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

Высокотемпературные сверхпроводники относятся к сверхпроводникам рода, в которых фазовый переход из нормального состояния в сверхпроводящее (или обратно) происходит не сразу, а имеется промежуточное смешанное состояние, ограниченное первым и вторым критическим полями BК1 и BК2 соответственно.

Среди ВТСП проводов выделяют провода двух поколений. Провода 1-го поколения (1G) – это провода на основе серебряной матрицы с микроканалами, в которых находится сверхпроводящая керамика Bi-Sr-Ca-Cu-O (BSCCO), как правило, с критической температурой 80 К или Bi2Sr2CaCu2Ox (Bi-2212) Bi2Sr2Cа2Cu3Ox (Bi-2223) с критической температурой 110 К.

Первые длинномерные провода 1G были созданы в середине 90-х. Сегодня технология их производства («порошок в трубе») достаточно хорошо развита, в мире выпускаются сотни километров провода, которые идут на создание прототипов сверхпроводникового электротехнического оборудования. Особенных успехов в этой технологии достигла японская фирма Sumitomo. Однако провода 1G более чем на 2/3 состоят из чистого серебра, что исключает значительное снижение их стоимости в будущем.

Есть ещё один недостаток: сверхпроводимость в BSCCO быстро разрушается во внешнем магнитном поле. Это ограничивает спектр применения сверхпроводников первого поколения устройствами с относительно слабыми рабочими магнитными полями и делает бесперспективным изготовление на их основе таких изделий как генераторы, моторы, накопители энергии и т.д.

Эти обстоятельства привели к разработке сверхпроводников второго поколения (2G) на основе иттриевой керамики Y-Ba-Cu-O (YBCO) с критической температурой 92 К. Эти сверхпроводники, часто именуемые «лентами с покрытием»

(англ. coated conductors), являются на сегодняшний день самым перспективным направлением развития технической сверхпроводимости. Основное фундаментальное преимущество 2G заключается в том, что они обладают максимальной плотностью критического тока. На рисунке 1.4 нетрудно заметить, что сверхпроводник составляет лишь малую часть от общего поперечного сечения провода: в лентах 1-го поколения эта величина обычно не превышает 40%, а в лентах 2-го поколения и того меньше – 5% [8].

Рисунок 1.4 – Сечение ВТСП лент на основе BSCCO и YBCO На рисунке 1.5 приведена структура ВТСП провода второго поколения производящейся фирмой SuperPower.

Рисунок 1.5 – Структура ВТСП провода второго поколения производства фирмы Для создания лент 2-го поколения обычно применяют ленты-подложки (как правило, из сплавов на основе никеля), а ВТСП жила одна и представляет собой тонкое покрытие на поверхности ленты. Для предотвращения химического взаимодействия ВТСП и ленты используют так называемый «буферный слой» – ключевое звено в технологии изготовления. Металлический защитный слой (как правило, из серебра) предохраняет ВТСП от взаимодействия с парами воды и CO воздуха, служит защитой от механических повреждений и от прямого контакта ВТСП со стабилизатором – слоем СП провода, функциональное назначение которого заключается в шунтировании СП слоя при потере им СП состояния (упрочненная медь, нержавеющая сталь). Плотность тока в самом ВТСП материале (YBCO) на постоянном токе и при 77 К может составлять до 106 А/см2. С учетом того, что критический ток сверхпроводника при использовании его на переменном токе снижается примерно наполовину и с учетом того, что ВТСП слой занимает лишь 1-5% от общего поперечного сечения ВТСП провода, рабочая плотность тока в СПТ составляет примерно 50–150 А/мм2.

ВТСП провода первого и второго поколений отличаются не только технологией изготовления, но химическим составом, механическими и электрофизическими параметрами. В электроэнергетических ВТСП устройствах провода охлаждаются жидким азотом при 77 К. Различие критических температур проводов первого и второго поколений приводит к тому, что относительно небольшой (на 10-15К) разогрев проводов выше температуры жидкого азота по-разному влияет на их сверхпроводящее состояние. Для проводов первого поколения разогрев приводит к некоторому снижению критического тока без потери сверхпроводимости, провода второго поколения практически теряют способность пропускать сколько-нибудь значительный сверхпроводящий ток (при Т 92 К) или полностью переходят в нормальной состояние (при Т > 92 К). Из этого следует, что тепловые процессы должны играть существенную роль в работе электротехнических устройств с использованием ВТСП проводов второго поколения [9].

1.3. Применение высокотемпературных сверхпроводников в Сверхпроводниковые кабели.

Сверхпроводниковые кабели по сравнению с обычными обладают уменьшенными потерями, большей пропускной способностью даже при снижении класса напряжения, пожаробезопасны и экологичны, что также играет немаловажную роль. При одинаковой мощности по сравнению с обычным кабелем ВТСП кабель имеет меньший вес и более компактен, это облегчает монтаж и транспортировку, для него требуется меньшее количество муфт, следовательно, уменьшается площадь прокладки. Особенность охлаждения ВТСП кабелей позволяет избежать нежелательного перегрева электрической изоляции. В связи с тем, что потери электроэнергии на переменном токе имеют место в СП проводах, для ВТСП кабелей более экономично передавать электроэнергию на постоянном токе [10].

Наиболее крупными разработчиками ВТСП кабелей являются Southwire (США), Sumitomo Electric (Япония), Pirelli (Италия), Condumex Cable (Мексика), NKT Cables (Дания), CAS, IEE, TIPC (Китай) и другие. В таблице 1.1 приведены наиболее крупные существующие и проектируемые кабели с использованием ВТСП проводников [10].

Таблица 1.1 – Существующие и проектируемые ВТСП кабели [13] Carrollton, GA Yokosuka Copenhagen Yokosuka/ Super Ace Columbus, OH Gochang Yokohama Island/ LIPA York/ HYDRA GENI Kumatori/ MPACC M-PACC Super-3C Moscow CASER- Gochang/ DAPAS E.ON ВеликоВетрогеConverteam/ Zenergy Westinghouse Сверхпроводниковые индуктивные накопители энергии.

Сверхпроводниковые индуктивные накопители (СПИН) энергоёмкостью 108-109 Дж рассматриваются как одно из эффективных средств повышения устойчивости ЭЭС. На индуктивные накопители энергоёмкостью ~ 109 Дж могут быть возложены задачи увеличения пределов передаваемой мощности линии по условиям статической и динамической устойчивости, сглаживания нерегулярных колебаний по линиям, связывающим ЭЭС, демпфирования электромеханических процессов в генераторах в послеаварийных режимах, обеспечения режимов глубокого потребления и выдачи реактивной мощности в узел ЭЭС для обеспечения условий нормализации напряжения и т.д. [21]. Перспективные направление применения данных устройств – повышение надёжности электроснабжения ответственных производств и первичное регулирование частоты и мощности по связям крупных энергообъединений.

Таблица 1.4 – Существующие и проектируемые СПИН [13] Fukuoka Kameyama Kameyama Сверхпроводниковые ограничители тока.

Использование ВТСП в устройствах ограничения токов короткого замыкания является одним из наиболее перспективных направлений прикладной сверхпроводимости в области электроэнергетики. Существует довольно много вариантов исполнения сверхпроводниковых ограничителей тока (СОТ): резистивного типа, индуктивного типа, индуктивного типа с насыщенным магнитопроводом, трансформаторного типа, выпрямительного типа.

СОТ резистивного типа самый простой и малогабаритный, и главной особенностью СОТ резистивного типа является включение сверхпроводникового ус непосредственно в схему с защищаемой нагрузкой. СОТ резистивного типа применяются в шунтирующем и последовательном исполнениях [22]. В настоящее время шунтирующий тип СОТ может быть применен в схемах с однократным автоматическим повторным включением (АПВ), но в ближайшее время после некоторых доработок ВТСП катушки и непосредственно самих ВТСП материалов можно будет добиться двукратного АПВ. Параллельное исполнение более эффективно с точки зрения плотности тока в ВТСП резисторе в режиме замыкания и связанными с этим затратами на отвод тепла [22]. На рисунке 1.6 схематически приведена конструкция СОТ резистивного типа.

Рисунок 1.6 – Схематичная конструкция СОТ резистивного типа СОТ трансформаторного типа представляется в виде трансформатора с ВТСП резистором, которым нагружают вторичную обмотку трансформатора (рисунок 1.7) [11].

Рисунок 1.7 – Схема замещения СОТ трансформаторного типа В нормальном режиме работы (нагрузочном) вторичная обмотка трансформатора замкнута на сверхпроводник, сопротивление СОТ близко к нулю. При возникновении короткого замыкания резистор выходит из сверхпроводящего состояния и его сопротивление растет, в результате чего ток КЗ ограничивается индуктивным сопротивлением первичной обмотки. Недостатком СОТ трансформаторного типа является большие габариты устройства, а также более сложная конструкция и высокая стоимость по сравнению с СОТ резистивного типа, что удержало многих разработчиков от дальнейшего освоения СОТ трансформаторного типа [11].

