Информационный портал  "TRANSFORMаторы"

transform.ru :: Некоторые аспекты проектирования сверхпроводниковых трансформаторов / Tanzo Nitta, Kyoto University, Yoshida-honmachi, Kyoto, 606-01, Japan
 

Некоторые аспекты проектирования сверхпроводниковых трансформаторов

Tanzo Nitta


 

 

Краткий обзор – 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 данной статье мы разработали сверхпроводящий трансформатор путем значительных изменений его конструкции, а именно изменяя величину напряжения на виток или сопротивления утечки, а также сделали 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.

ВСТУПЛЕНИЕ

В настоящее время разрабатываются сверхпроводники для использования при переменном токе. Ожидается улучшение их параметров. Проводятся исследования их применения в электрических устройствах. Считается, что сверхпроводящие силовые трансформаторы (СПТ) имеют наибольшее значение в энергосистемах [1]. Однако, скорее всего еще не сделаны самые важные выводы о пользе применения СПТ, хотя бы потому, что еще не были установлены точные способы конструирования СПТ.

Здесь мы предлагаем способ конструирования трансформатора, который получен модифицированием метода, используемого для традиционных трансформаторов (ТТ). С помощью этого способа мы сконструировали несколько видов СПТ путем изменения таких параметров как величина напряжения на виток, сопротивление утечки, плотность тока и коэффициент плотности укладки проводника и подсчитали размеры, массу, потери и стоимость. Мы сравнили полученные характеристики с характеристиками традиционных трансформаторов и рассмотрели результаты этого сравнения.

ПРИНЦИПЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ ТРАДИЦИОННЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Приняты следующие основные принципы конструирования обычных трансформаторов:

  • Величины напряжений на виток выбираются приблизительно равными квадратному корню мощностей.
  • Напряжение короткого замыкания трансформатора выбирается в соответствии со стандартными значениями, предлагаемыми производителями.
  • Изоляционный зазор обмоток определяется с учетом величины измеренного напряжения в трансформаторах и электрической прочности диэлектриков изоляционных материалов.
  • Массы сердечника и меди трансформатора выбираются таким образом, чтобы их общая стоимость была минимальной.

ПРИНЦИПЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ СВЕРХПРОВОДНИКОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Условия, учитываемые при конструировании СПТ, приведены далее.

А. Потери в проводниках

Принято, что потери применяемых в конструкции сверхпроводников составляют 25 кВт/м3 при переменной магнитной индукции B достигающей максимального значения величиной 0,5 Тл. Будем считать так же, что величина потерь прямо пропорциональна квадрату B . Распределение магнитной индукции в обмотках принято в соответствии с рис. 1, где максимальное значение магнитной индукции Вm определяется по следующей формуле:

(Tл). (1)

где I – это величина действующего тока, N – число витков, а hk – высота обмотки. Потери при комнатной температуре, то есть мощность охлаждающего устройства рассчитывается с учетом коэффициента потерь охлаждения равного 700 (Вт/Вт):

потери при комнатной температуре = потери при 4,2 К x 700 (Вт). (2)

В. Потери в сердечнике

Сердечник размещается в пространстве с комнатной температурой. Потери возникают при комнатной температуре.

Рис.1. Распределение магнитного потока в обмотках

С. Тепловые потери

Расчет этих потерь необходим для оценки КПД трансформатора.

Тепловые потери через силовой провод

Тепловые потери q через силовой провод находятся следующим образом

(W). (3)

где

: теплопроводность силового провода (Вт/м);

А: площадь поперечного сечения (мм);

l : длина силового провода, определяемая как l =2D0 +0,5 (м), где D0 – это внешний диаметр обмоток;

T1 , T2 : температура на выводе криогена и комнатная температура силового провода соответственно (К);

р(T): коэффициент потерь охлаждения при Т;

: коэффициент для расчета тепловых потерь, который равен примерно 400 для T1 =4,2 и T2 =293;

Р1 : потери на охлаждение силового провода, приняты равными 100;

Общие тепловые потери QL силовых проводов рассчитываются следующим образом:

(W). (4)

где n – это число проводов.

