Сверхпроводниковые трансформаторы
2006, Tом 3, выпуск 4
Тематика: ВТСП устройства
Трансформатор – одно из важнейших электротехнических устройств, без которого невозможно осуществить распределение и передачу электрической энергии на большие расстояния. По мощности трансформаторы условно разделяют на две группы: маломощные различного назначения и силовые – общего и специального назначения.
Определяя место силового трансформатора в электрической сети, следует отметить, что по мере удаления от электростанции единичные мощности трансформаторов уменьшаются, а удельный расход материалов на их изготовление и потери, отнесенные к единице мощности, а также цена 1 кВт потерь возрастают. В этой связи наиболее болезненными точками энергосистем являются распределительные сети напряжением 35 и 10(6) кВ, в которых происходят основные потери энергии. Если с потерями холостого хода удаётся достаточно эффективно бороться путем усовершенствования существующих и поиска новых технических решений, то с потерями в режиме короткозамкнутых обмоток трансформатора дело обстоит гораздо сложнее, и вряд ли эту проблему удастся решить без использования сверхпроводящих материалов.
История сверхпроводниковых трансформаторов началась ещё в начале 60-х годов. Первоначально их обмотки изготавливали из проводов на основе НТСП I рода, имеющих сравнительно невысокую токонесущую способность, сильно снижающуюся с ростом магнитного поля. Поэтому мощность первых сверхпроводниковых трансформаторов оставалась невысокой, сводя на нет экономические преимущества от низких потерь. Заметное повышение токонесущей способности стало возможным с появлением длинномерных НТСП II рода и использованием для изготовления обмоток многожильных проводов на их основе, что позволило проектировать и строить сравнительно более мощные трансформаторы [1]. Однако высокая стоимость криогенного оборудования гелиевого уровня температур и энергозатраты на поддержание сверхпроводящего состояния делали эти проекты неконкурентоспособными по сравнению с резистивными аналогами.
Новый оптимизм в проектирование и строительство сверхпроводниковых трансформаторов вселило открытие высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП), способных работать при температуре жидкого азота. Спустя десять лет, в лабораториях крупных энергетических компаний и научно-исследовательских институтов промышленно развитых стран мира (США, Япония, Китай, Германия, Ю.Корея) стартовали многообещающие проекты трёхфазных и однофазных ВТСП трансформаторов различной мощности и уровней напряжения (табл. 1). Финансирование этих проектов (в рамках долгосрочных программ) осуществляют государственные учреждения и ведомства, привлекая частные инвестиции.
За последние годы были достигнуты большие успехи в разработке ВТСП проводов, электроизоляционных материалов азотного уровня температур [2], систем криостатирования и тепловой изоляции, производстве ВТСП обмоток. Совершенствуется технологический процесс изготовления прототипов ВТСП трансформаторов, ориентированный на их серийный или мелкосерийный выпуск для скорейшей интеграции в распределительные сети общего назначения.
Рис. 1. Трёхфазный ВТСП трансформатор мощностью 5/10 МВА. [5]
Вместе с тем не имеют однозначного решения принципиально важные для изготовления транс-форматоров вопросы. Наиболее острые из них – оптимальная конструкция магнитопровода и снижение динамических потерь в сверхпроводящих обмотках.
Что касается магнитопровода, не решен, например, вопрос, какое его исполнение наиболее выгод-но: “тёплое” (снаружи криостата) или “холодное” (внутри криостата).
“Холодное” исполнение (рис.1), с одной стороны, способствует упрощению конструкции криостата и уменьшению размеров магнитной системы, с другой стороны, вносит дополнительные теплопритоки, увеличивая энергозатраты на охлаждение. Снижения теплопритоков достигают использованием в качестве материала магнитопровода дорогостоящих аморфных сталей, имеющих очень низкие тепловыделения (0,2 Вт/кг при 1,4 Т и 100 К) [3], или обычной холоднокатаной электротехнической стали с улучшенными характеристиками. Очень интересны работы по совершенствованию сплава FeSi, в ре-зультате которых получена величина тепловыделений 0,35 Вт/кг при 1,7 T, 50 Гц вместо прежних 0,8 Вт/кг [4].
