исполнении. Ленты представляли собой многослойный композит. В лентах стандартного исполнения [22, 23] порядок чередования слоев композита и их толщины, следующие: подложка из Хастеллоя (^ — 50 мкм, буферные слои, общей толщиной 0.2 мкм, сверхпроводящее покрытие — 1 мкм; серебряное покрытие (Ag) — 2 мкм; стабилизирующее медное покрытие (Си) — 40 мкм. Ширина лент — 4 мм. Критический ток для лент всех модификаций был принят равным 85 А. Таким образом, критический ток фазы для всех кабелей составлял 5.1 кА. В вариантах кабелей К1-К3 последовательно уменьшалось количество меди: в сечении К1 помимо омеднения лент содержалось 120 мм2 дополнительной меди, в К2 использовались только ленты стандартного исполнения, в К3 — только ленты без
медного покрытия. В кабеле К4 рассматривалось использование гипотетического варианта исполнения лент — ленты без медного покрытия с удвоенной толщиной подложки 100 мкм.
Результаты расчетов [21], а также исходные данные, принятые одинаковыми для всех кабелей, приведены в Таблице 1. В процессе вычислений, в частности, определялась критическая длина ВТСП-линии — длина, при которой температура кабеля за время КЗ т0 = 0.375 с достигала температуры разрушения сверхпроводящих свойств ВТСП-лент (Тм = 473 К). Обычно, при возникновении КЗ используется регламент, требующий после отключения РЗ произвести еще две попытки подключения сети к нагрузке с интервалом времени не более 2 с. Поэтому, исходя из предположения, что промежутки времени между включениями недостаточны для охлаждения кабеля, было принято значение т0 = 0.375 с, которое соответствует утроенному времени быстродействия стандартных РЗ (0.125 с).
В настоящей работе, в целях сравнительной оценки эффективности использования ВТСП-П, мы приводим результаты расчета режимов КЗ для кабелей того же состава, что и в [21], но подключенных к сети по схеме рис. 1. Исходные данные расчетов, приведенные в Таблице 1, остаются неизменными. Однако, длина для всех типов кабелей полагается одинаковой 1С = 50 м (по-видимому, это наименьшее значение длины, представляющее практический интерес). Также, в силу специфики обработки режима КЗ при наличии ВТСП-П, мы принимаем конечное время фиксации температуры кабеля, равным времени отключения стандартного реле защиты т0 = 0.125 с
Плавкая вставка для одной фазы ВТСП-П состоит из 20 специализированных ВТСП-лент, разработанных фирмой ООО «С-Инновации» [24]. Ленты не содержат медного покрытия. Толщины слоев остальных компонент, следующие: h (Хастеллой) = 40 мкм, S (сверхпроводник) = 2 мкм, Ag = 3 мкм. Критический ток лент при ширине 4 мм составляет 250 А. Таким образом, критический ток 20 лент вставки превышает критический ток фаз кабелей. Индуктивности вставки и шунта равны Ьр =0.01 мГн и Ь^ =0.08 мГн. Сопротивление шунта Я^ = 15 Ом. Это значение выше сопротивления нагрузки и, благодаря этому, после сгорания вставки устанавливается ток меньший номинального значения.
Таблица 1. Результаты расчета характеристик режимов КЗ в ВТСП линиях электропередач в отсутствие сверхпроводящего предохранителя. Исходные данные расчета: фаза кабеля содержит 60 ВТСП-лент. Критический ток ленты 85 А, критический ток фазы 5.1 кА, площадь сечения сверхпроводника в фазе ^ = 0.24 мм2. и = 35 кВ, Я^ = = 0.1 Ом, Ь = 0.3 мГн, Я = 12 Ом, Ь = 7 мГн, действующее значение номинального тока фазы J = 2.842 кА,
J*=J/J, тп = 0.375 с.
