Сверхпроводниковые ограничители токов короткого замыкания для систем тягового электроснабжения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Лобынцев, Владимир Васильевич

• Лобынцев, Владимир Васильевич
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Лобынцев, Владимир Васильевич

Введение.

1 Явление сверхпроводимости и его техническое использование

1.1 Сверхпроводники: физические свойства и технология производства

1.2 Сверхпроводниковые ограничители токов короткого замыкания.

1.3 Системы криогенного обеспечения и тепловой изоляции.

1.4 Выводы по главе.

2 Исследование тепловых процессов в секции токоограничивающего элемента сверхпроводникового ограничителя токов короткого замыкания

2.1 Переход неидеальных сверхпроводников второго рода в нормаль- ^ ное состояние.

2.2 Теоретическое исследование температуры перегрева ВТСП проводов второго поколения в режиме ограничения тока короткого замыкания

2.3 Расчет времени остывания различных вариантов секции ВТСП токоограничивающего элемента в азотной ванне после перехода в нормальное состояние.

2.4 Математическая модель ВТСП ограничителя токов короткого замыкания резистивного типа.

2.5 Выводы по главе.

3 Экспериментальное исследование модельного токоограничивающего элемента СОТ

3.1 Задачи экспериментов.

3.2 Схемы экспериментов.

3.3 Результаты исследований свойств ВТСП проводов второго поколения

3.3.1 Критические токи коротких образцов ВТСП проводов

3.3.2 Температурные зависимости погонного сопротивления различных ВТСП проводов.

3.3.3 Сравнение параметров ВТСП проводов второго поколения различных производителей.

3.4 Конструкция модельного токоограничивающего элемента СОТ

3.5 Результаты опыта короткого замыкания и измерения уровня потерь на переменном токе в модельном ВТСП токоограничивающем элементе

3.5.1 Переходные процессы в нелинейной электрической цепи содержащей модельный ВТСП токоограничивающий элемент СОТ.

3.5.2 Измерение времени восстановления модельным ВТСП то-коограничивающим элементом сверхпроводящего состояния.

3.5.3 Результаты измерения уровня потерь на переменном токе в модельном ВТСП токоограничивающем элементе.

3.6 Сопоставление экспериментальных данных с результатами математического моделирования.

3.7 Выводы по главе.

4 Определение параметров токоограничивающих элементов, разработка конструкции основных узлов и системы криогенного обеспечения СОТ

4.1 Определение величины активного сопротивления СОТ первоначально вводимого в цепь тока короткого замыкания.

4.1.1 Прототип секции токоограничивающего элемента СОТ для тяговых сетей постоянного и переменного тока.

4.1.2 Параметры токоограничивающего элемента СОТ для тяговой сети переменного тока.

4.1.3 Параметры токоограничивающего элемента СОТ для тяговой сети постоянного тока.

4.1.4 Система принудительного перевода токоограничивающих элементов СОТ в нормальное состояние.

4.2 Расчёт электроизоляции токовводов ВТСП устройств для тяговых сетей постоянного и переменного тока.

4.3 Расчёт параметров системы криогенного обеспечения СОТ для тяговых сетей постоянного и переменного тока.

4.4 Выводы по главе.

5 Имитационное моделирование токоограничивагощего действия СОТ в тяговых сетях постоянного и переменного тока, оценка технико-экономической эффективности использования данного типа устройств

5.1 Отключение токов короткого замыкания в тяговых сетях постоянного и переменного тока.

5.2 Имитационное моделирование токоограничивающего действия СОТ в тяговой сети постоянного тока при его установке на фидере питания депо.

5.3 Порядок взаимодействия СОТ с устройствами автоматики и защиты при его установке на вводах в распределительное устройство 27,5кВ.

5.4 Имитационное моделирование токоограничивающего действия СОТ в тяговой сети переменного тока при его установке на вводах РУ-27,5кВ и отказе фидерного выключателя.

5.5 Оценка величины ущербов по вине коротких замыканий в тяговых сетях переменного тока.

5.6 Оценка стоимости прототипа промышленного образца однофазного СОТ для тяговых сетей переменного тока и возможного снижения его стоимости при серийном производстве.

5.7 Определение экономического эффекта от внедрения комплекта серийно выпускаемых однофазных СОТ на типовой тяговой подстанции магистральных железных дорог переменного тока.

5.8 Выводы по главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Сверхпроводниковые ограничители токов короткого замыкания для систем тягового электроснабжения»

Существующее электротехническое оборудование тяговых подстанций и контактной сети - трансформаторы, токоограничивающие и сглаживающие реакторы, кабельные и воздушные линии, преобразовательные агрегаты - является резистивным оборудованием, обладающим активным сопротивлением. По этой причине при работе такого оборудования часть проходящей через него электрической энергии теряется, преобразуясь в тепло, аналогично тому, как превращается в тепло электрическая энергия в спирали электрической плитки. Из курса электротехники известно, что величина энергии, превращающейся в тепло, в каждый момент времени пропорциональна произведению квадрата протекающего тока на величину активного сопротивления участка цепи. Если выделяемое тепло не отводить от оборудования, то его токопроводящие части и их изоляция могут быть термически поражены и оборудование выйдет из строя. При нагреве голых медных токопроводящих частей сверх 200°С они теряют свои упругие механические свойства, что, например, недопустимо для проводов контактной сети, которые в этом случае «отжигаются» и начинают «течь» — растягиваются под действием собственного веса наподобие резинового жгута и ложатся на рельсы, создавая устойчивые короткие замыкания. При нагреве изолированных токопроводящих частей интенсивно стареет их изоляция.

