Информационный портал  "TRANSFORMаторы"

transform.ru :: Сверхпроводящие трансформаторы / М.Ямамото, пожизненный член, ИИЭЭ, М.Ямагучи, старший сотрудник, ИИЭЭ и К.Кайхо, старший сотрудник, ИИЭЭ
 

Сверхпроводящие трансформаторы

М.Ямамото, пожизненный член, ИИЭЭ, М.Ямагучи, старший сотрудник, ИИЭЭ и К.Кайхо, старший сотрудник, ИИЭЭ


 

 

Краткий обзор – достигнуты значительные технологические достижения в области изучения частоты в сверхпроводниках переменного тока, проводятся также исследования, направленные на применение сверхпроводящих (СП) машин переменного тока в электроэнергетике. Следует отметить преимущества сверхпроводящих устройств в энергетике не только благодаря их более высокой эффективности, но также улучшению характеристик и эксплуатационных показателей энергосистем. Проектирование бессердечниковых сверхпроводящих трансформаторов (СПТ) осуществлено в соответствии с вышеперечисленными особенностями. Представлена возможная энергосистема, построенная на основе бессердечниковых СПТ, рассматривается их эксплуатация в будущих энергосистемах.

Основные термины – бессердечниковый сверхпроводниковый трансформатор, ток намагничивания, шунтирующий электрический реактор, ограничитель максимальных токов, сверхпроводник переменного тока, низкотемпературная электрическая изоляция, энергосистема.

 

1.ВВЕДЕНИЕ

Считается, что СПТ имеют преимущества перед традиционными трансформаторами в полной стоимости срока службы благодаря сокращению потерь мощности [1]. Однако КПД обычных трансформаторов в настоящее время уже достаточно высок, поэтому нельзя принимать решение о введении СПТ в существующую энергосистему исходя только из уровня их эффективности; необходимо показать и другие преимущества. Стоит отметить, что СПТ выполнены на основе бессердечниковых СПТ. Преимуществами СПТ являются такие возможности, как ограничение максимальных токов на основе использования нормального перехода сверхпроводящей обмотки, более высокий КПД, уменьшение массы и другие.

В данной статье мы представим изучение необходимой конфигурации сверхпроводников переменного тока с сокращенными потерями и повышенной мощности тока. В качестве примера сверхпроводящего устройства приведена также разработка бессердечникового СПТ с приемлемыми величинами % I о и % IX . Рассматривается также вероятная модель энергосистемы обладающая этими свойствами.

 

2. СВЕРХПРОВОДНИК С МАЛЫМИ ПОТЕРЯМИ И БОЛЬШИМ ТОКОМ

В настоящее время во многих странах предпринимается исследование и разработка преимущественно сверхпроводников переменного тока и применение в энергетике низкотемпературных сверхпроводников (НСП), а также высокотемпературных сверхпроводников (ВТС) [2]-[4]. В качестве примера можно привести проект организации SPI ( Superconductivity Partnership Initiative ) в США.

Что касается высокотемпературных сверхпроводников, то в основном ведутся разработки двух типов ВТС, а именно: Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10 ( BSCCO ) и Y 1 Ba 2 Cu 3 O X ( YBCO ). В настоящее время магниты, выполненные на основе сверхпроводников типа BSCCO , имеют большее распространение применения в современной технике. Однако величина критического тока сверхпроводников BSCCO при температуре жидкого азота значительно меньше при воздействии магнитных полей. Поэтому довольно трудно создать поле порядка от 0,2 до 0,3 Тл необходимое для трансформаторов.

Принимая во внимание настоящий уровень развития техники, низкотемпературные сверхпроводники на основе NbTi и Nb 3 Sn все же могут использоваться. Переменные потери сверхпроводников на основе Nb 3 Sn достаточно велики, следовательно, наиболее предпочтительными для применения в трансформаторах являются сверхпроводники на основе NbTi .