_п 0_
Вид кабеля Длина кабеля, м I* , 1*0 Т Т(т) К
К1 (ленты SP + дополнительная медь 120 мм2 на фазу) 2667 82 15.2 549
3556* 75 15.9 445
4445 70 16.2 381
К2 (ленты SP без дополнительной меди) 2151 25 1.76 535
2868* 21.1 1.83 433
3585 18.6 1.88 369
К3 (ленты SP без покрытия 749 4.6 0.54 558
999* 4.0 0.50 427
1249 3.6 0.48 348
К4 (ленты SP без покрытия ^ с двойной толщиной Хастеллоя) 590 6.1 0.91 612
786* 5.1 0.81 455
983 4.5 0.74 365
* — кабели критической длины (кабели, температура, которых за время КЗ, равное т(Г достигает предельно допустимую Т = Тт = 473 К).
Графики изменения токов сети и вставки в режиме КЗ для кабелей К1 и К2 приведены на рис. 2 и 3. Наиболее существенные характеристики режимов для всех кабелей сведены в Таблице 2. Все приведенные данные получены для момента возникновения КЗ t*0К3 = 0.2. Это значение f0КЗ выбрано потому, что оно соответствует наихудшим характеристикам режимов КЗ.
£ Ч_г
О -
-А -Лр
..... ..... \\
\ \ \\ \\ >д ч\
к >■ \ч. /
0.0
0.5
1.0
Рис. 2. Изменение безразмерных токов сети = ТТ (сплошная линия) и вставки Тр = Т]/Т (пунктир) для кабеля К1. Безразмерное время ? = Р/, / = 50 Гц, t *0КЗ = 0.2.
»-5
1 \ \ \ \ \ ' 1 ' Лз ! - - Зр \
! 1 \ \ \ .....\...... ------------------------^._.......... \ \ \ \ \
■ 1 \ 1 \
■ / / 1 \ 1 _..--— \
/ / |
0.0
0.5
1.0
1.5
Рис. 3. Изменение безразмерных токов сети = J;/Jn (сплошная линия) и вставки Тр = J/Jn (пунктир) для кабеля К2. Безразмерное время / / = 50 Гц, ^*0К^3 = 0.2.
Таблица 2. Результаты расчета характеристик режимов КЗ в ВТСП линиях электропередач при наличии ВТСП-П, подключенного по схеме рис.1. Исходные данные расчета — те же, что и в Таблице 1. Длина кабелей — 50 м. Обозначения: = — безразмерный ударный ток, Т*0 = Jf/Jn — амплитуда тока, установившаяся после разрушения вставки ВТСП, At — промежуток времени от начала КЗ до момента разрушения вставки, ТСт — максимальная температура кабеля, ТС(т0) — температура кабеля к моменту отключения РЗ (т0 = 0.125 с).
Вид кабеля г» гп А^ мс Тс , K ст ад, к
К1 10.03 1.15 2.55 79.3 79.2
К2 10.00 1.15 2.66 97.0 79.1
КЗ 6.43 0.85 13.6 465 465
7.19 0.99 5.42 427 427
5. Анализ полученных результатов.
Сравнение данных Таблицы 1 для кабелей К1 и К2 показывают бессмысленность включения дополнительной меди в состав кабеля. Помимо значительного увеличения критической длины, ее наличие приводит к совершенно неприемлемым величинам ударного тока. Поэтому, даже при длине кабеля, значительно превышающей критическую, потребуется подключение токоограничивающих устройств. Ударный ток для кабелей К1и К2 значительно выходит за пределы традиционных нормативов. Однако, решение вопроса о необходимости токоогра-ничения для этих кабелей не однозначно. Результат зависит от фактической длины кабеля и конкретных требований к ограничению ударного тока для других элементов защищаемого участка сети. Подключение ВТСП-П к кабелям КЗ и К4 обеспечивает полностью комфортные характеристики режима КЗ, практически эквивалентные вариантам использования значительно более дорогостоящих токоограничителей (например, сверхпроводящих токоограничителей резистивного типа [25, 7]. При этом результаты практически не зависят от длины кабеля. Важно также отметить радикальное снижение максимальной температуры кабелей. Причем уже к моменту срабатывания РЗ температура кабелей снижается до значений, достаточных для восстановления критического тока, превышающего амплитуду Т Это означает, что при необходимости осуществления установленных регламентом последующих пробных включений (которые, должны производиться при разрушенной вставке) ток кабеля будет уже полностью сверхпроводящим.