Тепловые потери криостата

Принимается, что в день испаряется пять процентов гелия. Следовательно, тепловые потери QH для трехфазного трансформатора будут рассчитываться следующим образом

(W). (5)

где

Vh : объем сосуда с гелием (см)

VС : объем одной фазы обмотки (см)

Wh : скрытое количество теплоты, соответствующее испарению 1л жидкого гелия в день, которое составляет примерно 20,7 (Вт/л x день)

D. Изоляционный зазор

Изоляционный зазор обмоток может быть определен с учетом имеющихся данных о напряжениях пробоя жидкого гелия [2] и масла по следующей формуле

(мм). (6)

где коэффициенты a и b соответствуют величинам, приведенным в таблице 1. Напряжение V – это тестовое переменное напряжение (кВ) обмотки высокого напряжения.

Таблица 1. Коэффициенты изоляционных зазоров.

Изоляционное расстояние Жидкий гелий Масло
a
b
a
b
Первичная относительно вторичной
0.07
0.4
0.10
0.4
Вторичная относительно сердечника
0.07
0.5
0.10
0.4
Между фазами
0.07
1.1
0.10
1.0
Первичная относительно ярма
1.10
0.9
0.15
0.4

Е. Стоимость

Стоимость СПТ рассматривается как общая стоимость сердечника и проводника.

Стоимость выражается соотношением этих величин у обычного трансформатора той же номинальной мощности, в котором процентное полное сопротивление составляет 5%, а величина вольт на виток – 5В.

Стоимость сердечника и проводника рассчитывается следующим образом:

a) Стоимость проводников

Медь: Принимается, что плотность тока составляет 3,5 А/мм. Стоимость 1 амперметра провода (проводник длиной 1 м, проводящий ток величиной 1А) определяется в соответствии с рыночной стоимостью медных проводов в Японии.

Сверхпроводник: стоимость 1 амперметра провода вычисляется как стоимость медных проводов, умноженная на 1,2.

b) Стоимость сердечника

Стоимость принимается как сумма стоимостей материала и изготовления.

4. НОМИНАЛЬНЫЕ ВЕЛИЧИНЫ И ПАРАМЕТРЫ ТРАНСФОРМАТОРОВ

А. Номиналы

Номинальные величины и схема соединения:

Номиналы: 3-хфазный, 60 Гц, 6600В/210В, 1000кВА.

Схема соединения: звезда-треугольник.

В. Параметры конструкции

Трансформатор спроектирован путем изменения четырех конструкционных параметров, как показано в таблице 2.

Таблица 2. Параметры конструкции

 
Cверхпроводящий
Обычный
Напряжение на виток (В)
0~10 (5 значений)
0~20 (5 значений)
% Полное сопротивление (%)
5, 10, 20
Плотность тока (A/ мм)
50, 100, 150
3.5
Коэффициент плотности укладки
0.1, 0.2, 0.35
0.35

Мы спроектировали другие СПТ, изменяя изоляционный зазор между первичной и вторичной обмоткой. Полное сопротивление составило 20%, напряжение на виток – 9В, плотность тока – 100 А/мм и коэффициент плотности укладки – 0,35.

КОНЕЧНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

СПТ спроектированы с учетом вышеперечисленных замечаний. Далее приводятся характеристики СПТ.

А. Масса

Соотношение массы СПТ и напряжения на виток приведено на рис. 2.

Рис. 2. Масса трансформаторов

Масса, состоящая из суммы масс сердечника и проводников, минимальна при величине напряжения на виток 4В/Т для СПТ и около 10 В для ТТ.

Масса уменьшается с увеличением процента полного сопротивления, плотности тока и коэффициентов плотности укладки проводников. Однако влияние последних очень мало.

Соотношение масс сердечника и проводников составляет примерно от 15 до 30 при минимальном весе, тогда как для традиционных трансформаторов эта величина соответствует примерно 4.

В. Габаритные размеры

Высота трансформатора быстро уменьшается, но ширина и глубина немного увеличиваются с увеличением В/Т или процента полного сопротивления.

С. Полные потери

Соотношение между общими потерями СПТ и напряжением на виток показано на рис. 3. Полные потери трансформатора составляют потери на проводниках и сердечнике.

Рис. 3. Полные потери СП трансформаторов

Полные потери состоят в основном из потерь в сердечнике. Потери на проводниках составляют не более 20 Вт.

Полные потери имеют минимальное значение при В/Т равном примерно 4, при полном сопротивлении 5%. При высоком полном сопротивлении полные потери минимальны при низких В/Т.

