{"id":11507,"date":"2012-03-05T12:25:02","date_gmt":"2012-03-05T11:25:02","guid":{"rendered":"http:\/\/elektrosystemy.pl\/?p=11507"},"modified":"2016-01-17T20:29:02","modified_gmt":"2016-01-17T19:29:02","slug":"doskonalenie-technologii-ograniczania-pradow-zwarc","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/elektrosystemy.pl\/?p=11507","title":{"rendered":"Doskonalenie technologii ograniczania pr\u0105d\u00f3w zwar\u0107"},"content":{"rendered":"

\"OkladkaES_03_2012_B\"<\/a>Wa\u017cnym problemem projektowania i eksploatacji sieci elektroenergetycznych jest zmniejszenie zagro\u017ce\u0144 wywo\u0142ywanych przez zwarcia wielkopr\u0105dowe. Najwi\u0119ksze pr\u0105dy zwarciowe mog\u0105 przekracza\u0107 dziesi\u0105tki razy pr\u0105d normalnego obci\u0105\u017cenia, prowadz\u0105c do nadmiernych nara\u017ce\u0144 cieplnych i mechanicznych o wielko\u015bci proporcjonalnej do kwadratu pr\u0105du. Zagro\u017cenie to ci\u0105gle wzrasta, w miar\u0119 rozbudowy system\u00f3w elektroenergetycznych, kt\u00f3rej towarzyszy zwi\u0119kszanie mocy zwarciowych.<\/strong><\/p>\n

Wszystkie elementy sieci s\u0105 projektowane na okre\u015blon\u0105 wytrzyma\u0142o\u015b\u0107 przy przep\u0142ywie pr\u0105du zwarcia przez zadany czas. Zapewnienie wy\u017cszej wytrzyma\u0142o\u015bci zwarciowej podnosi koszt urz\u0105dzenia elektrycznego. Zastosowanie urz\u0105dze\u0144 ograniczaj\u0105cych ewentualne pr\u0105dy zwarcia umo\u017cliwia obni\u017cenie poziomu wymaganej wytrzyma\u0142o\u015bci zwarciowej element\u00f3w systemu. Dzia\u0142anie dotychczas stosowanych ogranicznik\u00f3w \u2013 opr\u00f3cz tradycyjnych d\u0142awik\u00f3w przeciwzwarciowych \u2013 oparte by\u0142o na rozstrajaniu obwodu rezonansowego z\u0142o\u017conego z indukcyjno\u015bci i pojemno\u015bci. Obecnie coraz wi\u0119ksze perspektywy uzyskuj\u0105 urz\u0105dzenia oparte na elementach nadprzewodz\u0105cych. Wszystkie wymienione sposoby nie s\u0105 pozbawione praktycznych wad, jednak w\u015br\u00f3d znanych nieliniowych materia\u0142\u00f3w oporowych nadprzewodniki wyr\u00f3\u017cniaj\u0105 si\u0119 unikaln\u0105 charakterystyk\u0105 o skokowym przej\u015bciu rezystancji od warto\u015bci zerowej przy pr\u0105dach roboczych do znacznych warto\u015bci przy przet\u0119\u017ceniach pr\u0105dowych.<\/p>\n

\"Rys.

Rys. 1. Rezystywno\u015b\u0107 nadprzewodnika mo\u017ce przyjmowa\u0107 trzy stany: stan rezystancji zero, stan przej\u015bciowy i stan normalnej rezystancji<\/p><\/div>\n

