«ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СВЕРХПРОВОДНИКОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ НА РЕЖИМЫ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ...»

Фазный ток стороны ВН Фазный ток стороны НН Зададимся индукцией в стержне равной Bс 1,6 Т. Диаметр стержня для трансформатора мощностью 40 МВА равен d 0,6 м. Коэффициент заполнения площади круга с d 0,6 площадью ступенчатой формы kкр 0,92. Тогда активное сечение стержня Напряжение витка Число витков обмотки НН Число витков обмотки ВН Рабочая плотность тока в ВТСП проводе j 125 А/мм2. Тогда ориентировочное сечение витка обмотки ВН Ориентировочное сечение витка обмотки НН Таким образом, в обмотке ВН наматывается 2 провода в параллели, в обмотке НН 10 проводов в параллели.

Высота одного витка обмотки ВН с учетом изоляции составляет hВвн мм. Округлим число витков в обмотке ВН до 720 и предположим, что число слоев nСЛвн 10. Тогда в одном слое WСЛвн 72 витка и высота обмотки составляет Обмотка НН на WСЛнн 2 по 60 витков. Высота витка обмотки hВнн 14 мм, тогда высота обмотки НН Толщина обмотки ВН где tвитка.вн nпаралл.вн tпров 2 1 2 - толщина витка.

Толщина обмотки НН где tвитка.нн nпаралл.нн tпров 10 1 10 - толщина витка.

Предположим, что толщина криостата составляет 60 мм. Средняя длина витка обмотки НН где Rc - радиус стержня; tкрио - толщина криостата.

Средняя длина витка обмотки ВН где 0,03 - главный изоляционный промежуток.

Длина всех витков обмотки ВН Длина всех витков обмотки НН Рисунок 3.15 – К расчету индуктивного сопротивления Эквивалентное активное сопротивление несверхпроводящих слоев при температуре 77 К Rнс 0,0065 Ом/м, тогда активное сопротивление несверхпроводящих слоев обмотки ВН Активное сопротивление обмотки НН Активное сопротивление трансформатора в начальный момент КЗ Активная составляющая напряжения КЗ в начальный момент КЗ Реактивная составляющая напряжения КЗ 1152 1,008 0,32(0,414 0,3) Напряжение короткого замыкания в начальный момент КЗ В таблице 3.2 приведены параметры ВТСП проводов второго поколения и параметры СПТ для каждого варианта ВТСП провода. Провода SF12050, SCS12050 SCS4050 производится фирмой SuperPower, провода 344С, 344S – фирмой American Superconductor. На данный момент эти фирмы являются лидерами в производстве ВТСП второго поколения.

Таблица 3.2 – Параметры СПТ при различных параметрах СП провода [50,51] Продолжение таблицы 3. ВН/НН R обмотки ВН/НН 34/0,89 5,81/0,177 2,84/0,07 0,8/0,02 44/1, На величину токоограничивающего сопротивления в большей степени оказывает толщина медного слоя, которая непосредственно оказывает влияние на время возврата СПТ после ограничение тока КЗ.

В целом, процесс расчета СПТ можно представить блок-схемой, представленной на рисунке 3.16.

Величину требуемого активного сопротивления предлагается подбирать путем частичного задействования обмотки в ограничении тока КЗ. Этого можно достичь использованием разных проводов с различными параметрами, при которых токоограничивающая часть обладает достаточным сопротивлением для ограничения тока КЗ, а нетокоограничивающая часть обладает незначительным сопротивлением.

При известном Rэ ( I,T ) может быть найдена необходимая длина кабеля в ограничивающей части обмотки.

где Rтреб - требуемое сопротивление для ограничения тока КЗ;

nв и nш - число слоев в обмотке по высоте и ширине соответственно.

Число витков, задействованных в ограничении тока КЗ где rв - средний радиус витка.

Рисунок 3.17 – Схематичный вид токоограничивающей части обмотки СПТ Такое исполнение позволяет добиться не только требуемого значения активного сопротивления, но также появляется возможность добиться быстрого возврата трансформатора в сверхпроводящее состояние во время бестоковой паузы или после отключения КЗ на отходящем присоединении за счет использования дополнительных средств охлаждения в токоограничивающей части обмотки.

Обмотки трансформатора во время КЗ испытывают значительные механические усилия. В СПТ обмотки имеют меньшее поперечное сечение, следовательно, обмотки СПТ должны быть сконструированы таким образом, чтобы выдерживать эти усилия. Например, использование транспонированных ВТСП проводов позволяет снизить не только потери в ВТСП проводе, но и увеличить механическую прочность обмотки [52].

3.5. Сравнительный анализ случаев использования СПТ и обычного Проведем сравнение случаев установки на подстанции СПТ и обычного трансформатора с точки зрения ограничения токов короткого замыкания. На рисунках 3.18 и 3.19 показаны схемы в случае установок СПТ и обычного трансформатора со следующими параметрами:

Обычный трансформатор: Sном 40 МВА, U ВН 115 кВ, U НН 11 кВ, uкВН 10,5 %, uкН Н 38 %, РКЗ 170 кВт.

Рисунок 3.18 – Принципиальная схема и схема замещения для расчета токов КЗ в Рисунок 3.19 – Принципиальная схема и схема замещения для расчета токов КЗ в случае установки обычного трансформатора с расщепленной обмоткой Индуктивное сопротивление СПТ Активные сопротивления трансформатора с расщепленной обмоткой Индуктивные сопротивления трансформатора с расщепленной обмоткой Ток КЗ в случае использования СПТ, в предположении, что в момент КЗ появляется активное сопротивление величиной 20 Ом Ток КЗ в случае использования трансформатора с расщепленной обмоткой Таким образом, ток КЗ на стороне НН ограничивается в большей степени при расщеплении обмотки. И, следовательно, в СПТ имеет смысл также расщеплять обмотку НН для ограничения токов КЗ на стороне НН. В совокупности расщепление обмотки и функция ограничения токов КЗ СПТ дадут значительный эффект в ограничении тока КЗ.

3.6. Бросок тока намагничивания в сверхпроводниковом трансформаторе Бросок тока намагничивания в трансформаторе возникает при включении трансформатора под напряжение из-за насыщения магнитопровода трансформатора, связанного с нелинейной характеристикой намагничивания стали магнитопровода (рисунок 3.20).

Рисунок 3.20 – Построение кривой тока включения Бросок тока при включении может достигать 10-ти кратных значений номинального тока. Как следствие такие токи вызывают переход СП обмоток в нормальное состояние. Оценим численно значения бросков тока намагничивания для СПТ и обычного трансформатора по выражению, приведенному в [53]

Х ПИТ Х S

где U НОМ - номинальное напряжение питающей сети;

В0 - индукция насыщения стали ( В0 2 Тл);

ВС (0) - остаточная индукция в стержне трансформатора ( ВС (0) 1,67 Тл);

ВНОМ - номинальная индукция в стержне трансформатора;

Х ПИТ - индуктивное сопротивление питающей сети;

Х S - индуктивное сопротивление обмотки без учета стали.

где W - число витков обмотки;

DВНУТР - внутренний диаметр обмотки;

a - радиальный размер обмотки (толщина);

H S - высота окна магнитопровода.

Сравнение бросков тока проведем для трансформаторов мощностью МВА без приведения подробного расчета, приведя лишь интересующие значения искомых величин. Индуктивное сопротивление СПТ без учета стали Индуктивное сопротивление обычного трансформатора без учета стали Бросок тока намагничивания в случае использования СПТ при остаточной индукции равной 1,67 Тл Бросок тока намагничивания в случае использования обычного трансформатора Как видно, уровень броска тока включения остается на том же уровне, что и в случае обычного трансформатора. Однако в случае с СПТ наблюдается небольшое увеличение тока намагничивания вследствие уменьшения индуктивности обмотки. С одной стороны, обмотка НН имеет больший внутренний диаметр из-за криостата, и это могло бы увеличить и внутренний диаметр обмотки ВН, тем самым снижая бросок тока, но с другой стороны, общий объем обмоток снижается, уменьшая при этом площадь катушки (обмотки). И данное обстоятельство увеличивает величину броска тока намагничивания.

В работах [54-56] приводятся исследования, связанные с переходом СП обмоток трансформатора в нормальное состояние, вызванного броском тока при включении. В данных работах показывается, что при превышении тока включения критического тока обмотки, последняя переходит в нормальное состояние, проводится сравнение с трансформатором с медными обмотками.

Рисунок 3.21 – Ток включения трансформаторов: 1 – СПТ; 2 – трансформатор с При сравнении оказывается, что ток включения в СПТ затухает медленнее по причине возврата обмотки в СП состояние. После возврата обмотки время затухания тока включения в большей степени определяется параметрами сети, к которой подключен трансформатор.

Во избежание перехода в нормальное состояние необходимо использование системы с контролем момента включения, т.е. с улавливанием момента, когда напряжение максимально. Такая система включения позволяет снизить ток включения до 1-2% номинального тока.

Другим способом исключения недостатка, связанного с включением СПТ, является способ включения, когда трансформатор предварительно возбуждается в режиме холостого хода и находится в режиме ожидания до момента затухания тока включения и возврата обмотки в СП состояние. После затухания тока включения и возврата обмотки в СП состояние к трансформатору подключается нагрузка. Включение нагрузки сразу, на предварительно не возбужденный трансформатор, приводит к длительному нормальному состоянию СП обмоток и представляет собой опасность с точки зрения выделения большого количества тепла в криостате трансформатора.

1. Сверхпроводниковый трансформатор оказывает существенное влияние на электромагнитные переходные процессы, причем огромное влияние на них оказывают условия охлаждения. В первом полупериоде ток КЗ ограничивается в меньшей степени по сравнению с последующими полупериодами. В последующих периодах ток КЗ ограничивается в большей степени из-за быстрого затухания апериодической составляющей и роста температуры СП провода, приводящего к росту сопротивления, что в свою очередь ограничивает периодическую составляющую тока КЗ.

2. Показано, что величина активного сопротивления, появляющегося во время КЗ, определяется толщиной стабилизатора.

3. Показано, что возврат трансформатора в сверхпроводящее состояние после ограничения зависит от величины тока КЗ, от тока нагрузки после устранения КЗ и от параметров СП провода, в частности от толщины слоя стабилизатора.

4. Предложена математическая модель электромагнитных переходных процессов, которая позволяет моделировать инерционность изменения активного сопротивления устройства, оценить тепловое и электродинамическое воздействие тока КЗ.

