Ważnym problemem projektowania i eksploatacji sieci elektroenergetycznych jest zmniejszenie zagrożeń wywoływanych przez zwarcia wielkoprądowe. Największe prądy zwarciowe mogą przekraczać dziesiątki razy prąd normalnego obciążenia, prowadząc do nadmiernych narażeń cieplnych i mechanicznych o wielkości proporcjonalnej do kwadratu prądu. Zagrożenie to ciągle wzrasta, w miarę rozbudowy systemów elektroenergetycznych, której towarzyszy zwiększanie mocy zwarciowych.

Wszystkie elementy sieci są projektowane na określoną wytrzymałość przy przepływie prądu zwarcia przez zadany czas. Zapewnienie wyższej wytrzymałości zwarciowej podnosi koszt urządzenia elektrycznego. Zastosowanie urządzeń ograniczających ewentualne prądy zwarcia umożliwia obniżenie poziomu wymaganej wytrzymałości zwarciowej elementów systemu. Działanie dotychczas stosowanych ograniczników – oprócz tradycyjnych dławików przeciwzwarciowych – oparte było na rozstrajaniu obwodu rezonansowego złożonego z indukcyjności i pojemności. Obecnie coraz większe perspektywy uzyskują urządzenia oparte na elementach nadprzewodzących. Wszystkie wymienione sposoby nie są pozbawione praktycznych wad, jednak wśród znanych nieliniowych materiałów oporowych nadprzewodniki wyróżniają się unikalną charakterystyką o skokowym przejściu rezystancji od wartości zerowej przy prądach roboczych do znacznych wartości przy przetężeniach prądowych.

Rys. 1. Rezystywność nadprzewodnika może przyjmować trzy stany: stan rezystancji zero, stan przejściowy i stan normalnej rezystancji

Zjawisko nadprzewodnictwa

Zjawisko nadprzewodnictwa zostało odkryte w 1911 r. przez holenderskiego fizyka Kammerlingha Onnesa w trakcie badań własności rtęci w temperaturze minus 269oC. Ustalono, że poniżej pewnych krytycznych wartości temperatury, natężenia pola magnetycznego i gęstości prądu półprzewodniki tracą całkowicie oporność elektryczną. Wewnątrz tego charakterystycznego obszaru (zaznaczonego na rys. 1 kolorem granatowym) materiał posiada elektryczną oporność właściwą równą zeru. W sąsiednim, przejściowym obszarze (kolor jasnoniebieski) parametr ten szybko wzrasta w miarę zwiększania wspomnianych trzech wielkości. Na zewnątrz tego obszaru (kolor żółty) materiał zachowuje się jak zwykły przewodnik o oporności właściwej niezależnej od pola magnetycznego i gęstości prądu.
Odkrycie zjawiska nadprzewodnictwa było kluczowe w poszukiwaniu substancji o możliwie niskiej oporności właściwej. Najniższą rezystywność w temperaturze pokojowej wykazują metale – srebro i miedź. Wiadomo, że rezystywność metali maleje wraz ze spadkiem temperatury i w pobliżu zera bezwzględnego niektóre substancje (metale i ich związki) stają się nadprzewodnikami. Znanych jest coraz więcej substancji pozbawionych oporności w coraz wyższych temperaturach. Wciąż jednak są to temperatury zbyt niskie dla praktycznych zastosowań i wykorzystanie nadprzewodników jest nadal nieopłacalne w zastosowaniach masowych. Prace nad wykorzystaniem niskotemperaturowych nadprzewodników do ograniczania prądów zwarciowych prowadzono od co najmniej 20 lat, lecz z powodu nadmiernych kosztów uzyskania wymaganej, ekstremalnie niskiej temperatury, badania te kończyły się niepowodzeniem. Dopiero odkrycie wysokotemperaturowych nadprzewodników, które pracują w wyższych temperaturach (chłodzone ciekłym azotem w temperaturze minus 196^oC), otworzyło drogę do realizacji ekonomicznie opłacalnych urządzeń. Zjawisko wysokotemperaturowego nadprzewodnictwa odkryli w 1986 r. Muller i Bednorz, którzy stwierdzili nadprzewodzenie ceramicznego tlenku lantanu-baru-miedzi przy 30^oK. Przed tym odkryciem dla uzyskania nadprzewodnictwa metali konieczne było użycie helu o temperaturze skraplania 4oK, co było bardzo kosztowne i energochłonne.

