У статті проаналізована конструкція струмообмежуючого реактора з надпровідними екраном і обмоткою. Теоретично розглянуто роботу такого надпровідного обмежувача струму короткого замикання в основних режимах. Проведений аналіз критеріїв вибору основних параметрів такого пристрою.In the paper the design of a current-limiting reactor with a superconducting shield and a winding is analyzed. Work of such superconducting fault current limiter in the basic modes is theoretically considered. The criteria of a choice of basic parameters of such a device are analyzed

Гончаров, Євген Вікторович

Данько, Володимир Григорович

eNTUKhPIIR Electronic National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute"; Institutional Repository

ISSN 2079-3944. Вісник НТУ "ХПІ". 2012. № 61 (967) 3 ЕЛЕКТРИЧНІ АПАРАТИ УДК 621.316.9  В.Г. ДАНЬКО, д-р техн. наук, проф., зав. каф., НТУ "ХПІ" Є.В. ГОНЧАРОВ, м.н.с., НТУ "ХПІ"  ВИКОРИСТАННЯ ЯВИЩА ВИСОКОТЕМПЕРАТУРНОЇ НАДПРОВІДНОСТІ У СТРУМООБМЕЖУЮЧОМУ РЕАКТОРІ  У статті проаналізована конструкція струмообмежуючого реактора з надпрові-дними екраном і обмоткою. Теоретично розглянуто роботу такого надпровід-ного обмежувача струму короткого замикання в основних режимах. Проведе-ний аналіз критеріїв вибору основних параметрів такого пристрою. Ключові слова: обмежувач струму короткого замикання, надпровід-ність, основні параметри.  В статье проанализирована конструкция токоограничивающего реактора со сверхпроводящим экраном и обмоткой. Теоретически рассмотрена работа  такого сверхпроводящего ограничителя тока короткого замыкания в основных режимах. Проведен анализ критериев выбора основных параметров такого устройства. Ключевые слова: ограничитель тока короткого замыкания, сверхпрово-димость, основные параметры.  In the paper the design of a current-limiting reactor with a superconducting shield and a winding is analyzed. Work of such superconducting fault current limiter in the basic modes is theoretically considered. The criteria of a choice of basic parameters of such a device are analyzed. Index terms: fault current limiter, superconducting, basic parameters.  Вступ. Виникнення аварійних струмів короткого замикання в елек-тромережах спричиняє руйнацію електрообладнання, і захист від цього негативного явища є досить важливою задачею. Для обмеження струмів і підтримання напруги на шинах при аварійному режимі використову-ються багато різновидів реакторів – електричних апаратів, що виконані у вигляді котушки з незмінною індуктивністю. По виду магнітної систе-ми розрізняють реактори без осердя, з феромагнітним осердям, підмаг-нічуванні постійним струмом, із замкнутою системою магнітопроводу та ін.; за конструктивними особливостями обмотки відомі реактори з кабельною обмоткою, дисковою, обмоткою зі стрічкового провіднико-вого матеріалу, з радіальним або аксіальним напрямком намотування. © В.Г. Данько, Є.В. Гончаров, 2012 4 ISSN 2079-3944. Вісник НТУ "ХПІ". 2012. № 61 (967) По виду ізоляції також розрізняють сухі й маслонаповнені реактори. Основні споживачі струмообмежувальних реакторів – електричні станції, розподільні підстанції, електричні мережі, великі промислові підприємства, енергоємні об’єкти інфраструктури. У своїй більшості реактори використовуються у розподільних мережах напругою 6-10 кВ. Основним недоліком традиційних реакторів є значні втрати поту-жності у номінальному режимі роботи. Метою роботи є аналіз роботи надпровідного обмежувача струму короткого замикання і вибор його основних параметрів. Одним з новітніх напрямів в електроенергетиці є використання явища високотемпературної надпровідності при азотному рівні темпе-ратур (~77 К). Розробка таких обмежувачів струму короткого замикан-ня базується на використанні фізичних властивостей високотемпера-турних надпровідників. Надпровідний обмежувач струму короткого замикання послідовно вмикається в частину електромережі, яка перед-бачає захист від аварійних струмів. Такий реактор має близький до нуля опір в номінальному режимі на відміну від традиційних струмообмежу-вальних реакторів. За конструктивними особливостями можна виділити дві основні схеми надпровідного обмежувача: резистивну і індуктивну. На них гру-нтується більшість інших пропонованих конструкцій, які повинні задо-вольняти тим же вимогам [1]. В той же час об’єднання цих схем в єдину конструкцію дає можливість скористатися перевагами кожної з них. На рис. подана конструк-тивна схема такого надпровід-ного реактора. В загальному кріостаті 2, що охоплює центральний стержень осердя 1 розташовані надпровідні ек-ран 4 і обмотка 5. При нормальному режимі роботи по основній обмотці 5 обмежувача протікає номіна-льний струмі Iн, надпровідний (НП) екран 4 знаходиться  у надпровідному докритично-му стані і не пропускає магнітний потік в осердя 1. Обмотка 5 виготов-лена з НП проводу, який не має активного опору. Таким чином обмот-ка 5 має незначну індуктивність. Індуктивність обмотки за надпровідного стану екрана [2]:  Рис. – Схематичне зображення НП  обмежувача струму КЗ з екраномISSN 2079-3944. Вісник НТУ "ХПІ". 