5. Использование функции ограничения в СП трансформаторах позволит повысить надежность электроснабжения, улучшить технико-экономические показатели по сравнению со случаем использования отдельного сверхпроводящего ограничителя тока.

6. Броски тока намагничивания при включении СПТ превышают броски тока намагничивания при включении обычного трансформатора, и могут привести к переходу обмоток в нормальное состояние, следовательно, необходимы меры по их снижению.

4. ВЛИЯНИЕ СВЕРХПРОВОДНИКОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ НА

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ

Электромеханические переходные процессы, возникающие при больших возмущениях, имеют длительность порядка 1-1000 с. Время перехода в нормальное состояние и последующий возврат СПТ в СП состояние входит в данный диапазон времени, поэтому необходимо оценить влияние СПТ на электромеханические переходные процессы.

Сверхпроводниковый трансформатор, как было показано выше, имеет меньшее значение индуктивного сопротивления рассеяния по сравнению с обычным трансформатором. При этом во время короткого замыкания СПТ может обладать значительным активным сопротивлением. В этой связи необходимо провести анализ влияния СПТ на статическую и динамическую устойчивость ЭЭС, в которой установлен СПТ, с различными параметрами перехода в нормальное состояние и возврата в СП состояние. Необходимо рассмотреть тепловое воздействие тока КЗ в зоне токоограничения с помощью СПТ.

При анализе оказываемого влияния используются различные программновычислительные комплексы.

4.2. Влияние сверхпроводниковых трансформаторов на статическую Для оценки влияния СПТ на статическую устойчивость в качестве примера рассмотрим простейшую схему электропередачи, в которой генератор работает через трансформатор и линию электропередачи на шины приемной системы бесконечной мощности (ШБМ). Схема электропередачи приведена на рисунке 4.1.

Рисунок 4.1 – Принципиальная схема (а) и схема замещения (б) простейшей электропередачи генератор-ШБМ Угловая характеристика мощности P() имеет вид, приведенный на рисунке 4.2.

Рисунок 4.2 – Характеристики мощности: 1 – в случае с СПТ; 2 – в случае с традиционным трансформатором Из рисунка 4.2. очевидно, что синхронизирующая мощность в случае с СПТ имеет большее значение, чем в случае с обычным трансформатором Т.е. данное обстоятельство может рассматриваться как критерий улучшения статической устойчивости ЭЭС.

Величина индуктивного сопротивления СПТ зависит от принятых конструктивных решений (размеры обмоток, параметры ВТСП провода и т.д.) и как следствие предел передаваемой мощности может варьироваться в зависимости от степени снижения сопротивления трансформатора. Определим соотношение максимумов характеристик мощности для случаев использования СПТ и традиционного трансформатора (при равенстве ЭДС систем)

СПТ СПТ

и построим зависимость этого соотношения от степени снижения сопротивления трансформатора (рисунок 4.3) для рассматриваемого примера.

Рисунок 4.3 – Зависимость отношения максимумов мощностей от степени снижения сопротивления трансформатора Из рисунка 4.3 видно, что при замене обычного трансформатора на трансформатор с СП обмотками последний оказывает заметное влияние на предел передаваемой мощности. Оценим численно увеличение предела передаваемой мощности с параметрами сети, приведенными в таблице 4.1.

Таблица 4.1 – Параметры сети [57, 58] Генератор Трансформатор Sном 250 МВА, U вн 242 кВ, uk 11%, Pk 600 кВт СПТ Линия L =150 км, rуд = 0,121 Ом/км, xуд = 0,435 Ом/км При принятом сопротивлении СПТ ( uk 3 %) коэффициент запаса увеличивается с 57 % в случае традиционного трансформатора до 60 % в случае СПТ.

Нужно отметить, что в рассматриваемой простейшей схеме, в которой генератор работает на шины приемной системы бесконечной мощности, влияние СПТ на характеристику мощности уменьшено из-за большого сопротивления генератора.

В схеме же, например, с двумя системами соизмеримой мощности увеличение предела передаваемой мощности более выражено. Рассмотрим две электростанции, соизмеримые по мощности и работающие на общую нагрузку. Схема сети приведена на рисунке 4.4 [59], и ее параметры в таблице 4.2.

Рисунок 4.4 – Принципиальная схема (а) и схема замещения (б) системы с двумя Таблица 4.2 – Параметры сети Система Обычный тр-р СПТ Линия Рисунок 4.5 – Зависимость отношения максимумов мощностей от степени снижения сопротивления трансформатора И в этом случае коэффициент запаса увеличивается на Также нужно отметить тот факт, что СПТ обладает большой перегрузочной способностью, допустима двукратная перегрузка в течение 48 часов [60]. Таким образом, СПТ оказывает положительное влияние на предел передаваемой мощности.

4.3. Влияние сверхпроводниковых трансформаторов на динамическую Как было показано выше, СПТ ограничивает токи КЗ. Рассмотрим влияние СПТ с функцией ограничения токов КЗ на динамическую устойчивость. Ограничение токов КЗ с помощью СПТ носит резистивный характер, и, следовательно, имеет отличия от [61], где для токоограничения используется СОТ индуктивного типа. Сравним два случая: случай, когда в ЭЭС установлен традиционный трансформатор и случай, когда установлен СПТ с токоограничивающей функцией, причем СПТ возвращается в СП состояние после устранения короткого замыкания.

Обычно при расчете устойчивости выявляют точку, в которой КЗ наиболее опасно, и расчеты проводятся для нее. Такой подход дает несколько завышенные результаты в пользу надежности. В рассматриваемой схеме (рисунок 4.1) самой неблагоприятной точкой трехфазного КЗ является начало или конец линии, т.к. в этом случае передача мощности от генератора к системе отсутствует.

На рисунке 4.6 показаны угловые характеристики мощности в случае использования обычного трансформатора. В рабочем режиме генератор работает при некотором равновесном угле 0. При возникновении трехфазного КЗ мощность генератора падает почти до нуля вследствие чего ротор генератора начинает ускоряться, увеличивается угол. После отключения КЗ режим работы определяется угловой характеристикой РIII [62].

Рисунок 4.6 – Угловые характеристики мощности в случае использования обычного трансформатора: РI – доаварийная; РII – во время аварии; РIII – послеаварийная При использовании СПТ появляющееся продольное активное сопротивление в момент КЗ ограничивает ток КЗ и компенсирует сброс мощности генератора, вследствие чего ротор генератора ускоряется в меньшей степени и, более того, при больших значениях активного сопротивления может затормозиться. Переходные процессы при появлении активного сопротивления СПТ схожи с включением нагрузочных резисторов. Однако, имеются некоторые отличия, связанные с тем, что появляющееся активное сопротивление СПТ возникает непосредственно в начальный момент короткого замыкания, а не к моменту отключения КЗ как в случае включения нагрузочных резисторов [63-65].

На рисунке 4.7 показаны угловые характеристики мощности в случае использования СПТ при малых значениях активного сопротивления, для которых амплитуда аварийной характеристики мощности гораздо меньше амплитуды рабочей характеристики. При этом площадка ускорения абвгд оказывается меньшей, чем в случае использования обычного трансформатора. Одновременно это обстоятельство сопровождается увеличением площадки торможения за счет того, что СПТ не успевает мгновенно вернуться в СП состояние и оставшееся активное сопротивление приподнимает характеристику мощности.

Рисунок 4.7 – Угловые характеристики мощности в случае использования СПТ при малых значениях активного сопротивления С учетом этого, критерием улучшения динамической устойчивости может выступать факт увеличения времени предельного отключения [66]. Предельный угол отключения (угол при котором отключается КЗ) определяется из условия предельного равенства площадок ускорения и торможения [67] При использовании СПТ время предельного отключения больше времени предельного отключения в случае с обычным трансформатором или Обозначим левую часть неравенства как отк.пред, а правую как 0. Тогда критерий улучшения динамической устойчивости выглядит следующим образом Однако необходимо отметить, что длительность протекания тока в СПТ ограничивается материалом стабилизатора и необходимостью возврата СПТ в сверхпроводящее состояние. Длительность протекания тока КЗ в традиционных масляных трансформаторах достигает 4 с на стороне 35 кВ и 3 с на стороне кВ [68]. Длительность протекания тока КЗ в СПТ составляет не более 0,2 с без применения дополнительных мер по увеличению допустимой длительности короткого замыкания [69, 70]. К мерам по увеличению длительности протекания тока КЗ относятся намотка параллельно со сверхпроводящим проводом обычного провода, либо использование ВТСП провода с большой толщиной стабилизатора.

И та и другая мера приводит к увеличению габаритов обмотки, индуктивности, поля рассеяния, что в итоге снижает эффективность сверхпроводникового трансформатора.

Когда во время КЗ появляется активное сопротивление большой величины аварийная характеристика мощности соизмерима с рабочей характеристикой (рисунок 4.8).

Исходный режим работы характеризуется точкой а, при возникновении КЗ вначале мощность генератора падает (точка б на характеристике PIIнач), но с ростом активного сопротивления мощность выдаваемая генератором увеличивается (характеристика PIIкон ). Однако вследствие чрезмерно большой величины активного сопротивления ротор генератора тормозится, и генератор может выпасть из синхронизма. Стоит отметить, что при мгновенном начале токоограничивающего действия СПТ характеристика PIIнач (точки б и в) также исключаются из рассмотрения.

Рисунок 4.8 – Угловые характеристики мощности в случае использования СПТ при больших значениях активного сопротивления При некотором значении активного сопротивления RОПТ аварийная характеристика мощности будет близка к доаварийной, что вызовет минимальные колебания угла.

Нужно отметить, что длительный режим работы в состоянии невозврата СПТ неэкономичен по причине больших потерь. Кроме того, возникают опасения чрезмерных колебаний угла и мощности при возврате СПТ в СП состояние.

4.4. Численный расчет параметров электромеханических переходных процессов при наличии в сети сверхпроводникового трансформатора Более подробно рассмотрим влияние на электромеханические переходные процессы на примере сети, приведенной на рисунке 4.1, с параметрами, приведенными в таблице 4.1 В начале одной из параллельной линии происходит трехфазное КЗ после чего она отключается, после устранения КЗ, происходит автоматическое повторное включение линии через 0,4 с. Принято допущение, что генератор функционируют без системы автоматического регулирования возбуждения.