СОТ выпрямительного типа представляет собой диодный мост, в диагональ которого включена ВТСП катушка индуктивности, через которую протекает только постоянный ток, что немаловажно, т. к. токонесущая способность ВТСП проводов сильно уменьшается при работе на переменных токах. В нормальном режиме работы производная тока в катушке индуктивности постоянна, на ней нет падения напряжения (катушка находится в сверхпроводящем состоянии, следовательно, нет падения напряжения и на ее активном сопротивлении) [12]. В случае КЗ начинается рост тока в катушке индуктивности, на ней начинается падение напряжения, равное напряжению сети, таким образом, происходит ограничение тока КЗ. Скорость роста тока в катушке индуктивности прямо пропорциональна ее индуктивности, ввод тока в катушку происходит по закону, близкому к линейному. СОТ выпрямительного типа в настоящее время активно исследуются в Японии. Дополнительным преимуществом СОТ данного типа является возможность их использования как источников бесперебойного питания в случае замены диодного моста на тиристорный мост, способный работать в качестве инвертора, преобразующего энергию, запасенную в катушке индуктивности в переменный ток [12].

Принцип работы СОТ индуктивного типа состоит в способности сверхпроводника перераспределять магнитное поле.

СОТ со сверхпроводящим экраном состоит из обычной обмотки, через которую протекает ограничиваемый ток, и стального сердечника, между которыми находится криостат с кольцевым ВТСП экраном, который может состоять из нескольких колец. При работе СОТ в номинальном режиме ВТСП экран находится в сверхпроводящем состоянии, препятствуя проникновению магнитного потока в медную обмотку, стальной сердечник «выключен» и индуктивность СОТ мала.

При КЗ ВТСП экран переходит в нормальное состояние, магнитный поток проникает в обмотку, и происходит резкое возрастание индуктивности СОТ. На рисунке 1.8 показана схематичная конструкция СОТ со сверхпроводящим экраном[11].

Рисунок 1.8 – Конструкция СОТ со сверхпроводящим экраном Так фирмой ABB созданы и испытаны опытные образцы токоограничителя индуктивного типа мощностью 1,2 МВА с ВТСП экраном в 1997 году.

СОТ с насыщенным магнитопроводом состоит из ВТСП катушки подмагничивания, сетевых обмоток и магнитопроводов. ВТСП катушка подмагничивания охватывает магнитопроводы с обычными (медными или алюминиевыми) сетевыми обмотками, включенными последовательно – встречно. Возможно, также и параллельно-встречное включение сетевых обмоток. Катушка подмагничивания служит для того, чтобы насытить магнитопроводы. При этом резко падает индуктивность сетевых обмоток – СОТ работает в номинальном режиме работы. В случае КЗ сетевая обмотка создает напряженность магнитного поля, которая компенсирует напряженность магнитного поля катушки подмагничивания, магнитопроводы выходят из насыщения, индуктивность сетевых обмоток возрастает, происходит ограничение тока. Поскольку требуется ограничение тока КЗ как на положительном, так и на отрицательном полупериодах, необходимо использование пары магнитопроводов и сетевых катушек для каждой фазы [11]. Дальнейшее возрастание тока КЗ приводит к тому, что магнитопроводы снова насыщаются, так как напряженности магнитного поля от катушки подмагничивания не хватает для того, чтобы скомпенсировать напряженности магнитного поля от сетевых обмоток, что накладывает ограничения на максимальный ограничиваемый ток. СОТ с насыщенным магнитопроводом разрабатывается в РНЦ «Курчатовский институт» с 1997 года.

СОТ с индуктивно связанными катушками состоит из пары индуктивно связанных катушек (одна – из ВТСП, другая – медная). Катушки могут иметь общий сердечник, не обязательный для данного типа СОТ. ВТСП катушка либо соединена с медной катушкой последовательно и зашунтирована нормальным шунтом, либо замкнута накоротко. При КЗ происходит переход ВТСП катушки в нормальное (несверхпроводящее) состояние – индуктивность СОТ резко возрастает и происходит ограничение тока.

Сверхпроводниковые трансформаторы.

Особенностью работ в области ВТСП устройств явилась большая доступность создания и испытания небольших моделей трансформаторов по сравнению с НТСП устройствами, поскольку работа с жидким азотом проще, чем с жидким гелием, и он значительно дешевле. В результате количество участников разработок ВТСП трансформаторов существенно расширился за счет университетов, которые ранее участвовали на этапе НТСП, но самостоятельных серьезных работ не вели. Поэтому ниже рассматриваются наиболее крупные и наиболее известные проекты.

ВТСП трансформаторы по сравнению с традиционными обладают значительными техническими преимуществами, а именно:

снижение нагрузочных потерь при номинальном токе до 90%, что увеличивает КПД трансформатора;

уменьшение массогабаритных показателей трансформатора до 40%;

ограничение токов короткого замыкания, что в аварийных режимах защищает электрооборудование сети;

большая перегрузочная способность без повреждения изоляции и старения трансформатора;

уменьшение уровня шума.

низкие потери холостого хода и короткого замыкания.

Вместе с тем, использование жидкого азота в ВТСП трансформаторах позволит, помимо основной функции хладагента, получить надежную, высокоэффективную изоляцию, отличающейся от обычной традиционной изоляции такими параметрами, как экологическая чистота, нестарение, пожаровзрывобезопасность.

При этом мощность, затрачиваемая на охлаждение СПТ, снижается в 20 раз по сравнению с мощностью, затрачиваемой на охлаждение обычных силовых трансформаторов [1].

Разновидность конструкций СПТ и их отдельных элементов значительно шире по сравнению с аналогичными вариантами традиционных силовых трансформаторов. Магнитопровод трансформатора может иметь как «холодное» исполнение (погружен в жидкий азот вместе с обмотками), так и «теплое» исполнение (работает при комнатной температуре). Холодное исполнение, с одной стороны, способствует упрощению конструкции криостата и уменьшению размеров магнитной системы, с другой стороны, вносит дополнительные теплопритоки, увеличивая энергозатраты на охлаждение. Снижения теплопритоков можно достичь использованием в качестве материала магнитопровода аморфных сталей, имеющих очень низкие тепловыделения (0,2 Вт/кг при 1,4 Т и 100 К), или обычной холоднокатаной электротехнической стали с улучшенными характеристиками. Тёплое исполнение магнитопровода приводит к более сложной конструкции криостата, выполняемого в виде полого цилиндра, что увеличивает размер магнитной системы, но вместе с тем уменьшает теплопритоки в холодную часть.

При этом в качестве материала магнитопровода можно использовать сравнительно дешёвую тонколистовую рулонную электротехническую сталь.

Обмотки трансформатора могут быть концентрическими или чередующимися и намотаны как проводниками первого поколения, так и проводниками второго поколения. Сверхпроводники имеют две основные особенности: пренебрежимо малые потери при относительно большой плотности тока и «переключающий режим» – переход от нулевого сопротивления к высокому сопротивлению, когда ток превысит критический ток. И, как известно, сверхпроводящее состояние существует только ниже определенной температуры. Обычно рабочая температура для удобства принимается равной температуре кипящего азота, т.е. 77 К.

Рабочий ток ВТСП проводника должен иметь значительные соответствующие области сверхпроводимости и ниже критического тока. Максимально допустимое повышение тока определяется способностью нагрузки охлаждающего устройства. Для тока, значительно превышающего критическое значение, потери увеличиваются на порядки. Этот режим является режимом ограничения аварийного тока – кратковременным переходным режимом. Энергия, выделенная в проводнике в переходном режиме, будет поглощена при испарении части охлаждающей жидкости [19].

На рисунке 1.9 приведено схематическое устройство трансформатора с теплым магнитопроводом.

Рисунок 1.9 – Схематическое устройство ВТСП трансформатора: 1 – токоввод первичной обмотки; 2 – газовая подушка; 3 – криокуллер; 4 – крышка; 5 – криостат; 6 – вакуум; 7 – жидкий азот; 8 – охлаждающая оболочка; 9 – обмотки; 10 поддерживающая трубка; 11 – магнитопровод В мире активно ведутся исследования по разработке СПТ. Так фирма Siemens стремится использовать возможность изготовления компактного СПТ, имеющего небольшой вес и не имеющего масла для применения на локомотивах. Так как обычные тяговые трансформаторы имеют высокие потери, применение СПТ оказывается выгодным уже при небольшой мощности.