2012. № 61 (967) 5  обмобмср20номнп 32hbrwILpiµ=Ψ= , (1) де µ0 – магнітна стала; w – кількість витків обмотки; rср – середній радіус надпровідної обмотки; bобм – ширина обмотки; hобм – висота обмотки. Падіння напруги на обмежувачі струму у номінальному режимі [3]  Um ос = kос·Um н = 2 π f w Фm ос, (2) де f – частота змінного струму; w – число витків обмотки; Фm ос – амп-літуда магнітного потоку, зчепленого з обмоткою у номінальному ре-жимі; kос – коефіцієнт, що визначає падіння напруги на обмежувачі струму по відношенню до напруги електричної мережі. Критичне значення індукції магнітного потоку Bкр на зовнішній поверхні стінки ВТНП екрана:  Bкр = µ0·Hкр (3) Наступним чином Bкр пов’язане з параметрами НП обмотки і но-мінальним струмом:  обмноме0кркр hIkwBH I=µ= , (4) де kI е – коефіцієнт перевищення номінального струму, за якого втрача-ється надпровідність екрана; w – кількість витків обмотки; hобм – висота обмотки. При виникненні КЗ зростає напруженість магнітного поля на по-верхні НП екрана 4 від основної НП обмотки 5. Як тільки магнітне поле перевищить критичне значення Bкр для НП екрана 4, він втратить надпровідність та діамагнетизм. Магнітний потік перейде в середній стержень магнітопроводу 1, відповідно зростає індуктивність основної обмотки 5 та її індуктивний опір, що і обмежує струм КЗ. При втраті надпровідного стану ВТНП екраном магнітні потоки розсіяння можна не враховувати і прийняти індуктивність [2]:  номз2стсткр IkwrBLI ⋅pi= , (5) де kзI – коефіцієнт перевищення номінального струму; Bст – індукція на-сичення сталі магнітопроводу; rст – радіус центрального стержня осердя. У режимі короткого замикання обмежувач повинен узяти на себе номінальну напругу електромережі   Um н = 2 π f w Bкз π 2стr , (6) де Bкз = kB Bн ст – індукція в осерді (H = wIкр/lос); Bн ст. – індукція наси-чення сталі осердя магнітопроводу; kB – коефіцієнт запасу індукції за 6 ISSN 2079-3944. Вісник НТУ "ХПІ". 2012. № 61 (967) кривою намагнічування матеріалу; lос – середня довжина магнітної силової лінії в осерді. Висновки. У номінальному режимі індуктивність надпровідного реактора незначна, отже падіння напруги на реакторі, відповідно, буде близько декількох відсотків від номінальної напруги, що задовольняє вимогам. Відсутність активного опору надпровідної обмотки забезпе-чить енергозбереження у номінальному режимі. При виборі параметрів надпровідного обмежувача струму коротко-го замикання визначальними є величини критичної індукції надпровід-ного екрана та індукції насичення осердя.  Розробка надпровідних пристроїв, зокрема надпровідних реакторів є перспективним напрямком електроенергетиці.  Список літератури: 1. Тенденції розвитку і використання високотемператур-них надпровідникових струмообмежувачів / Данько В.Г., Гончаров Є.В., Лисе-нко Л.І. та ін. // Вісник НТУ "ХПІ". Збірник наукових праць. Тематичний ви-пуск: Прилади та методи неруйнівного контролю. – Харків: НТУ "ХПІ". – 2006. – № 38.– С. 35-44. 2. Данько В.Г., Гончаров Є.В. Аналіз роботи високоте-мпературного надпровідникового обмежувача струму короткого замикання // Східно-європейський журнал передових технологій. Енергозберігаючі техно-логії і обладнання. – Харків: Технологічний центр. – Харків: Технологічний центр, 2007. – № 6/5 (30). – С. 45-48. 3. Данько В.Г., Гончаров Є.В. Теоретичні засади і вибір основних параметрів електромагнітного надпровідного обмежу-вача струму / Данько В.Г., Гончаров Є.В. // Вісник НТУ "ХПІ". Збірник науко-вих праць. Тематичний випуск: Проблеми удосконалення електричних машин і апаратів. Теорія і практика. – Харків: НТУ "ХПІ". – 2011. – № 48. – С. 30-36.   Надійшла до редколегії 27.11.2012    Данько Володимир Григорович – доктор технічних наук, професор. Завідувач кафедри загальної електротех-ніки Національного технічного університету "Харківсь-кий політехнічний інститут". Наукові інтереси пов’язані з проблемами у галузі нагрівання і охолодження традиційних електричних ма-шин та розроблення надпровідних машин.  ISSN 2079-3944. Вісник НТУ "ХПІ". 2012. № 61 (967) 7   Гончаров Євген Вікторович, захистив диплом інженера в Національному технічному університеті "Харківський політехнічний інститут" за фахом електричні машини  й апарати в 2004 р. Молодший науковий співробітник кафедри загальної електротехніки НТУ "ХПІ". Наукові інтереси пов’язані з проблемами викорис-тання високотемпературної надпровідності в електричних пристроях.   

