Трансформаторы с использованием высокотемпературной сверхпроводимости - Опытные образцы трансформаторов

Опытные образцы трансформаторов с использованием высокотемпературной сверхпроводимости

Трансформатор мощностью 630 кВ • А

Трансформатор был выполнен для распределительной сети Женевы. Трехфазная мощность трансформатора 630 кВ • А, напряжение 187 000/420 В, частота 50 Гц, номинальный ток обмотки ВН — 11,2 А, НН — 866 А. Магнитопровод трансформатора теплый, а обмотки находятся в трех криостатах при температуре 77 К.
Передача тепла через отводы обмоток в криостат является минимальной в том случае, когда теплый и холодный концы отвода имеют одинаковую температуру. Поэтому было предусмотрено охлаждение теплого конца отводов парами кипящего азота из теплообменника криогенной установки. При отсутствии теплового градиента вдоль отвода вход тепла в криостат будет одинаков, как при отсутствии тока в отводе, так и при номинальном токе. Для оптимизированных отводов для ввода в жидкий азот ввод тепла составил 45 Вт/кА для неохлажденных отводов и 17 Вт/кА для охлажденных отводов при номинальном токе.
На стороне ВН вводы не охлаждались. Слоевые обмотки трансформатора намотаны проводом в несколько параллелей. Наибольшие трудности представило обеспечение прочности обмоток при токах короткого замыкания.
Криостаты, в которых размещены обмотки, были изготовлены из стеклопластика, пропитанного эпоксидом, с вакуумной изоляцией. Потребовалась постоянная работа насосов для обеспечения вакуума. Утечка составляла 0,001 мбар/с. Дополнительно снаружи криостаты изолированы несколькими слоями суперизоляции.
Специальные испытания импульсные и при воздействии токов короткого замыкания были проведены на однофазном прототипе трансформатора. Остальные испытания проводились на трехфазном трансформаторе. Испытательные напряжения составляли:
• двойное индуцированное напряжение — 37,4 кВ;
• приложенное напряжение — 50 кВ;
• импульсное напряжение — 125 кВ. Длительность испытания при токе короткого замыкания была ограничена 100 мс, чтобы ограничить нагрев. Испытание показало, что теоретически ток короткого замыкания (61,5 ном) был ограничен переходным сопротивлением провода до 71 % этой величины. Трехфазный трансформатор имел потери короткого замыкания 337 Вт. Потери холостого хода в теплом магнитопроводе составили 2,1 кВт.
При включении трансформатора в сеть ток включения может достигнуть 20-ти кратного от номинального значения, что может привести к изменению сопротивления ВТСП провода. Этого можно избежать с помощью специального устройства путем предварительного намагничивания, позволяющего включить трансформатор без переходного тока.
Трансформатор был установлен в подземной камере и включен в работу параллельно с обычным трансформатором 1000 кВ • А в распределительной сети Женевы.
Особое внимание было уделено защите трансформатора. Был установлен отдельный резервуар с 4500 литрами жидкого азота (для компенсации испарения азота). Каждый криостат имеет свой регулятор уровня азота, измеряемого аргоновым датчиком. В случае перерыва энергоснабжения ВТСП трансформатор отключается, и процедура предварительного намагничивания вновь начинается после подачи напряжения. Время отключения выключателей — 100 мс.
В случае утечки азота в помещение оксидные датчики контролируют его содержание в воздухе. Для безопасности персонала содержание кислорода должно быть менее 19 %. Датчики в случае необходимости дают сигнал на включение вентиляторов.
Опыт эксплуатации ВТСП трансформатора показывает возможность его работы в сети с обеспечением его защиты, в частности, малого времени отключения.
При параллельном включении обычных трансформаторов каждый из трансформаторов может нести полную нагрузку в случае отключения одного из них. Вероятностная кривая нагрузки каждого трансформатора обычно имеет максимум при нагрузке до 40 % от номинальной. Параллельно могут работать обычный и ВТСП трансформаторы. При отключенном обычном трансформаторе всю нагрузку несет ВТСП трансформатор. При возникновении аварийных токов в течение 200 мс должен быть включен обычный трансформатор, а ВТСП трансформатор отключен. Повторное включение ВТСП трансформатора может быть произведено только после нескольких минут, требуемых, чтобы привести ВТСП провод в нормальное рабочее состояние.