Другие фирмы, такая как Waukesha Electric привлекает большая перегрузочная способность без старения и небольшие размеры. Фирма АВВ своей целью ставит создание устройства, совмещающего способность ограничения аварийных токов, наличие уменьшенного реактивного сопротивления и низких потерь. Разработка СПТ с токоограничивающей функцией также ведутся в Японии [14–16], Германии [17] и Новой Зеландии [18]. По некоторым данным силовой трансформатор с ВТСП обмотками мощностью 100 МВА будет иметь массу 60 т вместо 130 т и меньшие потери (более чем в 3 раза).

Помимо высокой эффективности и других характеристик, важнейшей следует считать низкую стоимость термоизоляции и надежность охлаждающей системы [19]. В качестве изоляции обмоток используется так называемый каптон (полиимидная пленка), обладающий хорошими изоляционными характеристиками и теплопроводностью при малой толщине пленки. Система охлаждения СПТ может быть выполнена как с принудительной циркуляцией жидкого азота, так и с естественной циркуляцией.

В таблице 1.5 приведены основные существующие и реализованные проекты по СПТ с ВТСП обмотками.

Таблица 1.5 – Существующие и проектируемые СПТ [13] Univ.

Consortium ACE Продолжение таблицы 1. Siemens University of Nagoya 1.10). СПТ конструктивно могут быть выполнены с пульсирующим или вращающимся магнитным полем, с поперечной или продольной намоткой сверхпроводящих витков обмоток. СПТ с пульсирующим магнитным полем могут быть выполнены как с нелокализированным (в пространстве) магнитным полем, так и с локализированным магнитным полем возбуждения и рассеяния. В СПТ традиционного исполнения с пульсирующим магнитным полем с концентрическими и чередующимися первичной и вторичной обмотками в качестве проводникового материала обмоток используется низкотемпературный и высокотемпературный многожильный сверхпроводящий провод (МЖСПП) круглого и прямоугольного сечения. Первичная обмотка таких трансформаторов совмещает в себе функции силовой обмотки и обмотки возбуждения (намагничивания) основного магнитного поля СПТ. Намагничивающая составляющая первичного тока в ней является причиной создания сильного нескомпенсированного магнитного поля возбуждения в зоне силовых СП обмоток, что снижает токонесущую способность этих обмоток и одновременно увеличивает потери в них.

Рисунок 1.10 – Классификация СПТ энергетического назначения [1] Применением секционирования СП обмоток трансформатора не может быть достигнута полная компенсация магнитных полей в связи с наличием в секциях первичной обмотки СПТ нескомпенсированных ампервитков возбуждения.

Вследствие этого, каждая секция СПТ находится в сильном внешнем магнитном поле (в поле ампервитков возбуждения). Для устранения этого недостатка в СПТ с пульсирующим и вращающимся магнитным полем возникает необходимость использования отдельной обмотки возбуждения, в которой протекает реактивный ток возбуждения, создающий сильное магнитное поле. Отдельная обмотка возбуждения конструктивно расположена близко к магнитопроводу СПТ и удалена от силовых первичной и вторичной обмоток, которые не находятся в сильном магнитном поле возбуждения, так как в первичной обмотке СПТ ток возбуждения не протекает. Использование отдельной обмотки возбуждения позволяет локализировать магнитное поле в зоне ее функционирования. При этом магнитное поле резко падает вне обмотки возбуждения, т.е. в области расположения секций силовых СП обмоток трансформатора. Отсутствие тока возбуждения непосредственно в силовых обмотках позволяет создать полностью компенсирующие друг друга первичные и вторичные ампервитки обмоток и уменьшить магнитное поле вокруг этих обмоток, что приведет к уменьшению потерь, увеличению токонесущей способности и мощности СПТ. В СПТ с отдельной обмоткой возбуждения, последняя выполняется автономно на требуемое магнитное поле возбуждения, ее размеры и число витков могут отличаться от тех же параметров первичной силовой обмотки.

В отличие от силовых обмоток, обмотка возбуждения может быть изготовлена из другого СП материала, выполнена криорезистивной или из обычного проводникового материала и функционировать в теплой зоне (300 К) вместе с ферромагнитным или неферромагнитным магнитопроводом трансформатора. В зависимости от схемы соединения отдельной обмотки возбуждения, СПТ с локализованным магнитным полем могут быть разделены на СПТ независимого, параллельного и смешанного возбуждения. В СПТ независимого возбуждения отдельная обмотка возбуждения питается от независимого источника реактивной мощности. В СПТ параллельного возбуждения отдельная обмотка возбуждения непосредственно соединена параллельно с первичной силовой обмоткой или имеет с ней автотрансформаторную связь. СПТ смешанного возбуждения имеет две отдельные обмотки возбуждения, которые параллельно и последовательно соединены непосредственно с первичной силовой обмоткой. В этом случае отдельные обмотки возбуждения могут иметь с первичной обмоткой трансформаторную связь. В СПТ с пульсирующим и вращающимся магнитным полем локализация магнитного поля рассеяния силовых обмоток достигается плотной намоткой витков (коэффициент заполнения обмоток К3.об. = 1) локализированным многожильным сверхпроводящим проводом (ЛМЖСПП) или неплотной намоткой витков МЖСПП.

ЛМЖСПП обладают максимальной токонесущей способностью при минимальных потерях и расходе сверхпроводникового материала. Особенностью такого провода является то, что каждая СП жила в нем находится в собственном магнитном поле, создаваемом током самой жилы и локализированном в ее окрестности.

Взаимное влияние внешних магнитных полей, создаваемых токами остальных СП жил, в ЛМЖСПП сведено к минимуму. Поэтому токонесущая способность каждой СП жилы провода определяется собственным магнитным полем и ее собственными параметрами. Оптимальной формой ЛМЖСПП следует считать цилиндрическую форму провода. СПТ с плотными силовыми обмотками, в качестве проводникового материала витков которых могут быть использованы ЛМЖСПП, наиболее полно будут удовлетворять основным требованиям, предъявляемым к сверхпроводящему электроэнергетическому оборудованию нового поколения, значительно улучшат энерго- и ресурсосберегающие показатели СПТ традиционного исполнения [1].

Неплотные силовые обмотки СПТ с МЖСПП выполняются с шагом намотки витков, определяемым из условия максимального ослабления магнитной связи между витками. Каждый виток обмотки в таком СПТ находится в собственном, локализированном в его окрестности, магнитном поле, создаваемом протекающим через него током. Отсутствие внешнего магнитного поля, создаваемого остальными витками СП обмотки трансформатора, резко увеличивает токонесущую способность витка и всей обмотки, существенно уменьшает потери в них.

СПТ с неплотно выполненными силовыми обмотками с МЖСПП также имеют преимущества перед СПТ традиционного исполнения, но уступают по технико-экономическим показателям перспективным СПТ с плотными обмотками с ЛМЖСПП.

СПТ с вращающимся магнитным полем выполняются с локализированным магнитным полем возбуждения и рассеяния. Такие СПТ могут быть использованы для преобразования величины уровня напряжения, частоты, числа фаз. Локализированное магнитное поле в них, по аналогии с СПТ с пульсирующим магнитным полем, достигается применением отдельной обмотки возбуждения, плотных силовых обмоток с ЛМЖСПП или неплотных силовых обмоток с МЖСПП. Вращающееся магнитное поле возбуждения может быть создано не только с помощью трехфазного переменного тока, но и постоянным электрическим током при пространственном переключении элементов СП обмотки на основе бесконтактного полупроводникового переключателя [1].

Сверхпроводящие обмотки СПТ с вращающимся магнитным полем конструктивно выполняются по аналогии с замкнутыми обмотками электрических машин. Замкнутая распределенная СП обмотка трансформатора состоит из последовательно соединенных секций, витки которых располагаются на цилиндрической поверхности железного магнитопровода в пазах. Каждая секция такой обмотки соединяется с соответствующим полупроводниковым переключателем управляемых полупроводниковых коммутаторах (УПК).

СПТ с вращающимся магнитным полем могут быть выполнены многообмоточными. При этом УПК могут быть присоединены отдельно к первичным или вторичным обмоткам, а также к обеим обмоткам СПТ. К СПТ с вращающимся магнитным полем относится СПТ постоянного тока, назначением которого является преобразование постоянного напряжения одной величины (большей или меньшей) с помощью УПК.

Применение бесконтактных, регулируемых СПТ постоянного тока открывает широкие перспективы для использования их в электроэнергетических системах постоянного тока.

На основе СПТ с вращающимся магнитным полем могут быть выполнены выпрямители для преобразования, с помощью полупроводниковых переключателей, входящих в УПК, переменного m-фазного напряжения (обычно m = 3) в постоянное регулируемое напряжение. Назначением инверторов на основе СПТ с вращающимся магнитным полем является преобразование постоянного напряжения в переменное m-фазное напряжение, осуществленное также полупроводниковыми переключателями, входящими в УПК [1].

