ВТСП токоограничивающий трансформатор на 2 МВА
2012, Tом 9, выпуск 4
Тематика: ВТСП устройства
В настоящее время большой интерес вызывают работы, посвященные созданию сверхпроводниковых токоограничивающих трансформаторов, которые не только имеют существенные преимущества над обычными маслозаполненными трансформаторами, но и обладают способностью ограничивать токи при возникновении коротких замыканий.
В Nagoya University (Япония) разработки, посвященные сверхпроводниковым токоограничивающим трансформаторам, ведутся с 1998 года. К настоящему моменту при поддержке Японского Министерства Образования, Культуры, Спорта, Науки и Технологий специалистам удалось спроектировать и изготовить демонстрационный образец трехфазного ВТСП токоограничивающего трансформатора номинальной мощностью 2 МВА с рабочими напряжениями 22 кВ и 6,6 кВ. Обмотки трансформатора изготовлены из сверхпроводников второго поколения на основе иттрия. Разработанный трансформатор компактен и сможет обеспечить высокую стабильность и надежность энергосистем.
Стоит отметить, что у японских специалистов уже имеется опыт изготовления сверхпроводниковых токоограничивающих трансформаторов. Ранее был изготовлен ВТСП трансформатор мощностью 100 кВА, способный ограничивать токи короткого замыкания. Испытания трансформатора подтвердили его превосходные характеристики. Успехи этой работы послужили базой для создания более мощного устройства.
Рис. 1. Схема (справа) и фотография (слева) ВТСП трансформатора
мощностью 2 МВА с рабочими напряжениями 22 кВ и 6,6 кВ.
На Рис. 1 приведены схема и фотография ВТСП токоограничивающего трансформатора мощностью 2 МВА. Магнитопровод ВТСП трансформатора с расположенными на обоих его стержнях обмотками (A-leg coil и B-leg coil) погружен в жидкий азот и находится при температуре 77 К.
Вторичные обмотки трансформатора можно разделить на два типа: ограничивающие токи коротких замыканий (Tr/FCL coil) и трансформаторные, то есть не проявляющие таких свойств (Tr coil). Ограничивающие токи коротких замыканий обмотки А1-А3 и В1-В3 выполнены из YBCO ленты толщиной 105 мкм c серебряным стабилизатором и критическим током 215 А (при 77 К, критерий 0,3 мкВ/см), а трансформаторные А4-А6 и В4-В6 – из YBCO ленты толщиной 95 мкм с медным стабилизатором и критическим током 240 А (при 77 К, критерий 1 мкВ/см). Такая гибридная структура позволяет менять соотношения между числом витков в Tr/FCL и Tr обмотках. Секции первичной обмотки А7-А10 и B7-B10 выполнены из ВТСП ленты на основе соединения Вi2223 толщиной 230 мкм с критическим током 73 А (при 77 К, критерий 1 мкВ/см).
Изготовленный трансформатор подвергался различным испытаниям, среди которых опыты короткого замыкания, позволяющие оценить способность трансформатора ограничивать токи коротких замыканий, а также возвращаться в сверхпроводящее состояние под нагрузкой после устранения перегрузки по току. Последовательность проведения опыта следующая: первоначально устройство работает как трансформатор с определенным током нагрузки; затем ключ, имитирующий короткое замыкание и подсоединенный параллельно нагрузке, замыкается, для того чтобы создать ток, при котором устройство переходит в нормальное состояние и работает как токоограничитель; по прошествии пяти периодов тока (частота 50 Гц) ключ размыкается, короткое замыкание устраняется, и устройство снова работает как сверхпроводниковый трансформатор. Эксперимент проводился для различных комбинаций тока нагрузки и ударного тока короткого замыкания.
Рис. 2. Исследование токоограничивающих свойств трансформатора мощностью 2 МВА с рабочими напряжениями 22 кВ и 6,6 кВ.
(а) – опыт короткого замыкания, амплитудное значение ударного тока – 784 А;
(б) – зависимость тока в катушке низкого напряжения от величины ударного тока короткого замыкания.
Результаты экспериментов, имитирующих короткие замыкания, представлены на Рис. 2 (а) и 2 (б). ВТСП трансформатор проявил хорошие токоограничивающие свойства. Рис. 2 (а) иллюстрирует случай, при котором ударный ток короткого замыкания (IPRO), значение которого превышало значение критического тока в 3 раза и составляло 784 A (по амплитуде), был ограничен до 34% от своей первоначальной величины - до 267 A (по амплитуде), на первом полупериоде. По истечении пяти периодов тока с момента начала короткого замыкания ударный ток был снижен до 145 A (по амплитуде), что составляет 18% от его максимальной величины. Рис. 2 (б) иллюстрирует результаты совокупности подобных экспериментов, проведенных при различных значениях ударного тока. Пунктирной линией обозначен ударный ток короткого замыкания. Ограниченный ток короткого замыкания во вторичных обмотках трансформатора на первом периоде (I1st) увеличиваться с увеличением IPRO, а на пятом периоде (I5cycle) остается на уровне 145 A (амплитудное значение). Различия между значениями тока во вторичных обмотках на первом и пятом периодах с момента начала короткого замыкания свидетельствуют о том, что активное сопротивление перешедших в нормальное состояние обмоток увеличивается со временем, а значит и диссипация энергии во время короткого замыкания растет с каждым периодом тока.