Таким образом, чтобы не допустить нежелательного перегрева токопроводящих частей оборудования протекающими по ним токами, приходится увеличивать их сечения, уменьшая тем самым их активные сопротивления и количество выделяемого в них тепла. В результате этого, силовое электрооборудование тяговых подстанций становится громоздким и тяжелым, а превращенная в тепло энергия тратится впустую, нагревая воздух вблизи трансформаторов, реакторов, выпрямительных агрегатов и землю в местах прокладки кабелей.

Избавиться от указанных выше недостатков существующего резистивно-го оборудования тяговых подстанций можно, используя оборудование лишенное активного сопротивления. Кроме того, использование такого оборудования позволит решить целый ряд проблем повышения надежности и улучшения эне-го- и ресурсосбережения, которые не могут быть решены традиционным путем. Электротехнические установки (оборудование) лишенные активного сопротивления обычно именуются «сверхпроводящими» или «сверхпроводниковыми». Именно такой терминологии мы и будем придерживаться ниже. Сверхпроводниковое электротехническое оборудование сегодня интенсивно разрабатывается во всех развитых странах (Франция, Германия, США, Япония, Корея) и уже началась его опытная эксплуатация на Западе.

Сверхпроводниковое оборудование работает при низких температурах необходимых для достижения его элементами сверхпроводящего состояния. Существует целый ряд сверхпроводящих материалов: одни из них нуждаются в охлаждении жидким гелием (температура 4,2К), другие в охлаждении достаточно более дешевым жидким азотом (температура 77К). Следует заметить, что в настоящее время охлаждение элементов сверхпроводникового электротехнического оборудования до криогенных температур является рутинной и хорошо отработанной операцией, используемой в ядерной физике и даже в медицине: в мире ежегодно производится более 1000 сверхпроводниковых томографов. Охлаждаемые части сверхпроводникового оборудования располагаются в специальных ёмкостях - криостатах. За создание и последующее поддержание внутри криостата необходимых для работы сверхпроводникового оборудования криогенных температур обычно отвечают микрорефрижераторы (криокулеры), надёжность и принцип действия которых близок к устройствам используемым в бытовых холодильниках.

Закономерно возникает вопрос, какое же сверхпроводниковое оборудование создано, апробировано и может быть уже сейчас спроектировано и изготовлено на территории Российской Федерации?

Вот его краткий перечень:

1. Сверхпроводниковые аналоги существующего оборудования:

• Сверхпроводниковые силовые и преобразовательные трансформаторы (СПТ);

• Сверхпроводниковые реакторы сглаживающих устройств подстанций постоянного тока (СПР);

• Сверхпроводниковые кабельные линии (СПКЛ).

2. Принципиально новое сверхпроводниковое оборудование, не имеющее аналогов в традиционном исполнении:

• Сверхпроводниковые индуктивные накопители энергии (СПИНЭ);

• Сверхпроводниковые ограничители тока (СОТ).

Технико-экономический эффект от использования сверхпроводниковых аналогов существующего оборудования при одинаковой электрической проходной мощности выражается в значительном сокращении габаритов и веса при одновременном, существенном увеличении перегрузочной способности и практически стопроцентном сокращении потерь энергии внутри оборудования.

Всё сверхпроводниковое оборудование пожаробезопасно, так как в любом состоянии ни гелий, ни азот не горят и не поддерживают горение.

Пример сокращения объема и веса силового понижающего трансформатора тяговой подстанции в сверхпроводниковом исполнении показан на рисунке 1.

Что же касается сравнения перегрузочной способности резистивного и сверхпроводникового трансформаторов (СПТ) одинаковой номинальной мощности то, по зарубежным данным, последний допускает двукратные перегрузки в течение 2-х суток, вместо перегрузки в 1,3 раза в течение 2-х часов у обычных трансформаторов. Использование понижающих сверхпроводниковых трансформаторов исключает необходимость закладывать резервные мощности в трансформаторное оборудование тяговых подстанций на случай выпадения одной из них. Существенно выше и шкала кратковременных перегрузок, сверхпроводниковый трансформатор способен выдерживать десятикратные перегрузки в течение 2-5 минут.

Сверхпроводниковый индуктивный накопитель энергии (СПИНЭ) представляет особый интерес, поскольку в отличие от остальных потребителей электрической энергии тяговые подстанции (ТП) системы тягового электроснабжения характеризуются крайне неравномерным графиком потребления энергии. Это объясняется тем, что пиковые значения токовых нагрузок ТП более чем в пять раз превышают эффективный суточный ток. С целью экономии энергии, повышения ее качества, уменьшения установленной мощности понижающих и преобразовательных трансформаторов ТП, а также с целью максимально эффективного использования энергии рекуперации, отдаваемой электроподвижным составом на крутых спусках и при торможении вблизи станций, целесообразно прибегнуть к установке на тяговых подстанциях СПИНЭ.

Рисунок 1 - Сравнительные габариты трансформаторов мощностью ЗОМВА: а - традиционного резистивного массой 48 тонн, б - сверхпроводникового массой 16 тонн

Конструктивно СПИНЭ представляет собой сверхпроводниковую катушку большой индуктивности и специальный полупроводниковый управляемый преобразователь. Вне зависимости от типа подстанции (переменного или постоянного тока) СПИНЭ подключается непосредственно к шинам тягового напряжения и подзаряжается в моменты отсутствия тяговой нагрузки, накапливая энергию в виде электромагнитного поля, и отдает её в тяговую сеть в виде электрического тока в моменты пиковых нагрузок. Если на тяговой подстанции устанавливается СПИНЭ, позволяющий снять пиковое потребление энергии из питающей сети первичного электроснабжения, доведя его до постоянного среднесуточного, то габаритные размеры сверхпроводникового трансформатора уменьшатся примерно еще в 1,25-1,4 раза, а вес, соответственно, в 2-3 раза против указанных на рисунке 1.