Подключение ВТСП-П к кабелю К4 практически не улучшает характеристик КЗ. Единственный эффект состоит в возможности обеспечить эти характеристики при длине кабеля значительно меньшей критического значения. Заметим, однако, что расчет этих вариантов кабелей выполнялся в [21] для решения теоретической задачи — определить предел, к которому стремятся результаты при уменьшении толщины медного покрытия ВТСП-лент. На практике изготовление ВТСП-кабеля на основе лент, полностью лишенных медного покрытия, маловероятно. Для устойчивой работы такого кабеля необходимо обеспечить идеальную однородность характеристик лент и условий теплоотдачи по их длине, исключающие возможность локальных нарушений эффективности этих условий. Наконец, должна быть исключена возможность повреждения тонкого серебряного покрытия в процессе изготовления кабеля. При изготовлении короткой плавкой вставки ВТСП-П эти условия выполнимы, но гарантировать их соблюдение на всей длине кабеля вряд ли возможно. Тем не менее, вариант изготовления кабелей на основе ВТСП-лент с уменьшенной толщиной медного покрытия (или защитного покрытия из иных материалов) представляется вполне реалистичным.
Длина обмоток сверхпроводящих токоограничителей резистивного типа (РТО), обычно, составляет несколько километров, что не сопоставимо с количеством ВТСП материала, необходимого для изготовления вставки ВТСП-П. Поэтому, стоимость вставки, как и оценочная стоимость ВТСП-П в целом меньше стоимости РТО аналогичной мощности на 1-2 порядка. Частота возникновения КЗ в большинстве предприятий электроэнергетики высокой и средней мощности не превышает одного-двух раз в год. Соответственно, и замена вставок практически
не может повлиять на эксплуатационные расходы. Время, необходимое для замены сгоревшей вставки, при оптимальной конструкции контактного устройства, не должно превышать 10 минут. Однако, возможны ситуации, при которых, по условиям эксплуатации, время обработки КЗ должно быть существенно меньше. ^пример, в России часто используется регламент, который требует после отключения РЗ, вызванного коротким замыканием, произвести еще два пробных включения с интервалом не более 2 с, поскольку есть вероятность самоликвидации КЗ. Для соблюдения такого регламента необходимо иметь запасной комплект вставок, который подключается только после ликвидации КЗ. Пробные включения нужно производить еще при разрушенной вставке и определять их результат по величине установившегося тока. В случае сохранения КЗ в сети установится ток, соответствующий сопротивлению шунта. Признаком ликвидации КЗ будет фиксация значительно меньшего значения тока, которое соответствует сопротивлениям шунта и нагрузки, включенным последовательно.
6. Заключение
Методом математического моделирования исследована эффективность ограничения токов короткого замыкания с помощью сверхпроводящего высокотемпературного предохранителя в электрической сети, содержащей сверхпроводящую линию электропередач. Показано, что эффективность защиты сети, включая и защиту сверхпроводящего кабеля, не уступает эффективности использования известных токоограничителей. При этом, оценочная стоимость предохранителя, как минимум, на порядок ниже стоимости всех альтернативных токоогра-ничивающих устройств. Единственным недостатком предохранителя является необходимость замены разрушенной сверхпроводящей вставки после ликвидации короткого замыкания, которая может занимать до 10 минут времени. Этот промежуток может быть сокращен до любого требуемого минимума путем подключения запасной вставки непосредственно после ликвидации короткого замыкания.
Литература
[1] В.В. Желтов, С.И. Копылов, А.Ю. Архангельский, H.H. Балашов, Д.В. Белкин, А.Б. Шиги-дин, Высоковольтный предохранитель со сверхпроводящей высокотемпературной вставкой, Пат. RU206406 (2021).