Zjawisko nadprzewodnictwa<\/strong><\/p>\n

Zjawisko nadprzewodnictwa zosta\u0142o odkryte w 1911 r. przez holenderskiego fizyka Kammerlingha Onnesa w trakcie bada\u0144 w\u0142asno\u015bci rt\u0119ci w temperaturze minus 269oC. Ustalono, \u017ce poni\u017cej pewnych krytycznych warto\u015bci temperatury, nat\u0119\u017cenia pola magnetycznego i g\u0119sto\u015bci pr\u0105du p\u00f3\u0142przewodniki trac\u0105 ca\u0142kowicie oporno\u015b\u0107 elektryczn\u0105. Wewn\u0105trz tego charakterystycznego obszaru (zaznaczonego na rys. 1 kolorem granatowym) materia\u0142 posiada elektryczn\u0105 oporno\u015b\u0107 w\u0142a\u015bciw\u0105 r\u00f3wn\u0105 zeru. W s\u0105siednim, przej\u015bciowym obszarze (kolor jasnoniebieski) parametr ten szybko wzrasta w miar\u0119 zwi\u0119kszania wspomnianych trzech wielko\u015bci. Na zewn\u0105trz tego obszaru (kolor \u017c\u00f3\u0142ty) materia\u0142 zachowuje si\u0119 jak zwyk\u0142y przewodnik o oporno\u015bci w\u0142a\u015bciwej niezale\u017cnej od pola magnetycznego i g\u0119sto\u015bci pr\u0105du.
\nOdkrycie zjawiska nadprzewodnictwa by\u0142o kluczowe w poszukiwaniu substancji o mo\u017cliwie niskiej oporno\u015bci w\u0142a\u015bciwej. Najni\u017csz\u0105 rezystywno\u015b\u0107 w temperaturze pokojowej wykazuj\u0105 metale \u2013 srebro i mied\u017a. Wiadomo, \u017ce rezystywno\u015b\u0107 metali maleje wraz ze spadkiem temperatury i w pobli\u017cu zera bezwzgl\u0119dnego niekt\u00f3re substancje (metale i ich zwi\u0105zki) staj\u0105 si\u0119 nadprzewodnikami. Znanych jest coraz wi\u0119cej substancji pozbawionych oporno\u015bci w coraz wy\u017cszych temperaturach. Wci\u0105\u017c jednak s\u0105 to temperatury zbyt niskie dla praktycznych zastosowa\u0144 i wykorzystanie nadprzewodnik\u00f3w jest nadal nieop\u0142acalne w zastosowaniach masowych. Prace nad wykorzystaniem niskotemperaturowych nadprzewodnik\u00f3w do ograniczania pr\u0105d\u00f3w zwarciowych prowadzono od co najmniej 20 lat, lecz z powodu nadmiernych koszt\u00f3w uzyskania wymaganej, ekstremalnie niskiej temperatury, badania te ko\u0144czy\u0142y si\u0119 niepowodzeniem. Dopiero odkrycie wysokotemperaturowych nadprzewodnik\u00f3w, kt\u00f3re pracuj\u0105 w wy\u017cszych temperaturach (ch\u0142odzone ciek\u0142ym azotem w temperaturze minus 196o<\/sup>C), otworzy\u0142o drog\u0119 do realizacji ekonomicznie op\u0142acalnych urz\u0105dze\u0144. Zjawisko wysokotemperaturowego nadprzewodnictwa odkryli w 1986 r. Muller i Bednorz, kt\u00f3rzy stwierdzili nadprzewodzenie ceramicznego tlenku lantanu-baru-miedzi przy 30o<\/sup>K. Przed tym odkryciem dla uzyskania nadprzewodnictwa metali konieczne by\u0142o u\u017cycie helu o temperaturze skraplania 4oK, co by\u0142o bardzo kosztowne i energoch\u0142onne.<\/p>\n