Использование вместо обычных резистивных реакторов сглаживающих устройств типа РБФАУ-3,3-6500/3250У2 в цепи возврата тягового тока на тяговых подстанциях постоянного тока сверхпроводниковых реакторов (СПР), имеющих по сравнению с резистивным аналогом меньшие габариты и массу, позволит размещать их в стандартных фидерных ячейках. Величину индуктивности при изготовлении сверхпроводниковых реакторов можно будет принимать существенно большей, для сглаживания пульсаций выпрямленного тока при той или иной схеме выпрямления. Экономия только на внутренних потерях энергии в одном реакторе при такой замене может составить величину порядка 180 ОООкВт-ч в год на средневзвешенной тяговой подстанции.

Сверхпроводниковые ограничители тока (СОТ) предназначены для ограничения токов короткого замыкания (к.з.), как в цепях постоянного, так и переменного тока. Они обладают высоким быстродействием и надёжностью ввиду отсутствия механических частей. Их сопротивление в нормальном режиме работы практически равно нулю, но резко возрастает при достижении током в цепи заданного критического значения, тем самым, позволяя ограничить ток к.з. до требуемой величины. Целесообразность и необходимость ограничения токов к.з. объясняется спецификой работы тяговых сетей постоянного и переменного тока, в которых, вследствие особенностей токосъема скользящим полозом токоприёмника электроподвижного состава, количество к.з. в год на 100км длины примерно на два порядка больше, чем в промышленных сетях напряжением 635кВ и составляет 30-г50 на фидер (питающую линию контактной сети) в год.

Установка СОТ на фидерах контактной сети существующих ТП переменного и постоянного тока позволит повысить надёжность отключения коротких замыканий в контактной сети коммутационными аппаратами (выключателями) и, тем самым, исключая случаи отказов выключателей, защитить силовое оборудование и токоведущие части от последствий электродинамического и термического воздействий, а контактные провода в месте дугового короткого замыкания от пережогов.

Установка СОТ на вводах в распределительное устройство 27,5кВ существующих тяговых подстанций переменного тока позволит не только уменьшить число пережогов проводов контактной сети, но и практически полностью исключить повреждения понижающих трансформаторов, значительно продлив тем самым их срок службы. Это объясняется тем, что, за счёт своего высокого быстродействия (полное время ограничения тока составляет 0Д-г1мс) СОТ способен не только ограничить установившееся значение тока короткого замыкания, но, что особенно важно, полностью срезать амплитуду ударного тока короткого замыкания. Следует особо отметить, что на это принципиально не способен ни один из самых совершенных выключателей переменного тока. Конструкция прототипа трёхфазного СОТ переменного тока на номинальную мощность 1MB А созданного компанией Siemens показана на рисунке 2.

Приведём некоторые соображения по экономической эффективности использования сверхпроводникового оборудования.

Для примера была подсчитана суммарная годовая экономия энергии получаемая при замене существующего резистивного оборудования (преобразовательного трансформатора и реактора сглаживающего устройства) сверхпроводниковыми на подстанции «Дмитров» Московской ж.д. Годовая экономия составляет величину порядка 200 ОООкВт-час или 360 000руб. в год.

Рисунок 2 - Конструкция прототипа трёхфазного СОТ номинальной мощностью ШВА для сетей переменного тока: 1 - система криогенного обеспечения (компрессор и криокуллер), 2 - токов йоды, 3 - токоограничивающие элементы (иттриевая (УВСО) пленка на керамической подложке), 4 - жидкий азот, 5 - криостат с многослойной термоизоляцией

В случае оборудования фидеров контактной сети СОТ экономия от снижения количества пережогов проводов контактной сети и рисков возникновения более тяжелых аварий по причине неотключённых коротких замыканий, составит величину порядка 1,9млн. руб. на подстанцию в год.

Таким образом, использование перечисленного выше сверхпроводникового оборудования позволит не только существенно сократить потери электрической энергии в оборудовании тяговых подстанций и питающих линиях первичного электроснабжения, но и улучшить её качество и, в целом, увеличить надежность функционирования систем тягового электроснабжения. В частности это будет достигнуто также и за счет возможности создания полностью закрытых тяговых подстанций постоянного и переменного тока с размещением всего высоковольтного и сверхпроводникового оборудования внутри здания.

В России, сохранявшей лидерство в области прикладной сверхпроводимости, наряду с США и Японией вплоть до начала 90-х годов, и сохранившей высокий научный и кадровый потенциал, прежде всего в отделении сверхпроводимости и физики твердого тела Курчатовского центра, в лабораториях ВНИИНМ им. Бочвара, ФГУП «ВЭИ», ОАО «ВНИИКП» и НИИ «Электромаш» (г. Санкт-Петербург) имеются все предпосылки для начала рабочего проектирования названного выше сверхпроводникового оборудования, изготовления его опытных образцов на Российских заводах и испытаний на действующих тяговых подстанциях ОАО «РЖД» и трансформаторных подстанциях РАО ЕЭС. Использование сверхпроводникового оборудования нужно, более чем другим потребителям электроэнергии, электрическим железным дорогам, в силу их крайне неравномерного по времени энергопотребления и высокой частоты возникновения коротких замыканий, по сравнению с электрическими сетями общепромышленного назначения.