Трехфазные преобразователи частоты на основе СПТ с вращающимся магнитным полем предназначены для преобразования трехфазного напряжения одной частоты в напряжение другой частоты [1]. Как и в случае с трансформаторами постоянного тока, выпрямителями и инверторами, такое преобразование осуществляется с помощью полупроводниковых переключателей, входящих в трехфазный УПК.

СПТ с пульсирующим магнитным полем выполняются с магнитопроводом стержневой, броневой или тороидальной конструкции, с железом или без него. В случае выполнения магнитопровода без железа, в СПТ с пульсирующим магнитным полем возникает необходимость применения отдельной обмотки возбуждения для создания основного магнитного поля трансформатора.

1.4. Криогенная техника для охлаждения сверхпроводниковых устройств Коэффициент полезного действия криогенных установок неизменно улучшается на протяжении многих лет. Однако, КПД криоустановок для ВТСП устройств, так называемых криокулеров, как правило, составляет менее 20 %.

КПД цикла Карно равен где T1 - температура окружающей среды (300К); T2 - рабочая температура (77К).

В идеальном случае, когда КПД криокуллера равен 100%, С 34,5%. Как правило, КПД криокулеров не превышает 20%, следовательно, общий КПД системы охлаждения равен 7%.

Криокулеры, работающие в температурном диапазоне от 4 до 80 К, делятся на 2 группы:

– рекуперативные (стационарное течение), примерами являются установки, использующие циклы Джоуля – Томпсона, Брайтона, Клода.

– регенеративные (пульсирующее течение), примерами являются установки с циклами Стирлинга, Гиффорда-МакМагона, пульсационные трубы.

Последние представляют наибольший интерес с точки зрения применения в силовых электротехнических устройствах.

На данный момент чрезвычайно перспективными представляются работы по созданию пульсационных труб, работающих по циклу Стирлинга, что позволит достичь более высокого КПД, чем для криокулеров, работающих по циклу Гиффорда-МакМагона. В США и Японии проектируются пульсационные трубы с холодопроизводительностью при 77 К в 5 кВт и даже в 20 кВт [23].

Компания Stirling Cryogenics предлагает широкий модельный ряд криокулеров с механическим приводом, работающих по циклу Стирлинга, КПД которых более чем в 1,5 раза выше, чем у криокулеров, работающих по циклу ГиффордаМакМагона. Отличительной особенностью криокулеров Stirling Cryogenics является их модульная конструкция, если криокулер типа LPC-1RL состоит из одного модуля с холодопроизводительностью в 1 кВт при температуре 77 К, то криокулер LPC-8RL включает в себя восемь таких модулей, и его холодопроизводительность при 77 К достигает 8 кВт. За счет модульности достигается удобство в монтаже и техническом обслуживании [23]. Компания Stirling Cryogenics разработала несколько семейств криокулеров с различными рабочими температурами и схемами охлаждения, что позволяет найти оптимальное криогенное решение для охлаждения практически любого ВТСП электротехнического устройства. Семейство криокулеров LPC FF предназначено для создания систем циркуляционного охлаждения, в которых жидкий азот с температурой 65-77 К под давлением прокачивается через охлаждаемый криостат. Помимо криокулера в состав системы циркуляционного охлаждения входят буферный бак, газификатор и криогенный насос для создания избыточного давления (рисунок 1.11). Криокулеры LPC FF успешно используются для охлаждения нескольких ВТСП кабелей [23].

Рисунок 1.11 – Внешний вид системы циркуляционного охлаждения Stirling LPCFF (1700 Вт при 77 К) Криокулеры серий LPC RL и LPC T RL используются для реконденсации азота и неона. Криокулеры LPC T RL выполнены в двухступенчатом исполнении, за счет чего достигается рабочая температура в диапазоне 26-36 К (для серии LPC RL рабочая температура составляет 65-77 К). Конструктивно обе серии криокулеров достаточно близки, с охлаждаемым криостатом они соединяются через криогенный трубопровод большого сечения, по которому испарившийся газ поступает в реконденсатор криокулера, а сжиженный газ самотеком стекает обратно в криостат. Криокулеры серии LPC RL широко используются для охлаждения ВТСП токоограничителей и других ВТСП устройств с рабочей температурой 65-77 K [23].

Последняя разработка Stirling Cryogenics – криокулеры серии GPC предназначены для охлаждения до температуры 20-30 К путем принудительной циркуляции теплообменного газа (гелий). Криокулеры серии GPC имеют двухступенчатое исполнение, каждая из ступеней заканчивается теплообменником для охлаждения теплообменного газа, циркуляция которого по двум замкнутым контурам осуществляется при помощи криогенных насосов. Температура теплообменного газа в первом контуре составляет 80 К, а во втором – 20-30 К. Криокулеры серии GPC предназначены для охлаждения сверхпроводниковых электрических машин и трансформаторов.

В таблице 1.6 приведены основные характеристики криокулеров различных производителей, для криокулеров двухступенчатого исполнения указано два значения. Для криокулеров Stirling Cryogenics указаны характеристики самой маломощной и самой мощной модели в серии (параметры в скобках).

Таблица 1.6 – Характеристики криокулеров Марка криокулера Рабочая тем- Холодопроизводи- Потребляемая Stirling cryogenics 77 K LPC-1FF(LPC-8FF) Stirling cryogenics 77 K LPC-1RL(LPC-8RL) Мощность криокулера определяется суммарными теплопритоками в криостат и тепловыделениями в самом криостате из-за потерь на гистерезис и вихревые токи. Уменьшение теплопритоков в криостат достигается за счет совершенствования тепловой изоляции, представляющей собой комбинацию тепловых экранов и вакуумирования. Оптимизация теплопритока в криостат через опорные и поддерживающие части достигается за счет уменьшения их сечения и использования материалов с небольшой теплопроводностью.

Теплопритоки через токовводы составляют значительную часть от суммарных теплопритоков, поэтому токовводы обычно изготавливаются из бронзы, обладающей меньшей теплопроводностью по сравнению с медью.

1. Открытие ВТСП впервые с момента открытия явления сверхпроводимости создало серьезные перспективы для широкомасштабного использования сверхпроводимости в большой энергетике.

2. Наиболее подходящим СП проводом для использования в трансформаторах на данный момент является ВТСП провод второго поколения на основе иттриевой керамики, который обладает максимальной плотностью тока и относительно устойчив в сильных электромагнитных полях.

3. В различных научных центрах активно ведутся исследования по использования ВТСП в электроэнергетике. Испытанные прототипы показали свою состоятельность с технической точки зрения и позволили уточнить характеристик проводов, которые должны быть достигнуты для трансформаторов, имеющих экономические, технические и экологические преимущества.

4. Однако, исследований, посвященных влиянию СПТ на ЭЭС, в частности на электромагнитные и электромеханические переходные процессы, было проведено мало или не проведено вообще.

2. НАГРУЗОЧНЫЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫ СВЕРХПРОВОДНИКОВЫХ

ТРАНСФОРМАТОРОВ

Необходимо рассмотреть потери, возникающие в СПТ, механизмы их возникновения, и провести сравнение с потерями в традиционном трансформаторе.

При использовании ВТСП проводов в обмотках СПТ изменяются их габариты. Как следствие изменяется энергия магнитного поля рассеяния, заключенная в обмотках, что в свою очередь сказывается на реактивное сопротивление трансформатора. Необходимо оценить изменение реактивного сопротивления СПТ относительно традиционного трансформатора с медными обмотками.

Для оценки влияния СПТ на нормальные режимы работы необходимо оценить влияние СПТ на уровень напряжения, на перетоки мощностей, величину потерь и т.д. Также необходимо рассмотреть на изменение массогабаритных показателей трансформатора в случае использования СПТ.

2.2. Параметры схемы замещения сверхпроводникового трансформатора Трансформаторы имеют значительные сопротивления и влияют на потери энергии в сети, на отклонения напряжения у потребителей и поэтому должны учитываться при расчетах и анализах работы электрических сетей.

Средством, облегчающим исследование электромагнитных процессов в электротехнических устройствах, является схема замещения, которая отражает физические процессы, протекающие в устройстве. На рисунке 2.1 приведена Гобразная схема замещения трансформатора, наиболее часто используемая в практических расчетах установившихся режимов ЭЭС.

Рисунок 2.1 – Г-образная схема замещения трансформатора На схеме замещения активное сопротивление RT отражает тепловыделения при протекания тока по проводам обмоток трансформатора, ХT – индуктивное сопротивление рассеяния, зависящее от геометрических параметров обмоток, активная проводимость G отражает потери активной мощности в магнитной системе трансформатора, реактивная проводимость B пропорциональна намагничивающей мощности трансформатора. Уточним параметры схемы замещения сверхпроводникового трансформатора.

