CC BY
127
ТЕХНИКА, ТЕХНОЛОГИЯ, УПРАВЛЕНИЕ
УДК 621.59
К. А. Хватова
КОНСТРУКЦИЯ СИЛОВОГО ТРАНСФОРМАТОРА СО СВЕРХПРОВОДНИКОВЫМИ ОБМОТКАМИ
Аннотация. В статье рассматриваются особенности конструкции сверхпроводникового трансформатора, преимущества, возникающие при их применении для электроэнергетических систем.
Ключевые слова: сверхпроводимость, трансформатор, конструкция, сверхпроводниковая лента.
Развитие энергетических систем требует повышения их энергоэффективности и технического совершенствования. Традиционные силовые трансформаторы имеют достаточно высокий коэффициент полезного действия, однако увеличение стоимости электрической энергии вследствие увеличения стоимости топлива стимулирует интенсивные поиски путей снижения потерь, в том числе и в силовых трансформаторах, потери в которых составляют около половины потерь при передаче и распределении электроэнергии. В то же время в Российской Федерации сосредоточены одни из самых больших трансформаторных мощностей в мире. Это связано с тем, что вследствие больших расстояний между источниками генерации и потребителями имеет место многоступенчатая система повышения и понижения напряжения, которая приводит к большим потерям электроэнергии. К тому же около 75 % трансформаторов выработали свой эксплуатационный срок службы. В настоящее время потери энергии высоки. Применяемое для охлаждения и изоляции устройств трансформаторное масло - материал огнеопасный и загрязняющий окружающую среду. Приемлемые потери энергии на переменном токе у высокотемпературных сверхпроводников обеспечивают значительное увеличение эффективности работы энергетических устройств, а охлаждение жидким азотом отличается экологической чистотой и безопасностью. В вышесказанном актуально использование силовых трансформаторов на основе высокотемпературных сверхпроводников с рабочей температурой 65-77 К.
Сверхпроводимость - свойство некоторых материалов обладать строго нулевым электрическим сопротивлением.
В 1911 г. голландский физик Камерлинг-Оннес открыл такое явление, как сверхпроводимость. Он обнаружил, что при охлаждении ртути в жидком гелии ее сопротивление сначала меняется постепенно, а затем при температуре 4,1 К очень резко падает до нуля.
Существуют три критерия возникновения сверхпроводимости: критическая температура, критический ток, критическая индукция магнитного поля [1].
Нами проектируется высокотемпературный сверхпроводниковый двухобмоточный трехфазный трансформатор мощностью 40 МВА.
158
Техника, технология, управление
В настоящее время выполнена следующая работа:
- рассчитаны основные электрические параметры;
- определены основные конструктивные размеры;
- определены параметры обмоток;
- конструктивно решены обмоточные данные и схема обмотки;
- разработана технология изготовления сердечника и ярма.
Особенностью работ в области высокотемпературных сверхпроводниковых (ВТСП) устройств являются разработки сверхпроводниковых трансформаторов (СПТ). Разновидность конструкций СПТ и их отдельных элементов значительно шире по сравнению с аналогичными вариантами традиционных силовых трансформаторов. Магнитопровод трансформатора может иметь как «холодное» исполнение (погружен в жидкий азот вместе с обмотками), так и «теплое» (работает при комнатной температуре). Снижения теплопритоков можно достичь использованием в качестве материала магнитопровода аморфных сталей, имеющих очень низкие тепловыделения (0,2 Вт/кг при 1,4 Т и 100 К), чтобы снизить тепловую нагрузку на хладагент. Материал для изготовления магнитопровода из нанокристаллической аморфной стали позволяет снизить существенные потери холостого хода [2]. Вместе с тем использование жидкого азота позволит, помимо основной функции хладагента, получить надежную, высокоэффективную изоляцию. При этом мощность, затрачиваемая на охлаждение СПТ, снижается в 20 раз по сравнению с мощностью, затрачиваемой на охлаждение обычных силовых масленых трансформаторов. Особенностями конструкции является использование сверхпроводниковой ленты второго поколения SCS12050 на основе иттриевой керамики с медным стабилизатором, дополнительная изоляция из каптона. Примечательно, что время охлаждения лент, изолированных каптоном, меньше. Объясняется это тем, что их поверхность имеет меньшую шероховатость, т.е. большую площадь поверхности охлаждения. Для того чтобы избежать потерь на вихревые токи, в конструкции криостата использован термоизолирующий кожух из стеклопластика, пропитанного эпоксидом, с вакуумной изоляцией, имеющий радиационные экраны от теплопритоков.