Решением проблемы ограничения токов короткого замыкания занимались такие учёные как: профессора Пупынин В.Н., Герман Л. А., Кейлин В.Е., Овла-сюк И.Я., Фигурнов Е.П., Бочев A.C. и другие.

На сегодняшний день известно несколько способов ограничения амплитудного значения установившихся токов короткого замыкания, применяемых для защиты ЛЭП, но они не могут должным образом использоваться в системах тягового электроснабжения в силу специфики последних.

Актуальность работы также связана с тем, что интенсивная электрификация многих участков железных дорог производилась преимущественно во второй половине прошлого века, поэтому большая часть силового электротехнического оборудования уже выработала свой ресурс, и нуждается в замене. Вместе с тем темпы модернизации хозяйства электроснабжения таковы, что для замены только понизительных трансформаторов тяговых подстанций, эксплуатируемых на сегодняшний день сверх нормативного срока службы, понадобится минимум 100 лет. В основном ухудшению технического состояния трансформаторов способствует высокая частота возникновения коротких замыканий в тяговых сетях, которая примерно на два порядка выше, чем в распределительных сетях общепромышленного назначения аналогичного уровня напряжения (635кВ). При коротких замыканиях в обмотках трансформаторов возникают пон-дермоторньте силы, многократно превышающие максимально допустимые значения, которые приводят к интенсивному старению изоляции. От коротких замыканий страдает и сама контактная сеть (пережоги и отжиг проводов), поэтому требуются срочные меры, позволяющие продлить сроки службы понизительных и преобразовательных трансформаторов, а также сократить число пережогов проводов контактной сети. Защитить обмотки понизительных трансформаторов от динамического действия токов короткого замыкания, а провода контактной сети от пережогов, могут единственные в своём роде безинерцион-ные коммутационные устройства - сверхпроводниковые ограничители тока, позволяющие не только срезать амплитуду ударного тока короткого замыкания, но и ограничить его квазиустановившееся значение.

Особо следует отметить, что сейчас, в период глобальной модернизации хозяйства электроснабжения железных дорог, как никогда открывается прекрасная возможность начать его техническое перевооружение с применением новейших технологий, в том числе, согласно Энергетической стратегии ОАО «РЖД» на период до 2010г. и на перспективу до 2030г., основанных на использовании явления сверхпроводимости. Эти технологии позволят вывести работу систем тягового электроснабжения (СТЭ) на новый качественный уровень и в полной мере способствовать реализации высокоскоростного и тяжеловесного движения.

Целью диссертационной работы является разработка сверхпроводниковых ограничителей токов короткого замыкания и исследование их токоограничи-вающего действия в системах тягового электроснабжения постоянного и переменного тока.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие теоретические и экспериментальные задачи:

1. Исследование тепловых процессов в секции токоограничивающего элемента сверхпроводникового ограничителя токов короткого замыкания (СОТ).

2. Разработка математической модели высокотемпературного сверхпроводникового (ВТСП) ограничителя токов короткого замыкания резистивного типа.

3. Экспериментальное исследование физических свойств ВТСП проводников второго поколения различных производителей и комплексные испытания модельной секции ВТСП токоограничивающего элемента резистивного типа в активно-индуктивной цепи переменного тока.

4. Верификация математической модели ВТСП ограничителя токов короткого замыкания резистивного типа на основе полученных экспериментальных данных.

5. Выбор параметров токоограничивающих элементов, разработка конструкции основных узлов и системы криогенного обеспечения будущих прототипов промышленных СОТ для систем тягового электроснабжения постоянного и переменного тока.

6. Имитационное моделирование токоограничивающего действия СОТ в тяговых сетях постоянного и переменного тока.

Для исследования тепловых процессов в секции токоограничивающего элемента сверхпроводникового ограничителя токов короткого замыкания использовалась программная среда СОМБОЬ МиШрИуБюз 3.4, ориентированная на решение широкого спектра инженерно-физических задач методом конечных элементов. Экспериментальные исследования физических свойств ВТСП проводников различных производителей и комплексные испытания модельной секции ВТСП токоограничивающего элемента резистивного типа проводились на экспериментальном стенде Института сверхпроводимости и физики твёрдого тела РНЦ «Курчатовский институт». Исследование токоограничивающего действия СОТ в тяговых сетях постоянного и переменного тока производилось при использовании специально разработанной для этих целей компьютерной программы основанной на решении методом итераций линейных и нелинейных алгебраических уравнений, записанных, как в явном, так и в неявном виде.

Научная новизна работы заключается в том, что:

- предложен метод расчёта времени перехода неидеальных сверхпроводников второго рода в нормальное состояние;

- доказана возможность существенного упрощения нестационарного уравнения теплопроводности используемого при расчёте температуры перегрева ВТСП проводников второго поколения за счёт перехода от двумерной (расчёт распределения температуры перегрева по сечению) к одномерной модели (расчёт температуры перегрева в центральной точке сечения);

- предложена математическая модель ВТСП ограничителя токов короткого замыкания резистивного типа;

- впервые в России проведены комплексные испытания модельной секции ВТСП токоограничивающего элемента резистивного типа, на основе которых произведена верификация математической модели ВТСП ограничителя токов короткого замыкания резистивного типа;

- предложен метод расчёта электрической изоляции криогенной части то-ковводов ВТСП электротехнических устройств различного рода тока и уровня напряжения;

- предложен метод расчёта токоограничивающего действия СОТ при его установке в силовых цепях действующих электроустановок (тяговых подстанций) постоянного и переменного тока.

