научная статья по теме ПАРАМЕТРЫ ВТСП ТРАНСФОРМАТОРА Энергетика

Текст научной статьи на тему «ПАРАМЕТРЫ ВТСП ТРАНСФОРМАТОРА»

№ 1

ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА

2015

УДК 621.4

ПАРАМЕТРЫ ВТСП ТРАНСФОРМАТОРА

© 2015 г. Э. П. ВОЛКОВ, Э. А. ДЖАФАРОВ

ОАО "Энергетический институт им. Г.М. Кржижановского ", Москва E-mail: cryogen@eninnet.ru

Рассмотрены параметры ВТСП трансформатора со стержневым магнитопрово-дом, с концентрической и симметричной чередующейся обмотками, выполненными из ВТСП провода первого поколения с локализированным магнитным полем. Дано сравнение параметров наиболее распространенного вида трансформатора со стержневым магнитопроводом с концентрической ВТСП обмоткой с параметрами трансформатора традиционного исполнения с обмоткой из медного провода. Показано преимущество ВТСП трансформатора: уменьшение индуктивного сопротивления рассеяния, площади сечения, объёма и массы ВТСП обмотки по сравнению с аналогичными параметрами трансформатора традиционного исполнения с обмоткой из медного провода. Показано, что КПД ВТСП трансформатора определяется в основном потерями энергии в магнитопроводе. Предложено для увеличения КПД ВТСП трансформатора использовать в качестве материала магнитопровода аморфную электротехническую сталь.

Ключевые слова: ВТСП трансформатор, локализированное магнитное поле, ВТСП обмотка, ВТСП провод, ВТСП жила, магнитное поле рассеяния, концентрическая обмотка, чередующаяся обмотка.

PARAMETERS OF HTSC TRANSFORMER

E. P. VOLKOV, E. A. DZHAFAROV

OJSC "G.M. Krzhizhanovsky Power Engineering Institute", Moscow E-mail: cryogen@eninnet.ru

The parameters are considered for a HTSC transformer with a core type magnetic circuit with coaxial and symmetrical interleaved windings made from the first generation HTSC wire with localized magnetic field. A comparison is given of parameters for the most widespread core type transformer with a coaxial HTSC winding and a conventional transformer with a copper wire winding. The HTSC transformer advantage is demonstrated: the reduction of leakage inductive reaction, HTSC winding cross section, volume, and mass in comparison with the same parameters for the conventional transformer with а copper wire winding. The HTSC transformer efficiency is proved to be mainly determined by the core loss. To increase the HTSC transformer efficiency it is proposed to use the amorphous electrical steel as the material for its magnetic circuit.

Key words: HTSC transformer, localized magnetic field, HTSC winding, HTSC wire, HTSC strand, leakage magnetic field, coaxial winding, interleaved winding.

Одним из направлений научно-технического прогресса в области электроэнергетики на современном этапе является создание энергосберегающего, экологически чистого сверхпроводящего (СП) электрооборудования энергетического назначения: СП кабелей постоянного и переменного тока, СП электрических машин постоянного и переменного тока, СП трансформаторов, СП индуктивных накопителей энергии, СП токоограничителей, СП преобразователей частоты, выпрямителей, инверторов, выключателей, криотронных преобразователей и т.д. [1—4].

Электротехническое оборудование с высокотемпературными сверхпроводниками (ВТСП) первого и второго поколений отвечает потребностям энергетики настоящего времени и развитию электроэнергетики будущего, так как его технические и экономические характеристики по качественным и количественным показателям значительно превосходят характеристики традиционного применяемого электрооборудования.

Результаты разработок ВТСП энергетического электрооборудования с учетом снижения цены на ВТСП материалы могут быть использованы для модернизации топливно-энергетического комплекса для получения максимальной выгоды в экономике страны.

Разработки силовых сверхпроводящих трансформаторов энергетического назначения в ОАО "Энергетический институт им. Г.М. Кржижановского" проводятся с 1974 г. [2-4].

Исследования, разработки и испытания СП трансформаторов различных конструкций и мощностей, обмотки которых изготовлены из ВТСП проводников первого и второго поколений, в т.ч. с магнитопроводом из аморфной электротехнической стали и имеющих функцию ограничения тока короткого замыкания, ведутся в передовых, промышленно развитых странах мира [5-9].

Модели и опытные образцы ВТСП трансформаторов исследуются в различных режимах работы с целью определения, уточнения и оптимизации параметров для их усовершенствования, улучшения технико-экономических показателей и повышения энергоэффективности применения в энергосистемах.

Токонесущую способность, мощность и КПД ВТСП трансформаторов можно увеличить за счет конструктивного выполнения витков и слоев обмоток, определяемого из условия максимального ослабления магнитной связи между витками и слоями. В результате в ВТСП трансформаторах достигается локализация магнитного поля рассеяния в зоне расположения слоев и витков обмоток, вследствие которой улучшаются энерго-и ресурсосберегающие показатели таких трансформаторов.

Один из способов локализации магнитного поля рассеяния — применение поочередного секционирования первичных и вторичных обмоток трансформатора, изготовленных из ленточных ВТСП проводов первого и второго поколений [4].

Более эффективным применением принципа локализации магнитного поля рассеяния ВТСП обмоток является их выполнение неплотной намоткой витков из ВТСП провода первого и второго поколений с шагом намотки, определяемым из условия максимального ослабления магнитной связи между ВТСП витками [2—3].

