Информационный портал  "TRANSFORMаторы"

 

Классификация сверхпроводящих трансформаторов энергетического назначения

Джафаров Э.А., Юлдашев Ф.Ф., Джафаров З.Э., Кутлунин П.И.


 

 

Силовые трансформаторы энергетического назначения, используемые в качестве бесконтактных электромагнитных устройств преобразования электрической энергии в современных энергетических системах, имеют достаточно высокий КПД по мощности (свыше 99 %). Однако, постоянное увеличение стоимости топлива и топливопродуктов и связанный с этим рост цен на электрическую энергию, особенно в последнее время, стимулируют интенсивные поиски путей ее рационального использования, сокращения потерь в электрооборудовании, в т. ч. и в мощных трансформаторах. Ежегодная стоимость потерь энергии в обмотках силовых трансформаторов, например в США, составляет 2 млрд. долл. США [1].

Прогноз развития энергетики в предстоящем столетии предполагает существенное увеличение производства и потребления электрической энергии. При этом рост эффективности электроэнергетики должен опираться на ужесточенные требования к энерго- и ресурсосбережению, к минимальному расходованию материалов и энергии на каждую единицу генерируемой, передаваемой и потребляемой мощности, что полностью относится к силовым трансформаторам, являющимся неотъемлемой частью любой энергетической системы.

Использование сверхпроводящих обмоток в мощных генераторных, распределительных и других трансформаторах энергетического назначения позволит уменьшить их массогабаритные показатели в 2-3 раза,снизить потери в обмотках более чем в 3 раза, увеличить их токонесущую способность в десятки раз, а также увеличить КПД и коэффициент мощности [1].

Применение СПТ в энергосистемах позволит воспользоваться их способностью ограничивать токи короткого замыкания [2].

Открытие высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) дало мощный толчок развитию СПТ энергетического назначения, всего сверхпроводникового электрооборудования [1, 3, 4]. Применение жидкого азота в качестве хладоагента силовых обмоток из высокотемпературных сверхпроводников, энергозатраты на получение которого для того же объема, что и жидкого гелия, оказались на 2-3 порядка меньше, экономически стимулирует быстрое развитие ВТСП трансформаторов. При этом мощность, затрачиваемая на охлаждение СПТ, снижается в 20 раз по сравнению с мощностью, затрачиваемой на охлаждение обычных силовых трансформаторов. Использование жидкого азота в ВТСП трансформаторах позволит, помимо основной функции хладоагента, получить надежную, высокоэффективную изоляцию сверхпроводящих обмоток, обладающую отличными диэлектрическими свойствами, отличающимися от обычной традиционной изоляции такими параметрами, как нестарение, экологическая чистота, противопожарная безопасность. Сверхпроводящие трансформаторы с жидким азотом в качестве изолирующего материала увеличивают ресурсосбережение и надежность как самих ВТСП трансформаторов, так и энергетических систем, в которых они используются.

Аморфная электротехническая сталь при использовании ее в качестве материала магнитопровода СПТ, снижает магнитные потери в железе в 5-6 раз, намагничивающий ток сверхпроводящих (СП) обмоток в десятки раз и тем самым повышает КПД.

Развитие элементов силовой электроники - полностью управляемых GTO тиристоров и мощных IGBT транзисторов и применение их в управляемых полупроводниковых коммутаторах (УПК) для СПТ электромашинного типа с вращающимся магнитным полем откроет широкие возможности создания новых видов статических электромагнитных преобразователей электромашинной конструкции: трансформаторов постоянного тока, выпрямителей, инверторов, преобразователей частоты и др.

Разработка, изготовление и испытание СПТ различных конструкций и мощностей ведется передовыми промышленно развитыми странами (США, Великобритания, Франция, Германия, Австрия, Япония и др.)с начала 60-х годов XX века. Анализ накопленного обширного материала, опубликованного в отечественной и зарубежной научнотехнической литературе по силовым трансформаторам с низкотемпературными и высокотемпературными сверхпроводниковыми обмотками, позволил впервые разработать классификацию СПТ для энергетических систем, сориентировать направление разработок СПТ энергетического назначения в зависимости от характера изменения в них магнитных полей, конструктивных исполнений СП обмоток и магнитопроводов [11, 5].

На рисунке представлена классификация СПТ энергетического назначения, учитывающая направление и состояние разработок в области сверхпроводникового электрооборудования в настоящее время.

