CC BY
18
© В.З. Манусов, Д.М. Иванов, А.В. Семенов, О.В. Боруш УДК 621.31
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО СВЕРХПРОВОДЯЩЕГО ТРАНСФОРМАТОРА С ФУНКЦИЕЙ ТОКООГРАНИЧЕНИЯ
В.З. Манусов, Д.М. Иванов, А.В. Семенов, О.В. Боруш Новосибирский государственный технический университет, г. Новосибирск, Россия
ORCID: https://orcid.org/0000-0001-5736-5252, [email protected]
Резюме: В настоящее время развитие электроэнергетики во всех странах претерпевает существенные преобразования, обусловленные новыми энергосберегающими технологиями, возобновляемыми источниками энергии и прорывными открытиями новых физических свойств материалов и явлений. В данной работе представлена разработка силового трансформатора с высокотемпературными сверхпроводящими (ВТСП) обмотками с функцией ограничения тока короткого замыкания (КЗ). ЦЕЛЬ. В работе обоснована новая адаптивная методика определения параметров силовых трансформаторов с высокотемпературными сверхпроводящими обмотками с токоограничивающей функцией. МЕТОДЫ. Основное внимание уделяется особенностям расчета токоограничивающих сверхпроводящих обмоток с учетом новых ограничений по плотности тока, магнитной индукции, критическому току и критической температуре. Представленная методика учитывает природу потерь в сверхпроводнике на переменном токе в номинальном режиме работы, особенности диэлектрической среды (жидкий азот), а также сниженные значения напряжения короткого замыкания (0,5-1,5%). Экспериментальные исследования на физической модели ВТСП трансформатора позволяют провести глубокий анализ токоограничивающей функции. РЕЗУЛЬТАТЫ. По предложенной методике сконструирован физический прототип однофазного ВТСП трансформатора для исследования процессов токоограничения на основе Y1Bа2Cu3O7 ВТСП ленты второго поколения. Экспериментально получены кривые токоограничения, которые с достаточной точностью коррелируются с результатами численного моделирования. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Разработанная методология расчета ВТСП трансформатора может быть реализована как новое адаптивное решение при проектировании ВТСП машин. Полученные в работе результаты теоретических и экспериментальных исследований свидетельствуют об эффективности применения трансформатора с целью токоограничения. Разработанный и построенный сверхпроводящий трансформатор снижает первый пик тока КЗ в 2,1 раза, обеспечивая таким образом защиту трансформатора и всей питающей сети от термических и электродинамических повреждений.
Ключевые слова: ВТСП трансформатор; высокотемпературная сверхпроводимость; методология расчета; ограничение токов короткого замыкания; энергоэффективность; жидкий азот.
Благодарности: Исследование выполнено при финансовой поддержке в рамках реализации программы развития НГТУ, научный проект №С21 -24.
DETERMINATION OF MAIN PARAMETERS OF A HIGH-TEMPERATURE SUPERCONDUCTING TRANSFORMER WITH A CURRENT LIMITING FUNCTION
VZ. Manusov, DM. Ivanov, AV. Semenov, OV. Borush
Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russia
ORCID: https://orcid.org/0000-0001-5736-5252, [email protected]
Abstract: The discovery of high-temperature superconductivity (HTS) is one of the most promising trends for the designing of electrical equipment. The paper discusses new prospects for industrial application of transformers with high-temperature superconducting windings as
cryogenic electrical equipment for power supply systems, power electronics and rectifying technology, in dependence of their electrical and environmental advantages. THE PURPOSE. The paper substantiates a new adaptive method for determining parameters of high-temperature superconducting power transformers with current limiting function. METHODS. The main focus is the design of current-limiting superconducting windings in the light of new restrictions on current density, magnetic induction, critical current and critical temperature. The presented method considers the nature of AC losses in a superconductor under the nominal operating conditions, features of the dielectric medium (liquid nitrogen), as well as the reduced values of the short-circuit voltage (0.5-1.5%). Experimental studies on a physical model of a HTS transformer allow to carry out a deep analysis of the current-limiting function. RESULTS. A physical prototype of a single-phase HTS transformer for studying current limiting processes based on Y1Bа2Cu3O7 HTS tape of the second generation was constructed using the proposed method. Waveforms of current limitation are experimentally obtained, which correlate with sufficient accuracy with the results of numerical simulation. CONCLUSION. The methodology for designing the HTS transformer can be implemented as a new adaptive solution of the existing designing of conventional transformers depending on the new restrictions. The new method considers the absence of resistance and active power losses in the windings, which affects the results of short circuit and idling experiments. A properly designed superconducting transformer reduces the first peak of short-circuit current by 2,1 times, thus protecting the transformer from dynamic and thermal failure.
Keywords: HTS transformer; high-temperature superconductivity; short-circuit current limitation; energy efficiency; design methodology; liquid nitrogen.
Acknowledgments: The research was carried out under the Novosibirsk State Technical University development program, scientific project №С21-24.