Расчет производится для случая, когда в ЭЭС установлен традиционный трансформатор, и для случаев СПТ с разными активными сопротивлениями. Появляющееся активное сопротивление трансформатора во время короткого замыкания (за счет потери СП) задавалось как путем последовательных включений параллельно-последовательных соединений активных сопротивлений.

Во время возврата предполагалось, что активное сопротивление также изменялось по экспоненциальному закону путем последовательных отключений параллельно-последовательных соединений активных сопротивлений.

Характер изменения активного сопротивления показан на рисунке 4.9.

Рисунок 4.9 – Изменение активного сопротивления СПТ во времени На рисунке 4.10 приведены результаты расчетов относительного угла в программном комплексе ПВК Mustang для 1 1 мс.

Рисунок 4.10 – Относительный угол ротора генератора для разных случаев В случае использования СПТ с функцией ограничения токов КЗ динамическая устойчивость улучшается до определённого значения активного сопротивления. С увеличением активного сопротивления размах колебаний увеличивается.

Зависимость максимального угла от величины активного сопротивления показана на рисунке 4.11.

Рисунок 4.11 – Зависимость амплитуды относительного угла ротора генератора от На рисунках 4.12-4.14 приведена мощность, отдаваемая генератором в разных случаях.

Рисунок 4.12 – Мощность генератора в случае использования обычного трансформатора Рисунок 4.13 – Мощность генератора в случае использования СПТ при R=20 Ом Рисунок 4.14 – Мощность генератора в случае использования СПТ при R=60 Ом Далее приводятся расчеты, проведенные в ПВК ATP EMTP, снабженном графическим интерфейсом и поставляемого в комплекте с библиотеками стандартных компонентов электрических сетей. В настоящее время во всем мире исследователи-электроэнергетики широко используют программу расчета электромагнитных переходных процессов EMTP (ElectroMagnetic Transient Program) и ее некоммерческую версию ATP (Alternative Transient Program). EMTP – универсальная система программирования для цифрового моделирования переходных явлений как электромагнитного, так и электромеханического характера. С помощью этой программы могут моделироваться сложные сети и системы управления произвольной структуры. EMTP используется для анализа коммутационных и грозовых перенапряжений, исследования координации изоляции и вращательных колебаний электрических машин, моделирования релейной защиты и гармонического анализа, изучения проблем качества электроэнергии и электромагнитной совместимости и т.д. [71].

Для более наглядного представления влияния СПТ на переходные процессы момент инерции генератора задается большой величиной, в целях исключению качаний ротора генератора. На рисунке 4.15 показана кривая тока во время и после устранения КЗ.

Рисунок 4.15 – Ток, протекающий через СПТ на стороне ВН при RСПТ=160 Ом Из рисунка 4.15 видно, что ток КЗ ограничивается активным сопротивлением трансформатора, как и ток нагрузки после устранения КЗ. В момент возврата СПТ в СП состояние всплеск тока зависит от величины активного сопротивления при возврате и от времени возврата. Зависимость этого всплеска от времени возврата приведена на рисунке 4.16.

Рисунок 4.16 – Зависимость тока при возврате от времени возврата при различных Вследствие появления активного сопротивления напряжение на выводах СПТ имеет сниженное значение после устранения КЗ, а в момент возврата наблюдается скачок напряжения, вызванный устранением активного сопротивления, что проиллюстрировано на рисунке 4.17.

Рисунок 4.17 – Напряжение на выводах СПТ при RСПТ=160 Ом и tвозврата=1,5 с На рисунке 4.18 приведена зависимость напряжения на выводах СПТ в момент возврата от временами возврата при разных значений активного сопротивления.

Рисунок 4.18 – Зависимость напряжения при возврате от времени возврата при различных значениях активного сопротивления СПТ Величина всплесков напряжения, как собственно и всплесков тока не велики при значениях активного сопротивления вблизи RОПТ 20 Ом для рассматриваемого примера (рисунок 4.1).

На рисунке 4.19 показано падение напряжения на активном сопротивлении сверхпроводникового трансформатора во время и после устранения КЗ.

Рисунок 4.19 – Падение напряжения на активном сопротивлении СПТ при На рисунке 4.20 показана зависимость максимального напряжения от величины активного сопротивления Рисунок 4.20 – Зависимость падения напряжения от величины активного сопротивления при разных постоянных времени нарастания активного сопротивления Из рисунков 4.19 и 4.20 видно, что для оптимального активного сопротивления величиной 20 Ом падение напряжения равно 60 кВ. Необходимо отметить, что изоляция обмоток должна быть рассчитана на то, чтобы выдерживать эти перенапряжения.

Количество теплоты, которое выделяется на активном сопротивлении, играет значительную роль с позиции условий возврата. Мощность, выделяющаяся на активном сопротивлении СПТ, имеет вид, приведенный на рисунке 4.21.

Рисунок 4.21 – Мощность, выделяющаяся на активном сопротивлении СПТ Максимум мощности имеет место в начальный момент короткого замыкания (в первом полупериоде) и связан с действием ударного тока КЗ. Зависимость максимальной мощности (мощности в начальный момент КЗ) от величины активного сопротивления и для разных постоянных времени его нарастания приведена на рисунке 4.22.

Рисунок 4.22 – Зависимость максимальной мощности от величины активного сопротивления при разных значениях постоянных времени нарастания активного На рисунке 4,23 приведено количество теплоты, выделяющееся на активном сопротивлении, за время КЗ и во время возврата СПТ.

Рисунок 4.23 – Количество выделившегося тепла при RСПТ=160 Ом и tвозврата=1,5 с На рисунке 4.24 показано максимальное количество теплоты, выделившееся на момент возврата СПТ в сверхпроводящее состояние.

Рисунок 4.24 – Зависимость выделившегося количества тепла от времени возврата при различных значениях активного сопротивления СПТ Из построенных графиков видно, что момент возврата играет немаловажную роль, и возврат в СП состояние должен происходить в момент времени, не близкий к моменту АПВ линии, потому что устраняющееся скачком активное сопротивление вызывает колебания мощности генератора и угла ротора. Также очевидно, что активные сопротивления большой величины нецелесообразны с точки зрения выделения тепла на активном сопротивлении. Как видно из рисунков оптимальное значение активного сопротивления для рассмотренного примера составляет около 20 Ом.

Теплоемкости обмоток и охлаждающей жидкости должны быть рассчитаны для восприятия выделяющегося тепла, а длительность КЗ должна быть ограничена.

Нужно отметить, что в случае невозврата СПТ в СП состояние после ограничения тока КЗ необходимо отключать трансформатор для его возврата в СП состояние, также необходимо отметить, что длительность протекания тока КЗ ограничивается толщиной стабилизатора. Однако, при большей толщине стабилизатора в нормальном режиме в стабилизаторе возникают большие потери на вихревые токи и в аварийном режиме появляется меньшее ограничивающее сопротивление.

1. СПТ существенно влияют на электромеханические переходные процессы.

Статическая устойчивость улучшается в связи с меньшим индуктивным сопротивлением СПТ. Показано, что коэффициент запаса увеличивается до 20%.

2. Динамическая устойчивость может, как улучшиться, так и ухудшиться в зависимости от величины активного сопротивления. Активное сопротивление СПТ, появляющееся в аварийном режиме, ограничивает ток короткого замыкания и компенсирует сброс мощности генератора. Амплитуда аварийной характеристики генератора оказывается несоизмеримо выше амплитуды аварийной характеристики генератора в случае с традиционным трансформатором. Показано, что при некотором значении активного сопротивления аварийная характеристика оказывается почти равной доаварийной, что обеспечивает минимальные колебания угла ротора генератора. Выдвинут критерий улучшения динамической устойчивости в случае использования СПТ.

3. Показано, что чрезмерно большие величины активного сопротивления могут привести к чрезмерному торможению ротора генератора, что в свою очередь может привести к выпадению генератора из синхронизма.

4. Таким образом, применение СПТ позволит повысить предел передаваемой мощности, а использование функции ограничения токов КЗ позволит повысить динамическую устойчивость системы, тем самым обеспечить надежность электроснабжения потребителей.

5. ФОРМИРОВАНИЕ ТРЕБОВАНИЙ К СВЕХПРОВОДНИКОВЫМ

ТРАНСФОРМАТОРАМ И ЭКОНОМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ИХ

ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

Сформулируем несколько требований, которым должны отвечать параметры СПТ, рассмотрев их с точки зрения устойчивости электрической нагрузки, коммутационной способности высоковольтного выключателя и ограничения тока КЗ с необходимой глубиной при успешном возврате после устранения КЗ.

С целью выяснения наиболее пригодного места установки СПТ, с точки зрения технико-экономических параметров, требуется провести расчеты. В данной главе предполагается технико-экономическое сравнение использования СПТ мощностью 40 МВА с соотношением напряжений высокой и низкой стороны 115/11 кВ с традиционным трансформатором ТДН-40000/110 с аналогичными параметрами мощности и соотношением напряжений. Трансформаторы мощностью 40 МВА применяются в системах электроснабжения крупных промышленных предприятий в качестве трансформаторов главных понизительных подстанций.

Место установки трансформатора принимается г. Новосибирск. В ходе расчетов предстоит оценить капиталовложения в объект, потери электроэнергии за год с учетом установленного тарифа, экономию издержек и определить срок окупаемости объекта. Таким образом, проведя технико-экономические расчеты, можно будет оценить коммерческую эффективность применения СПТ. Коммерческая эффективность определяется сопоставлением затрат и получаемого эффекта. В качестве затрат рассматриваются общие годовые эксплуатационные расходы, а в качестве получаемого эффекта – экономия затрат на потери электроэнергии в случае применения СПТ.

Сравниваемые варианты отвечают условиям энергетической сопоставимости (одинаковый энергетический эффект у потребителя, одинаковое качество энергоснабжения потребителей) и условиям экономической сопоставимости (сравнение в сопоставимых ценах, в одном временном периоде).

