Проектирование силового трансформатора со сверхпроводящими обмотками

Открытие явления сверхпроводимости связано с исследованием электрического сопротивления металлов при низких температурах - вблизи абсолютного нуля (1...10 К). Получение таких низких температур стало возможно после ожижения инертного газа гелия. В 1908 г. в криогенной лаборатории Лейденского университета (Нидерланды) Хейке Камерлинг - Оннесу удалось получить жидкий гелий, а через три года он уже открыл явление сверхпроводимости. Вначале была получена сверхпроводимость ртути, сопротивление которой при температуре 4,2 К резко уменьшалось до столь малой величины, что ее не удавалось обнаружить никаким способом. Температура, при которой возникает сверхпроводимость, была названа критической - ТК. По оценке Оннеса, сопротивление ртути в точке перехода в сверхпроводящее состояние становилось меньше одной миллионной от своего первоначального значения. После этого Оннес показал, что в сверхпроводящее (СП) состояние переходят и другие материалы (металлы). Из 76 металлов периодической системы Д.И. Менделеева к настоящему времени у 42 обнаружена сверхпроводимость [2].

В современной электроэнергетике применение сверхпроводников (СП) с большими плотностями тока является реальным способом внедрения высоких технологий, позволяющим существенно повысить технико-эко-номическую и экологическую эффективность электроэнергетических процессов, улучшить показатели силового электротехнического оборудования.
Сфера применения сверхпроводни¬ков охватывает все виды электротехнических и электроэнергетических устройств: СП генераторы и двигатели, СП трансформаторы (СПТ), СП индуктивные накопители энергии, СП кабели постоянного и переменного тока, СП токоограничители и вы¬ключатели.
Одним из элементов энергетических систем, связанных с другими элементами не только конструктивно, но и единством процессов – это силовые трансформаторы, ока¬зывающие влияние на экономию электрической энергии, надежную, безопасную и эко¬логически чистую транспортировку ее от мест генерации до объектов потребления.

1.1. Краткий очерк развития теории сверхпроводимости
Открытие явления сверхпроводимости связано с исследованием электрического сопротивления металлов при низких температурах - вблизи абсолютного нуля (1...10 К). Получение таких низких температур стало возможно после ожижения инертного газа гелия. В 1908 г. в криогенной лаборатории Лейденского университета (Нидерланды) Хейке Камерлинг - Оннесу удалось получить жидкий гелий, а через три года он уже открыл явление сверхпроводимости. Вначале была получена сверхпроводимость ртути, сопротивление которой при температуре 4,2 К резко уменьшалось до столь малой величины, что ее не удавалось обнаружить никаким способом. Температура, при которой возникает сверхпроводимость, была названа критической - ТК. По оценке Оннеса, сопротивление ртути в точке перехода в сверхпроводящее состояние становилось меньше одной миллионной от своего первоначального значения.
...

1.2. Современные токонесущие элементы на основе высокотемпературных сверхпроводников
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, Bi2Sr2CaCu2Ox (Bi-2212) с критической температурой 80 К или 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.
...

2.1. Конструктивное исполнение
Разновидность конструкций сверхпроводящих трансформаторов в их отдельных элементов значительно шире по сравнению с аналогичными вариантами традиционных силовых трансформаторов. Магнитопровод трансформатора может иметь как «холодное» исполнение (погружен в жидкий азот в месте с обмотками), таки и «теплое» исполнение (работает при температуре окружающей среды). 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 Тл и 100 К), или обычный холоднокатаной электротехнической стали с улучшенными характеристиками.
...

2.2. Основные преимущества
Особенностью работ в области высокотемпературных сверхпроводящих устройств явилась большая доступность создания и испытания небольших моделей по сравнению с низкотемпературными сверхпроводящими (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.
...