Введение
Для решения проблем модернизации и энергоэффективности электроэнергетических систем, ВТСП трансформаторы являются наиболее перспективным решением. Конструирование и исследование трансформаторов с высокотемпературными сверхпроводящими обмотками вызывает большой интерес и описывается в работах ученых ведущих мировых институтов [1-2]. Предпринимаются попытки оптимизировать конструктивное исполнение и технические характеристики ВТСП трансформаторов с точки зрения энергоэффективности, энергосбережения и снижения массогабаритных показателей [3]. В [4] были собраны и проанализированы результаты работы многих команд конструкторов и исследователей, суммарно на счету которых 20 созданных ВТСП трансформаторов в диапазоне мощностей от 25 кВА до 5000 кВА. Однако, следует отметить, что, не смотря на огромный интерес научной общественности к ВТСП трансформаторам, еще не установлены достаточно обоснованные методы и принципы конструирования этих электрических машин. Именно поэтому разработка методологии расчета и конструирования ВТСП трансформаторов, с учетом особенностей природы сверхпроводника является весьма актуальной и важной задачей.
Общий подход к выполнению работы характеризуется как системный в силу широкого охвата различных процессов при использовании ВТСП технологий для трансформации напряжений, а также их взаимодействия с другими элементами или объектами электроэнергетической системы. Основной целью исследования является поиск основных требований и условий для проектирования и расчета ВТСП трансформаторов. Пристальное внимание направлено на поиск оптимальных и экономически обоснованных конструкций обмоток, криостата и магнитопровода трансформатора на примере однофазного прототипа ВТСП трансформатора мощностью 9 кВА с функцией токоограничения. Анализ проблем трансформации напряжения и ограничения токов КЗ на базе одного устройства, как двух важнейших составляющих качества функционирования электроэнергетической системы, осуществляется методами численного моделирования и проведением натурных экспериментов. Особое внимание уделяется исследованию возможности ВТСП трансформатора ограничивать аварийные
токи за счет резкого увеличения активного сопротивления проводника при превышении значений критического тока либо температуры.
Материалы и методы
Трансформаторы имеют значительные сопротивления и влияют на потери энергии в сети, на отклонения напряжения у потребителей и поэтому играют важнейшую роль при расчетах и анализах работы электрических сетей. В настоящее время не существует устоявшейся методики расчета ВТСП трансформаторов. Анализ уже разработанных экспериментальных моделей [5-9] позволяет дать рекомендации к расчету основных параметров ВТСП трансформаторов.
Плотность тока и индукция сердечника
Основным отличием ВТСП трансформаторов от классических являются обмотки. Материалом для изготовления обмоток являются ВТСП ленты из сверхпроводников второго поколения. Толщина ВТСП ленты второго поколения производства компании «С -Инновации» составляет всего 0,1...0,2 мм (рис. 1). Однако средняя рабочая плотность тока такой ленты при температуре 77 К составляет 200.400 А/мм2, что на два порядка выше, чем в медном проводе.
ЭТСП ПРОВОД 2-го ПОКОЛЕНИЯ
■ ЗАЩИТНЫЙ СЛОЙ Ад (0.2-5 мкм)
■ С; (СЛОЙ 1-3 мол)
■ БУФЕРНЫЙ СЛОЙ (СМ-3 мнм!
■ ГЕНТА-ПОДГОЖКА £50-1011 мкы»
V
Рис. 1. Структура ВТСП провода второго Fig. 1. Structure of 2gen HTS tape made by поколения производства «С-Инновации» "S-Innovations"
При выборе значений плотности тока и магнитной индукции в расчете трансформатора необходимо учитывать полевую зависимость критической плотности тока jC от магнитной индукции B [10]:
Je (B) = J C0
r IBv
- Bo у
(1)
где у'с - плотность критического тока в области сверхпроводника с магнитной индукцией В, ус0 - значение ус при В = 0 , В0 - определяет скорость уменьшения ус . Приведенная зависимость позволяет определить оптимальный диапазон выбора магнитной индукции стержня трансформатора, при которой сохранится достаточная критическая плотность тока для обеспечения высокой пропускной способности ВТСП провода в номинальном режиме без потери сверхпроводимости. На рис. 2 представлены зависимости ус (В) для сверхпроводника YBCO для диапазона температур 10.77 К [11].
Рис. 2. Зависимость критической плотности Fig. 2. Dependence of the critical current density тока от магнитной индукции при разных on the magnetic induction at different temperatures температурах
Анализируя зависимости 'С (В) для разных сечений ВТСП лент из УБСО, предлагается принять диапазон индуктивностей стержня магнитопровода равный
1,1___2 Тл для обеспечения высоких значений критической плотности тока и получения
оптимальных значений тока холостого хода и магнитных потерь в сердечнике. Приведенный диапазон магнитной индукции позволяет с существенным запасом охватить реально возможные значения расчетной индукции для магнитных систем ВСТП трансформаторов для различных марок горячекатаной, холоднокатаной и аморфной сталей. При необходимости, можно выбрать индукцию для обеспечения меньших значений критического тока таким образом, чтобы спроектировать трансформатор под районы с большим количеством двухфазных и однофазных коротких замыканий для обеспечения эффективной защиты от них. Однако не стоит завышать значение индукции из-за потерь холостого хода, так как они являются превалирующими для ВТСП трансформаторов в связи с отсутствием активного сопротивления в обмотках в номинальном режиме работы.