Достоверность полученных результатов. Все экспериментальные исследования проводились с использованием высокоточной измерительной аппаратуры: цифрового запоминающего осциллографа АКТАКОМ АСК-3107 и многоканальной измерительной системы Agilent 34970А. Эффективность работы ВТСП токоограничивающего элемента резистивного была доказана предварительным моделированием переходных процессов в электрической цепи с его использованием. Точность моделирования подтверждена экспериментально (расхождение составляет не более 10%).

Практическая ценность работы заключается в том, что:

- разработаны инженерные методы расчёта и проектирования ВТСП токоо-граничивающих элементов резистивного типа;

- разработаны конструктивные решения будущих прототипов СОТ ориентированных на использование в тяговых сетях постоянного и переменного тока ОАО «РЖД»;

- разработана схема универсальной системы криогенного обеспечения СОТ;

- показана возможность размещения в стандартной ячейке постоянного тока СОТ и быстродействующего выключателя (ВАБ-49);

- разработана ячейка ввода в распределительное устройство 27,5кВ с однофазными СОТ;

- дан план размещения оборудования на территории типовой тяговой подстанции переменного тока с первичным напряжением 110кВ, а также ячеек ввода с однофазными ограничителями токов короткого замыкания и системы их криогенного обеспечения;

- разработан порядок взаимодействия СОТ с устройствами автоматики и защиты при его установке на вводах в распределительное устройство 27,5кВ.

Внедрение результатов работы. Разработанные методы расчётов и теоретических исследований носят новаторский характер, поэтому нашли своё применение при выполнении научно-исследовательских работ в таких организациях как: ООО «Центр«Атом-инновации» и Государственный университет аэрокосмического приборостроения (ГУАП). С использованием метода расчёта электрической изоляции криогенной части токовводов ВТСП электротехнических устройств различного рода тока и уровня напряжения разработаны токов-водные муфты для протитипа первой в России сверхпроводниковой кабельной линии, которые внедрены на испытательном полигоне ОАО НТЦ «Электроэнергетики».

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на VI научно-практической конференции «Безопасность движения поездов» 26-27 октября 2005г., Москва, МИИТ; на третьем международном симпозиуме Eltrans2005, 15-17 ноября 2005г., Санкт-Петербург, ПГУПС; на международной конференции Siemens AG, 5 апреля 2006г., Москва; на заседании секции «Электрификация и электроснабжение» научно-технического совета ОАО «РЖД» «Перспективные технические средства и технологии для систем тягового электроснабжения железных дорог» 26-27 сентября 2006г. и 19-21 сентября 2007г. Москва, ОАО «РЖД»; на заседании совета по реализации генерального соглашения о сотрудничестве между Российской Академией Наук и ОАО РАО «ЕЭС России» по определению направлений развития ЕЭС России, 15 мая 2007г. Москва, РАН; VIII научно-практической конференции «Безопасность движения поездов» 1-2 ноября 2007г., Москва, МИИТ; на четвёртом международном симпозиуме Eltrans2007, 23-26 октября 2007г., Санкт-Петербург, ПГУПС; на конференции по физике конденсированного состояния, материаловедению и сверхпроводимости, посвященной 50-ти летию исследовательского ядерного реактора ИРТ, 26-30 ноября 2007, Москва, РНЦ «КИ»; на всероссийском семинаре по прикладной сверхпроводимости, 14 января 2009г., Москва, РНЦ «КИ».

Публикации. По теме диссертационной работы имеется 17 публикаций, из них один патент на изобретение, одно свидетельство о регистрации программы для ЭВМ и две публикации в издании, рекомендуемом ВАК: «Электричество », №2, 2007г., «НТТ - наука и техника транспорта», №4, 2008г.

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Лобынцев, Владимир Васильевич

5.8 Выводы по главе

При всех своих достоинствах действительно безынерционного сверхбыстродействующего токоограничивающего устройства способного не только ограничить величину установившегося тока к.з., но и полностью срезать амплитуду его ударного тока, СОТ обладает одним существенным недостатком — сравнительно высокой стоимостью. Видимо, по этой причине во всём мире затруднена их коммерциализация и не только. Для СОТ, как самоуправляемого устройства, довольно трудно найти место установки внутри сбалансировано действующей энергосистемы, разве только на шинах низкого или среднего напряжения конечного потребителя с целью защиты обмоток понизительного трансформатора от часто возникающих коротких замыканий. В этом смысле идеальным потребителем СОТ может выступить железнодорожный транспорт, а именно системы тягового электроснабжения переменного тока, в которых нет альтернативных методов защиты от динамического действия токов короткого замыкания. Тем более, что необходимость ограничения токов к.з. регламентирована ГОСТ-12965-85Е. В этой связи также следует отметить, что потенциальные места установки СОТ - тяговые подстанции системы тягового электроснабжения переменного тока должны выбираться исходя из параметров питающей системы, типа и количества установленных на их территории силовых понизительных трансформаторов. Крайне необходимыми местами установки СОТ представляются тяговые подстанции, территориально близко расположенные к питающим центрам, переходный режим к.з. в силовых цепях которых или в питаемой ими контактной сети сопровождается существенным изменением э.д.с. и индуктивного сопротивления генераторов усиливающимся в результате действия устройства регулирования возбуждения (АРВ) [102]. Установка СОТ на таких тяговых подстанциях будет способствовать искусственному удалению к.з., препятствуя тем самым разбалансу распределительной системы общепромышленного назначения.