Сверхпроводящие трансформаторы конструктивно могут быть выполнены с пульсирующим или вращающимся магнитным полем, с поперечной или продольной намоткой сверхпроводящих витков обмоток.Сверхпроводящие трансформаторы с пульсирующим магнитным полем могут быть выполнены как с нелокализированным (в пространстве) магнитным полем, так и с локализированным магнитным полем возбуждения и рассеяния.

В сверхпроводящих трансформаторах 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. 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 [1, 5]. 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 мощ¬ности СП трансформатора. 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, сверхпроводящие трансформаторы 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) локализи¬рованным многожильным сверхпроводящим проводом (ЛМЖСПП) или неплотной намоткой витков МЖСПП[1,5...10].

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.

Сверхпроводящие трансформаторы 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.

В настоящее время за рубежом разработаны и выпускаются МЖСПП с высоким заполнением матриц СП жилами. В этих проводах между сверхпроводящими жилами существует магнитная связь и вследствие этого критический ток в каждой жиле МЖСПП значительно ниже, по сравнению с критическим током одной уеди¬ненной СП жилы такого провода. Однако, несмотря на то, что количество сверхпроводника в МЖСПП меньше, чем в одножильном СП проводе, равного с ним сечения, токонесущая способность МЖСПП значительно пре¬вышает аналогичную токонесущую способность СП провода. К другим преимуществам МЖСПП относится стабильность его работы в различных режимах.

Неплотные силовые обмотки СПТ с МЖСПП выполняются с шагом намотки витков, определяемым из условия максимального ослабления магнитной связи между витками [1, 6...10]. 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.

Сверхпроводящие трансформаторы 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.

Сверхпроводящие трансформаторы 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 [1,5].

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 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.

Па 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 [11].

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.

Сверхпроводящие трансформаторы 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.

В сверхпроводящих трансформаторах с вращающимся магнитным полем необходимо использовать магнитопровод с железом. В качестве материала для изготовления магнитопровода СПТ используется обычная холоднокатанная электротехническая сталь. В последнее время в качестве материала магнитопроводов сверхпроводящих трансформаторов стала применяться аморфная электротехническая сталь, существенно уменьшающая потери холостого хода в них [11].

Список литературы

1.Лутидзе Ш.И., Джафаров Э.А. Сверхпроводящие трансформаторы. М.: Научтехлитиздат, 2002.

2.Силовые трансформаторы: Справочная книга / Под ред. С.Д. Лизунова и А.К. Лоханина. М: Энергоиздат, 2004.

3.Глебов И.А., Черноплеков Н.А., Альтов В.А. Сверхпроводниковые технологии - новый этап в развитии электротехники и электроэнергетики // Сверхпроводимость: исследования и разработки. 2002. №11.

4.Фишер Л.М., Волошин И.Ф. Успехи применения высокотемпературных сверхпроводников в электроэнергетике // Электричество. 2006. № 9.

5.Лутидзе Ш.И., Джафаров Э.А. Энергетическое оборудование нового поколения на основе силовой электроники и сверхпроводников // Изв. РАН. Энергетика. 2005. № 3.

6.Лутидзе Ш.И., Джафаров Э.А., Флейшман Л.С. Вопросы оптимизации сверхпроводящих обмоток // Инженерная физика. 2002. № 3.

7.Лутидзе Ш.И., Джафаров Э.А. Основы рационального выполнения сверхпроводящих проводов и сверхпроводящих обмоток// Электро. 2003. № 1.

8.Лутидзе Ш.И., Джафаров Э.А. Сверхпроводящие трансформаторы энергетического назначения // Сб. расш. тезисов I Междунар. конф. "Фундаментальные проблемы высокотемпературной сверхпроводимости". М, 2004.

9.Джафаров Э.А. Сверхпроводящий трансформатор с локализированным магнитным полем // Электрические станции. 2005. №8.

10.Джафаров Э.А. Оптимизированные сверхпроводящие провода и сверхпроводящие обмотки с локализированным магнитным полем // Инженерная физика. 2007. № 2.

11.Xiao L Y., Wang Y.S., Zhang F. Y. at all. Development of a 630 k VA Three - Phase HTS Transformer. // Applied Superconductivity Conference, 2006, ASC 06, Seatlc, 27 Aug - 15 Sept. 2006.

 
 
Полное содержание статьи Вы можете найти в первоисточнике
Источник:  ©  Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика.
Материал размещен на www.transform.ru 25.10.2007 г.
 

 

Перейти в форум для обсуждения

  ©  TRANSFORMаторы 2004—2010


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