GIG - ograniczniki zwarć

Zwarcia mniej groźne
Autor: Piotr Olszowiec na podstawie artykułu dr. J. Bock “Short-circuit protection to a fault:
Superconducting fault current limiters”, Engineering International 6/2010
(„Energia Gigawat” – nr 1/2011)
Jednym z największych problemów eksploatacji sieci elektroenergetycznych jest zmniejszenie
zagrożeń wywoływanych przez zwarcia wielkoprądowe. Zwarcie czyli połączenie punktów obwodu,
między którymi w normalnych warunkach roboczych występuje napięcie, stanowi przyczynę
najgroźniejszych awarii. Uszkodzenie izolacji, błąd operacji łączeniowej lub uderzenie pioruna może
wywołać przepływ prądu zwarciowego o natężeniu ograniczonym jedynie przez impedancję sieci
między źródłem i miejscem zwarcia. 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 krótkotrwałego prądu
zwarcia. Zapewnienie wyższej wytrzymałości zwarciowej podnosi koszt urządzenia, jak również
zwiększa nakłady na remonty, gdyż przepływ większych prądów przyspiesza zużycie elementów
torów prądowych.
Zastosowanie urządzeń ograniczających ewentualne prądy zwarcia umożliwia obniżenie poziomu
wymaganej wytrzymałości zwarciowej elementów systemu i zapewnia redukcję kosztów. Wynika
stąd zapotrzebowanie na tzw. ograniczniki prądu zwarcia, które nie wywierają wpływu na przepływ
prądu w czasie normalnej pracy sieci. 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 nadprzewodniki wyróżniają się
unikalną charakterystyką o skokowym przejściu rezystancji od wartości zerowej przy prądach
roboczych
do
znacznych
wartości
przy
przetężeniach
prądowych.
Dotychczas opracowano dwa typy nadprzewodzących ograniczników prądu zwarcia (SCFCLsuperconducting fault current limiters): rezystancyjne i indukcyjne. Prostszym rozwiązaniem jest
ogranicznik rezystancyjny, w którym nadprzewodnik jest włączany szeregowo z chronioną linią.
Nadają się one 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 kriogeniczny 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.
Zjawisko nadprzewodnictwa zostało odkryte w 1911 r. przez holenderskiego fizyka Kammerlingh
Onnes’a w trakcie badań własności rtęci w temperaturze minus 269 st. C. 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.
Elektrycy od dawna poszukują 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
masowych zastosowaniach.
Prace nad wykorzystaniem niskotemperaturowych nadprzewodników do ograniczania prądów
zwarciowych prowadzą od co najmniej kilkunastu lat firmy takie jak GEC Alstom, EdF, Toshiba i
Tepco. Wcześniej, 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 st. C) 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 st. K. Przed tym
odkryciem dla uzyskania nadprzewodnictwa metali konieczne było użycie helu o temperaturze
skraplania 4 st. K, co było bardzo kosztowne i energochłonne. Wieloletnie badania doprowadziły do
wyboru materiałów na bazie bizmutu jako surowca do wyrobu nadprzewodnika dla ograniczników
prądu zwarcia. Dzisiaj ograniczniki prądów zwarcia wykorzystują nadprzewodnik
wysokotemperaturowy oparty głównie 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. Ponieważ ograniczniki indukcyjne posiadają złożoną budowę przy
znacznej masie i wymiarach, badania skierowano ku prostszym konstrukcjom ograniczników
rezystancyjnych. W rezystancyjnych SCFCL przewody uzwojeń zastąpiono arkuszami materiału
ceramicznego Bi2212.
Przeprowadzone próby SCFCL w kilku krajach (m.in. Wlk. Brytania, USA, Chiny, Japonia)
potwierdziły ich absolutną niezawodność działania wynikającą z samej natury zjawiska
nadprzewodnictwa, która zapewnia także nieograniczoną liczbę zadziałań bez zużycia urządzenia.
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 między potrzebą sztywnego zasilania, a technicznoekonomicznymi 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). Typowym obszarem
zastosowania nadprzewodzących ograniczników prądu zwarcia jest ochrona podstawowych
elementów sieci SN, a więc generatorów, transformatorów, szyn zbiorczych itp.
Pilotażowe wysokotemperaturowe ograniczniki nadprzewodnikowe zainstalowano w sieciach SN
kilku krajów natomiast pierwsze zastosowanie SFCL w skali komercyjnej w elektrowniach
zrealizował Nexans Superconductors w niemieckiej siłowni Boxberg. Ogranicznik 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 naczyniu 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.
Należy podkreślić korzystny wpływ nadprzewodnikowych rezystancyjnych ograniczników na pracę
systemu elektroenergetycznego, a w szczególności wyłączników mocy. Dzięki wtrąceniu w tor
prądowy dodatkowego rezystora maleją składowe AC i DC prądu zwarcia, asymetria prądów
fazowych, a także generowane przepięcia łączeniowe. W rezultacie uzyskuje się zmniejszenie
narażeń dla wyłączników i wydłużenie ich żywotności.
Rys.1 Rezystywność nadprzewodnika może przyjmować trzy stany: stan rezystancji zero, stan
przejściowy i stan normalnej rezystancji.
Nadprzewodnikowy ogranicznik prądu zwarcia w elektrowni
Boxberg
Rys.2 Konstrukcja indukcyjnego ogranicznika zwarć