Потери в ВТСП трансформаторе
Основные потери трансформаторов разделяют на потери в обмотках -электрические потери и потери в стальном сердечнике - магнитные потери или потери в стали. Потери короткого замыкания в ВТСП трансформаторах кардинально отличаются от классических. Существуют различные теории и методики характеризующие потери в сверхпроводниках на переменном токе [12-15]. Авторы этих работ отмечают зависимость потерь от величины и направления переменного магнитного поля. В зависимости от источника переменного магнитного поля потери разделяют на два компонента:
1) потери от собственного поля - обусловлены магнитным полем от протекающего
тока;
2) потери от внешнего поля - определяются полем рассеяния обмоток.
Потери от собственного поля рассчитываются как [16]:
ЛPernor ) =
f Mo IC
2п
2 - ± IC
± + 2 IC
1 - ±
ln
( I Л 1 - It-
(2)
где 1С - критический ток, 1Т - транспортный ток (максимальный ток в проводнике), /л0 -магнитная постоянная, / - частота.
Однако выражение (2) справедливо лишь для обмоток выполненных из одного провода. Укладка параллельно соединенных проводников в обмотки изменяет распределение магнитного поля внутри наложенных друг на друга проводов. Представленная на рис. 3 [17] зависимость свидетельствует о значительном увеличении потерь от собственного магнитного поля при увеличении числа параллельных проводов в обмотках.
50
а,
н
0
И 4Q-I
а
5
(D
Е зо-
1
S.
20 -
1 «н ■в"
й
bd о
f0 = 23,4 eL = 27,9 ..........у
л = 6.01 /
/ /
...../ /
у
О 5 10 15 20 25
Количество параллельных проводов
Рис. 3. Зависимость коэффициента увеличения Fig. 3. Dependence of the loss increase factor on потерь от числа параллельных проводов the number of parallel wires
Полные потери от собственного поля в обмотках рассчитываются:
Д^СП = 3(ппВН •к ■АРСП1 (1ТВН ) ^ ПпНН • к • ДрСП1 (1тнн)) (3)
где ипВН и ипНН - число параллельных проводов в обмотке высшего (ВН) и низшего (НН)
напряжений, к - коэффициент потерь.
В ленточных сверхпроводниках внешнее магнитное поле, направленное перпендикулярно, приводит к более высоким потерям, чем поле, параллельное плоскости проводника. В общем виде потери от внешнего поля можно разделить на две составляющие.
Потери на гистерезис в сверхпроводниках определяются [18]:
(4)
где a„
д/"Т /с aBTCn Bf ширина сверхпроводящего слоя ленты.
Потери на вихревые токи, наведенные в несверхпроводящих слоях ВТСП ленты
[19]:
ДРВихр =
ЬМе aM 6р
- (Bf )2
(5)
где ЪМе - толщина металлических слоев сверхпроводящей ленты, аМе - ширина металлического слоя ленты, р - удельное сопротивление.
Резистивные потери в токовводах трансформатора рассчитываются по уравнению приведенному в [16]:
ДРВвод =
/ 2
A
- J РВвод (x)dx + Лвод^Ввод (Т)
dT dx
(6)
где I - ток, протекающий в токовводе, I - длина ввода, - площадь поперечного
сечения ввода, рВвод - удельное сопротивление ввода, А теплопроводности ввода, Т - температура.
Ввод - коэффиЦиент
Стоит заметить, что через поверхность криостата также проходят тепловые потери
ДР„.
1 крио. В зависимости от материала криостата, теплопритоки не должны превышать
2,5 Вт/м2 [6, 16].
Суммарные потери в обмотках ВТСП трансформатора:
ДРкЗ = ДРСп + ДРВп + ДРВвод + ДРкрио
(7)
Потери в стали , зависящие от квадрата магнитной индукции В , для ВТСП трансформаторов рассчитываются также как и для классических. На рис. 4 представлено общее сравнение потерь в классическом (рис. 4а) и ВТСП (рис. 4б) трансформаторах [16, 20]. Общие потери и зависимость потерь сверхпроводящего трансформатора от нагрузки очень низка по сравнению с обычным трансформатором. В состоянии холостого хода потери сверхпроводящего трансформатора составляют 50%, а в состоянии полной нагрузки - только 10% потерь обычного трансформатора.
