Перенапряжения в обмотках трансформатора

На базе новосибирского государственного технического университета ведется разработка собственного варианта исполнения сверхпроводящего трансформатора с функцией токоограничения. Отличительной особенностью устройства будет являться более глубокая проработка именно функции токоограничения, как приоритетной, по нашему мнению, для данного устройства.

Основными препятствиями на пути к эффективному токоограничению являются перегрев, неравномерное токоограничение по обмотке и перенапряжения, возникающие в обмотках СП трансформатора. Исследования перегрева трансформатора при выходе обмоток из СП состояния и критерии возврата трансформатора в СП состояние после отключения тока КЗ описаны в [10]. Проблемы неравномерного токоограничения по обмотке были преодолены при помощи изменения конструкции обмотки трансформатора [11]. Эта запатентованная технология принадлежит новосибирскому государственному техническому университету и будет учтена в будущем изделии.

Настоящие исследования посвящены проблеме перенапряжений в обмотках трансформатора, вызванных резким изменением полного импеданса обмоток. Для чего была рассчитана схема в программном комплексе PSpice, а также создана физическая модель для исследования токоограничения и перенапряжений.

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Рис. 2 - Катушка из сверхпроводящей YBCO ленты в ёмкости из полистирола для заполнения жидким азотом

сверхпроводящий трансформатор ток короткий замыкание

Согласно [1] превышение критического тока сверхпроводника способствует началу развития и распространения нормальной зоны, то есть зоны, в которой разрушена сверхпроводимость. Вместе с тем согласно [12] развитие нормальной зоны в устройствах из высокотемпературных сверхпроводников (например, YBCO ленты второго поколения от компании SuperOx^TM) происходит равномерно по всей длине, что эквивалентно тому, что, например, вся катушка (рис. 2) будет сразу полностью переходить в смешанное состояние при превышении критического тока. Принимая эту гипотезу, сымитируем поведение СП катушки, через которую питается нагрузка, при внезапном коротком замыкании на нагрузке. Моделируемая схема и одновременно схема опыта представлены на рисунке 3.

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Рис. 3 - Схема, моделирующая работу токоограничивающей катушки в случае КЗ

Вольт-амперная характеристика нелинейного сопротивления можно удовлетворительно аппроксимировать с помощью степенной функции вида:

, (1)

где E₀ - коэффициент при степенной функции; I_к - критический ток сверхпроводящей ленты, или ток, при котором напряженность электрического поля в ленте будет равна 1 мкВ/см; n - показатель степени или «крутизны» ВАХ; I - ток, протекающий через сверхпроводящую ленту; E - напряженность электрического поля в ленте.

Важно отметить, что крутизна ВАХ напрямую влияет на уровень предполагаемых перенапряжений, поскольку чем более резко будет изменяться сопротивление сверхпроводника, тем более резко будет ограничиваться ток, быстрое изменение которого по закону электромагнитной индукции приведёт к перенапряжениям.

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Рис. 4 - Результаты моделирования короткого замыкания за катушкой в программе PSpice. Замыкание происходит на 30мс (ток показан зелёным)

Ниже приводятся результаты математического моделирования токоограничивающей катушки (рис. 4), для которой: n = 27,36; E₀ = 0,00541; I_к=80 А. (определено экспериментально). В схеме принимаются следующие допущения: не учтён нагрев обмоток токами КЗ; не учтён скин-эффект; не учтена кинетическая индуктивность. Также приводится осциллограмма замеров для реальной катушки в случае короткого замыкания на нагрузке. Замеры производились при помощи анализатора FLUKE 435-II. Видно хорошее совпадение осциллограмм тока в модели и опыте.

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Рис. 5 - Осциллограмма переходного процесса при КЗ за катушкой

Моменту короткого замыкания соответствует коммутационное перенапряжение (ток показан чёрной сплошной линией)

Из осциллограмм видно, что ограничение тока сопровождается срезом вершин синусоидального сигнала. Однако можно видеть, что несмотря на довольно резкий срез сигнала тока на обмотке, не появляется существенных перенапряжений. Так на рисунке 4 видно, что в случае равенства сопротивлений нагрузки и катушки в нормальном состоянии, падение напряжения на всей цепи (красная линия) во время токоограничения, не превышает номинального рабочего. Сигнал по напряжению от осциллографа, полученный в эксперименте имеет слабую разрешающую способность и не может быть использован для количественной оценки напряжений, при этом форма этого сигнала, позволяет судить о качественном характере процесса: видно, что во время токоограничения также отсутствуют резкие скачки по напряжению.