Сверхпроводники обладают нулевым активным сопротивлением в сверхпроводящем состоянии, поэтому активное сопротивление в схеме замещения сверхпроводникового трансформатора равно нулю RT 0.

Как было показано в п. 1.2 толщина ВТСП ленты второго поколения обладают малой толщиной (около 1 мм) при большой плотности тока, на 2 порядка превышающей плотность тока в обычном медном проводе. Это приводит к тому, что при намотке витков обмотка СПТ становится более узкой по сравнению с обмоткой традиционного трансформатора [24]. Т.е. обмотка СПТ занимает меньший объем. Определим уменьшение индуктивного сопротивления СПТ относительно индуктивного сопротивления обычного трансформатора в предположении равенства числа витков обмоток, поперечного сечения стержня магнитопровода и высоты витка обмотки.

На рисунке 2.2 приведен схематичный вид обмотки низкого напряжения (НН), высокого напряжения (ВН) и диаграмма распределения индукции поля рассения.

Рисунок 2.2 – К расчету индуктивного сопротивления трансформатора Индуктивное сопротивление рассеяния определяется выражением [25] где f - частота;

w - число витков;

1 - коэффициент Роговского;

D12 - диаметр средней линии между первичной и вторичной обмотками;

12 - зазор между первичной и вторичной обмотками;

b1 - ширина первичной обмотки;

D1 - средний диаметр первичной обмотки;

b2 - ширина вторичной обмотки;

D2 - средний диаметр вторичной обмотки;

h - высота обмотки.

Для СПТ индуктивное сопротивление обозначится В предположении равенства тока, протекающего по витку обмотки и в предположении того, что используется провод с прямоугольным сечением где j м и jсп - плотности тока в медном и СП проводах соответственно;

a пр. м и aпр.сп - высота медного и СП проводов соответственно;

bпр. м и bпр.сп - ширина медного и обычного провода.

Полагая, что aпр.сп aпр. м где k показывает степень увеличения плотности тока.

здесь nсл.ш1 и nсл.ш 2 число слоев по ширине в первой и второй обмотках соответственно.

В силу того что D12М D1М D2М D12СП D1СП D2СП Таким образом, индуктивное сопротивление СПТ уменьшается пропорционально увеличению плотности тока. Как известно, чем выше номинальное напряжение и больше мощность трансформатора, тем выше напряжение короткого замыкания: мощные трансформаторы с напряжением 110-500 кВ – в пределах 10В СПТ этот параметр при численном решении равен 3-6% для соответствующих мощностей традиционных трансформаторов. С одной стороны, уменьшение индуктивного сопротивления приводит к увеличению уровней токов короткого замыкания, которые необходимо снижать. Но с другой, величину тока КЗ, протекающего через СПТ, можно снизить использованием функции ограничения тока КЗ, за счет «переключающего режима» сверхпроводника, обусловленного резко нелинейной вольт-амперной характеристикой (ВАХ) ВТСП провода. Данный вопрос исследуется ниже.

Параметры поперечной ветви схемы замещения СПТ имеют несколько меньшее значение в силу общего уменьшения габаритов трансформатора, и зависит в частности от варианта исполнения криостата (рисунок 2.3).

Рисунок 2.3 – Варианты исполнения криостатов Использование отдельных криостатов для каждой фазы приводит к увеличению размеров магнитной системы, и, как следствие, к увеличению потерь в стали. Общий криостат на все три фазы уменьшает размер магнитной системы, уменьшая при этом потери в стали.

магнитопровода стали использовать аморфную электротехническую сталь, обладающую существенно меньшими потерями.

2.3. Векторная диаграмма сверхпроводникового трансформатора и влияние Т-образная схема замещения трансформатора, более подробно описывающая электромагнитные процессы в трансформаторе, приведена на рисунке 2.4.

Рисунок 2.4 – Т-образная схема замещения трансформатора На основании схемы замещения можно записать уравнения трансформатора, представляющие собой баланс напряжений и электродвижущих сил (ЭДС), которые действуют в каждой обмотке [27] Уравнения трансформатора могут быть решены аналитическим или графическим методом. Графический метод решения основан на построении векторных диаграмм. Он является более наглядным и часто используется для качественного анализа различных режимов работы трансформатора.

В целях придания векторной диаграмме практического назначения, в силовых трансформаторах, работающих в режимах близких к номинальной нагрузке, пренебрегают током IМ, т.е. считают, что I1 = –I2. При таком допущении схема замещения трансформатора приобретает вид, приведенный на рисунке 2.5 [28].

Рисунок 2.5 – Упрощенная схема замещения трансформатора Схема представляет собой простейшую цепь, состоящую из последовательно соединенных сопротивлений: Z1=r1+jx1, Z'2=r2+jx'2, ZH. Напряжение на выводах трансформатора где U – падение напряжения на трансформаторе.

Соответственно упрощенной схеме замещения на рисунке 2.6 построены упрощенные векторные диаграммы при активно-индуктивной нагрузке.

Рисунок 2.6 – Упрощенные векторные диаграммы обычного трансформатора(а) и Из диаграмм видно, что в случае со сверхпроводниковым трансформатором падение напряжения имеет меньшее значение из-за отсутствия активного сопротивления и меньшего значения индуктивного сопротивления, что положительно сказывается на уровень напряжения.

Зависимость напряжения на вторичной обмотке трансформатора от тока нагрузки U2 = f(I2) при U1 = const и cos 2 = const называется внешней характеристикой. Из (2.6) следует, что с изменением тока во вторичной обмотке (тока нагрузки I2) напряжение на вторичной обмотке изменяется. Значение напряжения на вторичной обмотке определяется в большей степени не падением напряжения, а потерей напряжения в обмотках. Потеря напряжения есть арифметическая разность между первичным и приведенным вторичным напряжением и определяется по выражению трансформатора и СПТ с UКЗ.М = 10,5% и UКЗ.СП = 5% соответственно при cos=0,8.

Рисунок 2.7 – Внешние характеристики обычного трансформатора (1) и СПТ(2) На величину падения напряжения также влияет характер нагрузки (активноиндуктивный, активно-емкостной). На рисунке 2.8 приведена зависимость изменения напряжения трансформатора мощностью 40 МВА от характера нагрузки.

Рисунок 2.8 – Изменение напряжения в зависимости от характера нагрузки для Таким образом, СПТ положительно влияет на уровень напряжений, вызывая меньшее падение напряжения. Или другими словами в случае с СПТ изменяется коэффициент трансформации трансформатора (уменьшается). Это обстоятельство позволяет либо отказаться от использования устройства регулирования под нагрузкой (РПН) либо использовать устройство РПН с меньшим количеством ответлений.

При изменении коэффициента трансформации одного трансформатора изменяются как первичное, так и вторичное напряжения. Обычно первичное напряжение изменяется незначительно, т.к. его изменение связано только с изменением потока реактивной мощности в трансформаторе. Если коэффициент трансформации повышающего трансформатора изменяется так, что выпуск реактивной мощности в сеть растет, то напряжение на высшей стороне увеличивается незначительно. Изменение потока реактивной мощности только в одном трансформаторе не может существенно изменить напряжение в основной сети. Напряжение на вторичной стороне заметно изменится в соответствии с изменением коэффициентом трансформации. Массовое изменение коэффициента трансформации может существенно изменить уровень напряжений в основной сети. Одновременной массовое и одинаковое изменение коэффициента трансформации у всех повышающих и понижающих трансформаторов приводит к лишь незначительному изменению вторичных напряжений при существенном изменении первичных напряжений в сети. При массовом внедрении трансформаторов с измененным коэффициентом трансформации необходимо исходить из поддержания на вторичной стороне оптимального напряжения [29].

2.4. Потери в сверхпроводниковом трансформаторе При протекании переменного тока по ВТСП проводу в последнем возникают различные потери. Существуют теории и инженерные формулы для описания этих потерь, например [30] и [31]. Также существует методика, описанная в [32], для проводов круглого сечения. Все эти теории объединяет то, что потери зависят от направления и величины переменного магнитного поля и от протекающего тока. Рассмотрим основные составляющие потерь в СПТ с обмотками на основе ВТСП проводов второго поколения Переменное магнитное поле вызывает потери в ВТСП проводах. В зависимости от источника магнитного поля потери могут быть разделены на потери от собственного поля и потери от внешнего поля. Потери от собственного поля вызываются собственным магнитным полем протекающего тока, а потери от внешнего поля вызываются полями рассеяния обмоток.

В качестве формулы для вычисления потерь от собственного поля может быть использована формула, приведенная в [33] где PСП - потери от собственного поля; I t - транспортный ток; I C - критический ток; 0 - магнитная проницаемость вакуума; f - частота.