а) б)
Рис. 4. Зависимость потерь от коэффициента Fig. 4. Dependence of losses on the load factor:
загрузки: а) для классического a) for classic transformer, b) for HTS transformer трансформатора, б) для ВТСП трансформатора
Большая часть потерь (около 75 %) обычного трансформатора вызвана резистивными потерями в обмотках, когда примерно 25 % вызваны результатом работы железного сердечника. Основная часть потерь сверхпроводящего трансформатора приходится на потери в стали (~67,2 %). Ввиду того что потери в обмотках ВТСП трансформатора не зависят от квадрата плотности тока, можно сделать вывод о
способности работы трансформатора практически с максимальным КПД при любом коэффициенте нагрузки. На рисунке 5 представлены зависимости КПД от коэффициента нагрузки для классического и ВТСП трансформатора. При полной загрузке КПД ВТСП устройства может достигать 99,9 %, превышая КПД классической машины на 0,3_0,4 %, в зависимости от мощности трансформаторов.
100,0 99,Я
V?
% 99,6
г-.
v
SZ U
й 99,4В
99,2 -
99,0
■»я ч
Superconducting ttinvcnliona]
0
КО
100
20 40 60 workload, %
Рис. 5. Зависимость КПД от нагрузки для Fig. 5. Dependence of efficiency on load for HTS and
ВТСП и классического трансформаторов
classical transformers
Исследовав природу и величину потерь в обмотках ВТСП трансформатора следует задаться оптимальным диапазоном выбора икз. Учитывая нулевые активные потери в обмотках и способность ВТСП трансформатора работать с высоким КПД в не зависимости от нагрузки, появляется возможность снизить икз до значений 0,5_2 %, в зависимости от расчётной мощности и выбранных параметров сверхпроводящих обмоток трансформатора.
Критические параметры сверхпроводника и токоограничивающая функция
Важнейшими условиями нормальной работы ВТСП трансформатора с функцией токоограничения являются критические параметры сверхпроводника: критический ток, критическая температура, критическое поле. Поскольку в трансформаторе невозможно зафиксировать магнитные поля, близкие к критическим, влияния на расчет и конструкцию трансформатора будут оказывать только температура и ток.
Критический ток 1С(Т) определяет максимально допустимый ток, который может протекать по сверхпроводнику без перехода в резистивное состояние. При выборе номинального тока сверхпроводящей обмотки зададимся коэффициентом запаса по току Кзт , который будет обеспечивать необходимую защиту сверхпроводника от квенча (непредвиденного срыва в резистивное состояние).
1с (Т)
1 Ном
К
(8)
Величина коэффициент запаса будет определятся исходя из поставленных перед проектировщиком условий по работе трансформатора в режиме перегрузки. Существующие сегодня сверхпроводящие ленты с высокими значениями критических токов до 439 А [21] при рабочей температуре 77 К, позволяют задаться коэффициентом запас в диапазоне 1,25 _2, что позволяет осуществить работу ВТСП трансформатора в режиме перегрузки сверх номинального тока до 90 % без потери сверхпроводимости.
Использование ВТСП лент второго поколения в качестве обмоток трансформатора в сверхпроводящем состоянии при температуре 77 К оказывает значительное влияние на электромагнитные переходные процессы из-за «переключающего эффекта» (режим перехода из сверхпроводящего состояния в резистивное). Сверхпроводник идеально подходит для ограничения тока КЗ, особенно его первого пика. Он является значительным потому, что крутизна подъёма тока в первую четверть периода гораздо выше, чем амплитудное значение установившегося тока. В начальный момент перехода в резистивное состояние, ток выталкивается в несверхпроводящие слои ленты, тем самым провоцируя значительные тепловыделения. После устранения КЗ сверхпроводящая лента
начинает охлаждаться. Если допустить большую разницу температур между обмоткой и криосредой (порядка 30 К), жидкий азот может перейти в режим пленочного кипения, что соответствует минимальному отводу тепла от обмотки (рис. 6) [22]. Этот режим кипения азота недопустим, так как он способен повлечь за собой тепловой срыв обмотки, что возможно остановить только принудительным отключением трансформатора.
Т
80 100 121) 140 160 180 200 ДГ,К
Рис. 6. Зависимость плотности теплового Fig. 6. Dependence of the heat flux density on the потока от разницы температур между temperature difference between the cooled.surface
охлаждаемой поверхностью и охлаждающей and the cooling liquid жидкостью
Возврат сверхпроводника в сверхпроводящее состояние после устранения аварии зависит от соотношения тока КЗ к номинальному току к отношению рабочего тока к номинальному (рис. 7) [23, 24]. Другими словами соотношение рабочего тока к ограниченному току КЗ должно быть таким, чтобы выделенное на обмотках в режиме токоограничение тепло не превысило критического значения 2КР, свыше которого сверхпроводник самостоятельно не смог бы вернуться в сверхпроводящее состояние.
- -""Т--............