Таким образом, подход при котором сверхпроводящая катушка рассматривается как переходящая в смешанное, а затем нормальное состояние, при превышении критического тока по всему объёму целиком оказывается верным. Как показал опыт, такой переход не вызывает существенных перенапряжений на целой катушке. Это позволяет говорить о ненадобности усиления витковой изоляции в будущей конструкции трансформатора.

Заключение

Сниженные потери, меньшие габариты, пожаробезопасность и токоограничение делают сверхпроводящий трансформатор бесспорно привлекательным элементом современной научной электротехнической мысли. В сущности, высокая стоимость трансформатора на сегодняшний день является последним препятствием на пути внедрения устройтва в промышленность. Однако следует помнить, что такая стоимость объясняется главным образом отсутствием масштабного эффекта, возникающем при крупном серийном производстве.

Тем не менее, осознанная вера в скорое удешевление технологии производства сверхпроводящих проводов создаёт подспорье для всестороннего исследования этого устройства.

В данной работе было качественно продемонстрировано, что при ограничении токов короткого замыкания в обмотках трансформатора не возникают опасные для изоляции перенапряжения, которые имели место для низкотемпературных сверхпроводников и были подробно описаны в [1]. Вместе с тем получена удовлетворительная модель для описания поведения тока в режимах его ограничения.

Список литературы

1. Уилсон М. Сверхпроводящие магниты: Пер. с англ. - М.: Мир, 1985. - 405 с., ил.

2. Справочник по физико-техническим основам криогеники / М.П. Малков, И.Б. Данилов, А.Г. Зельдович, А.Б. Фрадков; Под ред. М.П. Малкова. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1985. - 432 с., ил.

3. ТОУ среднего напряжения [Элеткронный ресурс]: Сайт компании SuperOx

4. Ш.И. Лутидзе, Э.А. Джафаров “Сверхпроводящие трансформаторы”. М.: ООО Издательство “Научтехлитиздат”, 2002. - 206c.

5. S Samoilenkov et al. “Customised 2G HTS wire for applications” 2016 Supercond. Sci. Technol. 29 024001

6. Masataka Iwakuma et al., “Development of a 1250-kVA Superconducting Transformer and Its Demonstration at the Superconducting Substation” IEEE Transactions Applied Superconductivity, 2015, v.25, №3, p.5500206

7. Shaotao Dai et al., “Development of a 1250-kVA Superconducting Transformer and Its Demonstration at the Superconducting Substation” IEEE Transactions Applied Superconductivity, 2016, v.26, №1, p.5500107

8. Andrew Craig Lapthorn et al. “HTS Transformer: Construction Details, Test Results, and Noted Failure Mechanisms” IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 26, no. 1, january 2011

9. Волков Э.П. и др. Первый в России ВТСП трансформатор 1 МВА, 10/0,4 кВ // Изв. РАН. Энергетика. 2016. №5.

10. Манусов Вадим Зиновьевич, Александров Николай Васильевич Ограничение токов короткого замыкания с помощью трансформаторов с высокотемпературными сверхпроводящими обмотками // Известия ТПУ. 2013. №4 С.100-105.

11. Пат. 132250, H01F6/06, H01F36/00. Сверхпроводящая обмотка трансформатора / Н.В. Александров, В.З. Манусов; НГТУ - 2013110092; заяв. 06.03.13; опуб. 10.08.13. - 1 c.

12. V.S. Vysotsky, Yu. Ilyin, T. Nakamura, Critical Current Distribution along the BI-2212 High Temperature Superconducting Coil // Advances in superconductivity - X, Proc of ISS'97, Gifu, Japan, pp. 799-802, 1998

Размещено на Allbest.ru