Сверхпроводящие трансформаторы - Трансформаторы с высокотемпературными сверхпроводящими обмотками

2. Трансформаторы с высокотемпературными сверхпроводящими обмотками.
С открытием явления высокотемпературной сверхпроводимости и созданием на ее основе обмоточных проводов и кабелей для силового СП электрооборудования, существенно изменился взгляд на технико-экономические показатели сверхпроводящих трансформаторов и сроки их практического широкомасштабного применения [3, 158-213].
Основным препятствием на пути внедрения сверхпроводящих трансформаторов в эксплуатацию являлись непомерно большие затраты на охлаждение силовых обмоток трансформаторов жидким гелием, что позволяло использовать силовой СП трансформатор, в условиях, где его выигрыш в массогабаритных показателях и потерях в обмотках не уступал бы энергозатратам в рефрижераторных установках и системах для получения жидкого гелия. К сожалению, на современном этапе развития науки, техники и производства, как у нас в стране, так и за рубежом, таких условий практически оказалось мало. В результате, огромное количество проектов и разработок сверхпроводящих трансформаторов, в первую очередь, энергетического назначения, улучшающих к.п.д. и массогабаритные показатели, удельную мощность, надежность, экологию и т.д., оказались нереализованными.
Применение жидкого азота, в качестве хладоагента, силовых ВТСП обмоток, энергозатраты на получение которого для того же объема, что и жидкого гелия, оказались на 2 порядка меньше, дало огромный толчок в развитии не только силовых СН трансформаторов, но и всего сверхпроводникового электрооборудования [189, 190].
Диэлектрические свойства жидкого азота лучше аналогичных свойств жидкого гелия и существенно снижают вероятность пожара и взрыва в сверхпроводящих трансформаторах в сравнении с традиционными трансформаторами с обычным масляным охлаждением. Это обстоятельство исключает необходимость наличия защитных противопожарных средств и расширяет область практического применения силовых трансформаторов с В ГСП обмотками. При этом, мощность, требуемая для их охлаждения снижается в 20 раз по сравнению с обычным охлаждением. Прогресс, достигнутый в последнее время в области разработок и создания высокотемпературных сверхпроводящих проводов для силового электрооборудования — увеличение их критических токов и снижение себестоимости - способствует скорейшему практическому применению ВТСП силовых трансформаторов. Так, фирма Alcated Cables and Components выпустила ВТСП провод на висмутовой основе, длиной 1 км, из которого можно изготавливать силовые обмотки трансформаторов, а также использовать его в обмотках сильных СП магнитов. Критическая плотность тока ВТСП провода превышает 2x104 при температуре жидкого азота (77 К). Производственные мощности этой фирмы позволяют получать такой ВТСП провод длиной свыше 150 км ежегодно [198].
В Российской Федерации разработки ВТСП материалов и созданием проводов и кабелей на их основе, в настоящее время занимается, в основном, ВНИИНМ им. акад. А.А. Бочвара (Москва). Его разработками, в частности, являются [212]: массивные изделия и гибкие композиционные ВТСП провода на основе иттриевых и висмутовых керамических соединений:

1. объемные ВТСП изделия (стержни, пластины, трубки) из высококачественных порошковых материалов собственного производства;
2. провода и ленты на основе Bi соединений в оболочках из Ag и сплавов Ag с числом волокон до 1369 длиной до 200 м и критическим током более 30000 A/cm2 (77 К, 0 Тл).

Технические характеристики некоторых типов ВТСП проводников.