Транспортный ток I t - максимальный ток в каждом проводнике. Для первичной обмотки где I ВН max - максимальный ток в первичной обмотке; nВН - число проводов в витке.

Стоит отметить, что выражение (2.1) приведено для единичного провода. В витке, набранном из параллельных проводов, меняется распределение магнитного поля внутри витка и реальные потери отличаются от потерь, вычисленных по формуле (2.1). Полные потери от собственного поля где nслВН и nслНН - число слоев в первичной и вторичной обмотках соответственно;

k - коэффициент, учитывающий увлечение потерь при параллельной намотке проводов.

В [34] показано изменение потерь в зависимости от конструкции, числа параллельных проводов, так для 25 параллельных проводов потери увеличиваются в 50 раз. На рисунке 2.9 приведена зависимость коэффициента увеличения потерь от числа параллельных проводов.

Рисунок 2.9 – Зависимость коэффициент увеличения потерь от числа проводов, Переменное магнитное поле вызывает потери от внешнего поля в ВТСП проводах. Вследствие большой анизотропии, магнитное поле, перпендикулярное поверхности ВТСП ленты (см. рисунок 2.10) приводит к значительно большим потерям, чем потери, создаваемые параллельным полем, и носят превалирующий характер.

Рисунок 2.10 – К определению составляющих магнитного поля Потери на гистерезис от внешнего поля, созданные перпендикулярной составляющей, определяются выражением [35] (на единицу длины) здесь b - ширина образца; BC 0 I C /(b) - критическое поле.

Для определения потерь на гистерезис в сверхпроводниках в продольном поле используется выражение [36] где B p 0 jC t, здесь t - толщина ВТСП ленты.

Потери на вихревые токи, наведенные в нормальных слоях ВТСП провода вычисляются по выражению [37] Вихревыми потерями, вызванными продольной составляющей поля можно пренебречь из-за формы проводов.

Общие потери от внешнего магнитного поля как сумма потерь в каждом витке обмотки где l В - длина витка.

Теплопритоки в криостат трансформатора через вводы вычисляются по выражению где I - ток, протекающий по вводам;

Ввод - удельное сопротивление ввода;

AВвод - площадь поперечного сечения;

Ввод - коэффициент теплопроводности материала ввода;

Нужно отметить, что через стенки криостата также происходят теплопритоки. Согласно [33] теплопритоки для криостата, выполненного из стеклопластика, составляют около 2 Вт/м2.

Суммарные потери в СПТ где Криокулер - КПД криокулера.

Расчет потерь в СПТ представляет собой довольно трудную задачу и в целях упрощения целесообразно задаваться некоторой простой функцией. Так в [38] приведены выражения для отыскания потерь в СПТ относительно потерь в обычном трансформаторе.

Потери в традиционном трансформаторе при номинальной нагрузке равны о.е.

здесь P - нагрузка, протекающая через трансформатор;

0,09 – потери холостого хода.

Для СПТ относительно потерь в традиционном трансформаторе [38] здесь P - нагрузка, протекающая через трансформатор;

0,08 – потери холостого хода.

На рисунке 2.11 показаны зависимости потерь в обычном и сверхпроводниковом трансформаторах, полученные по (2.15) и (2.16).

Рисунок 2.11 – Потери в обычном и СП трансформаторах: 1 – обычный трансформатор; 2 – СПТ; 3 – два обычных трансформатора; 4 – два СПТ Нагрузка, при которой целесообразно отключать один из трансформаторов определяется условием равенства потерь мощности при k и k–1 трансформаторах.

Потери для k–1 трансформаторов Граница интервалов находится как точка пересечения кривых для k и k– трансформаторов. Граничная мощность [39]

S K S НОМ

Причем, потери в одном СПТ могут быть меньше, чем потери в двух обычных трансформаторах (при коэффициенте загрузки 1) 2.5. Параллельная работа с обычным трансформатором Для параллельной работы двух трансформаторов требуется равенство напряжений короткого замыкания, первичных и вторичных напряжений, тождественность групп соединений обмоток. Как было показано выше СПТ обладает меньшим импедансом. Достичь равенства напряжений короткого замыкания СПТ и традиционного трансформатора возможно было бы созданием дополнительного канала рассеяния. Однако, эта мера приводит к снижению величины критического тока, из-за увеличения поля рассеяния, что, следовательно, делает нецелсообразным использование данной меры [40]. Более того, необходимо максимально уменьшать поле рассеяния для повышения экономического эффекта от использования СП проводов в качестве обмоточного материала. Таким образом, параллельная работа СПТ и традиционного трансформатора становится невозможной. В этой связи наиболее целесообразным представляется способ работы, при котором в нормальном режиме включен СПТ, а обычный трансформатор отключен (рисунок 2.12).

Рисунок 2.12 – Параллельная работа СПТ и обычного трансформатора Включение обычного трансформатора производится при возникновении проблем, связанных с возвратом СПТ после устранения короткого замыкания или иных проблем. Очевидно, что установка СПТ на подстанции с двумя трансформаторами целесообразна при замене старого трансформатора, выработавшего эксплуатационный срок службы или при замене поврежденного трансформатора.

2.6. Сравнительный анализ габаритных показателей Удельная единичная мощность трансформатора ограничивается массой, размерами, условиями транспортировки. Так, для крупных трансформаторов с напряжением ВН 500 кВ приходятся изготавливать однофазные трансформаторы в целях транспортабельности трансформатора.

импользование сверхпроводников позволяет снизить массогабаритные показатели трансформатора. Проведем сравнение габаритных показателей СПТ и обычного трансформатора с позиции ЭДС витка трансформатора, т.к. данный параметр непосредственно влияет на объем используемых материалов в трансформаторе.

магнитопровода и обмоток.

ЭДС витка трансформатора определяется следующим выражением [41] где f - частота;

BC - индукция в стержне;

PC - площадь поперечного сечения стержня.

Откуда площадь поперечного сечения стержня Рисунок 2.13 – К расчету габаритов аквтивной части трансформатора Объем магнитопровода, в предположении равенства поперечного сечения стержня и ярма равен Площадь поперечного сечения витка где I - номинальный ток;

j - плотность тока.

Тогда объем обмоток где N - число витков;

a1 и a2 - коэффициенты, показывающие удаленность от края окна магнитопровода до центра соответственно первичной и вторичной обмоток.

Коэффициенты a1 и a2 для каждого трансформатора имеют свое значение и рассчитывались отдельно для каждого случая.

Для трансформатора мощностью 40 МВА ориентировочный диаметр стержня составляет d = 0,6 м, и при индукции в стержне 1,5 Т ЭДС витка равен u В 94 В. Для трансформатора мощностью 80 МВА d = 0,6 м, u В 130 В. Для трансформатора мощностью 125 МВА d = 0,6 м, u В 130 В.

Общий объем активной части трансформатора На рисунках 2.14 и 2.15 приведены зависимости объема активных частей СПТ и обычного трансформаторов от ЭДС витка. Зависимости приведены для трех мощностей 40 МВА, 80 МВА, 125 МВА с соотношением напряжений 115/ кВ.

Рисунок 2.14 – Зависимость объема СПТ от ЭДС витка Рисунок 2.15 – Зависимость объема обычного трансформатора от ЭДС витка Из рисунков видно, что в случае использования СП обмоток объем активной части трансформатора уменьшается на одну треть. В дополнении к этому необходимо отметить, что в случае с СПТ уменьшается объем охлаждающей жидкости вследствие того, что в жидкий азот погружены только обмотки, а магнитопровод функционирует при комнатной температуре. Следовательно, масса СПТ снижается примерно вдвое.

Также, из рисунков видно, что СПТ возможно оптимизировать с позиции наименьшего расхода СП материалов, что позволяет снизить цену СПТ.

В качестве примера по нагрузочному режиму рассмотрим схему электрической сети, которая рассчитывается в курсовом проекте при изучении дисциплины «Электрические системы и сети». Схема сети приведена на рисунке 2. Расчет электрической сети производится в программе расчета потокораспределения NET v 1.1, НГТУ, каф. АЭЭС. Исходные данные, вводимые в программу, и результаты расчетов приведены ниже.

В случае использования обычных трансформаторов.