5.2.1. Требование с точки зрения устойчивости нагрузки Для промышленных предприятий со сложными и непрерывными технологическими процессами актуальной является проблема устойчивости электрической нагрузки при возмущениях в системах электроснабжения. При проектировании СПТ необходимо учитывать требования к его параметрам, которые будут предъявлены с позиции обеспечения устойчивости электрической нагрузки, для этого рассмотрим влияние СПТ с функцией токоограничения на динамическую устойчивость нагрузки, запитанной через него. Короткие замыкания приводят к кратковременным нарушениям электроснабжения (КНЭ) потребителей. Продолжительность КНЭ составляет от 0,1 с до нескольких секунд, тем не менее, несмотря на малую продолжительность возмущений, они могут вызвать потерю динамической устойчивости узлов электрической нагрузки [72]. Возмущения во внутренней или внешней части системы электроснабжения (СЭС) проявляются в виде провалов напряжения определенной глубины и длительности. При симметричных аварийных возмущениях в электрических сетях остаточное напряжение узла характеризуется действующим значением. При несимметричных аварийных возмущениях остаточное напряжение характеризуется действующими значениями симметричных составляющих, устойчивость узла зависит от значений прямой и обратной составляющих напряжения. Для узлов электрической нагрузки напряжение является первичным параметром определяющим режим узла, поэтому границы устойчивости определяются в координатах напряжения или его составляющих [72].

Граница статической устойчивости узла электрической нагрузки при симметричных возмущениях определяется одним параметром - значением напряжения статической устойчивости UСУ, измеряемом в относительных единицах (о.е.).

UСУ – минимальным значением ЭДС, при установлении которого не происходит лавинообразного снижения напряжения. Граница динамической устойчивости узла электрической нагрузки при симметричных возмущениях определяется как зависимость (u) - максимально допустимого времени (с) возмущения от величины остаточного напряжения. Величина 0 – максимально допустимое время существования возмущения, не вызывающего нарушения динамической устойчивости узла нагрузки при остаточном напряжении, равном нулю [73].

Даже при токоограничении с помощью СПТ для предотвращения повреждения электродвигателей, затормозившихся в результате КНЭ, а также для облегчения условий самозапуска и автоматического повторного пуска ответственных механизмов используется защита минимального напряжения (ЗМН). В качестве исходного ориентира критериев устойчивости электрической можно принять положения п. 3.3.85 и п. 5.3.52 ПУЭ [74]. Уставку ЗМН рекомендуется принимать равной 0,7·UНОМ, а время срабатывания от 0,5 до 1,5 сек. Можно использовать эти значения для формирования требования к параметрам СПТ при токоограничении с помощью него.

Остаточное напряжение на шинах (UОСТ) при токоограничении во время КЗ с помощью СПТ определяется как

U ОСТ ZСПТ

Z ЭКВ ZСПТ Z

Напряжение, при котором не происходит лавинообразного снижения напряжения (UСУ), в относительных единицах UСУ UСУ / U НOМ, тогда с учётом этого получаем, что отсюда определяется искомое сопротивление СПТ, при котором сохраняется устойчивость нагрузки

U СУ Z ЭКB

Отношение сопротивления СПТ к сопротивлению ЭЭС Зависимость отношения сопротивлений СПТ и ЭЭС от напряжения устойчивости нагрузки в относительных единицах представлена на рисунке 5.1, на котором область устойчивости нагрузки по напряжению располагается над приведённой кривой.

Рисунок 5.1 – Зависимость отношения сопротивления СПТ и ЭЭС от минимального напряжения устойчивости нагрузки 5.2.2. Требование с точки зрения критического тока Критический ток важнейший параметр, влияющий на многие аспекты устройства СПТ. Согласно информации, приведенной в главе 2, потери в обмотках СПТ являются функцией, зависящей от критического тока. С одной стороны для повышения экономической эффективности СПТ необходимо увеличение критической плотности тока, с другой стороны чрезмерное повышение критического тока может значительно увеличить потери в обмотках. В [75] приведены исследования, посвященные данному вопросу, и на рисунке 5.2 показана зависимость потерь от величины критического тока.

Рисунок 5.2 – Зависимость потерь от критического тока [75] Таким образом, величина критического тока должна быть в диапазоне 100 – 1000 А/мм2 (на сегодняшний день достигнуты значения критического тока 250 – 300 А для ленты SCS12050 производства фирмы SuperPower).

5.2.3. Требования с точки зрения ограничения тока КЗ Из изложенного в гл. 3, в частности в пп. 3.2-3.4 следует, что необходимо подбирать значения активного сопротивления СПТ для эффективного ограничения тока КЗ и возврата в СП состояние с минимальным ущербом рабочему режиму.

Предполагая, что активное сопротивление СПТ в начальный момент короткого замыкания соответствует температуре 77 К, для достаточного ограничения тока КЗ должно выполняться условие где RСПТ (77) – активное сопротивление СПТ при температуре жидкого азота;

RMIN – минимальное требуемое активное сопротивления для ограничения тока КЗ.

В условиях токоограничения должно выполняться условие по максимально возможной температуре где TПРОВОДА (tоткл ) – температура провода на момент устранения КЗ;

TMAX – максимальная допустимая температура по условиям возврата, механической прочности и т.д.

В п. 5.2.1 сформированное требование по устойчивости нагрузки подразумевает под собой то, что где RСПТ (TMAX ) – активное сопротивление СПТ на момент устранения КЗ;

RMAX – максимально допустимое значение активного сопротивления по условию остаточного напряжения.

Для быстрого возврата в СП состояние электрически подведенная мощность (к оставшемуся активному сопротивлению) должна быть меньше мощности, которая отводится термически тепловым потоком. Это реализуется тем, что RСПТ подбирается путем выбора необходимой толщины стабилизатора ВТСП провода.

Тогда с учетом выражений (3.5) и (3.6) где I ВОЗВР – нагрузочный ток, при котором происходит возврат в СП состояние.

Следовательно Возврат трансформатора после ограничения тока КЗ является одним из важнейших параметров данного устройства. Длительная работа обмоток в нормальном состоянии приводит к большим потерям и соответственно к значительным тепловыделениям. Поэтому необходимо, чтобы СПТ возвращался в СП состояние как можно быстрее. Однако с другой стороны, возврат СПТ в момент времени близкому моменту АПВ линии вызывает колебания мощности и угла ротора генератора (при установке вблизи генератора). Следовательно, время возврата СПТ должно быть больше времени повторного включения линии При этом угол ротора генератора должен находиться в области площадки торможения для сохранения устойчивой работы системы.

Необходимо подчеркнуть, что общая теплоемкость обмоток и охлаждающей жидкости должна быть соответствующей для восприятия тепла, выделившегося во время КЗ.

5.3. Оценка коммерческой эффективности применения сверхпроводниковых Экономия электроэнергии – одна из важнейших задач. Чтобы ее решить, необходим показатель, с которым можно было бы сравнить фактические достижения предприятий; таким показателем является потенциальная возможность экономии электроэнергии, допустимая по экономическим соображениям при внедрении новейших достижений науки и техники, организационно-технических мероприятий и т.д; оптимальным считается мероприятие обеспечивающее минимум приведенных годовых затрат [76].

Показателем режима электропотребления за год в целом является продолжительность (или число часов использования) наибольшей нагрузки (рисунок 5.3).

Потери в трансформаторе за год определяются выражением где PXX - потери холостого хода; t - время работы; PКЗ - потери короткого замыкания; - коэффициент загрузки в период годового максимума; - время наибольших потерь.

Рисунок 5.3 – Годовой график нагрузки трансформатора Время наибольших потерь равно[77] где Tmax - число часов использования максимума нагрузки.

Потери электроэнергии в ТДН-40000/ Соответственно приведенному годовому графику нагрузки, выражениям (2.1) и (2.2) потери электроэнергии в СПТ за год равны Если рассматривать применение трансформатора в составе главной понизительной подстанции (ГПП) промышленного предприятия, то тарифы на электроэнергию для промышленных потребителей, как правило, устанавливаются по итогам рыночных торгов. Нерегулируемые цены на электроэнергию, устанавливаемые для данного региона, можно посмотреть на сайте гарантирующего поставщика электроэнергии в данном регионе.

Для иных, кроме населения, категорий потребителей тарифы на электроэнергию могут дифференцироваться в зависимости от уровня напряжения, времени суток, учета потребляемой мощности.

Тарифы на электроэнергию в зависимости от уровня напряжения делятся на тариф для потребителей высокого напряжение – 110 кВ и выше;

среднего первого напряжения – 35 кВ;

среднего второго напряжение – 20-1 кВ;

низкого напряжения – 0,4 кВ и ниже.

По времени суток тариф на электроэнергию дифференцируется:

ночная зона с 23:00 до 7: полупиковая зона 10:00 до 17:00 и с 21:00 до 23: пиковая зона 7:00 до 10:00 и с 17:00 до 21: Платеж за электроэнергию может так же рассчитываться из двух составных частей ставки тарифа на электроэнергию ставки тарифа на мощность Кроме того, тариф на электроэнергию может различаться в зависимости от того, насколько полно потребитель использует выделенную ему мощность (так называемого числа часов использования заявленной мощности).

На сайте ОАО «Новосибирскэнергосбыт» приведены предельные уровни нерегулируемых цен на электрическую энергию (мощность), поставляемую потребителям (покупателям) ОАО "Новосибирскэнергосбыт" за июнь 2013 г.

Примем для первой ценовой категории (для объемов покупки электрической энергии (мощности), учет которых осуществляется в целом за расчетный период) тариф в соответствии с уровнем напряжения ВН 1787 рублей/МВт·ч с учетом НДС.

Тогда стоимость потерь за год для трансформатора ТДН–40000/110 составят следующую величину Далее определим рыночные цены на сравниваемые трансформаторы на текущий 2013 год.

При предварительной оценке объемов капитальных вложений в объекты на начальных стадиях проектирования используют укрупненные показатели стоимости. Это обусловлено тем, что на данной стадии отсутствует детальная техническая информация об объекте. Все укрупненные показатели составляются на основе действующих прейскурантов цен на материалы и оборудование, анализа сметных расчетов к проектам ряда конкретных объектов, а также нормативных документов и типовых проектов.

По данным прайс-листов электронного каталога ООО «Тольяттинский трансформатор» цена за трансформатор ТДН-40000/110 составляет 1217,74 тыс.

долларов США за единицу. По курсу ЦБ РФ на 19.05.13 цена составляет 634 рублей.

Цену за СПТ определить с учетом его составных элементов представляется довольно трудным, в связи с тем, что подобные трансформаторы и его составные элементы практически не представлены на рынке и в общем доступе их определить не представляется возможным.

На основании [78] стоимость СПТ в сопоставлении с трансформатором традиционного исполнения выше в 2 раза с учетом всех вспомогательных элементов.