Заключение

1. Исследование процесса перехода неидеальных сверхпроводников второго рода показало, что характерные времена, за которые происходит этот переход, действительно малы, по сравнению с характерными временами переходных режимов короткого замыкания.

2. Исследование температуры перегрева ВТСП проводников второго поколения в режиме ограничения тока короткого замыкания не выявило по истечении, как промежуточных, так и заданного отрезка времени значительного перепада температур между наиболее и наименее нагретыми точками его поперечного сечения, что свидетельствует о равномерном распределении температуры и возможности существенного упрощения расчётной модели.

3. Исследование процессов остывания токоограничивающих элементов в азотной ванне после их перехода в нормальное состояние позволило выявить существенные недостатки в существующих методиках расчёта этих процессов, требующих глубокого экспериментального и теоретического изучения.

4. Проведены экспериментальные исследования физических свойств ВТСП проводников второго поколения различных производителей.

5. Изготовлен и испытан модельный ВТСП токоограничивающий элемент ре-зистивного типа.

6. Математическая модель СОТ проверена путём сопоставления в одних координатных осях экспериментальных данных и полученных с её помощью временных зависимостей при прочих равных условиях. Расхождение составляет менее 10%.

7. Ввиду отсутствия возможности проведения экспериментальных исследований токоограничивающего действия модельного ВТСП токоограничиваю-щего элемента в активно-индуктивной цепи переменного тока было выполнено его математическое моделирование.

8. Спроектированы полномасштабные прототипы СОТ для тяговых сетей постоянного и переменного тока, а также разработана универсальная система их криогенного обеспечения, которая при необходимости может быть доукомплектована буферной ёмкостью.

9. Разработана схема системы принудительного перевода токоограничивающего элемента СОТ в нормальное состояние по сигналу от микропроцессорной защиты, открывающая возможность регулирования его ток уставки в широком диапазоне (применима на постоянном токе).

10. Разработан метод расчёта электрической изоляции криогенной части токовводов ВТСП электротехнических устройств различного рода тока и уровня напряжения.

11.Показана возможность размещения в стандартной ячейке постоянного тока СОТ и автоматического быстродействующего выключателя.

12.Разработана ячейка ввода в распределительное устройство 27,5кВ с использованием однофазных СОТ и дан план размещения этих ячеек на территории типовой тяговой подстанции магистральных железных дорог переменного тока с первичным напряжением 110кВ совместно с электротехническим оборудованием традиционного исполнения.

13.Выполнено имитационное (математическое) моделирование токоограничивающего действия СОТ в тяговой сети постоянного тока при его установке на фидере питания депо.

14.Разработан порядок взаимодействия СОТ с существующими устройствами автоматики и защиты, при его установке на вводах в распределительное устройство тягового напряжения - 27,5кВ.

15.Выполнено математическое моделирование токоограничивающего действия СОТ в тяговой сети переменного тока в случае отказа фидерного выключателя при различной начальной фазе короткого замыкания.

16.Показана технико-экономическая эффективность различной компоновки СОТ на тяговой подстанции переменного тока, потому как на тяговой подстанции постоянного тока использование СОТ полезно, но не так необходимо как на переменном токе.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Лобынцев, Владимир Васильевич, 2009 год

1. A. L. Fetter and Р. С. Hohenberg, "Theory of type II superconductors", in R. D. Parks (Ed.), Superconductivity. New York: Marcel Dekker, 1969.

2. Squire C. F., Low Temperature Physics, New York, 1953, p. 115.

3. Т. Ван Дузер, Ч. У. Тернер, "Физические основы сверхпроводниковых устройств и цепей", Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1984, с. 266.

4. Mclnturff A. D., The metallurgy of superconducting Materials (ed. T. Luhman and D. Dew Hughes), Chapter 3, Academic Press, N. W., 1979.

5. Hanak J. J., Strater K, Cullen G. W. RCA Rev, 25 (3), 342 (1964).

6. Benz. M. G. IEEE Trans., MAG-2, 760 (1966).

7. Larbalestier D. C., Madsen P. E., Wilson M. N., Charlesworth J. P. IEEE Trans., MAG-11, 247 (1974).

8. Van Beijnen C. A., Elen J. D. IEEE Trans., MAG-15, 87 (1979).

9. Flukiger R., Foner S., McNiff E. J., Schwarts В. B. IEEE Trans., MAG-15, 763 (1979).

10. M. Уилсон, "Сверхпроводящие магниты", Пер. с англ. М.: Мир, 1985, с. 359-362.

11. Информационный бюллетень "Сверхпроводники для электроэнергетики" ,-М.: ООО НИЦ «НЕОТОН», том 1, выпуск 1, октябрь 2004г.

12. Paul N. Barnes, PhD, Conductor Design & Engineering Session, Jan 2006

13. Информационный бюллетень "Сверхпроводники для электроэнергетики",-М.: ООО НИЦ «НЕОТОН», том 1, выпуск 2, ноябрь 2004г.

14. Информационный бюллетень "Сверхпроводники для электроэнергетики",-М.: ООО НИЦ «НЕОТОН», том 4, выпуск 1, 2007г.

15. IEEE Transactions on Magnetics, vol. 27, 1991, p. 1089

16. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 5, 1995, p. 1059

17. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 10, 2000, p. 832

18. Информационный бюллетень "Сверхпроводники для электроэнергетики",— М.: ООО НИЦ «НЕОТОН», том 3, выпуск 6, 2006г.