[2] G. Zhang, H. Wang, Q. Qiu et al., Supercond. Sci. Technol. 34, 013001 (2020). DOI: 10.1088/1361-6668/abac1f
[3] H.W. Neumueller, W. Schmidt, H.P Kraemer et al., IEEE Trans. Appl. Supercond. 19, 1950 (2009). DOI: 10.1109/TASC.2009.2017902
[4] H.P. Kraemer, W. Schmidt, H. Cai et al., Phys. Procedia 36, 921 (2012). DOI: 10.1016/j. phpro.2012.06.230
[5] S.R. Lee, J.J. Lee, J. Yoon et al., IEEE Trans. Appl. Supercond. 27, 5401305 (2017). DOI: 10.1109/ TASC.2017.2669159
[6] S.R. Lee, E.Y. Ko, J.J. Lee et al., IEEE Trans. Appl. Supercond. 29, 5602104 (2019). DOI: 10.1109/ TASC.2019.2897838
[7] M. Moyzykh, D. Gorbunova, P. Ustyuzhanin et al., IEEE Trans. Appl. Supercond. 31, 5601707 (2021). DOI: 10.1109/TASC.2021.3066324
[8] Z. Hong, J. Sheng, J. Zhang et al., IEEE Trans. Appl. Supercond. 22, 5600504 (2011). DOI: 10.1109/TASC.2011.2180278
[9] Y. Chen, X. Liu, J. Sheng et al. IEEE Trans. Appl. Supercond. 24, 5601305 (2013). DOI: 10.1109/ TASC.2013.2284936
[10] S. Dai, T. Ma, C. Xue et al., Phys. C Supercond. Its Appl. 565, 1253501 (2019). DOI: 10.1016/j. physc.2019.06.004
[11] M. Song, S. Dai, C. Shenget al., Phys. C Supercond. Its Appl. 585, 1353871 (2021). DOI: https:// doi.org/10.1016/j.physc.2021.1353871
[12] V. Chepikov, N. Mineev, P. Degtyarenko et al., Supercond. Sci. and Tech. 30, 124001 (2017). DOI: 10.1088/1361-6668/aa9412
[13] A.V. Ovcharov, P.N. Degtyarenko, V.N. Chepikovet al., Sci. Rep. 9, 15235 (2019). DOI: 10.1038/ s41598-019-51348-w
[14] P. Degtyarenko, S. Gavrilkin, A. Tsvetkov et al., Supercond. Sci. and Tech. 33, 045003 (2019). DOI: 10.1088/1361-6668/ab714c
[15] A. Molodyk, S. Samoilenkov, A. Markelov et al., Sci. Rep. 11, 1 (2021). DOI: 10.1038/s41598-021-81559-z
[16] D.F. Alferov, P.N. Degtyarenko, I.N. Dul'kin et al., J. Phys.: Conf. Ser. 234, 032001 (2010). DOI: 10.1088/1742-6596/234/3/032001
[17] P.N. Degtyarenko, I.N. Dul'kin, L.M. Fisher et al., Physics of low temperature 37, (2011).
[18] P.N. Degtyarenko, I.N. Dul'kin, L.M. Fisher et al., Physics Procedia 36, 596 (2012). DOI: 10.1016/j.phpro.2012.06.174
[19] P. N. Degtyarenko, V. V. Zheltov, N. N. Balashov et al., Materials 15, 8754 (2022). DOI: 10.3390/ ma15248754
[20] D.F. Alferov, M.R. Akhmetgareev, A.I. Budkovsky et al., Электричество 9, 12 (2012).
[21] V.Z. Mansurov, N.V. Alexandrov, Proceedings of the Tomsk Technical University 323, (2013).
[22] S.I. Kopylov, N.N. Balashov, P.N. Degtyarenko et al., IEEE Trans. Appl. Supercond. 29, 5401405, (2019). DOI: 10.1109/TASC.2019.2898511
[23] D. W. Hazelton. 2G HTS Conductors at SuperPower // LTHFSWS2012 Napa, CA, November 6, 2012. - p. 1.