2.3. Применение в мире
В настоящее время существуют три основных проекта по созданию ВТСП трансформаторов: в Европе, США и Японии. Работа над ними началась примерно в одно и то же время, и в 1997 году все три были реализованы в опытных образцах. Первым стал трансформатор на напряжение 18,7/0,4 кВ мощностью 630 кВА производства компании «АВВ» при участии американской компании «ASC» (изготовителя ВТСП ленты для обмоток) и французской элек троэнергетической системы «Electrieitc dc France» (EDF). После успешных испытаний упомянутые компании подписали договор, по которому каждая из них выделила по 5 миллионов долларов на разработку компанией «ASС» улучшенного ВТСП провода. Далее «АВВ» сделал трансформатор 10 MBA, a «EDF» установит его в своей сети для проведения полноценных испытании. Дальнейшей целью ставится достижение мощности ВТСП трансформатора 30 МВА, а конечной 100 МВА.
Вторым был испытан трансформатор 500 кВА 6.
...

2.4. Возможность ограничения токов короткого замыкания
Одним из преимуществ применения ВТСП трансформатора выше была заявлена возможность ограничения тока короткого замыкания в аварийном режиме. Ниже рассмотрим физико-математическую сущность возможности ограничения токов КЗ.
При превышении тока, протекающего по обмотке трансформатора, критического тока I, (Г) (критический ток определяется типом провода, величиной радиальной составляющей электромагнитного поля, температурой и величиной протекающего тока) ВТСП провод выходит из сверхпроводящего состояния в нормальное состояние. При этом сопротивление сверхпроводящего слоя в проводе значительно увеличивается, и весь ток вытесняется в другие слои ВТСП провода. Последние в силу небольшого поперечного сечения провода ограничивают ток КЗ.
Основными параметрами токоограничивающей обмотки являются величина ограничиваемого тока, длительность тока КЗ, в течение которого не происходит разрушения обмотки и допустимое увеличение температуры.
...

2.5. Критерий возврата трансформатора в сверхпроводящее состояние после короткого замыкания
Для определения условия возврата в сверхпроводящее состояние во время бестоковой паузы необходимо определить количество тепла, выделившееся во время КЗ
. (2.10)
Увеличение температуры провода вследствие тепловыделения определяется выражением [2]
(2.11)
где - полная теплоемкость провода;
- площадь поверхности охлаждения;
- плотность теплового потока, отводимого в жидкий азот с поверхности обмотки.
,(2.12)
где и - объем и удельная объемная теплоемкость ВТСП;
и - объем и удельная объемная теплоемкость хастеллоя;
и - объем и удельная объемная теплоемкость буферного слоя;
и - объем и удельная объемная теплоемкость серебра;
и - объем и удельная объемная теплоемкость меди.
На рис. 2.5 приведена зависимость удельной теплоемкости различных металлов от температуры.

Рис. 2.5. – Зависимость удельной объемной теплоемкости от температуры
Уравнения (2.10) - (2.
...

2.6. Параметры схемы замещения сверхпроводящего трансформатора
Средством, облегчающим исследование электромагнитных процессов в электротехнических устройствах, является схема замещения. На рис. 2.1 приведены Г-образные схемы замещения трансформатора.

Рис. 2.6. – Г-образные схемы замещения трансформатора
Сверхпроводники обладают нулевым активным сопротивлением, поэтому активное сопротивление в схеме замещения сверхпроводящего трансформатора равно нулю . Однако, наличие переменного магнитного поля вызывает потери на гистерезис и на вихревые токи в СП материале [1]. Эти потери, по сравнению с потерями в обмотках традиционного трансформатора, незначительны.
Как было показано в разделе 1.2, толщина ВТСП ленты второго поколения на 2 порядка меньше ширины, что приводит к тому, что при намотке витков обмотки последняя становится высокой и узкой, по сравнению с обмоткой традиционного трансформатора. Индуктивное сопротивление рассеяния определяется выражением
,(2.
...