Використання явища високотемпературної надпровідності у струмообмежуючому реакторі

Library of National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute"

ISSN 2079-3944. Вісник НТУ "ХПІ". 2012. № 61 (967) 3 
ЕЛЕКТРИЧНІ АПАРАТИ 
УДК 621.316.9 
 
В.Г. ДАНЬКО, д-р техн. наук, проф., зав. каф., НТУ "ХПІ" 
Є.В. ГОНЧАРОВ, м.н.с., НТУ "ХПІ" 
 
ВИКОРИСТАННЯ ЯВИЩА ВИСОКОТЕМПЕРАТУРНОЇ 
НАДПРОВІДНОСТІ У СТРУМООБМЕЖУЮЧОМУ 
РЕАКТОРІ 
 
У статті проаналізована конструкція струмообмежуючого реактора з надпрові-
дними екраном і обмоткою. Теоретично розглянуто роботу такого надпровід-
ного обмежувача струму короткого замикання в основних режимах. Проведе-
ний аналіз критеріїв вибору основних параметрів такого пристрою. 
Ключові слова: обмежувач струму короткого замикання, надпровід-
ність, основні параметри. 
 
В статье проанализирована конструкция токоограничивающего реактора со 
сверхпроводящим экраном и обмоткой. Теоретически рассмотрена работа  
такого сверхпроводящего ограничителя тока короткого замыкания в основных 
режимах. Проведен анализ критериев выбора основных параметров такого 
устройства. 
Ключевые слова: ограничитель тока короткого замыкания, сверхпрово-
димость, основные параметры. 
 
In the paper the design of a current-limiting reactor with a superconducting shield 
and a winding is analyzed. Work of such superconducting fault current limiter in the 
basic modes is theoretically considered. The criteria of a choice of basic parameters 
of such a device are analyzed. 
Index terms: fault current limiter, superconducting, basic parameters. 
 
