СВЕРХПРОВОДНИК -- ПРОТИВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ
Ю. Машуков, собкор "НВС".
 |
М.Петров, зав. лабораторией
Института физики
им.Л.Киренского СО РАН
|
В Институте физики им. Л.Киренского в лаборатории сильных
магнитных полей под руководством М.И. Петрова на основе
высокотемпературного сверхпроводника из поликристаллического
купрата разрабатывается модель ограничителя тока короткого
замыкания. Модель была опробована на Горно-химическом комбинате
близ Красноярска. В конце прошлого десятилетия с открытием
высокотемпературной сверхпроводимости резко возросли надежды на
появление в скором будущем средств сверхэкономной передачи
электроэнергии. Но шло время, желаемого результата не было видно,
страсти поутихли. Между тем, исследования в области
высокотемпературной сверхпроводимости постоянно расширяются.
Испытываются новые композитные составы сверхпроводящих
материалов, определяются новые характеристики, открываются новые
свойства сверхпроводников. Недавно исследователи обратили
внимание на способность сверхпроводников ограничивать силу
проходящего тока после некоторого критического значения и
превращаться в сопротивление. Это явление было положено в основу
создания нового класса ограничителей тока.
Ограничители тока выполняют роль защиты от коротких замыканий,
проблема которых в энергетических системах любого класса всегда
была очень актуальной. Любые защитные элементы или устройства,
будь то предохранители, плавкие вставки или выключатели при
полном своем соответствии нормативным техническим условиям и
требуемой наработки на отказ, не исключают вероятности
последнего.
Сущность таких отказов заключается в том, что в момент
возникновения короткого замыкания (неважно, по какой причине оно
случилось) лавинообразно растет сила тока, которая плавит любые
провода из алюминия, меди или стали. Причем, нарастание
происходит с электронными скоростями, а выключатели, имеющие в
своих конструкциях механические элементы, всегда обладают той или
иной инерционностью. Это, в свою очередь, приводит к западанию
или привариванию разъемных контактов, и тогда авария, трагедия
или катастрофа становятся неизбежностью. Любые попытки
усовершенствования отключателей тока не приводят к стопроцентной
надежности. В результате, как грустно шутят электрики,
предохранитель сгорает последним.
В Институте физики им. Л.Киренского, при проведении работ по
исследованию слабосвязанных процессов сверхпроводимости, зав.
лабораторией к.ф.-м.н. М.Петровым сделана попытка практического
использования свойств сверхпроводников. В основу работы была
положена способность сверхпроводника ограничивать силу тока. Это
свойство ранее было обнаружено и исследовано коллективом
(М.Петров, А.Балаев, В.Кирко и С.Овчинников) на классическом
поликристаллическом купратном сверхпроводнике. Естественно, что
устройство должно работать в среде жидкого азота.
В штатном режиме, ток, проходящий через сверхпроводник с
величиной меньше критического, не встречает сопротивления и
работает по классическим законам сверхпроводимости. При
возникновении аварийной ситуации, сопровождающейся увеличением
тока выше критической величины, сверхпроводник начинает работать
как сопротивление, ограничивая ток на некотором безопасном
уровне.
При практической реализации схемы, взятой за основу, пришлось
решать массу технических задач. Первая из них заключалась в
необходимости создания максимально плотных и достаточно больших
токовых контактов между стержнем сверхпроводника и
токоподводящими линиями. Для решения этой задачи контактные
площадки стержня сверхпроводника покрывались индий-галлиевым
сплавом и была разработана плавающая система крепления контактов,
компенсирующая зазоры между токопроводниками и стержнем
сверхпроводника.
Следующей задачей было создание системы эффективного отвода тепла
в момент, когда сверхпроводник начинает работать в качестве
сопротивления. Преодоление этой проблемы нашлось в согласовании
мощности разогрева сверхпроводника, его геометрических размеров с
возможностями отвода тепла жидким азотом. Опыты показали, что
возникающее при этом тепло удается эффективно отводить.
Первые опыты с разработанной конструкцией были проведены на
постоянном токе. В качестве постоянного тока был выбран
аккумулятор 6СТ-132. Созданная конструкция позволяла постепенно
нагружать и разгружать систему вплоть до получения эффекта
короткого замыкания. Результаты исследования показали, что ток,
достигая своего максимального значения в 60 ампер, далее
самопроизвольно уменьшается до 35 ампер.
Следующим этапом испытания было опробование работы созданной
конструкции на более мощном токе. Для этого испытания проводились
на горно-химическом комбинате, где была предоставлена возможность
испытать систему на токе ~1000 ампер. Работа системы дала
удовлетворительные результаты.
В народном хозяйстве, на практике, используется в основном
переменный ток, поэтому, естественно, была поставлена цель --
создать схемы ограничителя переменного тока. Конструктивное
исполнение не претерпело существенных изменений, более того,
исполнение некоторых элементов схемы упростилось.
Как утверждает руководитель работ М.Петров, надежность и
эффективность ограничителя тока на основе использования
сверхпроводника заключается в том, что он не имеет механически
движущихся частей и срабатывает с электронными скоростями на
физическом уровне в момент перехода из состояния сверхпроводника
в сопротивление. Физический закон срабатывает стопроцентно,
следовательно, и результат -- аналогичный.
Работа руководителя и коллектива авторов ведется в инициативном
порядке. Она пока еще не поддержана никакими грантами и
договорами. Целесообразность выполнения работы обуславливается
также тем, что в США объявлена федеральная программа по созданию
ограничителей тока на основе высокотемпературных
сверхпроводников. В этой программе задействованы ведущие по
производству электрооборудования фирмы, такие как "Вестенгаус" и
"Дженерал электрик". Есть сведения, что они уже вышли на
промышленный уровень разработки таких систем. А это означает то,
что через несколько лет нашей стране придется либо закупать их
готовыми, либо платить за патент и лицензии на их производство.
Авторы утверждают, что несмотря на возможную весьма серьезную
стоимость таких ограничителей тока, работающих в среде жидкого
азота, без них не обойтись в больших дорогостоящих
энергосистемах, особенно в таких, как АЭС, ГЭС, атомных подводных
лодках, космических системах и т.д. Аварии в таких системах по
причине коротких замыканий имеют огромные и, порой,
катастрофические последствия.
г. Красноярск.
стр.
|
