Ограничитель тока короткого замыкания для сети 220 кВ на основе высокотемпературных сверхпроводников

Page 1
background image

Page 2
background image

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


Page 3
background image

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


Page 4
background image

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


Читать онлайн

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.

Поделиться:

«ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение»