44
С
ледствием быстрого роста электропотре-
бления и активного строительства кабель-
ной сети 220 кВ и новых объектов генера-
ции в городе Москве является рост токов
короткого замыкания (КЗ). Максимальный уровень
токов КЗ в сети 220 кВ Московской энергосистемы
за 10 лет удвоился и превысил 63 кА, что оказывает
влияние на надёжность и в конечном итоге сдержи-
вает развитие энергосистемы. Использование токо-
ограничивающих реакторов (ТОР) позволяет решить
проблему лишь локально и на время, приводя при
этом к появлению в сети индуктивности, что затруд-
няет управление энергосистемой в аварийном и
переходном режимах. Другая традиционная мера —
секционирование сети — нежелательна с точки зре-
ния обеспечения надёжности электроснабжения
потребителей.
Рост токов КЗ имеет немаловажный экономи-
ческий аспект, так как приводит к необходимости
закупки дорогостоящего коммутационного обору-
дования — выключателей с высокой номинальной
отключающей способностью. Стоимость и габариты
коммутирующего оборудования возрастают непро-
порционально номинальному току отключения,
при этом выключатели с током отключения более
50 кА производятся только за рубежом. В этом плане
наблюдается критическая зависимость отечествен-
ной электроэнергетики от импорта.
В 2011 году в ОАО «Институт «Энергосетьпроект»
разработаны технические сценарии, по которым при
проведении токоограничивающих мероприятий
уровень токов КЗ в Московской энергосистеме сни-
жается ниже безопасного уровня 40 кА в перспек-
тиве до 2020 года [1]. К применению рекомендован
ОГРАНИЧИТЕЛЬ ТОКА КОРОТКОГО
ЗАМЫКАНИЯ ДЛЯ СЕТИ 220 кВ НА ОСНОВЕ
ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СВЕРХПРОВОДНИКОВ
Сергей САМОЙЛЕНКОВ, ЗАО «СуперОкс»,
Андрей МАЙОРОВ, Виталий НАУМОВ,
ОАО «ОЭК»
Рис. 1.
ВТСП-провод 2-го поколения,
выпускаемый российской компанией
«СуперОкс».
Зависимость сопротивления
высокотемпературного сверхпроводника от
плотности тока при -196
о
С. Стрелкой показана
критическая плотность тока, 500 А/мм
2
.
30
25
20
15
10
5
0
Сопро
ти
вление, Ом
Плотность тока, А/мм
2
0
200
400
600
800
ИННОВАЦИИ
45
комплексный подход с сочетанием различных сце-
нариев, однако базовым методом в работе назы-
вается внедрение токоограничивающих устройств
(ТОУ) в определённые точки сети 220 кВ.
Одними из перспективных ТОУ являются устрой-
ства на основе высокотемпературных сверхпрово-
дников (ВТСП). В настоящее время первые образцы
таких ТОУ уже применяются в зарубежных энергоси-
стемах (Европа, США, Корея, Китай) [2]. Организация
производства ВТСП и устройств на их основе вклю-
чена как перспективное направление в Энергетиче-
скую стратегию России на период до 2030 года [3].
Принцип действия сверхпроводникового ТОУ
достаточно прост и основан на фундаментальных
свойствах ВТСП. При температу-
ре жидкого азота (-196
о
С) сверх-
проводник обладает нулевым
электрическим сопротивлением
вплоть до некоторого критиче-
ского значения плотности тока,
которое составляет для современ-
ных проводов около 500 А/мм
2
(рис. 1). При превышении этого
критического значения происхо-
дит переход в нормальное (рези-
стивное) состояние с типичными
значениями сопротивления про-
вода около 0,2 Ом/м. Переход из
сверхпроводникового (рабочего)
в резистивное (токоограничиваю-
щее) состояние не требует изме-
рительных датчиков, обратной
связи и исполнительных меха-
низмов. Благодаря нелинейной
вольтамперной характеристике,
ограничение тока в сверхпровод-
никовом ТОУ осуществляется в
течение первых миллисекунд
после возникновения КЗ (рис. 2),
что делает его одним из самых
быстродействующих видов
ТОУ.
Помимо быстродействия, к
преимуществам сверхпрово-
дниковых ТОУ относятся:
• отсутствие активного сопро-
тивления в рабочем режиме
(фактически устройство «неви-
димо» для сети);
• отсутствие
реактивного
сопротивления и индуктивно-
сти;
• регулируемое активное
сопротивление после КЗ (от
единиц до десятков Ом);
• надёжность (переключе-
ние обусловлено свойствами
ВТСП);
• ограничение тока, а не отклю-
чение линии;
• самовосстановление, длительный срок службы и
пожаробезопасность.
Сверхпроводниковые ТОУ эффективно приме-
нять для защиты линий, объединения шин, ограни-
чения пусковых токов. Перспективно применение
устройств разного класса напряжений, а также как
на переменном, так и на постоянном токе. Схемати-
чески устройство сверхпроводникового ТОУ 220 кВ
представлено на рис. 3. В состав устройства вхо-
дит криокулер с замкнутой системой охлаждения,
токоограничивающие ВТСП-модули и криостат, обе-
спечивающий теплоизоляцию внутреннего объёма.