Не возврат
[
Bo'iupa [
-- — —i— — — -1-\-1-1
0 GJ 0,2 0.3 0,4 0,5 0,6 0,7 0.8 0,9 ! [рабДном
Рис. 7. Критерий возврата обмотки в Fig. 7. The criterion for the return of the winding to сверхпроводящее состояние the .superconducting state
Конструкция экспериментального ВТСП трансформатора
На базе Новосибирского государственного технического университета ведется разработка собственного варианта исполнения сверхпроводящего трансформатора с функцией токоограничения. Отличительной особенностью устройства является более глубокая проработка именно функции токоограничения, как приоритетной, по нашему мнению, для данного устройства.
Для экспериментального исследования токоограничивающих свойств ВТСП трансформатора был спроектирован и построен однофазный опытный образец. Экспериментальная модель имеет две обмотки - высокого и низкого напряжений, стальной шихтованный магнитопровод и криостат из полипропилена с теплоизоляцией из экструдированного пенополистирола (ЭППС). Обмотки изготовлены из ВТСП ленты YBCO производства «С-Инновации» с критическим током при температуре 77 К - 80 А, имеют 23 и 46 витков соответственно. Мощность экспериментальной модели составила
Вестник КГЭУ, 2021, том 23, № 3 (51) 9 кВА.
Параметры обмоток представлены в таблице 1.
Таблица 1
_Параметры обмоток однофазного опытного образца_
Параметр Первичная обмотка Вторичная обмотка
Площадь поперечного сечения ВТСП ленты, произведённой компанией SuperOx, мм2 0,4
Критический ток ленты, А 80
Напряжение, В 220 110
Номинальный ток, А 30 60
Число витков 46 23
Высота обмоток, мм 210 215
Диаметр обмоток, мм 130 110
Изоляция Каптон
Диэлектрическая среда Жидкий азот
Несмотря на большое разнообразие конструкций магнитопроводов, для силовых трёхфазных трансформаторов большой мощности исследователи отдают предпочтение классическому трёх- или пятистержневому магнитопроводу. Для однофазных трансформаторов иногда также применяют броневой вариант исполнения. В итоге получается, что эффективная конструкция магнитопровода ВТСП-трансформатора структурно не отличается от конструкции классического трансформатора. Вариации подвергаются лишь материал магнитопровода и его расположение относительно криогенной среды. Опытный образец изготовлен в «теплом» исполнении (магнитопровод термически изолирован от обмоток, рабочая температура близка к комнатной). Главным преимуществом «теплого» исполнения сердечника является меньший расход мощности на охлаждение системы - будучи помещённым в криосреду, сердечник создаёт дополнительную нагрузку на криосистему из-за потерь холостого хода.
Для сборки магнитопровода применялась обычная электротехническая сталь. Магнитопровод изготовлен шихтованным (рис. 8).В качестве изоляции между листами магнитопровода использована техническая бумага. Ярма и один из стержней стянуты стальным уголком на болтах, второй стержень стянут полимерной лентой.
Рис. 8. Шихтованный магнитопровод ВТСП трансформатора
Fig. 8. Laminated core of HTS transformer
Собранный прототип однофазного ВТСП трансформатора (рис. 9) позволяет осуществить анализ процесса ограничения токов короткого замыкания, а также провести анализ влияния ВСТП устройства на повышение энергоэффективности электрических
сетей. Кроме того, верификация математической модели ВТСП трансформатора позволяет провести анализ влияния ограничения токов КЗ не только на электрические системы наиболее сложных конфигураций, но и на все смежное оборудование.
Рис. 9. Однофазный опытный образец ВТСП трансформатора
Fig. 9. Single-phase prototype HTS transformer
Результаты и обсуждение
Ограничение тока КЗ происходит из-за выхода ВТСП обмотки из сверхпроводящего состояния. Это, в свою очередь, происходит при превышении током КЗ значения критического тока ВТСП проводника. У этого явления два принципа действия. Первый - при большом токе (выше критического) вокруг проводника создается избыточное магнитное поле, в результате чего проводник выходит из сверхпроводящего состояния. Второй - нарушение сверхпроводимости возникает из-за превышения критической температуры. Ограничение тока КЗ происходит в первую полуволну синусоиды тока - до 0,01 с (то есть быстрее, чем обычно срабатывают устройства релейной защиты в электрических сетях) [6, 7, 22-25]. Данная функция позволяет предотвратить негативные последствия коротких замыканий - повреждения оборудования, отключения потребителей.
Экспериментальные исследования включали определение характеристик переходных процессов при коротком замыкании для проверки способности ВТСП обмоток ограничивать ток КЗ. Схема проведённых экспериментальных исследований представлена на рис. 10.
Рис. 10. Схема замещения эксперимента: Кь К2 - активные сопротивления внешних цепей первичной и вторичной обмоток; ¿ь Ь2 - собственные индуктивности первичной и вторичной обмоток трансформатора; Лнтзь Кнт52 - нелинейные активные сопротивления обмоток ВТСП
трансформатора; и - амплитуда напряжения питающего источника; К - нагрузка.
