Несмотря на то что последние 10 лет энергетики работают в стремительно меняющейся отрасли, и к переменам вроде бы уже все привыкли, 2008-й - год знаменательный. Хотя наша оптовая генерирующая компания уже ступила на новое поле реформированной отрасли, первые шаги на нем мы сделали с помощью РАО "ЕЭС России", которое оставило нам право и привилегию довершить начатое в 1998 г.
Интерес к трансформаторам с использованием сверхпроводимости возник в 1960-е годы при появлении низкотемпературных сверхпроводников, применяемых для обмоток трансформаторов. Многие производители во всем мире, среди которых можно назвать европейские концерны АВВ и Аlstom, а так же К. Е. Р. С. (Япония) и ев (США), начали разработки низкотемпературных сверхпроводниковых (НТСГI) трансформаторов. За это время были достигнуты значительные успехи.
Так, например, можно назвать создание концерном АВВ НТСП-трансформатора 330 кВА 6/0,4 кВ со способностью токоограничения, а также разработку японской компании Кansai опытного образца трехфазного трансформатора 2000 кВА. Однако непреодолимым барьером на пути развития и применения НТСП-трансформаторов являлись огромные по размерам криогенные системы для получения жидкого гелия, которые делали использование таких трансформаторов экономически нецелесообразным.
Открытие высокотемпературных сверхпроводниковых (ВТСП) материалов в 1986 году позволило отказаться от громоздких охлаждающих устройств. И основные разработки по созданию трансформа торов нового поколения ведутся именно в этом на правлении.
Особенности высокотемпературной сверхпроводимости
В первую очередь следует отметить, что у сверхпроводников существуют две основные особенности:
очень малые потери при большой плотности тока;
переход от практически нулевого сопротивления к высокому сопротивлению при превышении током определенного значения (так называемого критического тока).
Сверхпроводящее состояние существует только ниже определенной критической температуры, обычно принимаемой равной температуре кипящего жидкого азота.
Нормальный ток ВТСП-проводника должен иметь значительные соответствующие области сверхпроводимости и быть ниже критического тока. Максимально допустимое повышение тока должно определяться нагрузочной способностью охлаждающего устройства. для тока, значительно превышающего критический, потери увеличиваются на порядок. Энергия, выделяемая в проводнике во время этого процесса, называемого режимом ограничения аварийных токов, поглощается при испарении части охлаждающей жидкости. Все эти свойства ВТСП-материалов позволяют получить транс форматор, значительно превосходящий по всем своим характеристикам традиционно применяемые на сегодняшний день масляные и сухие транс форматоры.
Преимущества ВТСП-трансформаторов
ВТСП-трансформаторы по сравнению с традиционными обладают значительными техническими преимуществами. Попробуем их перечислить:
снижение нагрузочных потерь при номинальном токе на 90%, что значительно увеличивает КПД трансформатора;
уменьшение веса и габаритов трансформатора до 40%. Следует отметить, что упомянутые достоинства позволяют применять ВТСП трансформаторы в уже существующих подстанциях без их конструкционных изменений со значительным увеличением мощности;
ограничение токов К3, что в аварийных ре жимах защищает электрооборудование сети;
значительное уменьшение реактивного сопротивления, что позволяет обеспечить стабилизацию напряжения, не прибегая к его регулированию;
большая перегрузочная способность без повреждения изоляции и старения трансформатора;
уменьшение уровня шума.
Кроме того, по сравнению с масляными трансформаторами ВТСП-трансформатор пожаробезопасен и экологичен.
Разработка и опытные образцы
В настоящее время существует 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.
Принцип устройства ВТСП-трансформатора. Обмотки погружены в жидкий азот, служащий одновременно и изоляцией, и охлаждающей средой. Сердечник трансформатора работает при темпера туре окружающей среды, т.к. его охлаждение при ведет только к лишним нагрузкам криогенной системы, а не к улучшенным характеристикам. Об мотки 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.