Для обеспечения необходимого уровня высоко-
вольтной изоляции фазы устройств с номинальным
Рис. 2. Эффект ограничения тока КЗ сверхпроводниковым ТОУ
100000
80000
60000
40000
20000
0
-20000
-40000
-60000
-80000
-100000
Ток, А
Время, мс
ток КЗ без ТОУ
ограниченный ток КЗ с ТОУ
200
-50
100
150
0
50
Рис. 3. Устройство сверхпроводникового ТОУ 220 кВ
Криокулер
ВТСП-модули
Токовводы
Криостат
46
рабочим напряжением выше 100 кВ расположены в
отдельных криостатах.
Принимая во внимание актуальность проведения
токоограничивающих мероприятий в Московской
энергосистеме, специалисты ОАО «ОЭК» совместно
с российским производителем сверхпроводников
ЗАО «СуперОкс» разработали проект внедрения
первого в Российской Федерации сверхпроводнико-
вого ТОУ. Предполагается, что устройство будет вве-
дено в опытную эксплуатацию в 2017 году, а объек-
том для установки устройства должна стать недавно
введённая в эксплуатацию подстанция ОАО «ОЭК»
220/20 кВ «Мневники». Номинальный ток устройства
составит 1200 А, максимальное рабочее напряже-
ние — 252 кВ. Установку первого сверхпроводни-
кового ТОУ имеет смысл выполнять с соблюдением
условий резервирования, например параллельно
установленным на подстанции ТОР 220 кВ/3 Ом.
В такой схеме сверхпроводящее ТОУ будет выпол-
нять свои функции в дублированном режиме, фак-
тически шунтируя ТОР. Так как сопротивление ТОУ в
рабочем режиме близко к нулю, реактивное сопро-
тивление ТОР не будет оказывать влияния на пара-
метры сети при токах в пределах рабочих значений.
Разработанным проектом учтено, что проведе-
ние испытаний сверхпроводникового ТОУ 220 кВ в
действующей энергосистеме недопустимо. В свя-
зи с этим высоковольтные испытания и испытания
токами КЗ (до 80 кА) будут проведены в специали-
зированных испытательных центрах. Только после
успешного прохождения всех стадий испытаний и
согласования всех эксплуатационных параметров
с ОАО «ОЭК» и ОАО «СО ЕЭС РФ» ТОУ будет постав-
лен в опытную эксплуатацию. Проектом предусмо-
трены подробные расчёты электрических режимов,
интеграция системы
управления ТОУ с суще-
ствующими системами
АСУ ТП и РЗА на под-
станции и Московской
энергосистеме в целом.
По результатам опытной
эксплуатации сверхпро-
водниковые ТОУ предпо-
лагается использовать в
российской электроэнер-
гетике более широко.
Применение сверх-
проводниковых ТОУ в
Московской энергоси-
стеме имеет большой
народнохозяйственный
эффект. Как было отме-
чено выше, городскими
электросетевыми компа-
ниями в настоящее время
закупаются КРУЭ 220 кВ
только импортного про-
изводства с отключаю-
щей способностью выше
50 кА. В перспективе до 2020 года инвестиционны-
ми программами электросетевых компаний преду-
смотрена замена более 100 выключателей 220 кВ
в связи с их несоответствием уровню токов КЗ и/
или износом [1]. Не менее 50 выключателей 220 кВ
планируется установить при новом строительстве
подстанций. При своевременном принятии мер по
токоограничению досрочная замена части выклю-
чателей не потребуется. Ограничение токов КЗ ниже
уровня 40 кА сделает возможным применение более
доступных выключателей российского производ-
ства при новом строительстве и плановой замене, то
есть сделает возможным импортозамещение в этой
стратегически важной сфере.
Проблема роста токов КЗ остро стоит не только в
Московской, но и Ленинградской и некоторых дру-
гих энергосистемах России. Помимо этого сверхпро-
водниковые ТОУ являются востребованным обору-
дованием в быстрорастущих энергосистемах Китая,
Южной Кореи, Индии, стран Ближнего Востока,
Европы и США. Развитие отечественного производ-
ства этой высокотехнологичной продукции имеет
большой экспортный потенциал, а задача развития
российских компетенций в этой области особенно
важна в сегодняшних условиях.
ЛИТЕРАТУРА
1. Разработка стратегических направлений разви-
тия Московской энергосистемы с учётом роста
уровня токов короткого замыкания, ОАО «Инсти-
тут «Энергосетьпроект», 2011 г.
2. Application and feasibility of fault current limiters in
power systems, CIGRE technical brochure, № 497, 2012.
3. Постановление Правительства Российской Феде-
рации от 13 ноября 2009 г. № 1715-р.
ИННОВАЦИИ
Оригинал статьи: Ограничитель тока короткого замыкания для сети 220 кВ на основе высокотемпературных сверхпроводников
Следствием быстрого роста электропотребления и активного строительства кабельной сети 220 кВ и новых объектов генерации в городе Москве является рост токов короткого замыкания. Максимальный уровень токов КЗ в сети 220 кВ Московской энергосистемы за 10 лет удвоился и превысил 63 кА, что оказывает влияние на надёжность и в конечном итоге сдерживает развитие энергосистемы.