Сверхпроводящие магнитные системы в ИВТ РАН
2005, Tом 2, выпуск 5
Тематика: Российские компании
В Отделении прикладной сверхпроводимости ИВТ РАН уже более 20 лет проектируют и изготавливают сверхпроводящие магнитные системы различного назначения, включая индуктивные накопители электроэнергии и токоограничители. Приобретенный ИВТ РАН опыт и ряд оригинальных решений в конструировании накопителей на НТСП материалах могут быть эффективно использованы для на-копителей на ВТСП материалах.
Несомненный интерес представляет секционирование, связанное с проектированием сверхпроводящих магнитных систем. Под секционированными сверхпроводящими обмотками (часто называемыми магнитными системами) подразумеваются обмотки, изготовленные из сверхпроводящего провода или набранные из сверхпроводящих колец, состоящие из нескольких частей, отделённых друг от друга зазорами, либо различающихся по плотности тока.
В свое время была поставлена задача спроектировать сверхпроводящую магнитную систему индуктивного накопителя (1,5 МДж, 10 кА). Столкнулись с проблемой отсутствия сверхпроводящего провода на 10 кА. Даже если бы такой сверхпроводящий провод суще-ствовал, то и это не исключило 2-х других проблем:
1. очень большое поперечное сечение (неудобно изготавливать обмотку, маленький радиус витка);
2. большие электродинамические усилия требуют дополни-тельного бандажа (магнитная система может не поместиться в криостат с заданными заказчиком размерами).
Было принято решение сконструировать секционированный нако-питель из 12 аксиальных секций, включённых параллельно, из проводов на 1 кА. И если при этом токи в секциях подбираются из условий близости к критической величине, то энергоёмкость такой системы оказывается выше, чем для несекционированной системы тех же размеров с постоянной плотностью тока по сечению провода. Таким образом, параллельное соединение секций полезно как с технической (упрощает конструкцию проводника), так и с экономической точек зрения. Такая магнитная система в ИВТАНе была успешно изготовлена.
Проблема секционирования сверхпроводящих обмоток была детально исследована. Результаты исследования успешно использовались при создании 7 секционированных магнитных систем экспериментального и опытнопромышленного уровня.
Вообще говоря, идея секционирования принадлежит П.Л. Капице, который использовал её для получения магнитных полей высокой напряжённости. Потом эту идею изучали В.Р. Карасик, В.Б. Зенкевич, В.В. Сычёв и другие. Однако на практике для индуктивных накопителей и импульсных источников эта идея была впервые реализована в ИВТАН под руководством В.В. Андрианова.
Под управляемостью энергосистемы обычно понимается её способность поддерживать при помощи элементов управления надёжность и качество электроснабжения потребителей при отклонениях пара-метров режима и при аварийных возмущениях. В качестве силовых
регуляторов следует рассматривать элементы управляемых сверхпроводящих реакторов и токоограничителей, а также сверхпроводящих индуктив-ных накопителей малой и средней энергоёмкости. С технической точки зрения, сверхпроводящий ин-дуктивный накопитель является едва ли не идеальным элементом для электроэнергетических систем. Чёткую экономическую перспективу имеют крупные накопители, способные покрывать суточные пиковые нагрузки, но их техническая реализация – дело не близкого будущего. Малые накопители имеют небольшую нишу использования и большую конкуренцию внутри этой ниши.
Важнейшим экономическим показателем сверхпроводящего накопителя является его удельная энергоёмкость. Общепринято, что этот показатель растёт с увеличением объёма обмотки (габаритных разме-ров), и поэтому конструкции, в которых всё заданное количество энергии запасается одной обмоткой, считаются предпочтительнее многообмоточных модульных систем.
Однако с увеличением габаритов обмотки усложняются задачи по обеспечению температурного режима её работы, компенсации температурных деформаций, связанных с электродинамическими на-грузками, передачи механических усилий с токонесущих элементов на силовые и т.д. Повышается также вероятность возникновения аварийных ситуаций и масштаб последствий аварии. В результате, крупные обмотки приходится выполнять более стабилизированными, с большим запасом по кри-тическому току восстановления и по критическим параметрам проводника, с развитой инфраструкту-рой охлаждения и с дополнительными силовыми элементами. Поэтому существенно снижается как конструктивная плотность тока по сечению, так и плотность тока по токонесущим элементам.
Изложенные соображения ставят под сомнение тезис о безусловном приоритете однообмоточных сверхпроводящих накопителей и указывают на необходимость подробного анализа. Такой анализ был проведён в ИВТ РАН для цилиндрических обмоток, которые обладают наибольшей удельной энергоёмкостью по сравнению с другими типами обмоток, и показал, что существует область исходных параметров проектирования, в которых много-обмоточная магнитная система выглядит предпочтительнее однообмоточной.
Явление сверхпроводимости перспективно также для целей токоограничения, и попытки изготовить сверхпроводниковые токоограничители предпринимались давно. Одна из перспективных конструкций - токоограничитель трансформаторного типа на основе массивной ВТСП керамики.
Однофазный сверхпроводящий токоограничивающий реактор представляет собой трансформатор и содержит две обмотки: рабочую, включённую в цепь, и сверхпроводящую короткозамкнутую.
В номинальном режиме работы цепи импеданс токоограничивающего реактора является входным сопротивлением короткозамкнутого трансформатора и имеет минимальную величину. При увеличении тока в цепи (например, при КЗ) ток в первичной обмотке возрастает, что вызывает рост тока в короткозамкнутой сверхпроводящей обмотке и переход в нормальное состояние. При этом импеданс реактора принимает величину входного сопротив-ления трансформатора в режиме холостого хода, за счёт чего и происходит ограничение тока в цепи.
В ИВТ РАН разработана модель сверхпроводящего токоограничивающего реактора, в котором в качестве вторичной обмотки используются ВТСП кольца.
Для токоограничивающего устройства наиболее удачной является конструкция трансформатора с симметричночередующимися обмотками. Максимальное снижение индуктивности рассеяния достигается уже при числе групп больше, либо равном четырём. При этом с увеличением количества колец снижается максимальная индукция магнитного по-ля, растёт токонесущая способность колец и глубина экранирования.
Изменение импеданса токоограничивающего устройства, имеющего магнитную систему, состоящую из одной группы, приблизительно в 3,5 раза меньше, чем изменение импеданса устройства, имеющего магнитную систему из двух групп чередующихся обмоток. Таким образом, это является подтверждением увеличения кратности тока за счёт секциони-рования ВТСП экрана.
Токоограничивающие устройства базируются, как правило, на использовании ВТСП элементов, а накопители представляют собой магнитную систему на основе НТСП проводов. Секционирование сверхпроводящих магнитных систем для этих устройств является универсальным приёмом для повышения эффективности использования сверхпроводящих материалов. Действительно, накопители работают на постоянном токе (уравнения в мгновенных значениях), токоограничивающие устройство работает на переменном токе (уравнения установившегося процесса), а решение одно – секционирование магнитной системы.