Nadprzewodz\u0105ce ograniczniki pr\u0105du zwarcia<\/strong><\/p>\n

Dotychczas opracowano dwa typy nadprzewodz\u0105cych ogranicznik\u00f3w pr\u0105du zwarcia (SCFCL \u2013 superconducting fault current limiters<\/em>): rezystancyjne i indukcyjne. Prostszym rozwi\u0105zaniem jest ogranicznik rezystancyjny, w kt\u00f3rym nadprzewodnik jest w\u0142\u0105czany szeregowo z chronion\u0105 lini\u0105. Nadaje si\u0119 ono do obwod\u00f3w pr\u0105du zar\u00f3wno sta\u0142ego jak i przemiennego. Dla zachowania stanu nadprzewodnictwa ogranicznik jest zanurzony w cieczy ch\u0142odz\u0105cej o sta\u0142ej temperaturze, natomiast pr\u0105d i pole magnetyczne mog\u0105 ulega\u0107 zmianie. Dostatecznie du\u017cy przekr\u00f3j poprzeczny nadprzewodnika zapewnia g\u0119sto\u015b\u0107 pr\u0105du mniejsz\u0105 od krytycznej. W tych warunkach rezystancja wynosi dok\u0142adnie zero, a impedancja dla pr\u0105du przemiennego jest pomijalnie ma\u0142a. Nieznaczna reaktancja indukcyjna elementu jest spowodowana nieuniknionymi wymiarami nadprzewodnika. W uk\u0142adzie wyst\u0119puj\u0105 tak\u017ce straty cieplne wywo\u0142ane pr\u0105dami wirowymi wyindukowanymi przez zmienne pole magnetyczne. Przy przep\u0142ywie pr\u0105du zwarciowego rezystancja wzrasta praktycznie bezzw\u0142ocznie, a wydzielane ciep\u0142o jest odprowadzane przez uk\u0142ad ch\u0142odzenia.
\nW przypadku zwarcia wzrost g\u0119sto\u015bci pr\u0105du i nat\u0119\u017cenia pola magnetycznego wywo\u0142uje przesuni\u0119cie punktu pracy ogranicznika z wewn\u0119trznego obszaru nadprzewodnictwa do strefy przej\u015bciowej. Nag\u0142y wzrost rezystancji nadprzewodnika powoduje pierwsze ograniczenie pr\u0105du zwarcia. Towarzysz\u0105cy mu przyrost temperatury powi\u0119ksza rezystancj\u0119 materia\u0142u i wywo\u0142uje dalszy spadek pr\u0105du, zanim nast\u0105pi jego przerwanie przez wy\u0142\u0105cznik. Natomiast indukcyjny ogranicznik jest w zasadzie transformatorem, kt\u00f3rego uzwojenie wt\u00f3rne zwarto za pomoc\u0105 nadprzewodnika. Uzwojeniem pierwotnym jest cewka w\u0142\u0105czona szeregowo w zabezpieczan\u0105 lini\u0119. Przy zaniedbaniu parametr\u00f3w wzd\u0142u\u017cnych transformatora ogranicznik indukcyjny wykazuje identyczne dzia\u0142anie jak jego rezystancyjny odpowiednik. W tym rozwi\u0105zaniu straty ciep\u0142a wywo\u0142ane przez pr\u0105d zwarcia nie przenikaj\u0105 do oddzielonego galwanicznie zwoju nadprzewodz\u0105cego, co obni\u017ca niezb\u0119dn\u0105 wydajno\u015b\u0107 uk\u0142adu kriogenicznego. Jednak masywny rdze\u0144 zwi\u0119ksza gabaryty i ci\u0119\u017car ogranicznik\u00f3w indukcyjnych w por\u00f3wnaniu z rezystancyjnymi.<\/p>\n

\"Rys.

Rys. 2. Nadprzewodnikowy ogranicznik pr\u0105du zwarcia w elektrowni Boxberg<\/p><\/div>\n

Praktyczne realizacje<\/strong>
\nWieloletnie badania doprowadzi\u0142y do wyboru materia\u0142\u00f3w na bazie bizmutu jako surowca do wyrobu nadprzewodnika dla ogranicznik\u00f3w pr\u0105du zwarcia. Do lider\u00f3w w tym obszarze nale\u017c\u0105 firmy ABB i Nexans, kt\u00f3rych ograniczniki pr\u0105d\u00f3w zwarcia wykorzystuj\u0105 nadprzewodnik wysokotemperaturowy oparty na bizmucie Bi2212. Pierwszy prototyp SCFCL typu indukcyjnego o mocy 1,2 MVA powsta\u0142 w 1996 roku i pomy\u015blnie przeszed\u0142 pr\u00f3by w szwajcarskiej elektrowni wodnej NOK. W rezystancyjnych SCFCL elementy oporowe wykonuje si\u0119 z arkuszy materia\u0142u ceramicznego Bi2212.<\/p>\n