Примем стоимость СПТ в 2 раза больше стоимости традиционного 76 рублей по курсу ЦБ РФ на 19.05.13 без учета таможенной пошлины. Определим составляющие условно-постоянных издержек для двух вариантов. Если рассматривать в качестве объекта подстанцию в целом, то структура условно-постоянных издержек определится следующим образом:

где И зп – издержки на заработную плату персонала;

И нач - отчисления на социальные нужды от заработной платы;

И ам - издержки на амортизацию;

И рем - издержки на ремонт и обслуживание;

И пр - прочие издержки.

Переменные издержки в ходе расчетов учитывать не будем. Издержки на заработную плату, на социальные нужды и прочие издержки будем считать одинаковыми для обоих рассматриваемых вариантов и в расчетах их не используем.

Определим издержки на амортизацию и ремонт. Как правило, они задаются в процентах от капиталовложений в объект.

Для трансформатора со сроком эксплуатации около 25 лет амортизационные отчисления примем 5%, издержки на ремонт и обслуживание 6% [79].

В реальности нормы амортизации и затраты на ремонт и обслуживание различаются. Это связано с различиями в устройстве рассматриваемых трансформаторов. Соответственно, возникают и разные технологические процессы при эксплуатации трансформаторов и затраты при этом различны.

Примем для обоих вариантов отчисления на амортизацию и ремонт 5 и 6% соответственно, поскольку информацию об издержках, связанных с эксплуатацией СПТ получить не представляется возможным. Хотя, согласно [1] затраты при эксплуатации СПТ будут в несколько раз меньше.

Для сравнительной коммерческой оценки вариантов технических решений определим приведенные затраты для двух вариантов согласно выражению где Е – нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений;

К – капиталовложения в объект.

Примем Е 0,15 [79]. Для трансформатора ТДН–40000/ З1 0,15 38228634 1911431,7 2293718,04 9939444,85 руб.

З2 0,15 76457268 3822863,4 4587436,08 19878889,7 руб.

При этом экономия затрат на потери электроэнергии в СПТ составляет Э 814867,6 рублей.

Очевидно, что за счет высокой стоимости СПТ целесообразность его применения в существующих условиях под вопросом даже при существующем уровне годовых расходов на потери электроэнергии в сети. Срок окупаемости будет непомерно большим и будет превышать срок службы трансформатора.

Определим разницу капиталовложений как где К 2 и К1 – капиталовложения в трансформатор ТДН–40000/110 и СПТ соответственно.

Изменение издержек определится следующим образом где И ам 2, И рем 2, И ам1, И рем1 – издержки на амортизацию и эксплуатацию, и ремонт для СПТ и трансформатора ТДН–40000/110 соответственно.

И (3822863,4 4587436,08) (1911431,7 2293718,04) 4205000 руб.

Эффект от экономии затрат на потери электроэнергии Определим срок окупаемости.

Такой срок окупаемости неприемлем. Однако по прогнозам разных исследовательских центров в ближайшее время ожидается снижение цены на сверхпроводящие провода. И в этой связи определим срок окупаемости для разных цен на СПТ и в разных условиях загруженности. Также очевидно, что полученное значение срока окупаемости не учитывает снижения стоимости СПТ при их серийном производстве. Срок окупаемости определен с учетом двойной стоимости СПТ сравнении с трансформатором традиционного исполнения. Рассчитаем срок окупаемости с учетом реальной перспективы. При этом издержки на эксплуатацию и ремонт в перспективе также должны снижаться. Связано это с доступностью технологий обслуживания и диагностикой, которая уже будет адаптирована под существующие условия. На рисунках 5.4-5.8 приведены сроки окупаемости в разных условиях.

Рисунок 5.4 – Зависимость срока окупаемости от числа часов использования максимума нагрузки при стоимости СПТ большей стоимости традиционного трансформатора: 1 – в два раза; 2 – 1,5 раза; 3 – в 1,2 раза Рисунок 5.5 – Зависимость срока окупаемости от числа часов использования максимальной нагрузки при стоимости СПТ в два раза большей стоимости традиционного трансформатора для: 1 – 0,6 ; 2 – 0,8 ; 3 – 1, Рисунок 5.6 – Зависимость срока окупаемости от числа часов использования максимальной нагрузки при стоимости СПТ в 1,5 раза большей стоимости традиционного трансформатора для: 1 – 0,6 ; 2 – 0,8 ; 3 – 1, Рисунок 5.7 – Зависимость срока окупаемости от числа часов использования максимальной нагрузки при стоимости СПТ в 1,2 раза большей стоимости традиционного трансформатора для: 1 – 0,6 ; 2 – 0,8 ; 3 – 1, Рисунок 5.8 – Зависимость срока окупаемости от числа часов использования максимальной нагрузки при стоимости СПТ в 1,5 раза большей стоимости традиционного трансформатора и при двойном тарифе на электроэнергию для: 1 – Срок окупаемости отражает продолжительность периода, в течение которого сумма чистых поступлений покроет сумму затрат и в дальнейшем чистый интегральный эффект станет неотрицательным.

Полученные значения срока окупаемости является достаточно приемлемым с коммерческой точки зрения, поскольку срок службы трансформатора составляет около 25 лет.

В общем виде с экономической точки зрения СПТ могут быть:

а) экономически нецелесообразными (с периодом окупаемости более периода эксплуатации);

б) экономически целесообразными (с периодом окупаемости более нормативного срока окупаемости, но менее периода эксплуатации);

в) экономически эффективными (с периодом окупаемости менее или равным сроку окупаемости).

В основном стоимость СПТ определяется количеством ВТСП материалов используемых для изготовления его обмоток и криокуллером, используемого для охлаждения. На сегодня стоимость за погонный метр в зависимости от токонесущей способности составляет: SР12050-400А-$125, SP2050-240А-$75, SP2050А-$50 [50]. Информация приведена для общего представления.

Однако по оценкам специалистов фирмы «Siemens» [80], сделанной на основе анализа существующих прототипов СПТ, а также прогноза цен на криогенное оборудование и ВТСП материалы, стоимость СПТ в случае их массового производства будет снижена вследствие серийного выпуска оборудования и будет сопоставима с ценами за трансформаторы традиционного исполнения. Поэтому в перспективе их применение в значительной степени оправдано.

Нужно отметить, что сравнивать цену СП провода и обычного провода за погонный метр не имеет смысла. Цена СП проводов выражается в $/(кА*м), которая отражает пропускную способность провода и показывает стоимость пропуска одного килоампера по проводу длиной один метр. Именно этот параметр производители пытаются снизить до приемлемого уровня, т.е. до одного уровня с медным проводом путем повышения величины критического тока. По оценке зарубежных и отечественных исследователей стоимость ВТСП провода второго поколения к 2015 году может приблизиться к стоимости медного провода в перерасчете на кА*м. Характеристики сверхпроводящих изделий остаются главным фактором, но их рентабельность по-прежнему определяется ценой. Приемлемой ценой на ВТСП провода для нужд НИОКР признаны цены от 300 долл./(кА*м) и более, для прототипов изделий – от 100 до 300 $/(кА*м), для начального производства – от 25 до 100 $/(кА-м). Рентабельной для широкомасштабного использования ВТСП материалов большинство считают цену ниже 25 $/(кА*м).

Рисунок 5.9 – Прогноз динамики стоимости сверхпроводников [81] Вследствие того, что требуется пространство для криостатов, цена ВТСП провода и холодильной установки высока, экономически невыгодно создание СПТ малой мощности. По исследованиям зарубежных ученых экономически оправдан СПТ мощностью не менее 25 МВА, и эта нижняя граница в большей степени определяется стоимостью ВТСП провода и стоимостью охлаждающей установки. Приемлемая цена ВТСП провода для серийного производства СПТ составляет около 25-30$/кА*м. Стоимость криокуллеров Гиффорда-Макмагона на данный момент составляют около 30 000$, и для трансформаторов требуется как минимум два криокуллера. Т.е. также необходимо снижение цены на криоустановку, которое может быть в условиях масштабного производства криоустановок (эффект масштаба).

5.4. Сравнительный анализ сопоставляемых вариантов и обоснование целесообразности применения сверхпроводниковых трансформаторов Приведем сравнительную таблицу преимуществ и недостатков сравниваемых вариантов. Стоимостные и вербальные оценки факторов сведем в таблице 5.1.

Таблица 5.1 – Преимущества и недостатки вариантов Потери электроэнергии за Увеличиваются с ростом Снижены примерно использования источников возобновляемой энергии онных технологий Целесообразность использования новых устройств в целом можно определить следующими критериями – достигаемый технический эффект, надежность, затраты на изготовление, затраты на эксплуатацию. Для вновь разрабатываемых устройств с ограниченным опытом промышленной эксплуатации оценка целесообразности их применения возможна лишь по ограниченному числу параметров, сопоставимых м параметрами традиционного оборудования, и с используемыми в настоящее время комплексными техническими решениями, предназначенными для достижения аналогичных целей. В качестве единых комплексных критериев, применимых ко всем группам оборудования (генераторы, трансформаторы, линии, СПИН и т.д.) можно рассматривать определенные удельные величины, такие как плотность энергии, материалоемкость, экономичность, и т.п., позволяющие сравнить новое разрабатываемое оборудование с известным традиционным [82].

Для сравнительного анализа СПТ и традиционного трансформатора целесообразно использовать присущие этим устройствам специфические параметры:

удельная мощность, величина потерь, величина индуктивного сопротивления рассеяния, перегрузочная способность, удельная стоимость изделия с учетом эксплуатационных расходов. Можно сделать предварительный о том, что конкурентоспособность СПТ целиком зависит от характеристик используемых материалов, а ее оценка может быть сведена к оценке выигрыша от снижения потерь в обмотках по сравнению с увеличением затрат на изготовление, и в некоторых случаях к этому может быть присоединен выигрыш от уменьшения массогабаритных показателей.

Таким образом, применение СПТ является обоснованным при их серийном производстве и широком применении, т.к. это позволит снизить их стоимость и затраты на обслуживание с привлечением высококвалифицированного персонала.

Также целесообразно применение в комплексе с возобновляемыми источниками энергии и современным высокотехнологичным оборудованием. Это позволит получить значительный синергетический эффект. Использование инновационных технологий будет способствовать переводу экономики страны на инновационный путь развития, который был определен «Стратегией инновационного развития России до 2020 года».

Также стоит отметить, что износ основного оборудования энергетики в целом очень внушителен. Часть оборудования эксплуатируется свыше установленного нормативного срока. Так, например, возрастная структура оборудования ОАО «ФСК ЕЭС» для визуального представления приведена ниже на рисунке 5.10.