[24] D.W. Hazelton, V. Selvamanickam, J.M. Duval et al., IEEE Trans. Appl. Supercond. 19, 2218 (2009). DOI: 10.1109/TASC.2009.2018791
[25] S. Samoilenkov et al., Supercond. Sci. and Tech. 29, 024001 (2016). DOI: 10.1088/09532048/29/2/024001.
[26] J. Zhu. S.Chen and Z. Jin, Electronics 11, 297 (2022).DOI: 10.3390/electronics11
An opportunity of fault current limitation in power systems with superconducting transmission lines made of 2G HTS tapes
V. V. Zheltov1, N. N. Balashov1*, P. N. Degtyarenko12, A. Y. Arkhangelsky1, A. Y. Degtyarenko13, K. L. Kovalev14
1 Joint Institute for High Temperature of the Russian Academy of Sciences, ul. Izhorskaya, 13-2, 125412, Moscow, Russia
2 S-Innovations LLC, Nauchny proezd, 20-2, 117246, Moscow, Russia
3 P.N. Lebedev Physical Institute of the Russian Academy of Sciences, Leninsky Prospekt, 53, 119991, Moscow, Russia
4 Moscow Aviation Institute, National Research University, Volokolamskoye highway, 4, 125993, Moscow, Russia
* e-mail: [email protected]
2G HTS conductors are known to have high critical parameters what gives an opportunity of making various fault current limiting devices. One of them is proposed in this paper the HTS fuse - HTSF), the design of which was developed and previously protected by a patent. Due to its simplicity, this device has a low cost as compared with others and can be replaced very easily after actuation and burning out. Another advantage of the HTSF is a low capacity of its cryogenic system, due to its low mass and dimension characteristics, but if it is used together with a HTS cable there is no necessity of having a special cryogenic system at all, since the HTSF cooling down can be performed by that one of the HTS cable. Here are given the calculations of the fault current limitation efficiency of the HTSF within the electric power system having a HTS transmission line.
Keywords: HTS tapes; HTS cables; HTS Fuse; fault current limitation; electric power network; critical current.
Владимир Валентинович Желтов — к. ф.-м. н., старший научный сотрудник Объединенного института высоких температур Российской академии наук.
Dr. Vladimir Zheltov — Senior Researcher, Joint Institute for High Temperatures of the Russian Academy of Sciences
Николай Николаевич Балашов — научный сотрудник Объединенного института высоких температур Российской академии наук.
Nikolay Balashov — research fellow Joint Institute for High Temperatures of the Russian Academy of Sciences
Павел Николаевич Дегтяренко — к. ф.-м. н., старший научный сотрудник Объединенного института высоких температур Российской академии наук.
Dr. Pavel N. Degtyarenko — Senior Researcher, Joint Institute for High Temperatures of the Russian Academy of Sciences
Андрей Юрьевич Архангельский — к. ф.-м. н., зам. заведующего лабораторией Объединенного института высоких температур Российской академии наук.
Dr. Andrey Yu. Arkhangelsky — Deputy Head of laboratory, Joint Institute for High Temperatures of the Russian Academy of Sciences
Алёна Юрьевна Дегтяренко — вк. м. н. с., Центра высокотемпературной сверхпроводимости и квантовых материалов В. Л. Гинзбурга ФИАН
Alena Yu. Degtyarenko — research fellow, Ginzburg Center for High-Temperature Superconductivity and Quantum Materials, Lebedev Physical Institute, Russian Academy of Sciences
Константин Львович Ковалёв — д. т. н., заведующий лаборатории Объединенного института высоких температур Российской академии наук, заведующий кафедры НИУ МАИ.
Dr. Konstantin L. Kovalev — Head of laboratory, Joint Institute for High Temperatures of the Russian Academy of Sciences, Head of the Department of Moscow Aviation Institute (National Research University)