2.7. Некоторые аспекты проектирования ВТСП трансформаторов
В настоящее время сверхпроводящие трансформаторы производятся, проектируются с использованием прототипов и тестируются. Однако были проведены некоторые исследования характеристик сверхпроводящих трансформаторов с точки зрения конструкции. В данном разделе разработан сверхпроводящий трансформатор путем значительных изменений его конструкции, а именно изменение величины напряжения на виток или сопротивления утечки, а также сделан выводы о том, как это влияет на такие параметры как размер, масса, потери и стоимость. При сравнении полученных результатов с теми же параметрами традиционных трансформаторов были выделены особенности конструкции сверхпроводниковых трансформаторов.
В настоящее время разрабатываются сверхпроводники для использования при переменном токе. Ожидается улучшение их параметров. Проводятся исследования их применения в электрических устройствах.
...

3.1. Расчет продольных и поперечных параметров трансформатора
Трансформатор представим в виде «Г-образной» схемы замещения. Схема приведена на рисунке 3.1. ниже с обозначением на ней всех продольных и поперечных параметров, которые были описаны ранее. Напряжение первичной и вторичной обмоток обозначены как и соответственно.

Рисунок 3.1 - «Г-образная» схема замещения трансформатора
Приведем основные формулы, которые будут использоваться для определения параметров сверхпроводящего трансформатора.
Полное сопротивление трансформатора
,(3.1)
где – напряжение короткого замыкания;
– номинальное междуфазное напряжение высокой стороны
трансформатора;
–номинальная мощность трансформатора.
Активная составляющая полного сопротивления трансформатора
,(3.2)
где — потери короткого замыкания.
...

3.2. Определение основных параметров ВТСП трансформатора
Для сверхпроводящего состояния принимаем 0. Остальные параметры подлежат расчету.
Мощность трансформатора: =25 МВА.
Напряжения высокой и низкой стороны соответственно: =115 кВ и
Схема соединения обмоток Y/∆.
Определим фазные напряжения высокой и низкой стороны трансформатора.

=10,5 (кВ)
Номинальный (линейный) ток обмотки ВН
(3.7)
=125,511 (А)
Номинальный (линейный) ток обмотки НН
(3.8)
=1374,643 (А)
Фазный ток обмотки ВН (действующее значение)
= -при соединении в звезду.
=125,511 (А)
Фазный ток обмотки НН (действующее значение)
= -при соединении в звезду.
=793,65 (А)
Задаем индукцию в стержне. Рекомендуемая индукция в стержне для трансформатора 25 МВА, марки стали 3405 =1,6 Тл [12]. Магнитная система сверхпроводящего трансформатора аналогична, как и для трансформатора традиционного исполнения.
...

3.3. Сравнительный анализ
Сведем в таблицу 3.3 значения сравниваемых параметров трансформатора традиционного трансформатора. Значение параметров трансформатора традиционного исполнения приведен на основе данных существующего трансформатора.
Ниже сведем в таблицу параметры традиционных трансформаторов с теми же мощностями.
Таблица 3.3
Параметры традиционных трансформаторов
Параметр
Значения
S, МВА
25
16
10
1
Uном, кВ
110/10
110/10
110/10
10/0,4
Ом

4,391
7.67
1.213
,Ом
55,487
86.678
138.65
5.941
,См
1,89*
1.361*10-6
1.059*10-6
2.222*10-5
Продолжение таблицы 3.3
,См
1,04*
8,469*10-4
6,805*
0.013
, кВт
25
18
14
2,45
, кВт
120
85
58
11
,кВАр
1.375*
1,12*
9*
1,4*

0,55
0.7
0,9
1,4

Ниже, для наглядности, приведем различные зависимости, показывающие на сколько улучшаются параметры трансформаторов при различных мощностях.

Рисунок 3.2 – Зависимость активного сопротивления от мощности

Рисунок 3.3 – Зависимость реактивного сопротивления от мощности

Рисунок 3.
...

3.4. Разработка 3D модели ВТСП трансформатора
На основе рассчитанных данных создана 3D модель в среде AutoCAD
(см. рис. 3.8). Для наглядности сделан разрез двух блоков.