Zastosowania<\/strong>
\nNadprzewodnikowe ograniczniki zwar\u0107 znajd\u0105 szerokie zastosowanie w rozwijaj\u0105cych si\u0119 systemach elektroenergetycznych. Dla uzyskania sztywnego zasilania pozbawionego zak\u0142\u00f3ce\u0144 i odkszta\u0142ce\u0144, odbiorcy nierzadko przy\u0142\u0105czaj\u0105 si\u0119 bezpo\u015brednio do sieci o du\u017cej mocy zwarcia. W zamian za popraw\u0119 jako\u015bci pobieranej energii wzrasta jednak warto\u015b\u0107 pr\u0105d\u00f3w ewentualnych zwar\u0107, co zwi\u0119ksza nara\u017cenie aparatury sieciowej. Zastosowanie SCFCL okazuje si\u0119 rozwi\u0105zaniem odwiecznego dylematu elektroenergetyki pomi\u0119dzy potrzeb\u0105 sztywnego zasilania, a techniczno-ekonomicznymi kosztami eliminacji zagro\u017ce\u0144 wywo\u0142ywanych przez wzrost mocy zwarciowych. Ograniczniki te mo\u017cna instalowa\u0107 w r\u00f3\u017cnych miejscach systemu elektroenergetycznego: sprz\u0119g\u0142ach uk\u0142ad\u00f3w szyn, na zasilaniu rozdzielni, w liniach wyprowadzenia mocy blok\u00f3w itp. W ka\u017cdym z tych przypadk\u00f3w zastosowanie SCFCL umo\u017cliwia dob\u00f3r aparatury sieciowej, a zw\u0142aszcza wy\u0142\u0105cznik\u00f3w o ni\u017cszych pr\u0105dach wy\u0142\u0105czalnych (wytrzyma\u0142o\u015bci zwarciowej). Jednocze\u015bnie pozwala na wykorzystanie mo\u017cliwo\u015bci, jakie stwarza zasilanie o zwi\u0119kszonej mocy zwarciowej (wy\u017csza jako\u015b\u0107 napi\u0119cia, wi\u0119ksza pewno\u015b\u0107 zasilania przy r\u00f3wnoleg\u0142ej pracy dw\u00f3ch \u017ar\u00f3de\u0142). Pilota\u017cowe wysokotemperaturowe ograniczniki nadprzewodnikowe zainstalowano w sieciach SN kilku kraj\u00f3w, jak Japonia, Korea, Chiny, Wielka Brytania i in.<\/p>\n

