Выпуски бюллетеня

ТомНомер
13 1
12 1 2 3 4 5 6
11 1 2 3 4 5 6
10 1 2 3 4 5
9 1 2 3 4 5
8 1 2 3 4 5
7 1
6 1 2 3 4
5 1 2 3 4 5 6
4 1 2 3 4 5 6
3 1 2 3 4 5 6
2 1 2 3 4 5
1 1 2
0 0

Тематический указатель

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]

В.Лобынцев

  1. Proc. 1CEC 10, Berlin. Germany 1986,p. 139
  2. IEEE Trans. Appl. Supercond. 2006, 16, 1497
  3. JMMM, 1992, 112, 174
  4. JMMM, 2000, 215-216,69
  5. Superconductivity for Electric Systems, Pro-gram Plan FY 2005-2009
  6. IEEE Trans. Appl. Supercond. 2003, 13, 2331
  7. Physica C 2005, 426–431, 1402
  8. IEEE Trans. Appl. Supercond. 2003, 13, 2337
  9. IEEE Trans. Appl. Supercond. 2003, 13, 2291
  10. IEEE Trans. Appl. Supercond. 2003, 13, 2214
  11. IEEE Trans. Appl. Supercond. 2005, 15, 1847
  12. Superconductor Sci. Techn., 2003, 16, 54
  13. E.F. Maher, International Patent Application PCT/GB02/03898 published as WO 03/019589, March 2003.
  14. Supercon. Sci. Technol., 2004, 17, 1440
  15. Информационный бюллетень "Сверхпроводники для электроэнергетики" 2005, 2, вып. 2
  16. IEEE Trans. Appl. Supercond. 2005, 15, 2210
  17. http://www.3-cs.co.uk/concepts/introduction.htm
  18. IEEE Trans. Appl. Supercond. 2003, 13, 2325
  19. Supercond. Sci. Technol., 2004, 17, 1014
  20. IEEE Trans. Appl. Supercond. 2003, 13, 2306
  21. IEEE Trans. Appl. Supercond. 2003, 13, 2310
  22. IEEE Trans. Appl. Supercond. 2004, 14, 924
  23. IEEE Trans. Appl. Supercond. 2006, 16, 1477
  24. Superconductor Sci. Techn., 2000, 13, 60
  25. Physica C, 2000, 341-348
Главная | Новости | Бюллетень | Конференции | Поиск публикаций в базе данных | Новое в базе данных
Российские организации | Энциклопедия | Цели сайта | Контакты | Полезные ссылки | Карта сайта | Помощь

© Copyright 2006-2012. Использование материалов сайта возможно только с обязательной ссылкой на сайт.
Свои замечания и пожелания вы можете направлять по адресу perst@isssph.kiae.ru
Техническая поддержка Alexey, дизайн Teodor.