19. W. Paul, М. Chen, М. Lakner, J. Rhyner, D. Braun and W. Lanz, "Fault current limiter based on high temperature superconductors different concepts test results, simulations, applications", Physica С 354, 2001, pp. 27-34.

20. T. Verhaege, et. al., "HTS materials for ac current transport and fault current limitation", IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol. 11, No. 1, March 2001, pp. 2503-2506.

21. M. Chen, W. Paul, et. al., "6.4 MVA Resistive Fault Current Limiter Based on Bi-2212 Superconductor", Proceedings of the 5th European Conf. on Applied Superconductivity, (EUCAS 2001), Copenhagen; Physica C.

22. International Standard, IEC 71-1, "Insulation coordination part 1: Definition, priprincuples, rules", seventh edition, 12-1993.

23. M. Noe, K.-P. Juengst, S. Elschner, et. al., "High voltage design, requirements and tests of a 10 MVA superconducting fault current limiter", to be presented at ASC 2004, 4LG18, 3-8 Oct. 2004, Jacksonville, USA.

24. R. Kreutz, D. Krischel, et. al., "HTSL- Massivmaterial-Strombegrenzer Aufbau, Wirkungsweise und Anwendung", DKV-Tagungsbericht 2003, Bonn, 19.-21. Nov. 2003, pp. 189-206.

25. McFee R., Optimum Input Leads for Cryogenics Apparatus, Review of Scientific Instruments, New York, N. Y., February 1959, p. 9840. "COLD FACTS", Summer 2007, Volume 23, Number 3, p.641. http://www.trithor.com/

26. Fault Current Limiters in Electrical Medium and High Voltage Systems, Paris, C1GRE, December of2003, p. 7

27. Кемпбелл А., Иветс Дж., "Критические токи в сверхпроводниках", М.: Мир, 1975, с. 332

28. Anderson P.W. // Physical Review Letter 1962, Vol. 9, N 7, p. 309-311

29. B.P. Романовский, "Автоволновая динамика магнитного потока в неидеальных сверхпроводниках второго рода с различными типами вольтамперных характеристик", Журнал технической физики, 2000, том 70, выпуск 12, с. 48

30. Гуревич A.B., Минц Р.Г., Рахманов A.JI. "Физика композитных сверхпроводников", М: Наука, 1987, с. 240

31. Уилсон М., "Сверхпроводящие магниты", М: Мир, 1985, с. 407

32. V.R. Romanovskii, K.Watanabe, S. Awaji, G. Nishijima and Ken-ichiro Takaha-shi, "Limiting current-carrying capacity of Ag-sheathed Bi2Sr2CaCu208 conductors: linear approximation", Supercond. Sei. Technol. Vol. 17 (2004), pp. 12421246

33. V.R. Romanovskii and K. Watanabe, "Nonlinear approximation for limiting current-carrying capacity of Ag-sheathed Bi2Sr2CaCu208 conductors", Supercond. Sci. Technol. Vol. 18 (2005), pp. 407-416

34. V.R. Romanovskii and K. Watanabe, "Operating modes of high-Tc composite superconductors and thermal runaway conditions under current charging", Supercond. Sci. Technol. Vol. 19 (2006), pp. 541-550

35. B.P. Романовский, "Тепловыделения в устойчивом сверхпроводящем состоянии при вводе тока в композитный сверхпроводник", Журнал технической физики, 1999, том 6, выпуск 4, с. 126

36. V.R. Romanovskii, К. Watanabe, S. Awaji and G. Nishijima, "Current-carrying capacity dependence of composite Bi2Sr2CaCu208 superconductors on the liquid coolant conditions", Supercond. Sci. Technol. Vol. 19 (2006), pp. 703-710

37. Vladimir R Romanovskii, "Joule heat release in a superconducting composite under a transport current charge", Supercond. Sci. Technol. Vol. 15 (2002), pp. 881— 887

38. А.Я. Архангельский, "Приёмы программирования в Delphi", М: Бином, 2004, с. 203

39. К.-Н. Miiller and С. Andrikidis, "Flux jumps in melt-textured Y-Ba-Cu-O", Physical Review B, Vol. 49, №2 1 JANUARY 1994-11, p. 1302

40. COMSOL 2007 Online. Available: www.comsol.com

41. Roy F., et al., "Magneto-thermal modeling of second-generation HTS for resistive FLC design purposes", IEEE Trans. Appl. Supercond., vol.18, no.l, pp. 29-35, March 2008

42. Duron J., et al., "3-D finite element simulations of strip lines in a YBCO/Au fault current limiter", IEEE Trans. Appl. Supercond., vol. 15, no. 2, pp. 1998-2002, Jun. 2005

43. Rettelbach Т., Schmitz G., "3D simulation of temperature, field and current density evolution superconducting components", Supercond. Sci. Technol., vol. 16, pp.645-653, April 2003

44. М.Уилсон, «Сверхпроводящие магниты» -М.: Мир, 1985г., с.963. www.SuperPower.com

45. Р Tixador, С Villard and Y Cointe, DC superconducting fault current limiter, Supercond. Sci. Technol. 19 (2006) S118-S125

46. Hans-Peter Cramer, Wolfgang Schmidt, et. al., Test of a lkA Superconducting Fault Current Limiater for DG applications, IEEE Transactions on applied superconductivity, Vol.15, No.2, Jun 2005, pp. 1986-1989

47. Alexander Usoskin, Herbert C. Freyhardt, et. al., Superpoli Fault-Current Li-miaters Based on YBCO Stainless Still Tapes, IEEE Transactions on applied superconductivity, Vol.13, No.2, Jun 2003, pp. 1972-1975

48. Mathias Noe, Klaus-Peter Juengst, et. al., Testing Bulk HTS Modules for Resistive Superconducting Fault Current Limiters, IEEE Transactions on applied superconductivity, Vol.13, No.2, Jun 2003, pp. 1976-1979

49. Физические величины: Справочник/ А.П. Бабичев, H.A. Бабушкина, A.M. Братковский и др.; Под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Михайлова. М.; Энерго-атомиздат, 1991г., с. 545-546.