Большая плотность тока и большая величина коэффициента плотности укладки проводника приводят к уменьшению полных потерь.

Увеличение процента полного сопротивления способствует возрастанию потерь в проводниках, так как это приводит к увеличению магнитного потока в обмотках.

D. Тепловые потери силовых проводов

С увеличением В/Т и процента полного сопротивления тепловые потери уменьшаются.

Е. КПД

КПД СПТ рассчитывается с учетом потерь в сердечнике, в проводниках и мощности, требуемой на отвод тепла, выделяемого за счет тепловых потерь в криогене. Соответствующие зависимости проиллюстрированы на рис. 4 и 5.

Рис. 4. КПД трансформаторов

Рис. 5. Зависимость между КПД и изоляционным зазором между первичной
и вторичной обмотками. (процент полного сопротивления = 20)

КПД СП трансформатора очень высок (99,5%) для полного сопротивления, составляющего 5%.

С повышением полного сопротивления КПД понижается.

Величины напряжений на виток влияют на КПД незначительно.

Для высоких процентов полного сопротивления СПТ (которое обычно определяется большей шириной обмоток для ТТ) более высокий КПД достигается за счет увеличения изоляционного зазора между первичной и вторичной обмотками.

F. Стоимость

Зависимость стоимости от величины напряжения на виток изображена на рис. 6.

Чем больше величина В/Т, тем меньше стоимость.

Процент полного сопротивления, коэффициент плотности укладки и плотность тока проводника мало влияют на стоимость.

G. Примечания

На рис. 7 изображены сверхпроводниковый и традиционный трансформаторы оптимальных конструкций. СПТ выше, чем традиционный трансформатор, но зато он требует меньшую площадь для установки.

Рис. 7. Трансформаторы оптимальной конструкции (процент полного сопротивления=5)

Традиционный трансформатор с большим процентом полного сопротивления имеет большую ширину обмоток. Так как с увеличением ширины обмоток СПТ уменьшается КПД, то можно получить СПТ с высоким процентом полного сопротивления, увеличивая расстояние между первичной и вторичной обмотками.

6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Мы спроектировали сверхпроводящие трансформаторы и рассчитали характеристики с помощью изменения таких конструкционных параметров как величина напряжения на виток, процент полного сопротивления, плотность тока и коэффициент плотности укладки. Мы исследовали их влияние на массу, размер, потери и стоимость. Далее приводятся основные выводы.

Величины напряжений на виток в сверхпроводящих трансформаторах гораздо меньше, чем в традиционных из-за меньшей массы и меньших общих потерь.

Потери на проводниках в сверхпроводящем трансформаторе очень малы по сравнению с потерями в сердечнике.

КПД сверхпроводникового трансформатора может быть гораздо выше, чем КПД традиционного трансформатора.

Высокие величины напряжений на виток сокращают стоимость сверхпроводникового трансформатора и не влияют на КПД.

Для получения более высокого процента сопротивления в сверхпроводниковых трансформаторах можно увеличить изоляционный зазор между обмотками, а в традиционных трансформаторах - ширину обмоток.

Сверхпроводящие трансформаторы оптимальной конструкции выше и занимают меньшую площадь по сравнению с традиционными.

Дальнейшие исследования

Для получения общих сведений о высоко- и низкотемпературных сверхпроводниках (ВТС и НТС), связанной с ними технологии охлаждения, потерь переменного тока и применении можно прочесть T . P . Sheanen the Introduction to High Temperature Superconductivity ( Plenum Press , New York, 1994). По сверхпроводниковым трансформаторам можно ознакомиться с Ronald C . Johnson и другие “ Status of Superconducting Power Transformer Development ”, в докладах конференции the American Power Conference , Чикаго, апрель 1996 (том. 58-1, стр.89, вопрос 05-6, Illinois Institute of Technology ).

Описание конструкции, устройства и тестирования ВТС трансформатора мощностью 500 кВА есть в документах, представленных на конференции the Applied Superconductivity Conference , Питсбург, август 1996. Среди авторов присутствуют М. Ивакума и К. Фунаки. Доклады конференции будут опубликованы в IEEE Transactions on Applied Superconductivity.

 
  Источник:  ©  Tanzo Nitta
Материал размещен на www.transform.ru13.09.2004 г.
 

 

Перейти в форум для обсуждения

  ©  TRANSFORMаторы 2004—2010


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