Разработка трансформатора мощностью 20 МВА на основе ВТСП проводников второго поколения
2014, Tом 11, выпуск 5
Тематика: ВТСП устройства
К настоящему время в мире разработан и изготовлен целый ряд опытных образцов ВТСП трансформаторов с мощностью до нескольких сотен кВА. Однако современные успехи в производстве ВТСП лент 2-го поколения позволяют приступить к созданию трансформаторов значительно большей мощности. Исследовательская группа из организации (NEDO) New Energy and Industrial Technology Development Organization в составе: Kyushu Electric Power Co., Fuji Electric Co., Taiyo Nippon Sanso Co., International Superconductivity Technology Center (ISTEC), Fujikura, Showa Cable Systems Co., Kyushu University, Iwate University и Japan Fine Ceramics Center (JFCC), Япония разработала и создала один из самых мощных на сегодня ВТСП трансформаторов, мощность которого составляет 2 МВА. Данный ВТСП трансформатор был изготовлен из ВТСП ленты 2го поколения и является уменьшенной моделью перспективного трехфазного ВТСП трансформатора на 20 МВА. Работа выполнялась в кооперации большого числа исследовательских организаций и компаний: International Superconductivity Technology Center (ISTEC), Fujikura Ltd, Kyushi Electronic Power Co., Showa Cable Systems Co.
Напряжения первичных и вторичных обмоток ВТСП трансформатора на 20 MBA составляют 66 кВ и 6 кВ. Трансформатор будет выполнен в трехфазном исполнении с теплым магнитопроводом. Общий вид ВТСП трансформатора показан на Рис. 1, его обмотки работают в переохлажденном жидком азоте при температуре 66 К. Согласно проекту, габариты и вес ВТСП трансформатора (с учетом системы криогенного обеспечения) будут в 2 раза меньше, чем у его традиционного аналога такой же мощности. За счет более высокой плотности тока в ВТСП обмотках удается значительно сократить их объем (даже с учетом пространства занимаемого криостатом), также уменьшаются сечение и размеры магнитопроводов. Полные потери в ВТСП трансформаторе, даже с учетом мощности потребляемой системой криогенного обеспечения, также будут в 2 раза ниже, чем у традиционного устройства.
Рис. 1 Общий вид ВТСП трансформатора на 20 МВА.
Первое сообщение о разработке в ISTEC сверхпроводящего трансформатора на основе ВТСП лент
2-го поколения появилось в январе 2008 года. В течение 2008-2010 гг. был создан макетный образец ВТСП трансформатора мощностью 400 кВА, напряжения его первичной и вторичной обмоток составили 6,9 кВ и 2,3 кВ. Номинальные токи в первичной и вторичной обмотках соответственно - 58 А и 174 A. Первичная обмотка была намотана одиночным ВТСП проводником, а вторичная - тремя параллельными ВТСП лентами. В первичной обмотке насчитывалось 576 витков, а во вторичной - 192 витка. ВТСП трансформатор был выполнен в однофазном исполнении по схеме с холодным магнитопроводом. Суммарная длина ВТСП проводника составила 1172 м (в виде отрезков по 100 м), критический ток отдельно взятой ленты достигал 121 A при 77 К в собственном поле.
Возможность ограничения токов короткого замыкания является одним из основных преимуществ ВТСП трансформаторов, наряду с их компактностью. Традиционные маслозаполненные трансформаторы при коротком замыкании становятся взрыво- и пожароопасными, что не позволяет их использовать в условиях плотной застройки.
На макетном образце ВТСП трансформатора мощностью 400 кВА был исследован процесс ограничения тока. Максимальный ток короткого замыкания составил 559 А, но через 0,25 с снизился до 174 А, что в три раза выше, чем номинальный ток первичной обмотки. При испытаниях трансформатора в режиме короткого замыкания давление в криостате возрастает на 0,25 бар, затем в течение нескольких десятков секунд давление спадает. Деградации токонесущей способности ВТСП проводника в ходе опытов короткого замыкания не происходило. Была создана математическая модель ограничения тока короткого замыкания, учитывающая разогрев ВТСП обмотки, наблюдается хорошее соответствие расчета и эксперимента [4].
