№ 5
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2013
УДК 621.4
© 2013 г. ВОЛКОВ Э.П., ДЖАФАРОВ Э.А.1
ВТСП ТРАНСФОРМАТОР С ЛОКАЛИЗИРОВАННЫМ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ
Рассмотрен ВТСП трансформатор со стержневым магнитопроводом и концентрическими обмотками с чередующимися слоями при одноканальном и многоканальном исполнениях. Приведена конструктивная схема ВТСП обмоток трансформатора, выполненных в виде разработанных ленточных ВТСП проводов первого поколения с локализированным магнитным полем для получения максимальных транспортных токов в обмотках, уменьшения расхода ВТСП материала, хладагента и потерь энергии в них.
Техническая политика в электроэнергетике Российской Федерации в настоящее время предусматривает усовершенствования по всем составляющим электротехнического оборудования электрических сетей. Одним из направлений разработок является создание силового электрооборудования с использованием высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП), что полностью относится к силовым трансформаторам — неотъемлемой части любой энергетической системы [1].
Применение ВТСП технологий для создания энергоэффективных, энергосберегающих силовых трансформаторов энергетического назначения — принципиально новый способ улучшения их технико-экономических показателей.
ВТСП трансформаторы по сравнению с силовыми трансформаторами традиционного исполнения обладают значительными преимуществами: увеличение токонесущей способности за счет увеличения плотности тока в обмотках на несколько порядков; снижение нагрузочных потерь (потерь короткого замыкания) на 90% и более и потерь холостого хода на 80% (при использовании магнитопровода из аморфной электротехнической стали), что увеличивает КПД трансформатора; уменьшение массогабаритных показателей в два—три раза; возможность ограничения токов короткого замыкания; снижение реактивных сопротивлений; уменьшение пожаробезопасности и техногенной нагрузки на окружающую среду; увеличение срока службы; облегчение транспортировки; уменьшение уровня шума [2—4].
Начиная с 1997 г. в передовых, промышленно развитых странах мира были изготовлены, прошли и проходят испытания в действующих электрических сетях опытные образцы ВТСП трансформаторов различных конструкций и мощностей [2, 4, 5].
В ВТСП трансформаторах с плотным исполнением сверхпроводящих витков и слоев, индукция магнитного поля в канале рассеяния между первичными и вторичными обмотками создается суммарными ампервитками обмоток и достигает высокого уровня. При этом, в самих обмотках каждый виток, помимо магнитного поля, создаваемого током витка, испытывает влияние магнитного поля, создаваемого токами соседних витков обмотки. Имеет место сильный краевой эффект, в результате этого получается сильное искажение магнитного поля рассеяния и чрезмерное увеличение плотности
Энергетический институт им. Г.М. Кржижановского.
тока на краях цилиндрических обмоток, что приводит к увеличению потерь в обмотках трансформатора, уменьшению токонесущей способности обмоток, понижению КПД трансформатора.
Такой эффект снижения параметров сверхпроводящих трансформаторов, значительно ухудшающий их технико-экономические показатели, важнее устранить в ВТСП, чем в низкотемпературных сверхпроводящих трансформаторах (НТСП), поскольку ВТСП обмоточный материал обладает значительно меньшей токонесущей способностью в магнитных полях по сравнению с НТСП материалом.
В ОАО "Энергетический институт им. Г.М. Кржижановского" для устранения указанных недостатков разработаны, изготовлены и испытаны лабораторные модели сверхпроводящих трансформаторов с локализированным магнитным полем стержневого и тороидального типа с пульсирующим магнитным полем и электромашинного типа с вращающимся магнитным полем [3, 4].
Существенным отличием разработанных сверхпроводящих трансформаторов от аналогичных СП трансформаторов традиционного исполнения является то, что каждый виток обмоток трансформатора находится в собственном магнитном поле. создаваемом током витка и локализированном в его окрестности. Влияние внешнего магнитного поля, создаваемого токами других витков обмоток трансформатора, минимально, при этом практически отсутствует влияние собственного магнитного поля витка на другие витки обмоток трансформатора. Поэтому СП обмотки трансформатора находятся в собственном магнитном поле, равном магнитному полю одного отдельно взятого витка.
Указанный технический результат максимального ослабления электромагнитной связи между витками достигается тем, что сверхпроводящие обмотки трансформатора конструктивно выполняются неплотной намоткой витков с относительным расстоянием (шагом) ? между ними [4]:
? = Ь/й;
? = (п2Ж- (а/й))/(пп2 + 2п1),
где Ь — расстояние между продольными осями соседних витков сверхпроводящей обмотки; с1 — диаметр СП провода обмотки; Ж — общее число витков сверхпроводящей обмотки; п1, п2 — число слоев сверхпроводящей обмотки по ширине и высоте; а — ширина канала между сверхпроводящими обмотками.
Токонесущая способность таких СП трансформаторов — максимальна, потери и связанные с ними расход электроэнергии и хладагента — минимальны.