Вступ. Виникнення аварійних струмів короткого замикання в елек-
тромережах спричиняє руйнацію електрообладнання, і захист від цього 
негативного явища є досить важливою задачею. Для обмеження струмів 
і підтримання напруги на шинах при аварійному режимі використову-
ються багато різновидів реакторів – електричних апаратів, що виконані 
у вигляді котушки з незмінною індуктивністю. По виду магнітної систе-
ми розрізняють реактори без осердя, з феромагнітним осердям, підмаг-
нічуванні постійним струмом, із замкнутою системою магнітопроводу 
та ін.; за конструктивними особливостями обмотки відомі реактори з 
кабельною обмоткою, дисковою, обмоткою зі стрічкового провіднико-
вого матеріалу, з радіальним або аксіальним напрямком намотування. 
© В.Г. Данько, Є.В. Гончаров, 2012 
4 ISSN 2079-3944. Вісник НТУ "ХПІ". 2012. № 61 (967) 
По виду ізоляції також розрізняють сухі й маслонаповнені реактори. 
Основні споживачі струмообмежувальних реакторів – електричні 
станції, розподільні підстанції, електричні мережі, великі промислові 
підприємства, енергоємні об’єкти інфраструктури. У своїй більшості 
реактори використовуються у розподільних мережах напругою 6-10 
кВ. Основним недоліком традиційних реакторів є значні втрати поту-
жності у номінальному режимі роботи. 
Метою роботи є аналіз роботи надпровідного обмежувача струму 
короткого замикання і вибор його основних параметрів. 
Одним з новітніх напрямів в електроенергетиці є використання 
явища високотемпературної надпровідності при азотному рівні темпе-
ратур (~77 К). Розробка таких обмежувачів струму короткого замикан-
ня базується на використанні фізичних властивостей високотемпера-
турних надпровідників. Надпровідний обмежувач струму короткого 
замикання послідовно вмикається в частину електромережі, яка перед-
бачає захист від аварійних струмів. Такий реактор має близький до нуля 
опір в номінальному режимі на відміну від традиційних струмообмежу-
вальних реакторів. 
За конструктивними особливостями можна виділити дві основні 
схеми надпровідного обмежувача: резистивну і індуктивну. На них гру-
нтується більшість інших пропонованих конструкцій, які повинні задо-
вольняти тим же вимогам [1]. В той же час об’єднання цих схем в єдину 
конструкцію дає можливість скористатися перевагами кожної з них. 
На рис. подана конструк-
тивна схема такого надпровід-
ного реактора. В загальному 
кріостаті 2, що охоплює 
центральний стержень осердя 
1 розташовані надпровідні ек-
ран 4 і обмотка 5. 
При нормальному режимі 
роботи по основній обмотці 5 
обмежувача протікає номіна-
льний струмі Iн, надпровідний 
(НП) екран 4 знаходиться  
у надпровідному докритично-
му стані і не пропускає магнітний потік в осердя 1. Обмотка 5 виготов-
лена з НП проводу, який не має активного опору. Таким чином обмот-
ка 5 має незначну індуктивність. 
Індуктивність обмотки за надпровідного стану екрана [2]: 
 
Рис. – Схематичне зображення НП  
обмежувача струму КЗ з екраном
ISSN 2079-3944. Вісник НТУ "ХПІ". 2012. № 61 (967) 5 
 
обм
обмср2
0
ном
нп 3
2
h
br
w
I
L
pi
µ=Ψ= , (1) 
де µ0 – магнітна стала; w – кількість витків обмотки; rср – середній радіус 
надпровідної обмотки; bобм – ширина обмотки; hобм – висота обмотки. 
Падіння напруги на обмежувачі струму у номінальному режимі [3] 
 Um ос = kос·Um н = 2 π f w Фm ос, (2) 
де f – частота змінного струму; w – число витків обмотки; Фm ос – амп-
літуда магнітного потоку, зчепленого з обмоткою у номінальному ре-
жимі; kос – коефіцієнт, що визначає падіння напруги на обмежувачі 
струму по відношенню до напруги електричної мережі. 
Критичне значення індукції магнітного потоку Bкр на зовнішній 
поверхні стінки ВТНП екрана: 
 Bкр = µ0·Hкр (3) 
Наступним чином Bкр пов’язане з параметрами НП обмотки і но-
мінальним струмом: 
 
обм
номе
0
кр
кр h
IkwB
H I=
µ
= , (4) 
де kI е – коефіцієнт перевищення номінального струму, за якого втрача-
ється надпровідність екрана; w – кількість витків обмотки; hобм – висота 
обмотки. 
При виникненні КЗ зростає напруженість магнітного поля на по-
верхні НП екрана 4 від основної НП обмотки 5. Як тільки магнітне 
поле перевищить критичне значення Bкр для НП екрана 4, він втратить 
надпровідність та діамагнетизм. Магнітний потік перейде в середній 
стержень магнітопроводу 1, відповідно зростає індуктивність основної 
обмотки 5 та її індуктивний опір, що і обмежує струм КЗ. 
При втраті надпровідного стану ВТНП екраном магнітні потоки 
розсіяння можна не враховувати і прийняти індуктивність [2]: 
 