КПД обычных трансформаторов достаточно высок и составляет более 99 процентов. Использование ВТСП материалов позволяет повысить КПД лишь на 0,4 % (99,7 % против 99,3 % у традиционных устройств). Однако эти цифры становятся достаточно внушительными для систем охлаждения трансформатора: при мощности в 20 МВт повышение КПД на 0,4 % снижает тепловыделение более чем в 2 раза (или на 8 кВт). Следует также отметить, что основное тепловыделение в ВТСП трансформаторах приходится на магнитопровод, который может находиться вне криогенного объема. Потери на переменном токе в ВТСП проводнике являются главным фактором, определяющим необходимую хладопроизводительность системы криогенного обеспечения. Для снижения величины потерь, путем лазерного скрайбирования, ВТСП лента была разделена на полоски, что позволило снизить потери на переменном токе в 3 раза по сравнению с оригинальным проводником.
В 2012 г. после проведения описанных выше исследований, было начато создание опытного образца трехфазного ВТСП трансформатора мощностью
2 МВА и рабочими напряжениями 66 кВ и 6,9 кВ, который станет прототипом ВТСП трансформатора на 20 МВА. Коэффициент трансформации, напряжения первичной и вторичной обмоток, падение напряжение на виток, конструкция магнитопровода и криостатов у опытного образца ВТСП трансформатора на 2 МВА в точности такие же, как и у трансформатора на 20 МВА.
Рис.2 Трехфазный ВТСП трансформатор на 2 МВА и его обмотки
Первичная обмотка ВТСП трансформатора на 2 МВА намотана из одиночной ВТСП ленты 2-го поколения (шириной 5,3 мм и толщиной 0,35 мм, проводник дополнительно стабилизирован), номинальный ток в первичной обмотке - 17,5 А. Номинальный ток во вторичной обмотке составляет 167 А, намотка производится восемью параллельными ВТСП лентами (4 слоя по 2 ленты в каждом слое). Столь низкие токи в ВТСП лентах связаны с тем, что данный трансформатор является макетом устройства на 20 МВА, и геометрические размеры его обмоток такие же, как и у будущего трансформатора. Расход ВТСП проводника для создания трансформатора на 2 МВА составляет около 10 км. Для охлаждения трансформатора используется переохлажденный жидкий азот при температуре 67-68 К. Хладопроизводительность системы криогенного обеспечения составляет около 2 кВт, что относительно немного для подобной системы.
Исследования по ограничению токов короткого замыкания были проведены и на опытном образце ВТСП трансформатора на 2 МВА. Временная зависимость тока короткого замыкания во вторичной обмотке показана на Рис. 2. Длительность короткого замыкания составляла 0,2 с, за это время ток успевал снизиться до 725 А, что близко к утроенному амплитудному значению номинального тока.
Рис. 3. Временная зависимость тока короткого замыкания во вторичной обмотке ВТСП трансформатора мощностью 2 МВА.
Как отмечают авторы [1], величина установившегося тока короткого замыкания регулируется за счет толщины и удельного сопротивления стабилизирующего слоя ВТСП проводника, которые и определяют активное сопротивление ВТСП обмотки после ее перехода в нормальное состояние. Для ВТСП трансформаторов мощностью 2 МВА и 20 МВА был специально разработан ВТСП проводник со слоем Cu-Ni толщиной 300 мкм и слоем серебра толщиной 18 мкм, ширина ВТСП ленты составляла 5 мм.
Трансформатор успешно выдержал высоковольтные испытания под воздействием грозового импульса амплитудой 354 кВ и длительностью 120 мкс.
На основании проведенных исследований разработан проект трансформатора на 20 МВА. Номинальный ток в первичной обмотки составит 175 А (достигается параллельным соединением трех ВТСП лент, что соответствует току 58 А на ленту). Номинальный вторичной обмотки составит 1670 А, для чего будут использоваться 24 параллельно соединенных ВТСП проводника.
Рис. 4. Этапы разработки сверхпроводящего трансформатора мощностью 20 МВА.
Таким образом, с 2008 г. по 2014 г. были проведены исследования и создано два работающих прототипа ВТСП трансформаторов (400 кВА и 2 МВА), характеристики которых целиком удовлетворяют предъявленным требованиям, что позволяет надеяться на создание в ближайшее время ВТСП токоограничивающего трансформатора мощностью 20 МВА.
1. ISTEC Superconductivity Web21 Date of Issue: January 16, 2012.
2. ISTEC Superconductivity Web21 Date of Issue: August 15, 2013 .
3. ISTEC Superconductivity Web21 Date of Issue: March 17, 2014.
4. A. Tomioka et al., Physica C 484, 239 (2013).