“Тёплое” исполнение магнитопровода приводит к более сложной конструкции криостата, выполняемого в виде полого цилиндра, что увеличивает размер магнитной системы, но вместе с тем уменьшает теплопритоки в холодную часть. При этом в качестве материала магнитопровода можно использовать сравнительно дешёвую тонколистовую рулонную электротехническую сталь (марок 3404, 3405, 3406), допускающую магнитную индукцию до 1,6-1,65 Т. Подобная конструкция более эффективна для однофазных трансформаторов (рис. 2). В трёхфазных трансформаторах аналогичного исполнения потребуются дополнительные токовводы для электрической связи обмоток.
Снижения динамических потерь в обмотках трансформаторов достигают различными спосо-бами:
· использование качественных ВТСП проводников; транспонирование проводов;
· применение многослойных экранирующих медных обмоток;
· чередование модулей высокого и низкого напряжения;
· увеличение числа витков в обмотках;
· понижение рабочей температуры обмоток трансформатора.
Остановимся более подробно на этих способах.
Рис. 2. Однофазный ВТСП трансформатор с “тёплой” магнитной системой и неметаллическим криостатом ко-аксиального типа: а) – в разобранном состоянии; б) – в сборе [7].
Динамические потери в обмотках связаны с качеством используемых сверхпроводников (критическая плотность тока в собственном поле при максимально возможной длине куска) и анизотропией сверхпроводящего материала. Для примера, качественная HTS-1G лента производства AMSC – Jc=115 А, l < 1000 м. Во избежание увеличения динамических потерь и снижения токонесущей способности проводов, катушку после намотки подвергают длительному отжигу в специальной печи для устранения возможных механических напряжений и дефектов в структуре сверхпроводника, возникших в результате его деформации.
Заслуживают внимания также способы снижения динамических потерь в обмотках трансформатора, изготавливаемых из ВТСП проводов 1-го поколения (HTS-1G), стабилизированных лентами из нержавеющей стали. Сверхпроводники этого типа очень чувствительны к поперечной составляющей магнитного поля, поэтому скручивание или транс-позиция, применяемые для равномерного распределения токов в пакетах проводов обмоток, очень часто приводят к увеличению потерь на гистерезис и вводят кооперативные потери, рассеиваемые в матрице [6]. Этим можно объяснить сравнительно невысокий ток (219 А) во вторичной обмотке трансформатора [7], которая намотана пакетом из 20 HTS-1G проводников. Но если скрутку или транспозицию производить с определенным шагом, который подбирается индивидуально в каждом конкретном случае, то можно добиться снижения динамических потерь вместе с равномерным рас-пределением токов.
Для уменьшения действия магнитного поля на сверхпроводник при большом числе первичных и вторичных обмоток, применяют многослойные экранирующие обмотки из медного проводника [8].
Очень часто для изготовления обмоток трансформатора используют модули двойных галет, простое применение которых неблагоприятно из-за увеличения динамических потерь за счёт сильной анизотропии HTS-1G. Однако чередование таких модулей высокого и низкого напряжения (соответственно первичной и вторичной обмоток), расположенных на общем стержне магнитопровода (рис. 3), ведёт к снижению потерь [9].
Рис. 3. Чередующиеся модули двойных галет первичной и вторичной обмоток [9].
Другим способом борьбы с динамическими потерями является снижение индукции в магнитопроводе путём увеличения числа витков в обмотках, но этот способ увеличивает общий расход сверхпроводника [10].
Наряду с перечисленными, наиболее распространенный способ борьбы с динамическими потерями в сверхпроводниках - понижение рабочей температуры до 65-66 К, в результате чего увеличивается диапазон рабочих полей и токов.
Была предпринята единственная попытка в качестве обмоток использовать ВТСП ленты 2-го поколения (HTS-2G) , имеющие более высокие плотности токов в полях, превосходящих допустимые для лент 1-го поколения. Пока известно, что на их основе удалось изготовить только одну вторичную обмотку. Имея первичную и вторичную обмотки, изготовленные из разных материалов (HTS-1G и HTS-2G), разработчики произвели качественное сравнение динамических потерь в них, доказавшее преимущество HTS-2G (достигнуто ограничение токов короткого замыкания, ограничение бросков тока нагрузки, быстрое восстановление сверхпроводящих свойств) при непрерывной работе трансформатора .