номз
2
стст
кр Ik
wrBL
I ⋅
pi
= , (5) 
де kзI – коефіцієнт перевищення номінального струму; Bст – індукція на-
сичення сталі магнітопроводу; rст – радіус центрального стержня осердя. 
У режимі короткого замикання обмежувач повинен узяти на себе 
номінальну напругу електромережі  
 Um н = 2 π f w Bкз π 2стr , (6) 
де Bкз = kB Bн ст – індукція в осерді (H = wIкр/lос); Bн ст. – індукція наси-
чення сталі осердя магнітопроводу; kB – коефіцієнт запасу індукції за 
6 ISSN 2079-3944. Вісник НТУ "ХПІ". 2012. № 61 (967) 
кривою намагнічування матеріалу; lос – середня довжина магнітної 
силової лінії в осерді. 
Висновки. У номінальному режимі індуктивність надпровідного 
реактора незначна, отже падіння напруги на реакторі, відповідно, буде 
близько декількох відсотків від номінальної напруги, що задовольняє 
вимогам. Відсутність активного опору надпровідної обмотки забезпе-
чить енергозбереження у номінальному режимі. 
При виборі параметрів надпровідного обмежувача струму коротко-
го замикання визначальними є величини критичної індукції надпровід-
ного екрана та індукції насичення осердя.  
Розробка надпровідних пристроїв, зокрема надпровідних реакторів 
є перспективним напрямком електроенергетиці. 
 
Список літератури: 1. Тенденції розвитку і використання високотемператур-
них надпровідникових струмообмежувачів / Данько В.Г., Гончаров Є.В., Лисе-
нко Л.І. та ін. // Вісник НТУ "ХПІ". Збірник наукових праць. Тематичний ви-
пуск: Прилади та методи неруйнівного контролю. – Харків: НТУ "ХПІ". – 
2006. – № 38.– С. 35-44. 2. Данько В.Г., Гончаров Є.В. Аналіз роботи високоте-
мпературного надпровідникового обмежувача струму короткого замикання // 
Східно-європейський журнал передових технологій. Енергозберігаючі техно-
логії і обладнання. – Харків: Технологічний центр. – Харків: Технологічний 
центр, 2007. – № 6/5 (30). – С. 45-48. 3. Данько В.Г., Гончаров Є.В. Теоретичні 
засади і вибір основних параметрів електромагнітного надпровідного обмежу-
вача струму / Данько В.Г., Гончаров Є.В. // Вісник НТУ "ХПІ". Збірник науко-
вих праць. Тематичний випуск: Проблеми удосконалення електричних машин 
і апаратів. Теорія і практика. – Харків: НТУ "ХПІ". – 2011. – № 48. – С. 30-36.  
 
Надійшла до редколегії 27.11.2012 
 
 
 
Данько Володимир Григорович – доктор технічних 
наук, професор. Завідувач кафедри загальної електротех-
ніки Національного технічного університету "Харківсь-
кий політехнічний інститут". 
Наукові інтереси пов’язані з проблемами у галузі 
нагрівання і охолодження традиційних електричних ма-
шин та розроблення надпровідних машин. 
 
ISSN 2079-3944. Вісник НТУ "ХПІ". 2012. № 61 (967) 7 
 
 
Гончаров Євген Вікторович, захистив диплом інженера 
в Національному технічному університеті "Харківський 
політехнічний інститут" за фахом електричні машини  
й апарати в 2004 р. Молодший науковий співробітник 
кафедри загальної електротехніки НТУ "ХПІ". 
Наукові інтереси пов’язані з проблемами викорис-
тання високотемпературної надпровідності в електричних 
пристроях. 
 
 


http://repository.kpi.kharkov.ua/bitstream/KhPI-Press/11401/1/vestnik_HPI_2012_61_Danko_Vykorystannia.pdf

Використання явища високотемпературної надпровідності у струмообмежуючому реакторі

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

eNTUKhPIIR Electronic National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute"; Institutional Repository

Library of National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute"