Одним из основных требований, предъявляемых к энергоснабжению, является снижение потерь электроэнергии экономически оправданными средствами. Жестокие требования к ограничению площади, занимаемой энергетическим оборудованием, особенно в густонаселенных городских районах, приводят к необходимости уменьшения размеров оборудования. Транспортные ограничения по мере возрастания мощности в единице определяют предельную мощность трансформаторов. В случае необходимости замены оборудования действующей подстанции более мощным оборудованием, крайне желательно не увеличивать площадь, занимаемую подстанцией.
Все более жестким становятся экологические требования к трансформаторам, в том числе к их пожаробезопасности, особенно в случае установки трансформаторов в густонаселенных районах, закрытых помещениях, например, в цехах предприятий и пр.
Технология проектирования и изготовление трансформаторов весьма совершенны и оставляют мало возможностей для значительною снижения сто и мое i и и уменьшения потерь трансформаторов. Значительные улучшения можно ожидать только от применения новых материалов для проводников, магнитной системы или электрической изоляции.
С открытием (в конце 80-х годов) явления теплой сверхпроводимости технология применения ее для производства силового электрооборудования стала развиваться достойно высокими темпами и к применению высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) в силовых трансформаторах.
Номинальный ток ВТСП должен иметь значение, соответствующее области сверхпроводимости и ниже критического тока. Максимальное допустимое повышение тока должно определяться способностью перегрузки охлаждающего устройства.
По экономическим соображениям максимальный ток перегрузки ограничивают значением тока менее двойного номинального. Поэтому передача тепла от проводника к охлаждающей среде не является ограничивающим фактором. Для тока, значительно превышающего критическое значение, потери увеличиваются на порядок. Этот режим является режимом ограничения аварийного тока, кратковременным переходным режимом. Энергия, выделенная в проводнике в переходном режиме, будет поглощена испарением части охлаждающей жидкости. Эти свойства сверхпроводников могут позволить значительно повысить коэффициент полезного действия трансформаторов, сделать их более компактными, исключить масло, как охлаждающую жидкость, и принять на себя функцию ограничения больших токов.
Рис. 21. Вольтамперная xapaктеристика сверхпроводника: R сопротивтение; 1 — ток; /к Критический ток.
Рис. 22 Зависимость потерь в медном и ВТСП проводнике, за номинальный ток принят критический ток ВТСП проводника. Потери в ВТСП проводе включают потери холодильной установки. Рк — потери при токе равном /к.
Ведущие промышленно развитые страны (США, Германия, Франция, Япония, Австралия, Швеция, Англия) к настоящему времени произвели опытные образцы силовых трансформаторов. В большинстве случаев эти образцы использовались для проверки принятых при конструировании новых решений. Часть из них была установлена в опытную эксплуатацию в реальные сети с целью проверки их работоспособности параллельно с традиционными конструкциями.
Потери короткого замыкания в ВТСП трансформаторах при номинальном токе могут быть уменьшены на 80—90 %, а общая масса ~ в 2 раза. Замена масла жидким азотом и уменьшенные размеры позволят установить такие трансформаторы в городских условиях и помещениях. На рис. 23 представлена зависимость минимальных суммарных потерь от мощности обычных и ВТСП трансформаторов .
Применение ВТСП трансформаторов в энергосистеме позволяет воспользоваться их способностью ограничивать токи короткого замыкания. При замене обычного трансформатора на ВТСП трансформатор большей мощности не потребуется замена выключателей. Ограничение токов короткого замыкания в ВТСП трансформаторах позволяет уменьшить напряжение короткого замыкания трансформатора на 50 %. Это позволит иметь более стабильное трансформаторное напряжение, не прибегая к регулированию, что повысит качество напряжения.
Рис. 23. Зависимость суммарных потерь (Реум, мин.) от мощности трансформатора.
Одним из существенных преимуществ ВТСП трансформаторов является отсутствие термического старения изоляции.
Исследования показывают, что ВТСП трансформаторы могут быть совместимы с существующими сетями и их защитными устройствами.
Долговременная программа по исследованию и разработке силовых трансформаторов на базе теплой сверхпроводимости представлена корпорацией ABB [11]. После проведения исследований (1990—1994 гг.) компонентов трансформатора (с холодной сверхпроводимостью) в 1994 г. был разработан опытный образец трехфазного силового трансформатора мощностью 630 кВ • А.
В 1997 г. этот трансформатор был подключен к промышленной сети г. Женевы и успешно проработал более одного года. В настоящее время завершается начатый в 1997 г. этап разработки и сетевых испытаний силового трансформатора мощностью 10 МВ-А.
Государственная программа разработки сверхпроводящего электрооборудования реализуется в Японии с 1998 г. К 2000 г. были разработаны и подключены к реальной сети трансформаторы мощностью 800 кВ • А и 1000 кВ - А . Положительные результаты этих работ дали основание предположить, что промышленное применение сверхпроводящих трансформаторов большой мощности (до нескольких сот МВ-А) может быть осуществлено в период 2011—2015 гг.
Большинство из разработанных проектов трансформаторов основано на применении в качестве проводника многожильного транспонированного провода и Bi 2223 с серебряной или с серебряно-магниевой основой. При этом магнитопровод остается теплым.
В рассмотрена концепция конструкции ВТСП трансформатора без азотного криостата, в котором обмотки и магнитопровод размещены в общем баке при высоком вакууме. Охлаждение обмоток производится по специальной схеме с использованием криокулеров.