Испытание экспериментального образца СОТ постоянного тока на напряжение 3,5 кВ

Одним из способов защиты электрооборудования от повреждений при возникновении токов короткого замыкания (КЗ) является применение резистивных сверхпроводниковых ограничителей токов (СОТ), основанных на высокотемпературных сверхпроводниках (ВТСП). Применение таких СОТ на сегодняшний день не получило широкого распространения из-за большой стоимости сверхпроводникового материала. Необходимое количество ВТСП для СОТ обычно определяется амплитудой и длительностью воздействия тока КЗ. Для уменьшения габаритов и стоимости ВТСП рационально использовать коммутационный СОТ, в котором последовательно с ВТСП-элементом подсоединён быстродействующий выключатель с полным временем отключения тока не более 10 мс [1, 2]. Это время ограничивает длительность режима токоограничения.

В данной статье приводятся результаты испытания экспериментального образца коммутационного СОТ постоянного тока на напряжение до 3,5 кВ. СОТ содержит ВТСП-модуль [3], криостат и быстродействующий вакуумный выключатель постоянного тока. В ВТСП-модуле использовалась лента SF12100 «М3-609-2» компании SuperPower длиной /=40 м. Критический ток ленты — 313 А.

Для испытаний СОТ подготовлен высоковольтный стенд на максимальное напряжение до 5 кВ. Стенд состоит из конденсаторной батареи ёмкостью C₀=10 мкФ и реактора с индуктивностью L₀=6 мГн (рис. 1). СОТ (обозначен штрихпунктирным контуром) содержит ВТСП-модуль R₂₁—R₂₄, к которому последовательно подсоединён выключатель В. Параллельно выключателю В подсоединён контур противотока, состоящий из последовательно соединённых конденсатора С₁=5 мкФ, катушки индуктивности L₁=21 мкГн и управляемого вакуумного разрядника РВУ-73. Подключение СОТ к предварительно заряженной конденсаторной батарее осуществлялось с помощью вакуумного контактора К1.

Для сравнения пунктирной линией на рис. 2 показан ожидаемый ток КЗ при U₀=3 кВ. Отключение тока в выключателе происходило примерно через 9 мс после возникновения напряжения на ВТСП-модуле. Аналогичные осциллограммы были получены и для напряжений U₀=2,5 кВ и U₀=2 кВ. Из анализа данных измерений найдена зависимость максимальной температуры ленты T_max перед отключением от напряжения U0 (рис. 3). С уменьшением напряжения U₀ от 3 до 2 кВ температура ленты уменьшалась практически линейно от T_max=250 К до T_max=185 К.

Охлаждение ВТСП-модуля определялось путем измерения сопротивления ленты при пропускании тока 1 А сразу после отключения тока выключателем. Время восстановления сверхпроводимости СОТ определялось как время уменьшения температуры ленты после отключения тока в ВТСП от T_max до температуры T=90 К. Результаты измерений представлены на рис. 4.

Результаты испытаний экспериментального образца коммутационного СОТ в режиме ограничения тока при напряжении до 3,5 кВ продемонстрировали работоспособность принятых технических решений. В режиме токоограничения лента ВТСП нагревалась до температуры T_max≈250 К, не превышающей допустимую температуру T_доп≈290 К. Нагрев ленты обеспечивался выбранной суммарной длиной сверхпроводящей ленты I_S=40 м в ВТСП-модуле и длительностью режима токоограничения 9 мс. Коэффициент ограничения тока при напряжении 3 кВ составил k_огр≈6. Выбранная конструкция ВТСП-модуля обеспечивает время восстановления сверхпроводящего состояния СОТ порядка 1,2 с. Работа ведется в сотрудничестве с компанией «Русский сверхпроводник» и финансируется ГК «Росатом» в рамках проекта «Сверхпроводниковая индустрия».

ЛИТЕРАТУРА
1. Hori T, et al. Study of superconducting fault current limiter using vacuum interrupter driven by electromagnetic repulsion force for commutating switch // IEEE Trans. Appl. Superconductivity 2006. — Vol. 16. — № . — P. 1999—2004.
2. Д.Ф. Алферов, В.П. Иванов, В.А. Сидоров, Л.М. Фишер. Сверхпроводящий ограничитель токов короткого замыкания / Патент РФ № 2321131, БИ № 9, 2008.
3. А.И. Будовский и др. Сверхпроводящий ограничитель тока короткого замыкания. Патент РФ №97876, БИ №26, 2010.