Рис. 3.8 - 3D модель ВТСП трансформатора
Обмотки погружены в жидкий азот (окрашен голубым цветом), служащий одновременно и изоляцией, и охлаждающей средой. Сердечник трансформатора работает при температуре окружающей среды, т.к. его охлаждение приведет только к лишним нагрузкам криогенной системы, а не к улучшенным характеристикам. Обмотки термически изолированы от сердечника и окружающей среды с помощью двустенных контейнеров (так называемых криостатов), выполненных из эпоксида, между стенками которых поддерживается вакуум, обеспечиваемый непрерывной работой насоса. На рис. 3.8 можно заметить, что обмотки ВТСП трансформатора имеют меньшую ширину по сравнению с традиционными трансформаторами, это обусловлено меньшей толщиной ВТСП проводников.
...

3.5. Расчет короткого замыкания
Реактивная составляющая не изменится, поскольку оно определяется только геометрией трансформатора. Однако, возникнет активная составляющая напряжения короткого замыкания, связанная с наличием активного сопротивления в обмотках трансформатора при переходе в нормальное состояние.
Проведем 2 аналогичных расчета для температуры 77 К в начальный момент короткого замыкания и для температуры 150 К через 0.1 с и оценим значения тока короткого замыкания для двух случаев.

Активное сопротивление определяется известным выражением
,(3.37)
гдеρ - удельное сопротивление проводника;
l — длина проводника;
S — площадь сечения проводника.
Определим значения активных сопротивлений слоев ВТСП ленты, которые задействуются при переходе в нормальное состояние.
Длина ленты соответствует высоте обмотке . Площадь сечения рассчитывается исходя из толщины слоев, представленных на рисунке 1.2.
...

3.6. Определение механических сил в обмотках и нагрева обмоток при коротком замыкании
Процесс короткого замыкания трансформатора, являющийся аварийным режимом, сопровождается многократным увеличением токов в обмотках трансформатора по сравнению с номинальными токами, повышенным нагревом обмоток и ударными механическими силами, действующими на обмотки и их части. Наибольшую опасность при коротком замыкании представляют для обмоток трансформатора механические силы, возникающие между обмотками и их частями. Их необходимо учитывать при расчете и конструировании обмотки, к деформации или разрыву витков или разрушению опорных конструкций.
...

3.7. Определение размеров пакетов и активных сечений стержня и ярма
Принята конструкция трёхфазной плоской шихтованной магнитной системы, собираемой из пластин холоднокатаной текстурованной стали марки 3405/0,3 мм. Стержни магнитной системы скрепляются бандажами из стеклоленты, ярма прессуются ярмовыми балками.
Выбор числа и размеров пакетов в сечении стержня плоской магнитной системы должен быть сделан так, чтобы площадь ступенчатой фигуры его поперечного сечения, вписанного в окружность, была максимально возможной.
Число ступеней в сечении стержня, толщину пакетов, ширину пластин (пакетов), высоту сегмента принимают по табл. 8.1 ст. 358 [12], в зависимости от диаметра стержня dH. В таблицах указана толщина пакетов, мм, в одной половине стержня. Число и размеры пакетов приведены для двух вариантов вертикальной стяжки магнитопровода (остова): без прессующей пластины и с прессующей пластиной. Стержни с диаметром большим 220 мм прессуют только бандажами из стеклоленты.
...

4. СИСТЕМА КРИООБЕСПЕЧЕНИЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО СВЕРХПРОВОДЯЩЕГО ТРАНСФОРМАТОРА
Полезная модель относится к системам криообеспечения высокотемпературного сверхпроводящего (ВТСП) трансформатора. Система криообеспечения ВТСП трансформатора содержит криостат с ВТСП обмотками, расходные сосуды жидкого азота, систему управления, которая включает блок системы управления, ряд датчиков и электромагнитные клапаны, систему заправки расходных сосудов с транспортным сосудом. При снижении уровня жидкого азота в криостате ниже заданного, подается сигнал на открытие электромагнитного клапана, в результате чего криогенная жидкость из расходных сосудов поступает в криостат. Для определения уровня криогенной жидкости в криостате предусмотрен оптоволоконный измеритель уровня поплавкового типа, подключенный к блоку системы управления. Для непрерывной работы системы используются два расходных сосуда с криогенной жидкостью, работающие попеременно.
...