Восстановление трансформатором сверхпроводящего состояния под нагрузкой после устранения короткого замыкания является такой же важной характеристикой устройства, как и глубина токоограничения.
Рис. 3. Восстановление трансформатором сверхпроводящего состояния после устранения короткого
замыкания: (а) – для обратимого случая; (б) – для необратимого случая.
На Рис. 3. представлены временные зависимости тока (ILV) и сопротивления (RSFCLT) во вторичных обмотках трансформатора на протяжении 3 секунд с момента начала короткого замыкания. В случае (а) амплитудное значение тока нагрузки составляло 58,9 A, а ударный ток короткого замыкания был равен 786 A (по амплитуде). Примерно через 1 с после устранения короткого замыкания и ток, и сопротивление во вторичных обмотках вернулись к своему первоначальному значению. Этот результат показывает, что сверхпроводниковый трансформатор работает как токоограничитель во время короткого замыкания и самостоятельно возвращается в сверхпроводящее состояние после его устранения. Однако в случае (б), при котором амплитудное значение тока нагрузки составляло 76,9 A, а ударного тока короткого замыкания – 790 A, ток не может вернуться в исходное состояние после устранения короткого замыкания, а сопротивление принимает отличное от нуля значение. В этом случае в обмотках трансформатора после устранения короткого замыкания выделяется больше тепла, чем отводится при охлаждении жидким азотом, и устанавливается новое тепловое равновесие. В такой ситуации трансформатор не восстанавливает сверхпроводящего состояния после устранения короткого замыкания. Стоит отметить, что значения ударного тока короткого замыкания и тока нагрузки были близки для обоих случаев.
Возникает логичный вопрос: в каких условиях ВТСП токоограничивающий трансформатор способен возвращаться в сверхпроводящее состояние под нагрузкой сразу после устранения короткого замыкания? Японским специалистам удалось найти на него ответ. На основании решения уравнений цепи и уравнения теплопроводности они разработали модель, позволяющую рассчитывать ток, температуру и сопротивление обмоток ВТСП токоограничивающего трансформатора во время и после короткого замыкания при заданных экспериментальных условиях, а именно токе нагрузки ILV и ударном токе короткого замыкания IPRO. Определив условие восстановления трансформатором сверхпроводящего состояния тем, что разница температур обмотки по истечении 60 с после устранения короткого замыкания и до него не должна превышать 1К, что соответствует переходу от пузырькового кипения жидкого азота к пленочному, они нашли критерий возврата трансформатора в сверхпроводящее состояние под нагрузкой после устранения короткого замыкания.
Рис. 4. Критерий обратимости ВТСП токоограничивающего трансформатора мощностью 2 МВА с рабочими напряжениями 22 кВ и 6,6 кВ.
На Рис. 4 показаны характеристики обратимости перехода в нормальное состояние ВТСП токоограничивающего трансформатора для различных комбинаций тока нагрузки (ILV) и ударного тока короткого замыкания (IPRO), нормированных на критический ток (Ic) YBCO ленты, использованной для изготовления токоограничивающих вторичных обмоток (LV(I) – см. Рис. 1). Символами «○» и «×» обозначены обратимые и необратимые ситуации соответственно, выявленные экспериментально. Красная кривая показывает критерий обратимости, полученный при моделировании. Граничный по критерию восстановления ударный ток короткого замыкания уменьшается с увеличением тока нагрузки, так как Джоулево тепловыделение после устранения короткого замыкания больше при более высоких значениях ILV и при увеличении IPRO увеличивается рост температуры сверхпроводника. Когда точка, соответствующая определенной комбинации тока нагрузки ILV и ударного тока короткого замыкания IPRO, находится ниже этой кривой, то ВТСП токоограничивающий трансформатор перейдет под нагрузкой в сверхпроводящее состояние самостоятельно после устранения короткого замыкания. Расчеты тока, температуры и сопротивления обмоток трансформатора, проведенные с использованием разработанной модели, находятся в полном согласии с экспериментальными результатами, что подтверждает достоверность модели.
Анализ электрического и теплового поведения трансформатора, проведенный при моделировании позволит проводить функциональную оптимизацию трансформатора по токоограничивающим и переходным характеристикам.
1. N. Hayakawa et al., Progress in development of Superconducting Fault Current Limiting Transformer (SFCLT), IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol. 21, № 3, June, 2011.
2. H. Kojima et al., Current limiting and recovery characteristics of 2 MVA class Superconducting Fault Current Limiting Transformer (SFCLT), IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol. 21, № 3, June, 2011.
3. N. Hayakawa et al., Analysis of current limiting and recovery characteristics of Superconducting Fault Current Limiting Transformer (SFCLT) with YBCO coated conductors, IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol. 21, № 3, June, 2011.