Рисунок 5.10 – Возрастная структура оборудования ОАО «ФСК ЕЭС»

Вместе с тем, в последующие 10 лет ожидается значительный рост доли оборудования со сверхнормативным сроком эксплуатации. Физический и моральный износ может стать причиной возникновения технологических нарушений, несчастных случаев, а также роста эксплуатационных затрат.

Использование сверхпроводников входит в развивающуюся концепцию интеллектуальной электроэнергетической системы с активно-адаптивной связью (ИЭС ААС), и одной из задач, которая ставится в данной концепции, является сглаживание графика нагрузки, что позволяет повысить эффективность, надежность, качество электроснабжения. В условиях сглаженного графика нагрузки с высоким коэффициентом загрузки СПТ могут занять достойное место в ИЭС ААС.

Научно обоснованная стратегия должна обеспечивать выбор оптимального трансформаторного оборудования преобразовательных подстанций не только из выпускаемого электротехнической промышленностью в настоящее время, но и позволять осуществлять прогнозирование развития трансформаторного оборудования. Для разработки такой стратегии целесообразно применить системный подход, при котором, опираясь на признание объективного характера всеобщей связи, причинной обусловленности явлений и господства необходимости, правильного сочетания необходимости и случайности, можно нетривиально подойти к описанию построения системы электроснабжения. Применение системного анализа позволяет управлять формированием системы электроснабжения на основе учета изменений технико-экономических показателей систем электроснабжения предприятий в зависимости от различного количества и особенностей трансформаторного оборудования подстанций, разработать научно обоснованную стратегию выбора оптимального трансформаторного оборудованию на основе изучения законов изменения технико-экономических показателей систем электроснабжения [83].

5.5. Эффекты от замены выключателя и кабельной линии При выборе электрооборудования одним из важнейших параметров является стойкость к электродинамическому воздействию тока КЗ, следовательно, эффект от замены выключателя на выключатель с меньшим током отключения проявляются в аварийном режиме работы сети [86,87].

Стоимости вакуумных выключателей (ВВ) класса напряжения 10 кВ приведены в таблице 5.2 для разных номинальных токов с различными токами отключения (по состоянию на 2012 г.).

Таблица 5.2 – Стоимость ВВ классом напряжения 10 кВ [84] Построим зависимость (рисунок 5.11) стоимости выключателя (класс напряжения 10 кВ) от его номинального тока отключения.

Рисунок 5.11 – Зависимость стоимости ВВ от номинального тока отключения для Из рисунка 5.11 видно, что стоимость ВВ в большей степени зависит от номинального тока отключения ВВ, чем от его номинального тока. Следовательно, при данной возможности выбрать к установке выключатель с меньшим номинальным током отключения, положительный экономический эффект на этапе капитальных вложений будет не столь ощутим [86,87].

С учетом того, что экономический эффект при выборе одного выключателя с меньшим номинальным током отключения в пределе достигает нескольких десятков тысяч рублей экономически целесообразная стоимость СПТ будет слишком низкой для обоснованной установки без учета прочих положительных эффектов от установки СПТ [86,87]..

Эффект от замены кабельной линии (КЛ) также проявляется в аварийном режиме работы электрической сети. Замена КЛ при проектировании СЭС с экономической точки зрения наиболее актуальна для промышленных предприятий в силу большей протяжённости КЛ в данных системах.

КЛ с алюминиевыми жилами применяются сечениями от 16 мм2 до 240 мм на основе анализа цен представлены в таблице 5.3.

Таблица 5.3 – Цены на КЛ классом напряжения 10 кВ в зависимости от сечения жил [85] Построим зависимость отражающую стоимость одного метра КЛ от сечения токопроводящих жил.

Рисунок 5.12 – Стоимость метра КЛ различных сечений и разность стоимостей Из рисунка 5.12 видно, что цена кабельной линии плавно возрастает при увеличении площади поперечного сечения токоведущей жилы. При оценке эффекта от замены кабельной необходимо принимать во внимание то, что при выборе меньшего сечения КЛ имеет место обратный эффект – возрастание потерь в нормальном режиме работы электрической сети. Также необходимо отметить, что условиям обеспечения тепловой и электродинамической устойчивости как правило не удовлетворяют кабельные линии с сечениями токоведущих жил до 50 мм включительно.

С учетом того, что экономический эффект при выборе одной КЛ с меньшим сечением токоведущих жил составляет 60 – 200 руб. за метр КЛ, можно сделать вывод о том, что экономически целесообразная стоимость СПТ будет достаточно большой только в случае выбора достаточно протяжённой КЛ (или группы КЛ) с большими сечениями, иначе, экономически целесообразная стоимость СПТ будет слишком низкой для обоснованной установки СПТ без прочих положительных эффектов от его использования [86,87].

1. Главное преимущество сверхпроводниковых трансформаторов перед традиционными трансформаторами – низкие нагрузочные потери. Однако, из-за высокой стоимости СПТ использование его в данное время с существующим уровнем развития сверхпроводниковых технологий представляется нецелесообразным.

Необходимо значительное снижение уровня цен на СП провода для широкого использования СП в трансформаторах.

2. Выполнена оценка срока окупаемости СПТ в различных условиях. Из приведенных зависимостей срока окупаемости СПТ видно, что при повышении цены на электроэнергию и одновременном снижении цены на СП провода СПТ могут составить достойную конкуренцию обычным традиционным трансформаторам. На данном этапе развития СП технологий СПТ будут интересны в специальных применениях, где требуются особые характеристики СПТ – меньшие массогабаритные показатели, отсутствие тепловыделений, пожаровзрывобезопасность.

3. Показано, что для получения максимальной выгоды от применения СПТ необходимо устанавливать их в местах с большим коэффициентом загрузки, с большой величиной Тmax. В качестве таких мест могут выступать предприятия с двух-, трехсменным режимом работы.

4. Установка СПТ с токоограничивающей функцией позволит выбирать кабельные линии с меньшим сечением и выключатели с меньшим током отключения по сравнению со случаем установки обычного трансформатора, тем самым несколько снижая капиталовложения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Показано положительное влияние сверхпроводниковых трансформаторов на рабочие режимы ЭЭС, снижение потерь электроэнергии сопровождается повышением уровня напряжения, а также увеличением предела передаваемой мощности. Продольные и поперченные параметры схемы замещения сверхпроводниковых трансформаторов уменьшаются. Активное сопротивление равно нулю, индуктивное сопротивление снижается пропорционально увеличению плотности тока. Уменьшение параметров поперечной ветви определяется конструктивным исполнением криостата(ов) трансформатора. Массогабаритные показатели сверхпроводниковых трансформаторов снижаются вдвое по сравнению с обычными масляными трансформаторами.

2. Построенная математическая модель сверхпроводниковых трансформаторов позволяет моделировать инерционность изменения их сопротивления, оценить электродинамическое и тепловое воздействия тока КЗ при наличии в электрической сети сверхпроводниковых трансформаторов.

3. Ограничение тока КЗ с помощью сверхпроводниковых трансформаторов и его успешный возврат в СП состояние определяется толщиной стабилизирующего материала. Возврат сверхпроводниковых трансформаторов в СП состояние под нагрузкой зависит от величины тока КЗ и от собственно нагрузочного тока, протекающего после устранения КЗ. Необходимую величину активного сопротивления при КЗ можно подобрать путем частичного задействования витков обмотки в токоограничении, при этом нетокоограничивающая часть обладает незначительным сопротивлением.

4. Разработанный алгоритм и его программная реализация позволяют рассчитывать процессы перехода в нормальное состояние и последующий возврат в сверхпроводящее состояние ВТСП проводов второго поколения.

5. Для статической устойчивости электрических систем установка сверхпроводниковых трансформаторов благоприятна во всех случаях по сравнению с традиционными трансформаторами с точки зрения значений пределов передаваемой мощности, синхронизирующей мощности. В случае установки сверхпроводниковых трансформаторов между двумя электростанциями соизмеримой мощности предел передаваемой мощности увеличивается до 20%.

6. Сверхпроводниковые трансформаторы значительно повышают динамическую устойчивость ЭЭС, если активное сопротивление во время переходного процесса обеспечивает такую характеристику мощности в аварийном режиме, при которой последняя близка к доаварийной. Появление активного сопротивления большой величины нежелательно как с позиции сохранения устойчивости, так и с позиции успешного возврата сверхпроводникового трансформатора.

7. Использование сверхпроводниковых трансформаторов с токоограничивающей функцией в схемах крупных узловых подстанций электрических сетей и СЭС промышленных предприятий позволяет при координации токов КЗ увеличивать надёжность за счёт возможности совместной работы секций в нормальном режиме работы, обеспечивая качество электрической энергии в соответствии с ГОСТ Р 54149 – 2010.

8. Параллельная работа сверхпроводникового и обычного трансформаторов представляется нецелесообразной по причине неравенства напряжений короткого замыкания. Представляется целесообразным при замене на подстанции одного из двух трансформаторов на СПТ включенным оставлять СПТ, т.к. он обладает большой перегрузочной способностью и меньшими потерями, по сравнению даже с двумя параллельно работающими традиционными трансформаторами.

9. Замена выключателей на выключатели с меньшей отключаемой способностью и замена кабелей на кабель с меньшим сечением в распределительных сетях дает незначительный экономический эффект в силу относительно небольшой стоимости последних по сравнению со стоимостью сверхпроводникового трансформатора.

10. В условиях роста цен на электроэнергию, снижения цен на ВТСП провода и установки сверхпроводниковых трансформаторов в местах с большим коэффициентом загрузки (на предприятиях с 2-х, 3-х сменным графиком работы) срок окупаемости сверхпроводниковых трансформаторов составит менее 10 лет.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Лутидзе Ш.И., Джафаров Э.А. Сверхпроводящие трансформаторы. – М:

Научтехлитиздат, 2002. – 206 с.

2. Батенин В.М. Сверхпроводниковая электроэнергетика / В.М. Батенин, В.В. Желтов, С.С. Иванов, С.И. Копылов, С.В. Самойленков // Известия академии наук. Энергетика. – 2011. – №5. – С. 79-87.

3. Шмидт В.В. Введение в физику сверхпроводников. – М.: МЦНМО изд.2е, испр. и доп., 2000 г. – 402 с.

4. ОАО ФСК ЕЭС [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.fskees.ru/. – Загл. с экрана.