Nadprzewodzące ograniczniki prądu zwarcia

Dotychczas opracowano dwa typy nadprzewodzących ograniczników prądu zwarcia (SCFCL – superconducting fault current limiters): rezystancyjne i indukcyjne. Prostszym rozwiązaniem jest ogranicznik rezystancyjny, w którym nadprzewodnik jest włączany szeregowo z chronioną linią. Nadaje się ono do obwodów prądu zarówno stałego jak i przemiennego. Dla zachowania stanu nadprzewodnictwa ogranicznik jest zanurzony w cieczy chłodzącej o stałej temperaturze, natomiast prąd i pole magnetyczne mogą ulegać zmianie. Dostatecznie duży przekrój poprzeczny nadprzewodnika zapewnia gęstość prądu mniejszą od krytycznej. W tych warunkach rezystancja wynosi dokładnie zero, a impedancja dla prądu przemiennego jest pomijalnie mała. Nieznaczna reaktancja indukcyjna elementu jest spowodowana nieuniknionymi wymiarami nadprzewodnika. W układzie występują także straty cieplne wywołane prądami wirowymi wyindukowanymi przez zmienne pole magnetyczne. Przy przepływie prądu zwarciowego rezystancja wzrasta praktycznie bezzwłocznie, a wydzielane ciepło jest odprowadzane przez układ chłodzenia.
W przypadku zwarcia wzrost gęstości prądu i natężenia pola magnetycznego wywołuje przesunięcie punktu pracy ogranicznika z wewnętrznego obszaru nadprzewodnictwa do strefy przejściowej. Nagły wzrost rezystancji nadprzewodnika powoduje pierwsze ograniczenie prądu zwarcia. Towarzyszący mu przyrost temperatury powiększa rezystancję materiału i wywołuje dalszy spadek prądu, zanim nastąpi jego przerwanie przez wyłącznik. Natomiast indukcyjny ogranicznik jest w zasadzie transformatorem, którego uzwojenie wtórne zwarto za pomocą nadprzewodnika. Uzwojeniem pierwotnym jest cewka włączona szeregowo w zabezpieczaną linię. Przy zaniedbaniu parametrów wzdłużnych transformatora ogranicznik indukcyjny wykazuje identyczne działanie jak jego rezystancyjny odpowiednik. W tym rozwiązaniu straty ciepła wywołane przez prąd zwarcia nie przenikają do oddzielonego galwanicznie zwoju nadprzewodzącego, co obniża niezbędną wydajność układu kriogenicznego. Jednak masywny rdzeń zwiększa gabaryty i ciężar ograniczników indukcyjnych w porównaniu z rezystancyjnymi.

Rys. 2. Nadprzewodnikowy ogranicznik prądu zwarcia w elektrowni Boxberg

Praktyczne realizacje
Wieloletnie badania doprowadziły do wyboru materiałów na bazie bizmutu jako surowca do wyrobu nadprzewodnika dla ograniczników prądu zwarcia. Do liderów w tym obszarze należą firmy ABB i Nexans, których ograniczniki prądów zwarcia wykorzystują nadprzewodnik wysokotemperaturowy oparty na bizmucie Bi2212. Pierwszy prototyp SCFCL typu indukcyjnego o mocy 1,2 MVA powstał w 1996 roku i pomyślnie przeszedł próby w szwajcarskiej elektrowni wodnej NOK. W rezystancyjnych SCFCL elementy oporowe wykonuje się z arkuszy materiału ceramicznego Bi2212.