Параметры расчетной схемы существующей сети (файл network/dat) -----------------------------------S - балансирующий (3), N - узлы нагрузки (1) и генерации (2) (U в кВ, P в МВт, Q в Мвар, G и B в мкСм) ------------------------------------ L - линии электропередачи ( R в Ом, X в Ом, B в мкСм) ------------------------------------N1 N2 R X B ------------------------------------------ T - Трансформаторы (R в Ом, X в Ом, Uн в кВ, Uв в кВ) ------------------------------------------ 201 242.000 0.000 -422.6794 -385.6359 0.0000 -0. 202 228.172 -2.195 -0.0000 -0.0000 0.0000 -0. 203 230.089 -2.298 80.4000 60.4000 0.0000 -0. 204 222.170 -3.812 -0.0000 -0.0000 0.0000 -0. 112 106.160 -9.424 110.6000 93.0000 0.0000 -0. 114 108.053 -8.712 90.4000 75.8000 0.0000 -0. 115 103.049 -10.491 -0.0000 0.0000 0.0000 -0. Баланс по пассивным элементам (+ нагрузка, - генерация):

201 202 -203.5290 -194.3878 199.1304 193.6520 4. 201 203 -219.1504 -191.2480 215.8373 190.3264 3. 203 204 -135.2341 -121.5136 133.8418 129.3115 1. 112 115 -25.8490 -17.8182 25.4395 20.0593 0. 112 12 -60.0830 -52.1905 59.3441 51.0387 0. 114 11 -33.7502 -27.2772 33.2237 28.1270 0. 112 202 198.4930 164.1257 -199.3075 -212.3467 0. 114 204 133.4909 108.5415 -133.8418 -129.3115 0. 31 115 25.4000 18.3000 -25.4395 -20.0593 0. Суммарные потери активной мощности: 12.669364 МВт Сеть состоит из 15 узлов, и 13 ветвей.

В случае использования сверхпроводниковых трансформаторов.

Параметры расчетной схемы существующей сети (файл network/dat) -----------------------------------S - балансирующий (3), N - узлы нагрузки (1) и генерации (2) (U в кВ, P в МВт, Q в Мвар, G и B в мкСм) ------------------------------------ L - линии электропередачи ( R в Ом, X в Ом, B в мкСм) ------------------------------------N1 N2 R X B ------------------------------------------ T - Трансформаторы(R в Ом, X в Ом, Uн в кВ, Uв в кВ) ------------------------------------------ 201 242.000 0.000 -419.2103 -328.3718 0.0000 -0. Баланс по пассивным элементам (+ нагрузка, - генерация):

201 202 -206.7279 -165.8631 202.8333 167.4415 3. 201 203 -212.4824 -162.5087 209.6792 164.5231 2. 203 204 -124.9725 -97.1035 123.9264 107.1865 1. 112 115 -25.7286 -15.9877 25.3999 19.0130 0. 112 12 -59.7057 -48.1637 59.1177 47.7491 0. 114 11 -33.4939 -24.6588 33.0639 25.9747 0. 112 202 207.1165 163.2801 -207.1165 -184.8942 0. 114 204 123.9264 99.3429 -123.9264 -107.1865 0. 31 115 25.4001 18.2999 -25.4001 -19.0130 0. Суммарные потери активной мощности: 9.200519 МВт Из результатов расчетов видно, что в случае использования СПТ снижаются потери как активной, так и реактивной мощности, повышается уровень напряжения. В узлах нагрузок можно добиться желаемого напряжения без помощи устройств регулирования напряжения. Проведенный расчет показывает, что влияние СПТ на нагрузочные режимы работы значительно.

1. Сверхпроводниковые трансформаторы, в силу конструктивных особенности, связанных с архитектурой СП проводов, обладают меньшими индуктивными сопротивлениями. Как следствие, данное обстоятельство вызывает меньшее падение и потерю напряжения на трансформаторе.

2. Активное сопротивление СПТ равно нулю, однако, необходимы затраты мощности на поддержание низкой температуры, или другими словами, на отвод тепла из криогенной области температур в область комнатной температуры.

3. Показано, что потери в одном СПТ могут быть меньше чем потери в двух обычных трансформаторах.

4. Выполнена оценка массогабаритых показателей СПТ, которые снижаются примерно вдвое.

5. Замена большого количества обычных трансформаторов на СПТ может привести к ощутимому увеличению реактивной мощности в сети, и, следовательно, к повышению напряжения в электрической сети.

3. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ В СЕТЯХ, СОДЕРЖАЩИХ СВЕРХПРОВОДНИКОВЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ

Для оценки последствий применения СПТ необходимо оценить электродинамическое и тепловое воздействия тока короткого замыкания в произвольный момент времени. Для решения поставленной задачи нужно создать математическую модель СПТ, позволяющую рассчитывать электромагнитный переходной процесс, и способную адекватно моделировать устройство, учитывая его параметры в нормальном и аварийном режимах и, описывающую динамику изменений этих параметров в ходе процесса перехода в нормальное (резистивное) состояние и возврата в СП состояние. Также имеется потребность в определении возможности ограничения токов короткого замыкания при использовании ВТСП проводов второго поколения в СПТ. Необходимо провести анализ факторов, влияющих на параметры перехода СП проводов в нормальное состояние при КЗ, и факторов, влияющих на параметры возврата после устранения КЗ.

Все термины и определения в части, связанной с КЗ, используем согласно ГОСТ 26522-85 [42].

3.2. Переход в нормальное состояние и возврат в сверхпроводящее состояние Высокотемпературные сверхпроводники являются неидеальными сверхпроводниками второго рода, т.е. переход из сверхпроводящего состояния в нормальное состояние происходит не сразу, а имеется промежуточное смешанное состояние, при котором магнитное поле еще не полностью проникает в тело сверхпроводника. Смешанное состояние существует в пределах от первого критического тока I к1 до второго критического тока I к 2. В этом состоянии ток протекает как по сверхпроводящему слою, так и по несверхпроводящим слоям. ВТСП провод можно представить схемой замещения приведенной на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 – Схема замещения ВТСП провода для СП состояния (а), для смешанного состояния (б) и для нормального состояния (в) Во всех трех режимах активное сопротивление ВТСП провода определяется эквивалентным сопротивлением СП слоя и несверхпроводящих слоев где Rнс - сопротивление несверхпроводящих слоев;

Rсп - сопротивление СП слоя;

I - ток, протекающий по проводнику;

T - температура провода.

Величина сопротивления СП слоя может быть найдена из ВАХ ВТСП материала где N - показатель степени вольт-амперной характеристики ВТСП провода, определяющий качество сверхпроводника;

I к (T ) - критический ток ВТСП провода при температуре T (при температурах свыше 90 К I к (T ) равно нулю.);

I к 0 - критический ток в собственном поле при 77 К.

На рисунке 3.2 ВАХ представлена для постоянного тока.

Рисунок 3.2 – Вольт-амперная характеристика ВТСП Считается, что ВТСП перешел в нормальное состояние, если на проводе длиной 1 см появляется напряжение величиной 1 мкВ.

Тогда активное сопротивление несверхпроводящих слоев определяется как где Rбс - сопротивление буферных слоев;

RAg - сопротивление слоя серебра;

Rм - сопротивление медного слоя;

Rхаст - сопротивление хастеллоя.

На рисунке 3.3 показаны температурные зависимости активных сопротивлений выше представленных металлов.

Рисунок 3.3 – Зависимость сопротивлений металлов от температуры Важнейшим параметром является время возврата после устранения короткого замыкания. Для определения условия возврата в сверхпроводящее состояние во время бестоковой паузы или под нагрузкой необходимо определить количество тепла, выделившееся во время КЗ Увеличение температуры провода вследствие тепловыделения определяется выражением [43] где C - полная теплоемкость провода;

A - площадь поверхности охлаждения;

q - плотность теплового потока, отводимого в жидкий азот с поверхности обмотки.

где Vвтсп и свтсп - объем и удельная объемная теплоемкость ВТСП;

Vхаст и схаст - объем и удельная объемная теплоемкость хастеллоя;

Vбс и сбс - объем и удельная объемная теплоемкость буферного слоя;

VAg и сAg - объем и удельная объемная теплоемкость серебра;

Vм и см - объем и удельная объемная теплоемкость меди.

На рисунке 3.4. приведена зависимость удельной теплоемкости от температуры для различных металлов.

Рисунок 3.4 – Зависимость удельной теплоемкости металлов от температуры На рисунке 3.5 приведена зависимость плотности теплового потока жидкого азота от разницы температуры между охлаждаемой поверхностью (провод) и жидким азотом.

Рисунок 3.5 – Плотность теплового потока в зависимости от разницы температуры между охлаждаемой поверхностью и охлаждающей жидкостью [44] Из рисунка 3.5 видно, что наиболее эффективное охлаждение имеет место в диапазоне разницы температур от 4 К до 30 К в режимах пузырькового и переходного кипений.

Уравнения (3.1), (3.2) и уравнение, описывающее изменение тока, должны решаться совместно. В итоге получаем нестационарное уравнение теплопроводности, которое описывает изменение температуры токоограничивающей части обмотки в зависимости от тока, протекающего по цепи, и времени где T0 - начальная температура (77К).

На основе вышеизложенного в программно-вычислительном комплексе (ПВК) MATLAB реализована программа (см. приложение А) для расчета процессов перехода в нормальное состояние и возврата в СП состояние ВТСП провода второго поколения. Упрощенная блок-схема программы приведена на рисунке 3.6.