5. Министерство энергетики РФ [Электронный ресурс]. – Режим доступа:

http://minenergo.gov.ru/aboutminen/energostrategy/. – Загл. с экрана.

6. Вишнева В.О. Принципы технологического маркетинга сверхпроводников как объекта наноиндустрии / В.О. Вишнева // Цветные металлы. – 2013. – №7.

– С. 15-22.

7. Ковалев Л.К. Зарубежные и российские разработки в области создания сверхпроводниковых электрических машин и устройств / Л.К. Ковалев, К.Л. Ковалев, И.П. Колчанова, В.Н. Полтавец // Известия академии наук. Энергетика. – 2012. –№6. – С. 3-26.

8. Самойленков С.В. Ленты на основе высокотемпературных сверхпроводников технологии и перспективы применения. Часть 1 / С.В. Самойленков, А.И.

Кучаев, С.С Иванов, А.Р. Кауль // International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology. – 2011. – №10. – С. 140-148.

9. Волков Э.П. Переходные процессы в токоограничивающем устройстве на основе ВТСП проводов второго поколения / Э.П. Волков, Л.С. Флейшман, В.А. Мальгинов, А.В. Мальгинов // Известия академии наук. Энергетика. – 2009. – №2. – С. 64-76.

10. Елагин П.В. Сверхпроводниковые кабели – реальные очертания будущей энергетики / П.В. Елагин // Новости электротехники [Электронный ресурс]. – 2005. – № 4 (34). – Режим доступа: http://www.news.elteh.ru/arh/2005/34/14.php.

11. Елагин П.В. Сверхпроводниковый токоограничитель. Коммутационный аппарат будущего / П.В. Елагин // Новости электротехники [Электронный ресурс]. –2005. –№ 3 (33). –Режим доступа: http://www.news.elteh.ru/arh/2005/33/05.

12. Щербаков В.И., Сверхпроводящие ограничители тока // Информационный бюллетень «Сверхпроводники для электроэнергетики». – М: НИЦ Курчатовский институт, 2006. – т.3, №6. – С. 10-13.

13. Сверхпроводники в электроэнергетике [Электронный ресурс] // М, 2011. – Режим доступа: http://perst.isssph.kiae.ru/supercond/index.php. – Загл. с экрана.

14. Kotari M. Development of 2 MVA class superconducting current limiting transformer with YBCO coated conductors // M. Kotari. H. Kojima, N. Hayakawa, F.

Endo, H. Okubo // IEEE/CSC&ECAS European superconductivity news forum. –2010.

– № 11.

15. Kurupakorn C. Development of high temperature superconducting fault current limiting transformer with Bi2212 bilk coil // C. Kurupakorn, N. Hayakawa, N.

Kashima, S. Nagaya, M. Noe, K.-P. Juengst, H. Okubo // IEEE Transaction on applied superconductivity. – 2004. –vol.14, no 2. – pp. 900-903.

16. Iwakuma M. Development of REBCO superconducting transformer with current limiting function / M. Iwakuma, A. Tomioka, T. Otonari et.al. // IEEE Transaction on applied superconductivity. – 2011. –vol.21, no 3. – pp. 1405-1408.

17. Berger A. Test results of 60 kVA current limiting transformer with full recovery under load / A. Berger, M. Noe, A Kudymow // IEEE Transaction on applied superconductivity. – 2011. –vol.21, no 3. – pp. 1384-1387.

18. Glasson N. Development of 1 MVA 3-phase superconducting transformer using YBCO Roebel cable /N. Glasson, M. Staines, R. Buckley. M. Pannu, S. Kalsi // IEEE/CSC&ECAS European superconductivity news forum. –2011. – № 15.

19. Лизунов С.Д., Лоханин А.К. Проблемы современного трансформаторостроения в России // Электричество.–2000.–№9.– С. 5-12.

20. Чернопленков Н.А., Чубраева Л.И. Сорок лет сверхпроводниковому электромашиностроению // IX Симпозиум «Электротехника 2030. Перспективные технологии электроэнергетики»: Тез. докл. 29-31 мая 2007 г. – М, 2007.

21. Глускин И.З. Сверхпроводниковые токоограничивающие устройства и индуктивные накопители энергии для электроэнергетических систем / И.З. Глускин, Г.А. Дмитриева, М.Ш. Мисриханов, В.Г. Наровлянский, И. В. Якимец. – М.:

Энергоатомиздат, 2002. – 373 с.

22. Елагин П.В. Сверхпроводниковый токоограничитель. Коммутационный аппарат будущего / П.В. Елагин // Новости электротехники [Электронный ресурс]. – 2005. – № 3 (33). – Режим доступа: http://www.news.elteh.ru /arh/2005/33/05.php.

23. Щербаков В.И., Лобынцев В.В. Криогенное оборудование для сверхпроводниковых электротехнических устройств // Информационный бюллетень «Сверхпроводники для электроэнергетики». – М: НИЦ Курчатовский институт, 2008. – т.5, №1. – С. 7-11.

24. Nitta T. Some considerations on superconducting transformers from a design point of view / Т. Nitta, K. Misawa, H. Nomura // IEEE Transactions on magnets. – July 1996. – vol. 32, no 4. – pp. 2381-2384.

25. Васютинский С.Б., Вопросы теории и расчета трансформаторов. – Л:

Энергия, 1970. – 432 c.

А.А. Васильев, И.П. Крючков, Е.Ф. Наяшкова, М.Н. Околович. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 576 с.

27. Вольдек А.И. Электрические машины. – Л.: Энергия, 1978. – 832 с.

28. Костенко М.П., Пиотровский Л.М., Электрические машины. В 2-х ч. Ч. – Машины постоянного тока. Трансформаторы. –Л. Энергия, 1972. – 544 с.

29. Маркович И.М. Режимы энергетических систем.– М.: Энергия, 1969. – 352 с.

30. Carr W. J. Ac loss from the combined action of transport current and applied field // IEEE Transactions on Magnetics. – Jan 1979. – vol. 15. – pp. 240-243.

31. Kawabata S. Standardization of the pickup coil method for ac loss measurement of three-component superconducting wires / S. Kawabata, H. Tsuzura, Y. Fukuda, K. Funaki, K. Osamura // Physica C: Superconductivity. – 2003. – vol. 392-396, no.

Part 2. – pp. 1129 – 1133.

32. Лутидзе Ш.И., Джафаров Э.А. Потери в сверхпроводящем трансформаторе // Приборы и системы управления. – 1999. – №10. – С. 30-32.

33. Berger A. Comparison of the efficiency of superconducting and conventional transformers / A. Berger, S. Cherevatskiy, M. Noe, T. Leibfried // Journal of Physics:

Conference Series 234 (2010).

34. Grilli F. Ashworth S. Measuring transport AC losses in YBCO-coated conductor coils // Superconductor Science and Technology. – 2007. – № 20. – pp. 794-799.

35. Brandt E., Indenbom M. Type-II-superconductor strip with current in a perpendicular magnetic field // Physical Review B. – 1993. – vol. 48, no. 17. – pp. 12893Magnusson N., Wolfbdrandt A., AC losses in high-temperature superconducting tapes exposed to longitudinal magnetic fields // Cryogenics. – 2001.– № 41. – pp. 721-724.

37. Namjoshi K. Biringer P. Low-Frequency Eddy-Current Loss Estimation in Long Conductors by Using the Moment of Inertia of Cross Sections // IEEE Transactions on Magnetics. – 1988. – vol. 24 no. 5. – pp. 2181-2185.

38. Sykulski J.K., Stoll R.L. The design, construction and operation of high temperature superconducting transformers practical considerations // CIGRE 2000. – 12Идельчик В.И. Электрические системы и сети. – М.: Энергоатомиздат, 1989. –592 с.

40. Андреев Е.Н. Математическое и физическое моделирование процессов в сверхпроводниковых трансформаторах // Е.Н. Андреев, Н.Ю. Вандюк, Д.А.

Волков, Д.А. Коротков, М.Ю. Платонова, Л.И. Чубраева // Моделирование систем и процессов. – 2007. – №1. – С. 25-32.

41. Тихомиров П.М. Расчет трансформаторов. – М.: Энергия, 1976. –544 с.

42. ГОСТ 26522–85. Короткие замыкания в электроустановках. Термины и определения. – М.: Изд-во стандартов, 1987. – 19 с.

43. Вавилов С.Б. Особенности нагрева медной и ВТСП лент в жидком азоте при ступенчатом импульсе тока / С.Б. Вавилов, И.Ф. Волошин, Г.И. Гарасько, П.Н. Дегтяренко, И.Н. Дулькин, А.В. Калинов, Л.М. Фишер // Известия академии наук. Энергетика. – 2011. – №4. – С. 37-41.

44. Merte H. Clark J. A. Boiling heat transfer data for liquid nitrogen at standard and near-zero gravity // Advanced Cryogenic Engineering. – 1962. – vol. 7. – pp. 546Pelegrin J. Influence of surface layer on YBaCuO coated conductors quench processes / J. Pelegrin, E. Martinez, L.A. Angurel, R. Lahoz, D. Hazelton, P.

Brownsney, J. Duval // IEEE transaction on applied superconductivity. – June 2013. – vol 23. no. 3.

46. Ульянов С.А. Электромагнитные переходные процессы в электрических системах. – М.: Энергия, 1970. – 520 с.

47. Манусов В.З., Михеев П.А. Математическая модель электромагнитного переходного процесса в электрической сети, содержащей сверхпроводниковый токоограничитель индуктивного типа // Электротехника. – 2008. – №7. – с. 50-56.

48. Kojima H. Self-recovery characteristic of high-Tc superconducting fault current limiting transformer with 2G coated conductors / H. Kojima, S. Ito, N. Hayakawa, F. Endo, M. Noe, H. Okubo // 8th European Conference on Applied Superconductivity (EUCAS 2007), Journal of Physics: Conference Series 97 (2008) 012154.

49. Александров Г.Н. Режимы работы трансформаторов.– СПб.: НОУ «Центр подготовки кадров энергетики», 2006. – 143 с.

http://superpower-inc.com/.– Загл. с экрана.

51. AMSC [Электронный ресурс].– Режим доступа: http://www.amsc.com/.– Загл. с экрана.

52. Kalsi S.S. Applications of high temperature superconductors to electric power equipment. – John Wiley & Sons Inc. – New Jersey, 2011. – 312 p.