Сверхпроводник большого переменного тока состоит из множества сверхпроводящих многожильных проводов, скрученных между собой. Каждый многожильный провод состоит из десятков тысяч тонких волокон NbTi . Вообще для обмоток обычных машин высоких мощностей используется медный проводник прямоугольного типа. В сверхпроводящих машинах проводник прямоугольного типа используется в случае, когда применяются сверхпроводники Резерфорда. Однако предлагается использовать сверхпроводники переменного тока с круговым поперечным сечением, так как этот тип проводников возможно изготовить без повреждения многожильных проводов. При этом характеристики критического тока практически не меняются.

Такие проводники испытывают воздействие больших электромагнитных сил в аварийных ситуациях, таких как короткое замыкание в энергосистеме. Во избежание этого в качестве сердечника используют закрепленные изолированные немагнитные стальные проводники, например из нержавеющей стали. Вокруг этого сердечника располагают сверхпроводящий многожильный провод по окружности, чтобы достичь равномерного токораспределения и достаточного охлаждения. Такое расположение сходно со сталеалюминиевым кабелем, в котором стальной сердечник отвечает за механическую прочность, а алюминий является проводником.

Максимально допустимый ток проводника можно уменьшить, разместив многожильные провода параллельно, как и в сверхпроводнике. По такому принципу был изготовлен сверхпроводник переменного тока с числом многожильных проводов не более десяти диаметром 0,25 мм. На рисунке 10 представлены результаты его испытания. Катушка #1 была обмотана проводником, состоящим из 3 многожильных проводов, а катушка #2 – из 10 проводов. Внутренний диаметр каждой катушки 32 мм. Переменный ток с затухающими колебаниями частотой 50 Гц в катушках является практически постоянным критическим током. При этом не возникает понижения проводимости тока при параллельном исполнении. Проект сверхпроводника переменного тока класса 3000А при 1Тл был создан на основе результатов этих экспериментов. Его габаритный внешний диаметр составляет 9 мм, а 100 многожильных проводников диаметром по 0,25 мм располагаются внутри него на поверхности изолированного кабеля, состоящего из тонких немагнитных проводов.

Кроме того, необходимо рассмотреть проблему использования кругового сверхпроводника совместно с обмоткой машины. На рисунке 2 изображен пример трансформаторной обмотки. Серповидный желобок выполнен гектически вокруг изоляционного цилиндра. Сверхпроводник переменного тока погружен в этот желобок и пропитан эпоксидной смолой. Такая конструкция характеризуется повышенной механической прочностью, а также более надежной электроизоляцией. Такой результат достигается за счет того, что промежутки между проводником и изолирующими цилиндрами заполнены эпоксидной смолой, тем самым сокращается вероятность частичной разрядки.

3. ДОСТОИНСТВА БЕССЕРДЕЧНИКОВЫХ СПТ

Были рассмотрены достоинства бессердечниковых СПТ, выполненных с использованием наиболее предпочтительных в технике сверхпроводников на основе NbTi . Наиболее очевидные различия между СПТ и обычным трансформатором заключаются в возможности применения бессердечниковой конструкции и явления затухания колебаний сверхпроводящей катушке. Преимущества, реализуемые благодаря этим двум отличиям, рассмотрены ниже.

А. Бессердечниковая конструкция и возбуждаемый ток.

В обычных трансформаторах нецелесообразно удалять сердечник, если % I о возрастает до величины, в несколько раз превышающей номинальный ток. С другой стороны в случае СПТ есть возможность сократить увеличение % I о посредством увеличения количества витков обмотки, учитывая преимущество значительно меньших потерь в сверхпроводнике, по сравнению с медной обмоткой, что будет рассматриваться далее в проекте.

Например, возможно установить значение тока возбуждения % I о равное 1/3 номинального тока. Тогда этот ток можно использовать вместо шунтирующего электрического реактора для компенсации емкостной составляющей в линиях электропередачи и/или кабелях. Понятно, что % IX увеличится, но он будет ограничен в пределах допустимых для работы энергосистемы уровней, как рассмотрено в проекте. Однако в бессердечниковом СПТ используется пластмассовый бак в целях уменьшения потерь рассеяния, которые образуются в результате действия потока рассеяния. При этом удается увеличить % IX .