Zastosowania
Nadprzewodnikowe ograniczniki zwarć znajdą szerokie zastosowanie w rozwijających się systemach elektroenergetycznych. Dla uzyskania sztywnego zasilania pozbawionego zakłóceń i odkształceń, odbiorcy nierzadko przyłączają się bezpośrednio do sieci o dużej mocy zwarcia. W zamian za poprawę jakości pobieranej energii wzrasta jednak wartość prądów ewentualnych zwarć, co zwiększa narażenie aparatury sieciowej. Zastosowanie SCFCL okazuje się rozwiązaniem odwiecznego dylematu elektroenergetyki pomiędzy potrzebą sztywnego zasilania, a techniczno-ekonomicznymi kosztami eliminacji zagrożeń wywoływanych przez wzrost mocy zwarciowych. Ograniczniki te można instalować w różnych miejscach systemu elektroenergetycznego: sprzęgłach układów szyn, na zasilaniu rozdzielni, w liniach wyprowadzenia mocy bloków itp. W każdym z tych przypadków zastosowanie SCFCL umożliwia dobór aparatury sieciowej, a zwłaszcza wyłączników o niższych prądach wyłączalnych (wytrzymałości zwarciowej). Jednocześnie pozwala na wykorzystanie możliwości, jakie stwarza zasilanie o zwiększonej mocy zwarciowej (wyższa jakość napięcia, większa pewność zasilania przy równoległej pracy dwóch źródeł). Pilotażowe wysokotemperaturowe ograniczniki nadprzewodnikowe zainstalowano w sieciach SN kilku krajów, jak Japonia, Korea, Chiny, Wielka Brytania i in.

Ogranicznik Nexans w Boxberg
Natomiast pierwsze zastosowanie SFCL w skali komercyjnej zrealizował Nexans Superconductors w niemieckiej elektrowni Boxberg. Ograniczniki zabudowano w rozdzielni 12 kV zasilającej silniki młynów o znamionowym prądzie 800 A. Urządzenie zaprojektowane przez naukowców producenta przy udziale Uniwersytetu Technicznego w Cottbus ogranicza prąd zwarcia o docelowej wartości szczytowej 63 kA do 30 kA bezzwłocznie i 7 kA po 10 ms. Część czynna ogranicznika składa się z 48 nadprzewodzących elementów w każdej fazie, połączonych szeregowo, zanurzonych w zbiorniku kriogenicznym wypełnionym ciekłym azotem. Nadprzewodniki te przyłączono do zewnętrznych obwodów przez izolatory przepustowe WN, przystosowane do wysokiego gradientu temperatur występującego między ich zaciskami. Ciekły azot jest chłodzony przez zewnętrzną chłodziarkę kriogeniczną. Wyłącznik mocy, połączony szeregowo z ogranicznikiem, jest wyłączany dopiero po obniżeniu natężenia prądu. Wyłączanie tego wyłącznika przewidziano również w razie zakłóceń w pracy układu (np. awarii chłodziarki). Bezpieczeństwo i niezawodność działania ogranicznika zapewnia prowadzony on-line monitoring ważniejszych parametrów roboczych.
Po wyłączeniu zwarcia ogranicznik musi zostać na pewien krótki czas odstawiony dla odzyskania gotowości do następnego zadziałania przez ochłodzenie medium. Po kilku sekundach (lub minutach zależnie od konstrukcji) tory prądowe ogranicznika można obciążyć prądem znamionowym i jest on gotowy do kolejnego cyklu. W normalnych warunkach roboczych sieci jego oporność jest pomijalna; przy wystąpieniu zwarcia samoczynnie i niezawodnie ogranicza on w ciągu kilku (maksymalnie pięciu) milisekund narastanie prądu.

Opracowano na podstawie artykułu
dr. J. Bock,
Nexans Superconductors, Germany
„Short-circuit protection to a fault:
Superconducting fault
current limiters”,
Power Engineering International 6/2010