Наиболее энергоэффективным способом локализации магнитного поля рассеяния является применение в качестве проводникового материала обмоток ВТСП провода первого поколения, в котором токонесущие жилы находятся в собственном магнитном поле, создаваемом протекающими по ним транспортными токами при отсутствии внешних магнитных полей, создаваемых токами других жил провода [10]. Величина магнитной индукции на поверхности ВТСП провода при этом равна величине магнитной индукции одной, отдельно взятой жиле провода. Такой эффект достигается за счет определенного распределения токонесущих ВТСП жил по сечению провода, что приводит к увеличению максимальной токонесущей способности ВТСП провода в сочетании с минимальными потерями энергии в нем. Токонесущая способность каждой ВТСП жилы провода обмотки определяется собственным магнитным полем и собственными параметрами ВТСП жилы. ВТСП обмотки трансформатора из этого про-

¡1 а

О О О О

т

Обмотка ВН /

Обмотка НН

Магнитопровод

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

Рис. 1. Концентрическая ВТСП обмотка трансформатора

а

Ь

Рис. 2. К расчету индуктивного сопротивления рассеяния концентрической ВТСП обмотки трансформатора

вода выполняются плотной намоткой витков и слоев с коэффициентом заполнения обмоток кз об = 1.

На рис. 1 показана схема расположения концентрических обмоток в ВТСП трансформаторе, выполненных из провода ВТСП.

Ширина ВТСП провода определяется из соотношения:

b = Nnd, (1)

где d — диаметр ВТСП жилы провода; N — число ВТСП жил провода.

Расстояние между продольными осями соседних ВТСП жил провода равно:

a = b/N. (2)

Относительное расстояние (шаг) между ВТСП жилами провода:

t = a/d. (3)

В варианте выполнения обмоток ВТСП трансформатора, показанном на рис. 1, шаг t« 5.

Для определения индуктивного сопротивления рассеяния ВТСП обмотки трансформатора принимаем число витков обмотки ВТСП трансформатора w: = w2 = wcn и протекающие в них токи ix = —i2 = i.

Тогда для размеров ВТСП обмотки получим (рис. 2)

аеП = an; ¡сп = ащ, (4)

где аСП — ширина ВТСП обмотки; ¡СП — высота ВТСП обмотки; nb n2 — число слоев ВТСП жил провода обмотки по ширине и высоте соответственно.

При обходе контура 1 (пунктир на рис. 2) в соответствии с законом полного тока получим [11]:

B = Цо , (5)

¡S СП аСП

где 0 < x < аСП; Bx — индукция магнитного поля рассеяния; ц0 — магнитная постоянная; ¡S СП — расчетная длина силовой линии магнитного поля рассеяния [11].

В соответствии с теорией традиционных трансформаторов с медными или алюминиевыми обмотками расчетная длина силовой линии магнитного поля рассеяния lS приближенно равна [12]:

l _ _^об_ _ ^об

^ " 1 _ bi + b2 + 5П ~ кб ,

пкоб

где коб — высота обмотки; Ьъ b2 — ширина первичной и вторичной обмотки соответственно; б12 — ширина зазора между обмотками; кб — коэффициент приведения высоты обмотки к расчетной длине линий магнитного поля рассеяния (коэффициент Ро-говского).

Так как ширина обмоток и зазор между ними в традиционных силовых трансформаторах невелики по сравнению с высотой обмотки, то для обычных концентрических обмоток трансформатора коэффициент кб = 0,90...0,97, для чередующихся обмоток — 0,65.0,80. В ВТСП трансформаторах с концентрическими и чередующимися обмотками использование этих значений коэффициента Роговского для вычисления индуктивных сопротивлений рассеяния может привести к ошибкам, ввиду отличия конструктивного выполнения ВТСП обмоток таких трансформаторов от обмоток трансформаторов традиционного типа.

Используя теоретические исследования В. Роговского, находим

3 Энергетика, № 1

65

Is СП = lcn + ^(«0 + 2«сп) = an2 + + 2an{), (6)

п п

где а0 — ширина канала между ВТСП обмотками.

В радиальном направлении внутри ВТСП обмотки индукция магнитного поля рассеяния Bx изменяется по закону прямой линии. При значении x = аСП она принимает максимальное значение

Bx max = Ц0 СП. (7)

lS СП

При заданном числе витков wcn и токе i с увеличением средней длины силовой линии магнитного поля рассеяния lS СП можно увеличить шаг t ВТСП жил провода до такой величины tmax, при которой величина индукции магнитного поля рассеяния Bx становится равной величине магнитной индукции одной ВТСП жилы провода Вж max:

В _ в

max — ж max>

так как

Вж max = Ц0 > (8)

nd

то приравнивая равенства (7) и (8), имеем wcn = _L

lS СП nd

Откуда следует

Wcnnd = lS СП- (9)

Подставляя значения расчетной длины силовой линии магнитного поля рассеяния lS СП из выражения (6) в (9), получим

wcnnd = an2 + 1/ п (a0 + 2an1).

Тогда

« = nW - «0. (10)

nn2 + 2n1

Максимальное значение шага ВТСП жил провода получим с учетом равенств (3) и (10)

{ = л2^сп - (др/ (11)

т

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.

Показать целиком