Fig. 10. Experiment equivalent circuit: R1, R2 - active resistances of external circuits of the primary and secondary windings; L1: L2 - own inductance of the primary and secondary windings of the transformer; RhtS1, Rhts2 - nonlinear active resistances of the HTS transformer windings; U - voltage amplitude of the supply source; RL - load
Выполнена серия экспериментов с подачей линейного напряжения на ВТСП трансформатор с закороченными выводами обмоток НН. С помощью регистратора
FLUKE 435-II были получены осциллограммы тока на обмотках ВН (рис. 11), которые с высокой степенью точности коррелируются с результатами численного моделирования. Симуляция была произведена на разработанной ранее математической модели, верифицированной на однофазном опытном образце ВТСП трансформатора [ 22, 23, 25].
30
-30
-60
-90
U
-120
-150
-ISO
?08 3,7 12 \3,7 16 3,7 20 3,7 24 3, '28 3,7 32 3,7
V
1 \ il
\t ь \ \ 1 /|
\ \ \\ It
1
Time, S
26
■ Experiment Model
Рис. 11. Токи в первичной обмотке ВТСП Fig. 11. Currents in the primary winding of the трансформатора HTS transformer
Осциллограмма, полученные в результате моделирования короткого замыкания в обмотках ВН (рис. 12), свидетельствуют о снижении ударного тока КЗ в 2,1 раза. При этом температура сверхпроводника не превысила критическую (составила всего 80,9 К), что способствовало его дальнейшему возвращению в сверхпроводящее состояние и дальнейшей нормальной работе ВТСП трансформатора и всей сети.
Рис. 12. Токи в обмотках ВТСП Fig. 12. Currents in the windings of the HTSC трансформатора при КЗ transformer at short circuit
Заключение
1. Разработанная методология расчета ВТСП трансформатора может быть реализована как новое адаптивное решение при проектировании ВТСП машин. Новые научные результаты состоят в принятии новых нормативных требований к величине плотности тока (200...400 А/мм2), напряжению короткого замыкания (0,5... 1,5 %), магнитной индукции стержня, природе потерь в сверхпроводящих обмотках, а также критических параметров сверхпроводника (критические ток и температура). Отсутствие активных потерь в обмотках в номинальном режиме работы позволяет повысить коэффициент полезного действия в среднем на 0,3 %.
2. Сконструирован физический прототип однофазного ВТСП трансформатора мощностью 9 кВА для исследования процессов токоограничения на основе YBCO ВТСП ленты второго поколения. Полученные в работе результаты теоретических и
экспериментальных исследований свидетельствуют об эффективности применения трансформатора с целью токоограничения. Разработанный и построенный сверхпроводящий трансформатор снижает первый пик тока КЗ в 2,1 раза, обеспечивая таким образом защиту трансформатора и всей питающей сети от термических и электродинамических повреждений. В ходе переходного процесса теплопоток обмотки не превысил критического значения и сверхпроводник вернулся в сверхпроводящее состояние, что свидетельствует о правильном расчете трансформатора с функцией токоограничения.
3. Использование ВТСП-трансформаторов следует рассматривать как новое инновационное решение проблемы повышения энергоэффективности электрических сетей и систем электроснабжения, которое может быть реализовано в краткосрочной перспективе при модернизации электроэнергетики.
Литература
1. Hellmann S., Abpalnalp M., Hofstetter L., et al. Manufacturing of a 1-MVA-Class superconducting fault current limiting transformer with recovery-under-load capabilities // IEEE Transactions on Applied Superconductivity. 2017. V. 27. №4. pp. 1-6.
2. Elsherif Mustafa Ali. «The Application of Superconducting Technologies in Future Electrical Power Systems» Durham theses, Durham University. 2013. p. 193.
3. Hekmati A., Moradnouri A., Vakilian M., et al. HTS Transformer Windings Design Using Distributive Ratios for Minimization of Short Circuit Forces // J Superconductivity Novel Magnetism. 2019. V. 32. №2. pp. 151-158.
4. Манусов В.З., Крюков Д.О. Обзор конструкций трансформаторов со сверхпроводящими обмотками," Электричество. 2019. №8. С. 4-16.
5. Волков Э.П. Джафаров Э.А., Флейшман Л.С., и др. Первый в России ВТСП трансформатор 1 МВА, 10/0,4 кВ // Известия Российской академии наук. Энергетика. 2016. №. 5. С. 45-56.
6. Dai S., Ma T., Qiu Q., Zhu Z. Development of a 1250-kVA Superconducting Transformer and Its Demonstration at the Superconducting Substation // IEEE Transactions on Applied Superconductivity. 2017 V. 26. №1.pp. 1-7.
7. Hu D., Li Z., Hong Z., Jin Z. Development of a single-phase 330kVA HTS transformer using GdBCO tapes // Physica C: Superconductivity and its applications. 2017. V. 539. pp. 8-12.
8. Komarzyniec G. 14 kVA superconducting transformer with REBCO windings // 2017 International Conference on Electromagnetic Devices and Processes in Environment Protection with Seminar Applications of Superconductors.2017. pp. 1-5.
