Nadprzewodnikowy ogranicznik prądu zwarcia chroni krajowe sieci elektroenergetyczne
Na terenie Europy kontynentalnej znajdują się cztery duże sieci elektroenergetyczne. Linie energetyczne to stały element krajobrazu. Przenoszą one napięcia sięgające 380 000 woltów. Jeśli dojdzie do kontaktu dwóch przewodów będących częścią takiej linii, na przykład w wyniku upadku drzewa, powstanie prąd zwarciowy – zjawisko to potocznie nazywane jest spięciem. W takiej sytuacji dochodzi do iskrzenia. Zwarcie jest na tyle silne, że może doprowadzić do uszkodzenia lub zniszczenia także sprzętu przeznaczonego do przesyłu wysokich napięć. W instalacji domowej powstaniu szkód zapobiega bezpiecznik, który natychmiast odcina zasilanie. Urządzeń tych nie można jednak używać w wysokonapięciowych krajowych sieciach elektroenergetycznych. Dotychczas nie opracowano ich praktycznego odpowiednika. Urządzenie takie – gdyby istniało – nazywane byłoby ogranicznikiem prądu zwarcia. Dziś do ograniczania (wyłączania) prądu zwarcia stosuje się różne pasywne i nieoptymalne środki. W 2014 roku firma Nexans zainstalowała eksperymentalny nadprzewodnikowy ogranicznik prądu zwarcia (NOPZ) w sieci energetycznej w pobliżu Essen w Niemczech. Choć NOPZ skutecznie chronił miejskie linie energetyczne, był zbyt kosztowny, by mógł trafić do sprzedaży.
Udoskonalanie NOPZ
W ramach finansowanego ze środków UE projektu FASTGRID powstała tańsza wersja opisanego wyżej NOPZ. Redukcję kosztów uzyskano poprzez optymalne wykorzystanie materiału nadprzewodzącego. Nadprzewodnictwo to stan, w którym niektóre materiały wykazują brak rezystancji. Jest to jednak możliwe tylko w temperaturach kriogenicznych. Jeśli w sieci elektroenergetycznej wyposażonej w NOPZ FASTGRID wystąpi spięcie, dojdzie do nagłego wzrostu prądu – o znaną i ustaloną wartość – co spowoduje zadziałanie NOPZ. Następnie temperatura elementu nadprzewodzącego (taśmy wykonanej z nowego nadprzewodnika) gwałtownie wzrośnie, w związku z czym nastąpi utrata właściwości nadprzewodnikowych i pojawi się opór elektryczny. Pozwoli to ograniczyć prąd do bezpiecznego poziomu, zapobiec szkodom i usprawnić odłączenie zasilania przez rozdzielnicę (wyłącznik). Temperatura materiału przewodzącego następnie obniży się i ponownie stanie się on nadprzewodnikiem. Wtedy będzie można bezpiecznie włączyć napięcie. Własności nadprzewodnikowe sprawiają, że NOPZ działa jak przełącznik.
Tańsze i praktyczne rozwiązanie
„Dzięki naszemu zaawansowanemu nadprzewodnikowi NOPZ stał się rozwiązaniem bardziej atrakcyjnym z ekonomicznego punktu widzenia”, wyjaśnia Pascal Tixador, koordynator projektu. „Nowy przewodnik jest około dziesięć razy tańszy niż ten przygotowany przez firmę Nexans”. Oszczędności uzyskano głównie poprzez optymalizację polegającą na zastosowaniu alternatywnych rozwiązań. „Udało nam się opracować i doświadczalnie zweryfikować zaawansowany nadprzewodnik do wykorzystania w urządzeniach typu NOPZ”, dodaje Tixador. „Prace rozwojowe trwały jednak znacznie dłużej niż założono na początku projektu, w związku z czym nie byliśmy w stanie zrealizować naszych planów produkcyjnych”. Zespół przygotował i pomyślnie przetestował dwa z sześciu planowanych elementów nadprzewodzących. Kolejnym etapem będzie zakończenie prac nad przygotowaniem nadprzewodnika do produkcji przemysłowej. Po uproszczeniu procesu produkcji będzie można rozpocząć testy w pełnoskalowym środowisku przemysłowym. W rezultacie powstanie ogranicznik prądu zwarcia (działający podobnie do bezpiecznika, oparty na mechanizmie wielokrotnego użytku i dostosowany do wysokich napięć) na tyle tani, że będzie go można instalować w krajowych sieciach elektroenergetycznych. Urządzenie to nie tylko zapewni ochronę sieci przed uszkodzeniami, ale pozwoli też budować elastyczne sieci oczkowe, na które istnieje spore zapotrzebowanie.
Słowa kluczowe
FASTGRID, nadprzewodnictwo, układ zabezpieczeń, sieć elektroenergetyczna, ogranicznik prądu zwarcia, wyłącznik