В. Преимущества использования СПТ без металлического сердечника, вызывающего магнитные нелинейности

Третья гармоника тока отсутствует благодаря бессердечниковой конструкции, не требующей третичной обмотки на приемной стороне трансформатора. Бросок тока не возникает благодаря магнитному насыщению и ложного защитного срабатывания реле не происходит.

С. Сокращение веса

Масса сердечника и держателей составляет около половины общего веса обычного трансформатора. Поэтому масса СПТ без сердечника может быть уменьшена на 50%, хотя точная разница будет зависеть от конструкции.

D . Явление затухания колебаний

Существует две возможности применения явления затухания колебаний в СПТ [5]. Первое - это активное использование затухания колебаний катушки в параллельной работе с обычными трансформаторами. Другая возможность – это предотвращение затухания колебаний катушки в случае неполадок, вызванных большой величиной % IX бессердечникового СПТ.

В первом случае затухание колебаний в СПТ в режиме линейного короткого замыкания, независимо от типа СПТ (с сердечником или без), ток нагрузки подается в обычные трансформаторы, что ведет к их перегрузке. Коэффициент нагрузки редко превышает 75% при обычной работе, значит можно считать, что перегрузка составляет 150%. Срок службы трансформаторов немного сократится за несколько часов работы при перегрузке 150% в соответствии с величиной допустимой перегрузки трансформатора согласно стандарту C 57-92 ANSI / IEEE . Затем за определенное время СПТ может быть переведен из обычного режима в сверхпроводящий. Благодаря меньшей реактивности трансформаторы в масштабе всей энергосистемы меньше влияют на её стабильность.

Во втором случае работа сверхпроводящей энергосистемы не должна быть прервана из-за затухания колебаний в катушке бессердечникового СПТ в аварийном режиме. Токи в сверхпроводящей энергосистеме не намного превысят уровень 1 единицы мощности при аварии вне сверхпроводниковой энергосистемы в предложенной энергосистеме, рассмотренной ниже (рис. 5). В результате суммарная величина % IX бессердечникового СПТ с большим реактивным сопротивлением, генератора и кабеля близка к 100%, соответственно не возникает перегрузки по току, приводящая к затуханию колебаний в катушке СПТ.

Таблица1.

Экспериментальные данные модели бессердечникового авто-СПТ

Трансформатор

#1

Номинальные величины

15 кВА-50Гц-250В/60А-131В/115А

Обмотка

П

О

П+О

П/О

Число витков

493

754

1247

0.654

Индуктивность (мГн)

7 .55

8 . 84

28.72

0.854

Наведённое напряжение (первичной обмоткой) (В)

119

131

250

0.908

Наведённое напряжение (внутренней катушкой) (В)

105

145

250

0.724

Наведённое напряжение (внешней катушкой) (В)

136

114

250

1.19

Напряжение КЗ

62 В

П – последовательно включённая катушка; О – общая катушка.

4. ОСОБЕННОСТИ БЕССЕРДЕЧНИКОВЫХ СПТ

А. Бессердечниковый СПТ

Как правило, в трансформаторах с сердечником число витков в каждой обмотке согласовано с величиной напряжения во время прохождения основного магнитного потока через сердечник. Однако в случае бессердечникового трансформатора, это согласование не выполняется, так как основной магнитный поток проходит в обмотках и внутри них. В таблице 1 и на рисунке 3 представлены результаты испытаний и размеры катушки для модели СПТ. Что касается бессердечникового СПТ, для него необходимо определить величины напряжения, % I о и % IX , зависящие от собственной индуктивности первичной и вторичной обмоток; L 1 и L 2 и их взаимоиндукцию M , используя следующие формулы [6].