Сверхпроводящие обмотки большинства ВТСП трансформаторов изготовлены из ВТСП проводов первого поколения (ВТСП-1), которые в коммерческих масштабах производятся в США, Японии, Германии, Китае.
Вместе с тем, развивается альтернативная технология — ВТСП провода второго поколения (ВТСП-2), так как имеется существенная динамика и прогресс в исследованиях и разработках ВТСП проводов этого типа. В обозримом будущем вряд ли будет использоваться только один из двух типов ВТСП проводов во всех видах силового электроэнергетического оборудования.
В настоящее время ВТСП провода выпускаются в виде лент. Низкие значения критической магнитной индукции при относительно небольшом количестве ВТСП жил провода не дают возможности создания ВТСП ленточных проводов на большие токи. Ведутся работы по созданию ВТСП проводов круглого сечения, в которых магнитное поле симметрично относительно оси провода, что создает благоприятные условия для равномерного распределения по сечению провода плотности тока и получения максимальной токонесущей способности такого ВТСП провода [6, 7].
Между сверхпроводящими жилами (ВТСП-1), плотно расположенными в сечении провода, существует электромагнитная связь, обусловленная протекающими через
12 3 4
Рис. 1. Сечение ленточного ЛМЖСПП
них транспортными токами, что ведет к уменьшению критических значений плотностей токов, ухудшению токонесущей способности ВТСП провода. Максимальная токонесущая способность ВТСП проводов при минимальных потерях энергии в них достигается в случае, когда СП токонесущие жилы находятся в собственном магнитном поле, создаваемом протекающими по ним транспортными токами при отсутствии внешних магнитных полей, создаваемых токами других СП жил провода.
В этом случае величина магнитной индукции на поверхности многожильного ВТСП провода равна величине магнитной индукции одной, отдельно взятой сверхпроводящей жилы провода.
Такие многожильные СП провода с локализированным магнитным полем разработаны в ОАО "Энергетический институт им. Г.М. Кржижановского" [8—10].
Особенностью локализированных многожильных сверхпроводящих проводов (ЛМЖСПП) является неоднородность магнитного поля, связанная с дискретным распределением плотности тока по сечению провода. Вокруг ЛМЖСПП внешнее магнитное поле, создаваемое внешними токами, незначительно по сравнению с магнитным полем, создаваемым собственным током провода. Энергия магнитного поля ЛМЖСПП, создаваемая собственным током, минимальна.
ЛМЖСПП с низкими значениями индуктивности и сильными транспортными токами могут найти применение в сверхпроводящем электрооборудовании энергетического назначения: силовых обмотках электрических машин постоянного и переменного тока, СП трансформаторах, СП кабелях для передачи электрической энергии постоянного и переменного тока, СП токоограничителях, нелинейных элементах криотронов и т.д.
Использование ЛМЖСПП в качестве обмоточного материала СП трансформатора позволяет при плотной намотке его витков максимально ослабить магнитную связь между ними, что значительно увеличивает критический ток, повышает степень использования сверхпроводникового материала, снижает потери энергии в СП обмотках и улучшает массогабаритные показатели СП трансформатора.
На рис. 1 показано сечение разработанного ленточного ЛМЖСПП, предназначенного для использования в качестве обмоточного материала в ВТСП трансформаторе [10].
ВТСП провод 1 прямоугольного сечения с наружной изоляционной оболочкой 2 содержит в матрице 3 из стабилизирующего материала ВТСП токонесущие элементы 4 круглого сечения, размещенные в одной плоскости. ВТСП токонесущие элементы расположены по ширине провода на расстоянии между продольными осями соседних токонесущих элементов таким образом, что каждый токонесущий элемент находится в собственном локализированном в его окрестности магнитном поле, создаваемом протекающим через него транспортным током.
Влияние магнитных полей токонесущих элементов провода друг на друга практически сведено к минимуму. Ширина ВТСП провода определяется из соотношения:
Ь = Жк й\
Рис. 2. Распределение индукции магнитного поля в сечении ленточного ЛМЖСПП
расстояние между продольными осями соседних токонесущих элементов ВТСП провода равно:
а = Ь/Ж,
где с1 — диаметр ВТСП токонесущего элемента; N — число ВТСП токонесущих элементов провода.
Относительное расстояние между СП токонесущими элементами ЛМЖСПП определяется как:
г = а / й;
и для варианта выполнения ЛМЖСПП на рис. 1, ? « 5.
На рис. 2 показано распределение индукции магнитного поля в сечении ленточного ЛМЖСПП, на рис. 3 — схематическое расположение цилиндрических обмоток в ВТСП трансформаторе, выполненных из этого провода.
Отличительная особенность ВТСП трансформатора с обмотками из ЛМЖСПП состоит в том, что он выполнен плотной намоткой витков и слоев, что увеличивает мощность ВТСП трансформатора по сравнению с неплотной намоткой витков и слоев,
О о
о о
о о
о о
о о
о о
о о
о о
о о
о о
о о
о о
о о
о о
о о
Обмотка В
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.