Большим опытом работы в области разработки и создания сверхпроводящих проводов, технологией их изготовления в промышленном масштабе обладают ученые и специалисты НПО «ВНИИКП» (Москва), исследовавшие свойства ВТСП материалов и разработавшие ряд технологий изготовления проводов на их основе [178].
Один из первых в мире проектов силового трансформатора с ВТСП силовыми обмотками мощностью 100 МВА, напряжением 66/22 кВ был осуществлен в 1988, спустя лишь 2 года после открыта явления высокотемпературной сверхпроводимости [167].
Магнитопровод стержневой конструкции имел диаметр стержня 362 мм, сечение 3280 см², окно 1800x5900 мм². Рабочая индукция в магнитопроводе - 1,75 Тл. Обмотка НН состояла из 2-х половин по 85 витков в каждой. Радиальный ее размер - 27 мм. Обмотка ВН - также из 2-х половин по 225 витков, ее радиальный размер - 42 мм. Высота обмоток - 1550 мм. Обмоточный провод представляет собой тонкую несущую ленту из пленочного материала, на которую нанесены косые полоски пленки из серебра, имеются промежутки, обеспечивающие снижение добавочных потерь. Размер обмотки НН - 0,055x750 мм , об- мотки ВН - 0,55x350 мм , при этом толщина проводящей серебряной пленки 0,0075 мм и 0,006 мм, соответственно. При намотке обмоток между витками прокладывается электрическая изоляция, состоящая из 3 слоев электроизоляционного материала толщиной 50 мкм. При расчете трансформатора критическая плотность тока принималась 500 А/ мм² с учетом того, что силовые обмотки находятся в магнитном поле с индукцией 0,3 Тл. Считалось, что величина критической плотности тока в 10 раз меньше, чем при полном отсутствии магнитного поля. В обмотках были предусмотрены каналы для прокачки хладоагента, жидкого азота, шириной 3 мм, напряжение короткого замыкания трансформатора - 7,5 %. Криостат с обмотками помещен в бак с нефтяным маслом. Расчетные потери в ВТСП трансформаторе составили: в обмотках - 2,56 кВт, на охлаждение - 30 кВт, магнитные потери - 30 кВт, суммарные ~ 115 кВт, что в 3 раза меньше, чем в трансформаторе традиционной конструкции. Электрическая изоляция рассчитана на испытательное напряжение обмоток: НН - 50 кВ и 150 кВ полного импульса и ВН - 140 кВ и 350 кВ, соответственно.
В Германии, на разработки и исследования, связанные с использованием высокотемпературных сверхпроводников в области производства и распределения электроэнергии на 1989 - 1995 годы было выделено 320 млн. немецких марок [176]. В центре этих разработок - проблемы, связанные с созданием силовых трансформаторов с ВТСП обмотками, этих важнейших элементов энергетических систем.
В нашей стране, работы по исследованию применения высокотемпературной сверхпроводимости в электрических и электромагнитных устройствах начаты в 1987 г. [174]. В ВЭИ были осуществлены работы по исследованию модели регулировочного трансформатора с передвижной короткозамкнутой обмоткой из высокотемпературной сверхпроводящей керамики. Были изготовлены и прошли испытания несколько маломощных моделей трансформаторов, одной из обмоток которых служило кольцо из ВТСП материала. Все ВТСП кольца были изготовлены из YbazCuOy, методом твердофазного синтеза и по технологии частичного плавления материала [171-173].
В 1995 году крупнейший в мире производитель силовых трансформаторов фирма АВВ (Швеция) и ведущая американская фирма в области разработки и применения высокотемпературных сверхпроводящих материалов American Superconductor Corp, объявили, что приступают к разработке проекта и на его основе создания силового трансформатора с обмотками из высокотемпературных сверхпроводников [179-181]. Проект финансировался французскими и шведскими правительствами, самой крупной в мире электроэнергетической компанией Electricite de France (Франция) и радом других организаций. В соответствии с этим проектом, должен был быть разработан и изготовлен в течение 2 лет и установлен в распределительной электросети г. Женевы (Швейцария), силовой трехфазный трансформатор мощностью 630 кВА, с напряжением на первичных обмотках 18,7 кВ, и на вторичных - 0,42 кВ, с обмотками из висмутовых керамических ВТСП материалов, охлаждаемых жидкоазотным хладоагентом (77 К).
Ставя перед собой такую, достаточно сложную задачу, трансформаторостроители фирмы АВВ опирались на успешный опыт, полученный ими при разработке, изготовлении и испытании в 1993 году 1-фазного силового трансформатора мощностью 330 кВА с обмотками из обычного низкотемпературною сверхпроводника, охлаждаемого жидким гелием.
Одной из целей нового проекта АВВ являлась также про- псрка методов расчета сверхпроводящих устройств.
Трансформатор с ВТСП обмотками, согласно проекту должен иметь к.п.д, равным 99,5 % против 99,2 % для аналогичных трансформаторов обычной конструкции, потери в обмотках будут по сравнению с обычным трансформатором на 20-25 % меньше, а общая стоимость потерь уменьшится на 25- 40 %. Жидкий азот является отличным диэлектриком и поэтому ВТСП трансформатор, ввиду значительного снижения пожарной безопасности, может быть установлен внутри помещений без пожарозащитных сооружений.
В марте 1997 года такой ВТСП трансформатор был изготовлен и успешно прошел предварительные испытания, а в конце 1997 года фирма АВВ сообщила о включении в энергетическую сеть г. Женевы первого в мире силового распределительного трехфазного трансформатора с ВТСП обмотками мощностью 630 кВА, напряжением 18720/420 В [3,187,197,199-202,208,209,211] (рис. 35). Конструктивно, ВТСП трансформатор состоит из трех обмоток, каждая из которых находится в отдельном криостате с жидким азотом. Диаметр обмоток - 1м., высота - 2 м. Успешная эксплуатация ВТСП трансформатора фирмы АВВ в швейцарской энергосистеме, в трехлетний период времени, подтверждает благоприятные прогнозы на то, что силовые трансформаторы с обмотками из высокотемпературных сверхпроводников, при жидкоазотном охлаждении, являются конкурентоспособными по отношению к обычным трансформаторам, для широкомасштабного применения при соответствующих мощностях, уже в настоящее время. Это относится, в основном, к трансформаторам при величинах мощности от 10 до 100 МВА, так как большая часть из двухпроцентного годового прироста потребления электрической энергии приходится на это оборудование [3]. По результатам исследований, приведенным в [186], внедрение ВТСП трансформаторов в эксплуатацию для мощностей до 1000 МВА потребует финансовых затрат порядка нескольких десятков миллиардов долларов, зато позволит сэкономить электроэнергию, приблизительно 10 кВт/час за первые 20-30 лет применения. При этом, имеет место существенное уменьшение массы и габаритов силовых трансформаторов и снижение потерь в обмотках на переменном токе. Например, для трансформаторов мощностью 100 МВА, при использовании в них ВТСП обмоток происходит уменьшение массы со 130 т до 60 т, при одновременном снижении потерь в обмотках приблизительно в 3 раза [187].
Ежегодная же стоимость потерь электроэнергии в силовых обмотках трансформаторов, например, в США, составляет 2 млрд. долларов [209].