1) Двухобмоточный трансформатор

Первичное напряжение V 1 и вторичное V 2 при отсутствии нагрузки рассчитываются следующим образом

(1)

(2)

Напряжение короткого замыкания первичной обмотки V 1 S находится по формуле

(3)

2) Автотрансформатор

(4)

(5)

(6)

где L S и L C - это собственные индуктивности последовательной и общей обмоток соответственно, а M – это взаимная индуктивность обмоток. Для проверки расчетов была создана модель СП трансформатора. Расчетные значения наведенного напряжения, % I о и % IX примерно соответствуют экспериментальным данным (таблица 1). Было рассмотрено принципиальное устройство бессердечникового СПТ с фактическими значениями параметров, описанными ниже, которые могут быть рассчитаны по вышеприведенным уравнениям. Изоляционное расстояние в конструкции такое же, как и в системе, погруженной в масло. То есть, мы полагаем, что электрическая прочность изоляционного диэлектрика на основе жидкого гелия, без частичной разрядки, такая же или даже лучше, чем в масляной изоляционной системе [7]-[9]. Выходным напряжением пренебрегаем, так как оно включено в технико-экономическое обоснование.

B . Повышающий бессердечниковый СПТ

Бессердечниковые СПТ меньше по размеру и, кроме того, позволяют сократить величину полных потерь. Для нахождения приемлемых величин % I о , % IX и этих потерь было проведено исследование. Синхронное реактивное сопротивление X d генераторов большой мощности обычной энергосистемы составляет от 150 до 200%. С другой стороны сверхпроводящие генераторы имеют низкое значение X d , составляющее 1/3 по сравнению с обычными генераторами. Поэтому устойчивость энергосистемы может быть обеспечена даже при величине % IX понижающих трансформаторов составляющей около 50%. Итак, принципиальное устройство разработано и принято, что % I о и % IX составляют соответственно 33% и 50%. С целью уменьшения % IX можно разделить обмотки НН (низкого напряжения) и ВН (высокого напряжения) на группы витков и перемежать их концентрически. Чем больше число делений обмотки, тем меньше величина % IX , однако, наиболее практично расположение обмоток, изображенное на рисунке 4. В таблице 2 приведены параметры варианта понижающего бессердечникового СПТ 3ф - 50Гц - 1000 M ВА – 22 кВ – 138 кВ. Размещение обмоток по схеме Н-В-Н (рис. 4(а)) обеспечивает необходимые значения % I о и % IX , рассмотренные ранее, а так же при необходимости возможно понизить величину % IX до 25%, расположив обмотки по схеме Н-В-Н-В (рис. 4( b )).

Общие потери рассматриваемого трансформатора составляют около 2000 кВт, если считать, что потери сверхпроводника переменного тока определяются как 25 кВт/м 3 на 1 Тл, 50 Гц и 1/600 мощности охлаждающего устройства. Эти потери значительно меньше потерь, составляющих приблизительно 3000 кВт у обычных трансформаторов напряжением от 345 до 550 кВ. Более того, благодаря большому значению % I о, можно не использовать шунтирующий электрический реактор.

C . Понижающий трансформатор

Чаще всего автотрансформаторы используются на приемной стороне крупных линий электропередач. Собственная мощность автотрансформатора уменьшается в зависимости от коэффициента: ( V 1 - V 2 )/ V 1 по отношению к номинальной мощности ( V 1 I 1 или V 2 I 2 ) трансформатора, где V 1 и V 2 - это напряжения на зажимах ВН и НН. Чем меньше разница между V 1 и V 2 , тем меньше этот коэффициент. Падение напряжения, обусловленное током нагрузки, возникает только в последовательной обмотке и также понижается при уменьшении разницы напряжений между двумя обмотками. То есть и % I о и % IX автотрансформатора имеют меньшие значения по сравнению с обычными двухобмоточными трансформаторами, а так же позволяют легко реализовать бессердечниковый вариант.

В качестве примера был разработан проект бессердечникового авто-СПТ со следующими параметрами: 3ф – 50 Гц – 1000 МВА – 132/69 кВ (таблица 2). Обмотки имеют концентрическое расположение, при этом последовательная обмотка размещается внутри, а общая обмотка – снаружи. При таком расположении достижение величинами % I о и % IX значений 33% и 25% соответственно оказалось возможным.

Таблица 2.

