Производство ВТСП рейстрековых обмоток электрических машин

2016, Tом 13, выпуск 1

Тематика: Российские разработки

В настоящее время в России ведутся интенсивные разработки нового и перспективного направления в сверхпроводимости – использование высокотем-пературных сверхпроводников второго поколения (ВТСП-2) в энергетической промышленности [1-4]. Электрические машины с ВТСП-2 обмотками по сравнению с машинами, имеющими обмотки из традиционных проводников, позволяют существенно уменьшить габариты и вес электрических машин. Рейстрековые обмотки из ВТСП лент второго поколения представляют большой интерес не только для электрических машин, но и для создания ВТСП магнитов в ускорителях заряженных частиц. ВТСП магниты позволят значительно повысить экономичность и эффективность работы такой высокоэнергоемкой системы, как ускоритель.

Рис. 1. Установка для нанесения изоляции на ленту.

В Федеральном государственном бюджетном учреждении «ГНЦ РФ - Институт физики высоких энергий» НИЦ КИ(г. Протвино) создано производство и проведены исследования обмоток электрических машин из ВТСП лент второго поколения [5-7]. Для исключения электрических замыканий между витками обмотки ВТСП-2 лента должна иметь электрическую изоляцию. Специфика процесса изолирования состояла в малой толщине ВТСП ленты (0,15 мм) и возможной деформации ленты в процессе ее изолирования, приводящей к падению ее токонесущей способности. Разработанная технология изолирования ВТСП-2 ленты не снизила ее токонесущей способности. Установка для нанесения изоляции на ВТСП-2 представлена на Рис. 1. На Рис. 2 показана ВТСП-2 лента после нанесения изоляции из полиимидной пленки толщиной 13 мкм в два слоя.

Рис. 2. ВТСП-2 лента толщиной 26 мкм с двухслойной изоляцией из полиимидной пленки

Изготовление ВТСП обмоток производилось на намоточной машине (Рис.3), позволяющей изготавливать обмотки длиной до 5 м. Процесс изготовления ВТСП обмотки показан на Рис.4.

Рис. 3. Машина для намотки ВТСП обмоток.

Рис. 4. Изготовление ВТСП обмотки. Конструкция ВТСП рейстрековых обмоток возбуждения ротора опытного образца сверхпроводникового синхронного электродвигателя (СПСД) мощностью 200 кВт и рейстрековых обмоток возбуждения ротора опытного образца сверхпроводникового синхронного генератора (СПСГ) мощностью

1 МВА, представлена на Рис 5.

Рис.5. ВТСП обмотка. 1-шестислойная обмотка, 2- полюс, 3- пластина, 4-каркас медный, 5- вставка, 6- выводы обмотки. Размеры без скобок для СПСГ, в скобках – для СПСД.

Обмотки СПСД и СПСГ отличаются размерами и отсутствием медного каркаса в обмотке СПСД. Обмотка состоит из трех двухслойных катушек рейстрекового типа, намотанных на полюс из стали (3) ВТСП лентой компании American Superconductor (AMSC) с размерами поперечного сечения в изоляции 4,93×(0,32-0,40) мм². Толщина этой ленты в 1,5 раза выше по сравнению с лентой фирмы “SuperPower” из-за большего содержания стабилизирующей меди, что должно обеспечивать большую устойчивость при переходе обмотки в нормальное состояние. Изоляция ВТСП ленты состоит из полиимидной пленки (толщина 13 мкм, ширина 10 мм с односторонним 25 мкм силиконовым клеящим покрытием), намотанной с перекрытием 50% (два слоя), итого максимальная толщина изоляции составляет 76 мкм.

Разброс толщины ВТСП лент (от 0,32 до 0,40 мм) обусловил разброс количества витков в обмотках СПСД (188 – 205) и СПСГ (381 - 393). В обмотке соединение концов двухслойных катушек осуществлялось пайкой по мостовой схеме на длине 60 мм. Вес обмотки с полюсом составил 13 кг для СПСД, 51 кг для СПСГ. Обмотки СПСД и СПСГ представлены на Рис. 6 и 7.

Рис. 6. ВТСП обмотки  СПСД

Рис. 7. ВТСП обмотки  СПСГ

Результаты испытаний обмоток СПСД при температуре 77 К представлены в таблице 1.

Таблица 1. Результаты испытаний ВТСП обмоток СПСД при температуре 77 К

Таблица 2. Результаты испытаний ВТСП обмоток СПСГ при температуре 77 К

Критический ток обмоток СПСД находился в интервале 46,3 – 53,0 А и 51,3 – 57,6 А при падении напряжения на обмотке в 1 мкВ/см и 10 мкВ/см, соответственно. Индуктивность обмоток составила 45 – 52 мГн, сопротивление находилось в интервале 4,36 – 5,19 Ом.

Результаты испытаний обмоток СПСГ при температуре 77 К представлены в таблице 2.

При напряжениях, отвечающих критерию 1 и 10 мкВ/см, среднее значение токов для группы обмоток СПСГ составило 41,7 А и 46,5 А при разбросе значений ±2,3 А и ±2,5 А, соответственно. Индуктивность обмоток СПСГ была 0,42 – 0,43 Гн, их сопротивление при комнатной температуре находилось в интервале 16,20–17,36 Ом.

Исследование процесса перехода обмоток СПСД и СПСГ из сверхпроводящего в нормальное состояние проводились в ванне с жидким азотом при атмосферном давлении. Для обмотки СПСД №2 не происходило значительного роста напряжения до тока 47,3 А, нормальная зона в обмотке находилась в тепловом равновесии с охлаждающим ее жидким азотом. При дальнейшем увеличении тока всего на 0,3 А происходило нарушение этого равновесия и начинался резкий рост напряжения на обмотке. Таким образом, для этой обмотки пороговое значение тока равно 47,6 А и оно близко к значению тока 48,8 А, соответствующего падению напряжения на обмотке в 1мкВ/см.