9. Berger A., Noe M., Kudymov A. Test results of 60 kVA current limiting transformer with full recovery under load // IEEE transactions on applied superconductivity. 2011. V. 21. №3. pp. 1384-1387.
10. Xu M., Shi D., Fox R. Generalized critical-state model for hard superconductors // Phys. Rev. B. 1990. V.42. № 16. pp. 10773-10776.
11. Algarni R., Almessiere M., Slimani Y., et al. Enhanced critical current density and flux pinning traits with Dy2O3 nanoparticles added to YBa2Cu3O7-d superconductor // Journal of Alloys and Compounds. 2021. V. 852. pp. 157019.
12. Song W., Jiang Z., Zhang X., et al. AC loss simulation in a HTS 3-Phase 1 MVA transformer using H formulation. Cryogeni. 2018. V. 94. pp. 14-21.
13. Ghabeli A., Yazdani-Asrami M., Reza Besmi M. Optimization of Distributive Ratios of Apportioned Winding Configuration in HTS Power Transformers for Hysteresis Loss and Leakage Flux Reduction // Journal of Superconductivity and Novel Magnetism. 2015. V. 28. № 12. pp. 3463-3479.
14. Zubko V.V., Fetisov S.S., Vysotsky V.S. Hysteresis Losses Analysis in 2G HTS Cables // IEEE Transactions on Applied Superconductivity. 2016. V. 26. № 3. pp. 1-5, 2016.
15. Shen B., Grilli F., Coombs T. Review of the AC loss computation for HTS using H formulation // Superconductor Science and Technology. 2020. V. 33. № 3. pp. 033002.
16. Berger A., Noe M., Cherevatsky S., Leibried T. Comparison of the efficiency of superconducting and conventional transformers // Journal of Physics: Conference Series. 2010. V. 234. pp. 032004.
17. Grilli F., Ashworth S. Measuring transport AC losses in YBCO-coated conductor coils //
Superconductor Science and Technology.2 007. V. 20. pp. 794-799.
18. Levin G. A., Murphy J., Haugan T., Souc J. AC Losses of Copper Stabilized Multifilament YBCO Coated Conductors. IEEE transactions on applied superconductivity. 2012. V. 23. № 3. pp. 1-5.
19. Nguyen D.N., Schwartz J. Numerical calculations of the total ac loss of Cu-stabilized YBa2Cu3O7-5 coated conductor with a ferromagnetic substrate // Journal of Applied Physics.2007.V. 101. pp. 053905.
20. Ковалев Л.К., Ковалев К.Л., Колчанова И.П., и др. Зарубежные и российские разработки в области создания сверхпроводниковых электрических машин и устройств // Известия академии наук. Энергетика. 2012. №6. С. 3-26.
21. Samoilenkov S., Molodyk A., Lee S., et al. Customised 2G HTS wire for applications // Superconductor Science and Technology. 2016. V. 29. pp. 1-10.
22. Manusov V.Z., Semenov A.V., Kriukov D.O. Computational and experimental study of air-core HTS transformer electrothermal behavior at current limiting mode // International Journal of Electrical and Computer Engineering. 2021. V. 11. № 1. pp. 155-162.
23. Ivanov D. M., V. Z. Manusov, A. V. Semenov. Experimental Studies of a High-temperature Superconducting Prototype Transformer with Current Limiting Function // 2020 International Youth Conference on Radio Electronics, Electrical and Power Engineering (REEPE): proc. Moscow. Russia, 2020. pp. 97-102.
24. Manusov V.Z., Pavlyuchenko D.A., Akh'eev Dzh. S. A Study of Superconducting Transformer with Short-Circuit Current Limitation // International Journal of Electrical and Computer Engineering. 2018. V. 8. № 1. pp. 505-512.
25. Manusov V.Z., Ivanov D.M., Nazarov M.K. Analyses of Electrical Parameters of Power Transformers with Superconducting Windings // 20th International Conference of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices. 2019. pp. 547-551.
Авторы публикации
Манусов Вадим Зиновьевич - д-р техн. наук, профессор, кафедра «Системы электроснабжения предприятий», Новосибирский государственный технический университет.
Иванов Дмитрий Михайлович - аспирант, Новосибирский государственный технический университет.
Семенов Арсений Валерьевич - аспирант, Новосибирский государственный технический университет.
Боруш Олеся Владимировна - д-р. техн. наук, профессор, кафедра «Тепловые электрические станции», Новосибирский государственный технический университет.
References
1. Hellmann S, Abpalnalp M, Hofstetter L, et al. Manufacturing of a 1-MVA-Class superconducting fault current limiting transformer with recovery-under-load capabilities. IEEE Transactions on Applied Superconductivity. 2017;27(4):1-6.
2. Elsherif Mustafa Ali. The Application of Superconducting Technologies in Future Electrical Power Systems. Durham theses, Durham University. 2013. p. 193.
3. Hekmati A, Moradnouri A, Vakilian M, et al. HTS Transformer Windings Design Using Distributive Ratios for Minimization of Short Circuit Forces. J Superconductivity Novel Magnetism. 2019;32(2): 151-158.