Проект понижающего и повышающего бессердечниковых СПТ

Трансформатор

Повышающий

Понижающий(автотрансформатор)

Номинальные величины

3ф-50Гц-1000МВА-22/138 кВ

3ф-50Гц-1000МВА-132/69 кВ

Катушка

Многоцентрическая обмотка со статическими экранами

 

Габаритные размеры катушки

Внутренний диаметр

1100

900

Внешний диаметр

1632

1280

Высота

2400

2050

% I0

33%

%I x

45%

25%

Полные потери

Около 2000

Около 1500

5. БУДУЩАЯ ЭНЕРГОСИСТЕМА

Пример возможной энергосистемы представлен на рисунке 5, где приведена гибридная система, состоящая из обычного и сверхпроводящего устройства. Предполагается, что сверхпроводниковые машины будут введены в существующую энергоситему поэтапно [10]. Объединение обеих энергосистем, имеющих разные электрические параметры, выполнено на приемной стороне.

В сверхпроводящей энергосистеме, СПТ на основе NbTi сверхпроводников охлаждаются жидким гелием, тогда как сверхпроводящие силовые кабели, выполненные из сверхпроводников с высокой удельной теплопроводностью и изолированные пластиковыми пластинами, – жидким азотом ( LN 2 ).

Ток электризации силового кабеля, линий электропередач и распределительных линий компенсируется током возбуждения бессердечникового СПТ, здесь принимаем, что величина % I о бессердечникового СПТ составляет около 1/3 номинального тока, хотя при необходимости она может быть изменена в широких пределах с помощью изменения конструкции. Кроме того, недостаточная компенсация может быть ликвидирована статическим контроллером компенсации реактивной мощности и так далее.

В приведенной выше энергосистеме рассмотрены системы типа А и В. Сверхпроводящий кабель отличается высокой мощностью электропередачи при сравнительно низком напряжении. В системе В можно избежать установки понижающего трансформатора, подключив силовой кабель непосредственно к шине приемной стороны, что приведет к снижению стоимости системы и уменьшению полных потерь.

 

6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В этой разработке СПТ с сердечником исследовался впервые, было установлено, что полные потери такого типа СПТ меньше, чем потери обычных трансформаторов. Однако сердечник СПТ должен быть такого же размера как и у обычного трансформатора, для возможности получения желаемой величины % IX . Кроме того, конструкция криостата значительно усложняется из-за необходимости эксплуатации сердечника при комнатной температуре. Таким образом, трудно описать все преимущества сверхпроводниковой технологии.

Сделан вывод о том, что бессердечниковые СПТ имеют большие потенциальные возможности, а именно, сокращение потерь мощности, уменьшение массы, применение в качестве ограничителя тока повреждения, пропадает необходимость использования третичной обмотки на приемной стороне трансформатора и для замещения шунтирующего электрического реактора при использовании в полной энергосистеме. Но для достижения этих задач необходима дальнейшая разработка. А именно; усовершенствование в сфере сверхпроводников высокого тока и малых потерь, система изоляции на основе жидкого гелия для энергосистем напряжением от 110 до 132 кВ, легко приспосабливаемый криостат, и так далее.

ССЫЛКИ

Мицуёши Ямамото родился в 1923 году в Японии в Токио. В 1961 году в университете Токио получил степень доктора технических наук. В 1949 году начал работать в корпорации Тошиба, где занимался разработкой электрических машин. После ухода на пенсию стал преподавателем университетов Сайтама и Такушоку.

Мицуги Ямагучи родился в 1942 году в Саппоро в Японии. В 1970 году получил степень доктора технических наук в университете Хоккайдо. В 1970 году присоединился к корпорации Тошиба, где занимался разработкой сверхпроводниковых машин. В 1996 году перешел на работу в Университет Ниигата, в настоящее время он преподаватель в аспирантуре университете Ниигата.

Кацуюки Кайхо родился в 1942 году в Токио в Японии. В 1976 году получил степень доктора технических наук в университете Токио. В 1996 начал работать в электромеханической лаборатории. С того времени и до сих пор занимается исследованиями и разработками в основном в области применения сверхпроводниковых магнитов.

 
  Источник:  ©  М.Ямамото, М.Ямагучи, К.Кайхо
Материал размещен на www.transform.ru13.09.2004 г.
 

 

Перейти в форум для обсуждения

  ©  TRANSFORMаторы 2004—2010


Рейтинг@Mail.ru Яндекс.Метрика ??????????? ????