50. Соловьев М.А., Филатов Г.П. Импульсный пробой жидкого азота и глубо-коохлажденных резин.// Тез. докл. второй обл. научно-практ. конф. мол. и студ. Томск.- 1996. - С. 4-5.

51. Ушаков В.Я. Импульсный электрический пробой жидкостей.- Томск: Изд-во ТГУ, 1975,254 с.

52. В.Д. Радченко, «Техника высоких напряжений устройств электрической тяги», М.: Транспорт, 1975, с. 1876. www.dioksid.ru

53. Пупынин В.Н., «Сравнение фидерных выключателей постоянного тока» ВАБ-49-3200/30Л и GE Rapid 4207 2x4, «Железные дороги мира», №5, 2006г., с.64-71

54. В.Д. Радченко, С.Д. Соколов, Н.Д. Сухопрудский, «Перенапряжения и токи короткого замыкания в устройствах электрифицированных железных дорог постоянного тока», М.: Трансжелдориздат, 1959г., с.133

55. С.Д. Соколов, Ю.М. Бей, Я.Д. Гуральник, О.Г. Чаусов, «Полупроводниковые преобразовательные агрегаты тяговых подстанций», М.: Транспорт, 1979г., с.36 •

56. Пупынин В.Н., Герман Л.А., «Совершенствование системы защиты от токов короткого замыкания контактной сети переменного тока», «Электричество», №1, 2008г., с.15

57. Щурская Т.В., "Методы и средства повышения надежности силовых трансформаторов тяговых подстанций электрических железных дорог", Ростов-на-Дону, 2003г.

58. Юндина Н.М., «Ограничение токов короткого замыкания в электротяговой сети переменного тока», Ростов-на-Дону, 1999г., с.35

59. А.Б. Косарев, Б.И. Косарев, «Основы электромагнитной безопасности систем электроснабжения железнодорожного транспорта», М.: Интекст, 2008г., с.358

60. Батенин В.М., Веселовский А.С., и др., «К вопросу создания сверхпроводникового токоограничивающего реактора», «Материалы III инновационного форума Росатома», Москва, 2008г., с. 150-152

61. Лобынцев В.В., Пупынин В.Н., «Силовое оборудование систем тягового электроснабжения завтрашнего дня», «Наука техника транспорта», №4, 2008г., с.21-24

62. Е.П. Фигурнов, «Релейная защита», М.: Трансжелдориздат, 2002г., с.342-343

63. Технический паспорт тяговой подстанции «Грязи» ЭЧЭ-14 Юго-Восточной железной дороги.

64. Анализ работы хозяйства электроснабжения в 1991 году. ЦЭТ-5 — М.: ПМП МПС, 1992г.-83с.

65. Анализ работы хозяйства электроснабжения в 1992 году. ЦЭТ-3 М.: ПМП МПС, 1993г.-89с.

66. Анализ работы хозяйства электроснабжения в 1993 году. ЦЭТ-3 — М.: ПМП МПС, 1994г.-78с.

67. Анализ работы хозяйства электроснабжения в 1994 году. ЦЭТ-3 М.: ПМП МПС, 1995г.-91с.

68. Анализ работы хозяйства электроснабжения в 1995 году. ЦЭТ-3 М.: ПМП МПС, 1996г. - 77с.

69. Анализ работы хозяйства электроснабжения в 1996 году. ЦЭТ-3 М.: ПМП МПС, 1997г.-75с.

70. Анализ работы хозяйства электроснабжения в 1997 году. ЦЭТ-3 — М.: ПМП МПС, 1998г.-76с.

71. Анализ работы хозяйства электроснабжения в 1998 году. ЦЭТ-3 М.: ПМП МПС, 1999г.-82с.98. www.rosstat.ru

72. SuperPower Inc. QUOTE No. K10182100. www.siemens.com

73. C.M. Сердинов, «Анализ работы и повышение надёжности устройств энергоснабжения электрифицированных железных дорог», М.: Транспорт, 1975г., 366с.

74. Ю.М. Бей, P.P. Мамошищ В.Н. Пупынин, М.Г. Шалимов, «Тяговые подстанции», М.: Транспорт, 1986г., с.29

75. Fault Current Limiters in Electrical Medium and High Voltage Systems, Paris, CIGRE, December of2003, p. 18

76. Сводные таблицы по ВТСП материалам и криогенному оборудованию

77. Название Формула Сокращение TK1.-купрат La(Sr,Ba)CuO <40K

78. ЛЕ-купрат YBa2Cu307.5 YBCO 92K-купрат Bi2Sr2CaiCu20s Bi2Sr2Ca2Cu30io Bi2212 Bi2223 94K 110K77.купрат Т12Ва2Са2Си30ю T12223 125Kg-купрат HgBa2Ca2Cu308+5 Hgl223 133K