53. Электродинамическая стойкость трансформаторов и реакторов при коротких замыканиях / Составитель и научный руководитель А.И. Лурье // М.: Знак, 2005. – 520 с.

54. Ishigohka T. Experimental study on effect of in-rush current of superconducting transformer / T. Ishigohka, K. Uno, S. Nishimiya // IEEE transaction on applied superconductivity. – June 2006. – vol. 16, no. 2. – pp. 1473-1476.

55. Nishimiya S. Quench characteristic of superconducting transformer by inrush current / S. Nishimiya, T. Ishigohka, A. Ninomiya, K. Arai // IEEE transaction on applied superconductivity.– June 2007.–vol. 17, no. 2.– pp.1931 – 1934.

56. Wojtasiewicz G. Inrush current of superconducting transformer / G. Wojtasiewicz, G. Komarzyniec, T. Janowski // IEEE transaction on applied superconductivity. – June 2013. – vol. 23, no. 3.

57. Неклепаев Б.Н. Крючков И.П. Электрическая часть электростанций й и подстанций: Справочные материалы для курсового и дипломного проектирования: Учеб. пособие для вузов. – 4-е изд. перераб. и доп. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 608 с.

58. Sissimatos E., Oswald B.R. High-temperature superconducting power transformers with fault current limiting properties // Physica C. – 2002. – vol 372-376. – pp. 1698-1701.

59. Манусов В.З. Александров Н.В. Эффективность применения высокотемпературных сверхпроводящих трансформаторов в электроэнергетических системах // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. – 2012 г. – Вып. 1. – с. 358-361.

60. Weber C. S. Design and Operational Testing of a 5/10-MVA HTS Utility Power Transformer / C. S. Weber, C. T. Reis, D. W. Hazelton // IEEE Transaction on applied superconductivity. – June 2005. – vol 15, no 2. – pp. 2210-2213.

61. Манусов В. З., Михеев П. А. Влияние сверхпроводниковых токоограничителей на электромеханические переходные процессы в электроэнергетических системах // Научный вестник НГТУ. – 2007. – № 4 (29). – С. 143–156.

62. Жданов П.С. Вопросы устойчивости электрических систем / Под ред.

Л.А. Жукова. – М., Энергия, 1979. – 456 с., ил.

63. Калентионок Е.В. Устойчивость электроэнергетических систем. – Минск: Техноперспектива, 2008.–375 с.

64. Куликов Ю.А. Переходные процессы в электрических системах.– Новосибирск: Издательство НГТУ, 2002.–283 с.

65. Хрущев В.Ю. и др. Электромеханические переходные процессы в электроэнергетических системах / В.Ю. Хрущев, К.И. Заподовников, А.Ю. Юшков.– Томск: Издательство ТПУ, 2010.– 168 с.

66. Манусов В.З., Александров Н.В. Влияние сверхпроводящих трансформаторов на устойчивость электроэнергетической системы // Научный вестник НГТУ. – 2013. – №3. – С. 160-165.

67. Веников В.А. Переходные процессы в электрических системах. – М.:

Высшая школа, 1978. – 415 с.

68. ГОСТ Р 52719-2007. Трансформаторы силовые. Общие технические условия. – М.: Стандартинформ, 2007. – 45 с.

69. Staines M. The development of a Roebel cable based 1 MVA HTS transformer / M. Staines N. Glasson, M. Pannu, P. K. Thakur, R. Badcock, N. Allpress, P.D’Souza1, E. Talantsev // Superconductor Science and Technology. – January 2012. – vol 25, no 1. – pp. 1-7.

70. Tomioka A. The short-circuit test results of 6.9 kV/2.3 kV 400 kVA-class YBCO model transformer with fault current limiting function / A. Tomioka, T. Bohno, S. Kakami, M. Isozaki, K. Watanabe, K. Toyama, S. Sugiyama, M. Konno, Y. Gosho, H. Okamoto, H. Hayashi, T. Tsutsumi, M. Iwakuma, T. Saito, K. Tanabe, Y. Shiohara // Physica C.– January 2013. – vol. 484, pp. 239-241.

71. Селиванов В.Н. Использование программы расчета электромагнитных переходных процессов ATP-EMTP в учебном процессе // Вестник МГТУ, 2009. – том. 12, №1. – С. 107-112.

72. РД.34.20.578-79. Методические указания по определению устойчивости энергосистем. Часть II. – М.: Изд-во стандартов, 1979. – 91 с.

73. Меньшов Б.Г. и др, Электротехнические установки и комплексы в нефтегазовой промышленности / Б.Г. Меньшов, М.С. Ершов, А.Д. Яризов. –М.:

Недра, 2000.– 437с.

74. Правила устройства электроустановок. 7-е изд. М.: НЦ ЭНАС, г. – 552 с.

75. Dirks J.A. High-temperature superconducting transformers performance, cost and market evaluation / J.A. Dirks, J.E. Dagle, G. John // Pacific Northwest Laboratory.– 1993.– 210 p.

76. Сальников В.Г. Экономия электроэнергии в промышленности. – АлмаАта: Казахстан, 1984.– 124 с.

77. Лыкин А.В. Электрические системы и сети: Учеб. пособие. – М.: Логос, 2006. – 254 с.

78. Reddy B.D. Techno-commercial aspects of superconducting transformers – a case study / B.D. Reddy, K.D. Kumar, R. Sudha // International journal of emerging science and engineering. – March 2013. – vol. 1, issue 5. – pp. 62-65.

79. Файбисович Д.Л. Справочник по проектированию электрических сетей.

– М.: ЭНАС, 2009. – 392 с.

80. Siemens global website [Электронный ресурс]. – Режим доступа:

http://www.siemens.com/. – Загл. с экрана.

81. Желтов В.В. Перспективы использования высокотемпературных сверхпроводников / В.В. Желтов, С.С. Иванов, А.В. Кацай, Д.А. Комарков // Энергия:

экономика, техника, экология. – 2011. – №6. – С. 11-22.

82. Наровлянский В.Г. Современные методы и средства предотвращения асинхронного режима электроэнергетической системы. – М.: Энергоатомиздат, 2004. – 360 с.

83. Сальников В.Г., Шевченко В.В. Эффективные системы электроснабжения предприятий цветной металлургии. – М.: Металлургия, 1986. – 320 с.

84. Прайс-лист на вакуумные выключатели компании ООО «БЭСТЭР»

[Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://bester54.ru. – Загл. с экрана.

85. Прайс-лист на кабельно-проводниковую продукцию компании ООО «Мицар» [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.mitsar.ru/. – Загл. с экрана.

86. Манусов В. З., Михеев П. А., Оценка экономически целесообразной стоимости сверхпроводникового ограничителя токов // «Наука. Технологии. Инновации» 6-9 дек. 2007 г.:Тез. докл. всеросс. науч. конф. – Новосибирск, 2007. – С.

240-242.

87. Манусов В. З., Михеев П. А. Обоснование экономической эффективности сверхпроводниковых токоограничителей в условиях оптового рынка // «Электроэнергия: от получения и распределения до эффективного использования» 12мая 2008 г: Тез. докл. всеросс. науч. конф. – Томск, 2012. – С. 39-40.

ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ

АРВ Автоматический регулятор возбуждения АПВ Автоматической повторное включение ВЛ Воздушная линия ВТСП Высокотемпературный сверхпроводник ВН Высокое напряжение ГПП Главная понизительная подстанция ЗМН

Защита минимального напряжения КЗ Короткое замыкание КЛ Кабельная линия КНЭ Кратковременное нарушение электроснабжения НТСП Низкотемпературный сверхпроводник НН Низкое напряжение ПВК Программно-вычислительный комплекс РЗ Релейная защита СГ Синхронный генератор СН Собственные нужды СОТ Сверхпроводниковый ограничитель токов СП Сверхпроводящий СПТ Сверхпроводниковый трансформатор СПИН Сверхпроводниковый индуктивный накопитель СЭС Система электроснабжения ТОУ Токоограничивающее устройство ШБМ Шины бесконечной мощности ЭДС Электродвижущая сила ЭЭС Электроэнергетическая система Программный код для расчетов процессов перехода ВТСП провода в нормальное состояние и последующего возврата в сверхпроводящее состояние clc clear all close all %-------------------------------------------------------------------------Dlina = 100; % длина провода, м %-----------------------параметры материалов------------------------------параметры ВТСП слоя------------------------------------------------------UCritical = 0.0001; % критическое напряжение,В/м Ploshad_VTSP = Tolshina_VTSP*Shirina; % площадь поперечного сечения %параметры подложки-------------------------------------------------------Tolshina_Sub = 0.05e-3; % толщина слоя подложки Ploshad_Sub = Tolshina_Sub*Shirina; % площадь поперечного сечения %параметры медного слоя---------------------------------------------------Tolshina_Cu = 0.02e-3; % толщина медного слоя Ploshad_Cu = Tolshina_Cu*Shirina; % площадь поперечного сечения %параметры слоя серебра---------------------------------------------------Tolshina_Ag = 0.002e-3; % толщина серебряного слоя Ploshad_Ag = Tolshina_Ag*Shirina; % площадь поперечного сечения %площадь поверхности охлаждения-------------------------------------------Ploshad_poverhnosti = Shirina*Dlina;

%-----------------------задание нач.усл. переменных-----------------------Nucleate_Peak = 88.8;

DelTransTemp = 100000000;

Npar=24;

counter = 0;

Inew = 0;

error = 1;

k = 1;

Temperature_Counter(k) = 0;

Place(k) = 0;

Ta = T_LN2;

R_Cu(k) = 0;

Rs(k) = 0;

Rm(k) = 0;

Is(k) = 0;

Im(k) = 0;

Temperature(k) = T_LN2;

QsM(k) = 0;

QsVTSP(k) = 0;

QsAll(k) = QsM(k)+ QsVTSP(k);

DeltaT(k) = 0;

Del_T(k) = 0;

Qotved(k) = 0;

Qost(k) = QsAll(k) - Qotved(k);

Um = 0;

Us = 0;

Temp_Counter = 0;

k = k+1;

%-------------------------------------------------------------------------Time_of_process % расчет времени %---------------решение уравнения теплопроводности------------------------while k= a = ((0.0685*T)-3.77476)*10^-9;

else a = ((-1.0796*10^(-06)*T^3)+(0.00046*T^2)+0.01555*T-0.38874)*1*10^(-9);

end Ag_Res_Out = a;

function [Cu_Cp_Out]= Cu_Cp(T) Rho_Cu=9020.665-0.30358*T;