Ogranicznik Nexans w Boxberg<\/strong>
\nNatomiast pierwsze zastosowanie SFCL w skali komercyjnej zrealizowa\u0142 Nexans Superconductors w niemieckiej elektrowni Boxberg. Ograniczniki zabudowano w rozdzielni 12 kV zasilaj\u0105cej silniki m\u0142yn\u00f3w o znamionowym pr\u0105dzie 800 A. Urz\u0105dzenie zaprojektowane przez naukowc\u00f3w producenta przy udziale Uniwersytetu Technicznego w Cottbus ogranicza pr\u0105d zwarcia o docelowej warto\u015bci szczytowej 63 kA do 30 kA bezzw\u0142ocznie i 7 kA po 10 ms. Cz\u0119\u015b\u0107 czynna ogranicznika sk\u0142ada si\u0119 z 48 nadprzewodz\u0105cych element\u00f3w w ka\u017cdej fazie, po\u0142\u0105czonych szeregowo, zanurzonych w zbiorniku kriogenicznym wype\u0142nionym ciek\u0142ym azotem. Nadprzewodniki te przy\u0142\u0105czono do zewn\u0119trznych obwod\u00f3w przez izolatory przepustowe WN, przystosowane do wysokiego gradientu temperatur wyst\u0119puj\u0105cego mi\u0119dzy ich zaciskami. Ciek\u0142y azot jest ch\u0142odzony przez zewn\u0119trzn\u0105 ch\u0142odziark\u0119 kriogeniczn\u0105. Wy\u0142\u0105cznik mocy, po\u0142\u0105czony szeregowo z ogranicznikiem, jest wy\u0142\u0105czany dopiero po obni\u017ceniu nat\u0119\u017cenia pr\u0105du. Wy\u0142\u0105czanie tego wy\u0142\u0105cznika przewidziano r\u00f3wnie\u017c w razie zak\u0142\u00f3ce\u0144 w pracy uk\u0142adu (np. awarii ch\u0142odziarki). Bezpiecze\u0144stwo i niezawodno\u015b\u0107 dzia\u0142ania ogranicznika zapewnia prowadzony on-line monitoring wa\u017cniejszych parametr\u00f3w roboczych.
\nPo wy\u0142\u0105czeniu zwarcia ogranicznik musi zosta\u0107 na pewien kr\u00f3tki czas odstawiony dla odzyskania gotowo\u015bci do nast\u0119pnego zadzia\u0142ania przez och\u0142odzenie medium. Po kilku sekundach (lub minutach zale\u017cnie od konstrukcji) tory pr\u0105dowe ogranicznika mo\u017cna obci\u0105\u017cy\u0107 pr\u0105dem znamionowym i jest on gotowy do kolejnego cyklu. W normalnych warunkach roboczych sieci jego oporno\u015b\u0107 jest pomijalna; przy wyst\u0105pieniu zwarcia samoczynnie i niezawodnie ogranicza on w ci\u0105gu kilku (maksymalnie pi\u0119ciu) milisekund narastanie pr\u0105du.<\/p>\n

Opracowano na podstawie artyku\u0142u <\/strong>
\ndr. J. Bock, <\/strong>
\nNexans Superconductors, Germany <\/strong>
\n\u201eShort-circuit protection to a fault: <\/strong>
\nSuperconducting fault <\/strong>
\ncurrent limiters\u201d, <\/strong>
\nPower Engineering International 6\/2010<\/strong><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

Wa\u017cnym problemem projektowania i eksploatacji sieci elektroenergetycznych jest zmniejszenie zagro\u017ce\u0144 wywo\u0142ywanych przez zwarcia wielkopr\u0105dowe. Najwi\u0119ksze pr\u0105dy zwarciowe mog\u0105 przekracza\u0107 dziesi\u0105tki razy pr\u0105d normalnego obci\u0105\u017cenia, prowadz\u0105c do nadmiernych nara\u017ce\u0144 cieplnych i mechanicznych o wielko\u015bci proporcjonalnej do kwadratu pr\u0105du. Zagro\u017cenie to ci\u0105gle wzrasta, w miar\u0119 rozbudowy system\u00f3w elektroenergetycznych, kt\u00f3rej towarzyszy zwi\u0119kszanie mocy zwarciowych. Wszystkie elementy sieci s\u0105…<\/p>\n","protected":false},"author":3,"featured_media":11509,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":[],"categories":[688],"tags":[],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/elektrosystemy.pl\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/posts\/11507"}],"collection":[{"href":"https:\/\/elektrosystemy.pl\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/elektrosystemy.pl\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/elektrosystemy.pl\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/users\/3"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/elektrosystemy.pl\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Fcomments&post=11507"}],"version-history":[{"count":1,"href":"https:\/\/elektrosystemy.pl\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/posts\/11507\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":11510,"href":"https:\/\/elektrosystemy.pl\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/posts\/11507\/revisions\/11510"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/elektrosystemy.pl\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/media\/11509"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/elektrosystemy.pl\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Fmedia&parent=11507"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/elektrosystemy.pl\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Fcategories&post=11507"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/elektrosystemy.pl\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Ftags&post=11507"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}