При проведении испытаний потери при номинальном токе составили 337 Вт, а потери холостого хода в сердечнике — 2,1 кВт. Общие тепловые потери равны примерно половине потерь в проводе. После успешных испытаний упомянутые компании подписали договор, по которому каждая из них выделила по 5 миллионов долларов на разработку компанией АЭС улучшенного ВТСП-провода далее АБВ сделает трансформатор 10 МВА, а ЕОР установит его в своей сети для проведения полноценных испытаний, дальнейшей целью ставится достижение мощности ВТСП-трансформатора 30 МВА, а конечной — 100 МВА.
Вторым был испытан трансформатор 500 кВд 6600/3300 В производства Fuji Electric (Япония) с применением ВТСП-лент другой японской компании ЕIесtric Сorporation. В разработке также участвовали специалисты университета Кyushu.
Потери в сердечнике составили 2,4 кВт, потери при номинальном токе — 115 Вт. Японские разработчики решили пока не создавать ВТСЯ трансформатор на большие мощности, а улучшить характеристики уже сделанного, в частности, усовершенствовать систему охлаждения и ВТСП провод для обмотки.
Третьим в том году, но самым большим по мощности в 1000 кВА будет трансформатор полностью американского производства W.Electric (производитель трансформаторов), IGC Super Power (изготовитель ВТСП-провода) и Energy East (электроэнергетическая компания, конечный потребитель).
После этих испытаний было решено создать трансформатор 30 МВА 138/13,8 кВ, но, так же, как и в случае с АВВ, с промежуточной фазой в 10 МВА. Для этого правительство выделило 3,8 млн дол ларов, и столько же было вложено частными инвесторами.
В результате в конце 2003 года был создан трансформатор 10 МВА 26.4/4.2 кВ. Но при испытаниях было обнаружено несколько недостатков: в обмотках был выявлен большой уровень частичных разрядов, в криогенной системе происходили утечки и, кроме того, возникли проблемы с испытанием трансформатора на полное напряжение по высокой стороне. На сегодняшний день эти неполадки устранены, транс форматор установлен на испытательный стенд, и новые испытания намечены уже в ближайшее время.
Сам принцип конструкции трансформатора остался такой же, как и в 1997 году.
Будущее ВТСП-трансформаторов
Поданным министерства энергетики США, сделавшего в 1993 году подробный анализ возможного применения ВТСП-трансформаторов мощностью до 30 МВА, затраты на весь срок службы при эксплуатации ВТСП-трансформаторов будут наполовину меньше по сравнению с затратами на обслуживание традиционно применяемых транс форматоров. А в результате анализа будущего применения ВТСП трансформаторов 30-1500 МВА, представленного на конференции во Франции в 1994 году, было выявлено, что затраты будут на 70% меньше.
Многие разработчики ВТСП-проводов и трансформаторов надеются, что к 2010 году, когда во многих странах мира начнет производиться активная замена электрооборудования, отработавшего свой срок службы, резко возрастет спрос именно на ВТСП-трансформаторы. Однако смогут ли производители добиться обещанных технических и ценовых параметров, покажет только время.
Литература
1. Лизунов Сд.. Лоханин А.К. Проблемы современного трансформаторостроения в России//Электричество. — 2000. — № 8, 9.
2. Черноплеков НА. Сверхпроводниковые технологии: современное состояние и перспектияы практического применения//Вестник
РАН. —2001. — № 4
3. Dirks J.A. HTS transformer performance, cost and market evaluation//Pacific Northwest Laboratory Report 1993, PNL-7318
4. Mumford F.J. A techno-economic study of high Tc superconductiong power transformers//International Conference on Electrical Machines, 1994.
5. Larbalestier D., Schwall R.E., Sokolowski R.E., Power Applicanions of Superconductivity in Japan and Germany//WTEC Panel Report, 1997.
6. Reis C.T., Mahta S., McConnell, B.W. Jones R.H. Development of High Temperature Superconducting Power Transformers//EEE Power Electonics Society Winter Power Meeting, 2001.
7. Sissimatos T., Harms G., Oswald B.R. Optimization of high-temperature superconducting power transformers //Applied Superconductivity, 2001, № 11.