В программе рассчитывается величина активного сопротивления, падение напряжения на ВТСП проводе и т.д. Предполагается, что вначале по проводу протекает рабочий ток, в момент времени 0,1 с происходит КЗ длительностью 0,1 с.

Расчеты были проведены для ВТСП проводов производства фирмы SuperPower SCS12050 и SF12050.

Таблица 3.1 – Параметры ВТСП проводов второго поколения Рисунок 3.6 – Блок-схема программы для расчета процессов перехода в нормальное состояние и возврата в СП состояние ВТСП ленты второго поколения На рисунках 3.7 и 3.8 показаны температура и сопротивление проводов при возникновении КЗ и после его устранения. Момент времени 0,1 с соответствует началу КЗ, 0,2 с – его устранению. На рисунке 3.8 показано активное сопротивление провода с длиной равной длине провода, используемого во вторичной обмотке трансформатора мощностью 40 МВА.

Рисунок 3.7 – Температура ВТСП проводов при разных условиях Рисунок 3.8 – Активное сопротивление провода во время и после устранения КЗ В начальный момент перехода из СП состояния в нормальное состояние ударный ток КЗ ограничивается сопротивлением несверхпроводящих слоев, соответствующих температуре 77 К. В дальнейшем в течение КЗ провод разогревается, соответственно температуре увеличивается активное сопротивление.

После устранения КЗ обмотка начинает охлаждаться. Однако, из-за большой разницы температур между обмоткой и жидким азотом плотность теплового потока, соответствующая пленочному кипению (см. рисунок 3.5), невелика и охлаждение провода занимает некоторое время. На рисунке 3.8 резкое снижение сопротивления в момент времени 1,6 с соответствует переходу от пленочного кипения к переходному кипению и далее к пузырьковому кипению. В режиме пузырькового кипения отвод тепла от нагретой обмотки максимален, и СП слой провода быстро охлаждается до критической температуры. Для быстрого возврата трансформатора в СП состояние возможно потребуется принудительная циркуляция жидкого азота, способствующая срыву пузырьковой пленки в режиме пленочного кипения.

В качестве сравнения результатов полученных в ПВК MATLAB на рисунке 3.9 показаны результаты экспериментов, приведенных в [45].

Рисунок 3.9 – Рост температуры при КЗ в разных условиях [45] На рисунке 3.9 (а) – ВТСП лента SCS4050 без изоляции, (b) – та же лента, подвергнутая лазерной абляции, для увеличения шероховатости образца, (с) – отполированная лента, (d) – лента, изолированная каптоном (полиимидная пленка) толщиной 25 мкм с винтовой намоткой, (e) – лента, изолированная каптоном (полиимидная пленка) толщиной 25 мкм с продольной намоткой, (f) – лента, покрытая лаком толщиной 75 мкм.

Примечательно, что время охлаждения лент, изолированных каптоном и лаком, меньше, чем в других случаях. Объясняется это тем, что их поверхность имеет меньшую шероховатость, т.е. большую площадь поверхности охлаждения.

В ПВК MATLAB также рассчитывались параметры перехода провода в предположении, что рассчитываемый провод используется в СПТ мощностью МВА. Предполагалось, что КЗ происходит на отходящем присоединении и устраняется через 0,1 с без отключения трансформатора. При расчетах было определено, что возврат провода в сверхпроводящее состояние после устранения КЗ зависит от соотношений величин тока КЗ и нагрузочного тока после устранения КЗ.

То есть соотношение рабочего тока и тока КЗ с учетом ограничения должно быть таким, чтобы тепло выделившееся во время КЗ не превысило некоторого критического значения, свыше которого для возврата в СП состояние необходимо отключать трансформатор (рисунок 3.10).

Рисунок 3.10 – Критерий возврата обмотки в СП состояние после устранения КЗ 3.3. Математическая модель электромагнитных переходных процессов в цепях содержащих сверхпроводниковые трансформаторы Как было показано в п. 2.1 параметры схемы замещения СПТ имеют отличные значения от параметров схемы замещения обычного трансформатора, что сказывается на электромагнитные переходные процессы. Вместе с тем, при возникновении КЗ, т.е. при превышении тока критического значения, сверхпроводник переходит из СП состояния в нормальное.

Уравнение цепи, представленной на рисунке 3.11, при возникновении КЗ описывается дифференциальным уравнением где Rc и Lс - активное сопротивление и индуктивность системы;

Rт и Lт - активное сопротивление и индуктивность трансформатора.

Рисунок 3.11 – Схема замещения к расчету переходного процесса Решение уравнения (3.9) имеет следующий вид [46] здесь Z к - полное сопротивление короткозамкнутого участка.

Из всего вышеизложенного вытекает общая математическая модель ограничения тока КЗ с помощью трансформатора с ВТСП обмотками, основанная на решении нестационарного уравнения теплопроводности (3.8) и дифференциального уравнения изменения тока короткого замыкания (3.9).

В целях упрощения представления активного сопротивления во время КЗ следует задавать его некоторой элементарной функцией, например, экспоненциальной где Rт.кз - активное сопротивление трансформатора на момент устранения КЗ;

1 - постоянная времени.

Значение 1 в основном зависит от величины тока КЗ, поперечного сечения провода и находится в диапазоне 0,05 0,1с..

В целях упрощения активное сопротивление во время процесса возврата также можно задавать экспоненциальной функцией где Rт.кз - активное сопротивление на момент отключения короткого замыкания;

2 - постоянная времени.

Постоянная времени 2 зависит от режима кипения жидкого азота, величины послеаварийного тока и лежит в диапазоне 1 2 с для случая возврата СП обмотки в СП состояние.

В уравнении (3.9) при подстановке (3.12) и (3.13) получается нелинейное дифференциальное уравнение, решение которого невозможно выразить с помощью элементарных функций, как, например, в [47]. В этой связи данное уравнение целесообразно интегрировать численно, используя программновычислительные комплексы.

Необходимо подчеркнуть, что во время возврата при достижении проводом (обмоткой) критической температуры происходит скачкообразное уменьшение сопротивления. Задавать активное сопротивление в этот момент времени целесообразно линейной функцией.

На рисунке 3.12 приведены кривые токов КЗ в случае использования обычного медного провода и для случая использования ВТСП провода. Расчет токов производился в программном комплексе ATP EMTP.

Рисунок 3.12 – Кривые токов КЗ для обычного и ВТСП проводов Таким образом, ток КЗ ограничивается при использовании СП проводов.

Используя значения токов КЗ с ограничением и без ограничения введем понятие коэффициента ограничения тока короткого замыкания В начальный момент КЗ, как было сказано выше, ударный ток КЗ ограничивается эквивалентным активным сопротивлением обмотки, соответствующем начальной температуре (77К), затем сопротивление вследствие возрастания температуры возрастает. Как следствие апериодическая составляющая тока КЗ в случае со сверхпроводящим проводом затухает быстрее по сравнению со случаем обычного провода, кроме этого, периодическая составляющая тока КЗ ограничивается возрастающим сопротивлением. Однако, после устранения КЗ оставшееся сопротивление ограничивает ток нагрузки. На рисунке 3.12 время возврата длится с момента 0,2 с до 1,6 с. В момент возврата обмотки (провода) в СП состояние происходит всплеск тока, связанный с изменением параметров сети – скачкообразным устранением активного сопротивления. Величина всплеска зависит как от параметров сети, так и от времени (момента) возврата.

Для сравнения приводятся осциллограммы, полученные экспериментально в [17] и [48].

Рисунок 3.13 – Временная зависимость тока при возврате под нагрузкой [17] Рисунок 3.14 – Кривые токов при токоограничении и в процессе возврата [48] Из рисунков 3.13 и 3.14 видно, что предложенная математическая модель хорошо совпадает с результатами экспериментов, проведенных в [17] и [48].

3.4. Определение возможности ограничения токов короткого замыкания Действительный ток короткого замыкания трансформатора в эксплуатации превосходит ток КЗ, определенный по параметрам опыта КЗ, примерно на 37% изза насыщения магнитопровода трансформатора [49]. В условиях снижения реактивного сопротивления активное сопротивление СПТ в аварийном режиме должно обеспечивать необходимый уровень ограничения тока КЗ. Для определения параметров СПТ, проявляющихся при КЗ необходимо спроектировать основные размеры активной части трансформатора. В качестве примера производится приближенный расчет СПТ мощностью 40 МВА с соотношением напряжений 115/ кВ. Используется ВТСП провод второго поколения производства фирмы SuperPower SCS12050 с критическим током I к 300 А в собственном поле и при 77 К.

С учетом того, что I к снижается при использовании на переменном токе рабочий критический ток I к. раб 300 0,5 150 А.