На Рис. 8 приведены временные зависимости падения напряжения на обмотке СПСД при токах, значительно превышающих пороговый ток перехода в нормальное состояние. До тока 95 А, в два раза превышающего пороговое значение, не происходило повреждения обмотки.

Рис. 8. Падение напряжения на обмотке №2 СПСД в процессе перехода

в нормальное состояние при токах, превышающих пороговое значение.

Рис. 9. Падение напряжения на обмотке №11 СПСГ  в процессе перехода

в нормальное состояние при токах, превышающих пороговое значение.

После достижения на обмотке падения напряжения 18 В, ограниченного возможностями источника питания, ток в обмотке уменьшался за счет роста сопротивления обмотки СПСД и устанавливалось новое стационарное состояние между нормальной зоной в обмотке и охлаждающим ее азотом при токе 10,6 А.

В целом все вышесказанное справедливо и для обмотки СПСГ. В обмотке №11 до тока 42,3 А тепловыделение в нормальной зоне находилось в тепловом равновесии с охлаждающим обмотку жидким азотом. При дальнейшем увеличении тока до 42,8 А происходило нарушение этого равновесия и начиналось резкое падение напряжения на обмотке. Таким образом, для этой обмотки пороговое значение тока равно 42,8 А и оно близко к значению тока 42,3 А, соответствующего падению напряжения на обмотке 1мкВ/см. На Рис. 9 приведены временные зависимости падения напряжения на обмотке СПСГ при токах, значительно превышающих пороговое значение тока перехода в нормальное состояние.

До тока 54 А, связанного с возможностями источника тока и заметно превышающего пороговое значение, не происходило повреждения обмотки СПСГ. После достижения на обмотке падения напряжения 18 В, ограниченного возможностями источника питания, ток в обмотке уменьшался за счет роста ее сопротивления и устанавливалось новое стационарное состояние между нормальной зоной в обмотке и охлаждающим ее азотом при токе 5,8А.

В заключение можно констатировать, что из ВТСП ленты второго поколения изготовлены рейстрековые обмотки возбуждения ротора сверхпроводникового синхронного электродвигателя мощностью 200 кВт  и сверхпроводникового синхронного генератора мощностью 1 МВА.

Критический ток обмоток при температуре 77 К и падении напряжения на обмотке 1мкВ/см находился в интервале 46,3 – 53,0 А для СПСД и 39,4 – 43,9 А для СПСГ.

Значения критического тока при 1 мкВ/см практически совпали с пороговым значением тока, при котором начинался резкий рост напряжения на обмотке.

Для защиты при переходе в нормальное состояние обмоток СПСД и СПСГ рекомендуется не превышать порогового значения тока, которое составило 47,3 А для обмотки №2 СПСД и 42,3 А для обмотки №11 СПСГ. Целесообразно использовать для работы на постоянном токе источники с небольшим выходным напряжением, например, уровень напряжения 18 В для этих обмоток является безопасным. Процесс разогрева идет медленно, собственная запасенная энергия на разогрев проводника влияет мало и после достижения максимального напряжения источника за счет роста сопротивления обмотки ток в обмотке уменьшается и устанавливается новое стационарное состояние между нормальной зоной в обмотке и охлаждающим ее азотом.

1. D. Dezhin, R. Ilyasov, S. Kozub, K. Kovalev, L. Verzhbitsky. “Synchronous motor with HTS-2G wires”. Proceedings of EUCAS 2013, Genoa, Italy, September, 2013. 

2. S. Kozub, I. Bogdanov , D. Dezhin_, E. Kashtanov, K. Kovalev , V. Shuvalov, V. Smirnov, V. Sytnik, P. Shcherbakov, L. Tkachenko.  “HTS Racetrack Coils for Electrical Machines”. Proceedings of Cryogenics 2014, Prague, April, 2014. 

3. Dezhin Dmitry, Kovalev Konstantin, Verzhbitsky Leonid, Kozub Sergey, Firsov Valeriy. "Design and testing of 200 kW synchronous motor with 2G HTS field rotor coils". Proceedings of EUCAS 2015, Lyon, France, September, 2015.

4. Kovalev Konstantin, Poltavets Vladimir, Ilyasov Roman, Verzhbitsky Leonid, Kozub Sergey. "1 MW HTS 2G Generator for Wind Turbines". Proceedings of EUCAS 2015, Lyon, France, September, 2015. 

5. И.В.Богданов, И.Ю. Бордановский, Е.М.Каштанов, С.С.Козуб, В.А.Покровский, Л.М.Ткаченко, Л.С. Ширшов, П.А. Щербаков. “Измерение динамических потерь в ВТСП обмотках”. Труды конференции НКПС-3. Москва, 2015.

6. И.В. Богданов, С.С. Козуб, П.И. Слабодчиков, Л.М. Ткаченко, В.И. Шувалов, П.А.Щербаков, К.Л. Ковалев. “Разработка ВТСП рейстрековых обмоток электрических машин”. Труды конференции НКПС-3. Москва, 2015.

7. А.И. Агеев, И.В. Богданов, С.И. Зинченко, Е.М. Каштанов, С.С. Козуб, М.Н.Столяров, И.С. Терский, А.Д.Харченко, В.И. Шувалов, А.А.Дубенский, К.А. Модестов, К.Л.Ковалев, А.А.Молодык, С.Р.Ли,  Л.Г.Вержбицкий, А.Л.Меньшенин. “ВТСП кольцевые катушки обмотки возбуждения синхронного генератора”. Труды конференции НКПС-3. Москва, 2015.

С.С. Козуб