2. Опытный образец с регулированием поля рассеяния

Так как критический ток и потери ВТСП провода зависят от индукции магнитного поля (рис. 24), необходимо, чтобы магнитная система ВТСП трансформатора создавала минимальный поток рассеяния в обмотке. Так, для регулирования потока рассеяния на концах ВТСП обмотки установлены магнитные шунты.
Опыты показали, что критический ток ВТСП провода в реально возможном поле может быть снижен примерно вдвое. Провод представлял собой ВТСП ленту из материала Bi 2223 с номинальным током 20 А. Номинальная мощность модели 10 кВ • А была получена при токе равном примерно 60 % этого уменьшенного значения.

Рис. 24. Зависимость плотности критического тока от индукции магнитного поля  (в параллельном направлении).
Основной целью исследования модели было определение зависимости потерь в ВТСП проводе от величины тока. Потери определялись калориметрическим методом в криостате, содержащем ВТСП обмотку.
Поскольку обычный трансформатор имеет большие тепловую массу и постоянную времени, он имеет высокую перегрузочную способность, вплоть до двойной мощности в течение короткого времени.
Для ВТСП трансформатора определить номинальную мощность труднее, ввиду некоторой неопределенности значения критического тока.
Номинальную мощность трансформатора можно определить как мощность, которой трансформатор может быть нагружен с удвоенным значением номинального тока в течение некоторого времени без отключения. Такое определение вытекает из неспособности ВТСП трансформаторов нести большую перегрузку в течение более чем несколько сот миллисекунд. Предполагается отключение трансформатора при нагрузке больше двойной номинальной. При нагрузке немного большей номинальной значительно возрастают потери и длительная работа в этой области неэкономична. Кроме того, после такой перегрузки в течение более 200 мс, даже после отключения, требуется несколько минут, чтобы ВТСП трансформатор вернулся в исходное состояние.

3. Опытные образцы трансформатора мощностью 1 MB • А

В таблице 13 представлены основные параметры трансформатора, разработанного фирмой Сименс .
Таблица 13. Основные расчетные характеристики ВТСП трансформатора

На данном этапе внимание уделялось проблемам минимизации потерь энергии в сверхпроводящей обмотке, охлаждаемой переохлажденным жидким азотом при рабочей температуре 66 К и давлении 1 бар. В качестве базового провода для обмотки использована высокопрочная 55-жильная лента Bi2223 с AgMg матрицей производства Вакуумшмельце. Для снижения электромагнитных потерь в сверхпроводнике вторичная обмотка трансформатора выполнена из двух концентров, первичная обмотка расположена между ними. Заметное снижение потерь обеспечено также за счет транспонированного из (13 лент) СП проводника вторичной обмотки. Каждая лента имеет изолирующее термопластическое покрытие с напряжением пробоя >3 кВ при 77 К. Транспозиция производится с помощью специально разработанного аппарата и, как показали специальные тесты, не вносит ощутимой деградации в свойства сверхпроводника. Измерения потерь в концентрах проводились при 77 К вплоть до критического. При 77 К и номинальном токе потери энергии составили 421 Вт, что соответствует 0,08 % от полной мощности трансформатора. После этих предварительных испытаний элементов обмотки была произведена полная сборка трансформатора и проведена проверка системы на захолаживание до 66 К. Принудительное охлаждение переохлажденным жидким азотом производилось в режиме замкнутого цикла с помощью рефрижератора Стирлинга и насоса для криогенных жидкостей.
В таблице 14 представлены основные характеристики трансформатора, разработанного японскими специалистами. Сверхпроводящая обмотка из лент Bi2223— — Мп—Ag располагалась в стеклопластиковом криостате с переохлажденным до 64 К жидким азотом. Последний подается насосом из отдельного резервуара, охлаждение жидкости в котором ведется двумя рефрижераторами с общей холодопроизводительностью 250 Вт на уровне 64 К. При номинальном режиме нагрузки температура обмотки не превышала 67 К, а тепловыделения составили 123 Вт; при 77 К соответственно 143 Вт. Трансформатор был успешно испытан, в том числе токами КЗ, и прошел опытную эксплуатацию в течение 6 дней в реальной сети, где подвергался воздействию шестикратными токами включения и кратковременным перегрузкам до -1,7 номинальной мощности в течение 10 мин.