Интерес также представляет технология формирования 3-х мерных катушек в одном процессе (осаждения буферного и ВТСП покрытия на вращающийся Ni цилиндр) и последующего формирования рисунка лазерным скрайбированием, подробно описанная в одном из выпусков нашего бюллетеня (2005, том 2. вып. 2, стр.2 http://perst.isssph.kiae.ru/fsk/bulletin/fsk_2005_04_01.doc) [13-15]. В этом случае многослойные сверхпроводящие структуры имеют сразу цилиндрическую форму, что и требуется при произ-водстве обмоток трансформаторов (рис. 4). Такой процесс позволяет достичь высоких инженерных плотностей тока и снизить динамические потери.
Совершенствование технологии производства ВТСП трансформаторов и её доведение до про-мышленных масштабов позволит наладить их коммерческий выпуск и постепенную замену трансформаторов традиционного исполнения. ВТСП трансформаторы обладают многими преимуществами: выдерживают двукратные перегрузки в течение 48 часов и не приводят при этом к нагреву и старению изоляции [17]; более экологичны, пожаро- и взрывобезопасны ввиду отсутствия в них масла; имеют существенно меньшие массогабаритные показатели; очень низкие потери холостого хода и короткого замыкания. Наряду со всеми перечис-ленными преимуществами они обладают возможностью ограничивать токи короткого замыкания за счёт перехода обмоток или обмотки (в зависимости от вида короткого замыкания) в нормальное состояние.
Предпринимались попытки включения ВТСП трансформатора (630 кВА; 18,7 кВ/420 В) с “тёп-лым” магнитопроводом, созданного в рамках совместного проекта ABB, EdF (Electricite de France), American Superconductor и SIG (Services Industriels de Geneve), в действующую сеть. Однако ВТСП обмотки не были оптимизированы для использования на переменном токе, потери в них оказались неприемлемо высокими (3 Вт на 1 кА·м), поэтому в сети трансформатор проработал чуть более года и был выведен из сети. Второй проект этой же группы исполнителей – ВТСП трансформатор мощностью 10 МВА (63 кВ/21 кВ) [25] в 2001 г. прошел полный цикл лабораторных испытаний и в 2002 г. был включен в энергосистему Франции.
Рис. 4. Обмотки, полученные в процессе осаждения YBCO и литографии: а) - процесс формирования лент (проводов обмотки); б) – взаимное расположение первичной и вторичной обмоток на подложке [16].
Табл. 1. Сравнение основных параметров ВТСП трансформаторов.
а) силовые трансформаторы
б) маломощные трансформаторы (рабочая температура – 77 К)
[11][12][13][14][15][16][16.][17][18][19][20][21][21.][22][23][24][25]
- Proc. 1CEC 10, Berlin. Germany 1986,p. 139
- IEEE Trans. Appl. Supercond. 2006, 16, 1497
- JMMM, 1992, 112, 174
- JMMM, 2000, 215-216,69
- Superconductivity for Electric Systems, Pro-gram Plan FY 2005-2009
- IEEE Trans. Appl. Supercond. 2003, 13, 2331
- Physica C 2005, 426–431, 1402
- IEEE Trans. Appl. Supercond. 2003, 13, 2337
- IEEE Trans. Appl. Supercond. 2003, 13, 2291
- IEEE Trans. Appl. Supercond. 2003, 13, 2214
- IEEE Trans. Appl. Supercond. 2005, 15, 1847
- Superconductor Sci. Techn., 2003, 16, 54
- E.F. Maher, International Patent Application PCT/GB02/03898 published as WO 03/019589, March 2003.
- Supercon. Sci. Technol., 2004, 17, 1440
- Информационный бюллетень "Сверхпроводники для электроэнергетики" 2005, 2, вып. 2
- IEEE Trans. Appl. Supercond. 2005, 15, 2210
- http://www.3-cs.co.uk/concepts/introduction.htm
- IEEE Trans. Appl. Supercond. 2003, 13, 2325
- Supercond. Sci. Technol., 2004, 17, 1014
- IEEE Trans. Appl. Supercond. 2003, 13, 2306
- IEEE Trans. Appl. Supercond. 2003, 13, 2310
- IEEE Trans. Appl. Supercond. 2004, 14, 924
- IEEE Trans. Appl. Supercond. 2006, 16, 1477
- Superconductor Sci. Techn., 2000, 13, 60
- Physica C, 2000, 341-348