Разработана технология изготовления сердечника и ярма, которая обеспечит ремонтопригодность трансформатора и повышает его технологичность. При двойной номинальной нагрузке потери в ВТСП-трансформаторе меньше, чем в обычном при номинальной нагрузке. Так как конструкция магнитопровода «теплого» исполнения, то потери в сердечниках из аморфного сплава примерно в 20 раз ниже, чем в электротехнической трансформаторной стали. КПД обычных трансформаторов достаточно высок и составляет более 99 %. Использование ВТСП-материалов позволяет повысить КПД лишь на 0,4 % (99,7 % против 99,3 % у традиционных устройств). Однако эти цифры становятся достаточно внушительными для систем охлаждения трансформатора: при мощности в 20 МВт повышение КПД на 0,4 % снижает тепловыделение более чем в два раза (или на 8 кВт).
Исследования и расчеты показывают несколько преимуществ новой разработки:
- снижение нагрузочных потерь при номинальном токе на 90 %, что значительно увеличивает КПД трансформатора;
- уменьшение веса и габаритов трансформатора до 40 %, что позволят установить такие трансформаторы в городских условиях и помещениях;
- ограничение токов короткого замыкания, что в аварийных режимах защищает электрооборудование сети;
- значительное уменьшение реактивного сопротивления, что позволяет обеспечить стабилизацию напряжения, не прибегая к его регулированию;
159
Вестник Пензенского государственного университета № 3 (11), 2015
- большая перегрузочная способность без повреждения изоляции и старения трансформатора;
- ограничение токов короткого замыкания в ВТСП-трансформаторах, позволяющее уменьшить напряжение короткого замыкания трансформатора на 50 %.
- уменьшение уровня шума;
- пожаробезопасность, экологичность;
- меньшая мощность, затрачиваемая на охлаждение.
Основные технические параметры трансформатора:
- номинальная мощность: S = 40 МВА;
- напряжение высокого напряжения: Цвн = 115 кВ;
- напряжение низкого напряжения: Una = 11 кВ;
- число витков в обмотке низкого напряжения: Whh = 120;
- число витков в обмотке высокого напряжения: Wвн = 722;
- активное сечение стержня: Пс = 0,259м2;
- активное сечение ярма: Пя = 0,259 м2;
- масса стали плоской магнитной системы: GCT = 23368 кг;
- полная масса трансформатора (ориентировочно): Gп = 25000 кг;
- мощность, потребляемая холодильным агрегатом: до 2 кВт;
- длина - 5,800 м, ширина - 2,500 м, высота - 4,600 м.
Полученные расчетные результаты могут служить основой для проведения опытноконструкторских работ.
Список литературы
1. Лутидзе, Ш. И. Сверхпроводящие трансформаторы / Ш. И. Лутидзе, Э. А. Джафаров. - М. : Научтехлитиздат, 2002. - 206 с.
2. Сверхпроводниковая электроэнергетика / В. М. Батенин, В. В. Желтов, С. С. Иванов, С. И. Копылов, С. В. Самойленков // Известия академии наук. Энергетика. - 2011. - № 5. - С. 79-87.
Хватова Кристина Александровна Khvatova Kristina Aleksandrovna
студентка, student,
Пензенский государственный университет Penza State University
E-mail: kristi.hvatova@mail.ru
УДК 621.59 Хватова, К. А.
Конструкция силового трансформатора со сверхпроводниковыми обмотками / К. А. Хватова // Вестник Пензенского государственного университета. - 2015. - № 3 (11). - C. 158-160.
