Pobierz opis

Łukasz Adamczyk
[email protected]
Politechnika Lubelska
Wydział Elektrotechniki i Informatyki
Instytut Podstaw Elektrotechniki i Elektrotechnologii
Tytuł pracy doktorskiej:
Analiza
procesu
ograniczania
udarowych
prądów
zwarciowych
przez
nadprzewodnikowe ograniczniki prądu z uwzględnieniem wpływu zmian ich
impedancji.
Rosnące wymagania dotyczące zabezpieczania sieci elektroenergetycznych przez
dynamicznymi skutkami zwarć skłoniły do poszukiwania nowych rozwiązań w zakresie
ograniczania prądów zwarciowych. Stosowane obecnie konwencjonalne układy
zabezpieczające nie są wystarczająco skuteczne aby zabezpieczać przez uszkodzeniem
urządzeń pracujących w sieci elektroenergetycznej. Zwarcia awaryjne w sieciach
elektroenergetycznych są dużym zagrożeniem dla urządzeń wchodzących w ich skład, m. in.
generatorów, transformatorów, szyn zbiorczych, linii przesyłowych, a także zmniejszają
pewność dostarczania energii odbiorcom. Nadprzewodnikowe ograniczniki prądu (ang.
superconducting fault current limiter) pozwalają znacznie skuteczniej chronić sieć
elektroenergetyczną z uwagi na szybkość i niezawodność działania.
W ostatnich kilku latach obserwuje się duży postęp w technologii wytwarzania
nadprzewodników. Postęp ten znajduje odzwierciedlenie w przypadku inżynierskich
zastosowań urządzeń bazujących na nadprzewodnikach. Jedną z pierwszych i najbardziej
trafionych koncepcji jest właśnie nadprzewodnikowy ogranicznik prądu. Koncepcja
ograniczania prądów zwarciowych w sieciach elektroenergetycznych, która powstała na bazie
urządzeń nadprzewodnikowych, opiera się na nieliniowej właściwości gwałtownego przejścia
elementu nadprzewodnikowego od stanu nadprzewodzenia do stanu rezystywnego po
przekroczeniu jego wartości krytycznej prądu.
Warunki do realizacji nadprzewodnikowych ograniczników prądowych powstały
dopiero przed kilku laty, kiedy opracowano technologię przemysłowego wytwarzania
silnoprądowych elementów z nadprzewodników wysokotemperaturowych oraz kontaktowych
układów chłodzenia (kriochłodziarek).
Prace obejmujące badanie możliwości zastosowania urządzeń nadprzewodnikowych
prowadzone są w wiodących ośrodkach naukowych na świecie (między innymi w Stanach
Zjednoczonych przez liderów produkcji materiałów nadprzewodnikowych American
Superconductor Corporation i SuperPower Inc. oraz w CERN’ie (Europejska Organizacja
Badań Jądrowych) w Szwajcarii). W lubelskim ośrodku naukowym, działa Europejskie
Centrum Doskonałości ASPPECT (akronim od : Applications of Superconducting and
Plasma Technologies in Power Engineering), które jest jedyną tak wysoko wyspecjalizowaną
jednostką badawczą w Polsce, prowadzącą badania w zakresie zastosowań nadprzewodników.
Politechnika Lubelska, Wydział Elektrotechniki i Informatyki, a zwłaszcza Instytut Podstaw
Elektrotechniki i Elektrotechnologii od kilku lat współpracuje z Centrum Doskonałości.
Podniesienie konkurencyjności branży elektroenergetycznej może nastąpić dzięki
nowoczesnym rozwiązaniom technicznym w tym technologii nadprzewodnikowej.
Stosowanie nadprzewodnikowych ograniczników prądu może doprowadzić do
zminimalizowania skutków zwarć, które są dużym zagrożeniem dla transformatorów,
generatorów, szyn zbiorczych i linii przesyłowych oraz zmniejszają pewność dostarczania
energii odbiorcom. Ograniczanie prądów zwarcia za pomocą metod konwencjonalnych tj.:
dławików i transformatorów o odpowiednio dużej reaktancji znacznie wpływa na wzrost
kosztów budowy i eksploatacji systemu elektroenergetycznego, a więc i cenę energii
elektrycznej. Nadprzewodnikowe ograniczniki prądu ograniczają zarówno prąd udarowy jak i
składową okresową prądu zwarciowego, więc zmniejszone zostają nie tylko skutki cieplne,
ale również dynamiczne działania prądu zwarciowego na urządzenia w sieci. Zastosowanie
nadprzewodnikowych ograniczników prądu pozwala ograniczyć prądy zwarciowe,
przekraczające prądy znamionowe 10÷20 krotnie, prądy dopuszczalne do wartości nie
większych niż 3÷6 krotność prądu znamionowego. Zastosowanie nadprzewodnikowych
ograniczników prądu może przynieść duże korzyści ekonomiczne, ponieważ wraz z rosnącym
zapotrzebowaniem na energię elektryczną nie będzie konieczności dostosowywania
generatorów, transformatorów, aparatury łączeniowej i zabezpieczeń do wzrastających
poziomów prądów zwarciowych. Zastosowanie nadprzewodnikowych ograniczników prądu
na skalę przemysłową wiąże się z koniecznością rozwiązania szeregu złożonych problemów,
specyficznych dla technologii urządzeń nadprzewodnikowych. Zagadnienia te są dopiero na
etapie badań naukowych, projektów technologicznych będących w fazie opracowywania oraz
nielicznych jeszcze ukończonych i testowanych konstrukcji.
Celem naukowym projektu jest wyjaśnienie wpływu szybkości narastania impedancji
nadprzewodnikowego ogranicznika prądu na wartość udarowego prądu zwarciowego. W
każdym typie ograniczników ograniczanie prądu zwarciowego następuje pod wpływem
nagłego wzrostu impedancji. Zachodzący proces przechodzenia ze stanu nadprzewodnictwa
do stanu rezystywnego (ograniczającego prąd) jest trudny do opisu matematycznego, ze
względu na szybko zmieniający się w czasie prąd, rezystancję i napięcie, które są sprzężone z
bardzo niejednorodnymi niestacjonarnymi rozkładami indukcji magnetycznej, krytycznej
gęstości prądu, temperatury rzeczywistej i krytycznej oraz zmieniającymi się w czasie i
przestrzeni przewodnością cieplną i ciepłem właściwym materiału. Obrazem zmian
impedancji w czasie zwarcia jest przebieg prądu zwarciowego. Analiza wpływu zmian
impedancji na wartość i przebieg tego prądu w pierwszym półokresie pozwoli lepiej
zinterpretować
procesy
przejściowe
związane
z
przechodzeniem
elementu
nadprzewodnikowego do stanu rezystywnego. Ponadto analiza zmian impedancji w
ogranicznikach indukcyjnych z rdzeniem
magnetycznym może przyczynić się do
ostatecznego wyjaśnienia roli takiego elementu w tego typu ograniczniku. Projekt pozwoli na
zbadanie wpływu przebiegu wzrostu impedancji nadprzewodnikowego ogranicznika prądu w
czasie pierwszego półokresu od zwarcia na wartość udarowego prądu zwarciowego przez co
umożliwi optymalizację projektowania i budowania tych urządzeń oraz lepszy ich dobór do
pracy w sieci elektroenergetycznej.