4. Manusov VZ, Kriukov DO. Review of superconducting transformers design. Elektrichestvo. 2019;8:4-16.
5. Volkov EP, Djafarov EA, Fleyshman LS, et al. The first in Russia HTS transformer 1 MVA, 10/0.4 kV. Izvestiya Rossiyskoy Akademii nauk. 2016;5:45-56ю
6. Dai S, Ma T, Qiu Q, et al. Development of a 1250-kVA. Superconducting Transformer and Its Demonstration at the Superconducting Substation. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 26, №1, P. 1-7, 2017.
7. Hu D., Li Z., Hong Z., et al. Development of a single-phase 330kVA HTS transformer using GdBCO tapes. Physica C: Superconductivity and its applications.2017;539:8-12.
8. Komarzyniec G. 14 kVA superconducting transformer with REBCO windings. 2017 International Conference on Electromagnetic Devices and Processes in Environment Protection with Seminar Applications of Superconductors. 2017. pp. 1-5.
9. Berger A, Noe M, Kudymov A. Test results of 60 kVA current limiting transformer with full recovery under load. IEEE transactions on applied superconductivity. 2011 ;21(3): 1384-1387.
10. Xu M, Shi D, Fox R. Generalized critical-state model for hard superconductors. Phys. Rev. B. 1990;42(16): 10773-10776.
11. Algarni R, Almessiere M, Slimani Y. Enhanced critical current density and flux pinning traits with Dy2O3 nanoparticles added to YBa2Cu3O7-d superconductor. Journal of Alloys and Compounds. и 2021;852:157019.
12. Song W, Jiang Z, Zhang X, et al. AC loss simulation in a HTS 3-Phase 1 MVA transformer using H formulation. Cryogenics.2018;94(14-21).
13. Ghabeli A, Yazdani-Asrami M, Reza Besmi M. Optimization of Distributive Ratios of Apportioned Winding Configuration in HTS Power Transformers for Hysteresis Loss and Leakage Flux Reduction. Journal of Superconductivity and Novel Magnetism. 2015;28(12):3463-3479.
14. Zubko VV, Fetisov SS, Vysotsky VS. Hysteresis Losses Analysis in 2G HTS Cables. IEEE Transactions on Applied Superconductivity. 2016;26(3): 1-5.
15. Shen B, Grilli F, Coombs T. Review of the AC loss computation for HTS using H formulation. Superconductor Science and Technology. 2020;33(3):033002.
16. Berger A, Noe M, Cherevatsky S. Comparison of the efficiency of superconducting and conventional transformers. Journal of Physics: Conference Series. 2010;234:032004.
17. Grilli F, Ashworth S. Measuring transport AC losses in YBCO-coated conductor coils. Superconductor Science and Technology. 2207;20:794-799.
18. Levin GA, Murphy J, Haugan T, et al. AC Losses of Copper Stabilized Multifilament YBCO Coated Conductors. IEEE transactions on applied superconductivity. 2012;23(3): 1-5.
19. Nguyen DN, Schwartz J. Numerical calculations of the total ac loss of Cu-stabilized YBa2Cu3O7-5 coated conductor with a ferromagnetic substrate. Journal of Applied Physics. 2007;101:053905.
20. Kovalev LK. Kpvalev KL, Kolchanova IP, et al. Foreign and Russian developments in the field of creating superconducting electrical machines and devices. Izvestiya akademii nauk. Energetika. 2012;6:3-26.
21. Samoilenkov S, Molodyk A, Lee S, et al. Customised 2G HTS wire for application. Superconductor Science and Technology. 2016;29:1-10.
22. Manusov VZ, Semenov AV, Kriukov DO. Computational and experimental study of air-core HTS transformer electrothermal behavior at current limiting mode. International Journal of Electrical and Computer Engineering. 2021;11(1):155-162.
23. Ivanov DM, Manusov VZ. Semenov AV. Experimental Studies of a High-temperature Superconducting Prototype Transformer with Current Limiting Function. 2020 International Youth Conference on Radio Electronics, Electrical and Power Engineering (REEPE): proc. Moscow. 2020. pp. 97-102.
24. Manusov VZ, Pavlyuchenko DA. Akh'eev DzhS. A Study of Superconducting Transformer with Short-Circuit Current Limitation. International Journal of Electrical and Computer Engineering, 2018;8(1):505-512.
25. Manusov VZ., Ivanov DM., Nazarov MK. Analyses of Electrical Parameters of Power Transformers with Superconducting Windings. 20th International Conference of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices.2019. pp. 547-551.
Authors of the publication
Vadim Z. Manusov - Novosibirsk State Technical University. Dmitriy M. Ivanov - Novosibirsk State Technical University. Arseniy V. Semenov - Novosibirsk State Technical University.
Olesya V. Borush - Novosibirsk State Technical University.
Получено 20.10.2021г.
Отредактировано 27.10.2021г.
Принято 27.10.2021г.