Рис. 35. Первый в мире трансформатор с ВТСП обмотками мощностью 630 кВА, напряжением 18,7/0,42 кВ

Рис. 36 Однофазный трансформатор с ВТСП обмотками мощностью 500 кВА. напряжением 6,6 / 3,3 кВ

В Японии, фирмы Fuji Electric Со. Ltd, Sumitomo Electric Industries и университет Kyushu разработали и испытали однофазный трансформатор с обмотками из ВТСП, мощностью 500 кВА (188,202,203) (рис. 36). Магнитопровод изготовлен из тонколистовой кремнистой электротехнической стали и функционировал при комнатной температуре (300 К). Размеры магнитопровода: высота-1580 мм, ширина-1110 мм, площадь поперечного сечения стержня-986 мм². Рабочая индукция в магнитопроводе - 1,7 Тл. Стеклопластиковый криостат марки GFRP имеет следующие размеры: высота 1210 мм, наружный диаметр-785 мм, внутренний диаметр-337 мм. Первичная и вторичная обмотки трансформатора выполнены из 3-х и 6-ти жильных оксидных параллельных проводников в виде серебряно-висмутового ленточного провода (Bi-2223), имеющего площадь поперечного сечения - 0,22 мм х 3,3 мм, с числом филамент, равным 61 и коэффициентом заполнения 0,284. Первичная обмотка изготовлена из 3-х параллельных проводов, наложенных в 2 слоя по 110 витков в слое с числом транспозиций в каждом слое, равным 5. Вторичная обмотка изготовлена из 6-и параллельных проводов, намотанных также в 2 слоя по 55 витков в слое с числом транспозиций в каждом слое равным 5. Высота обмоток - 748 мм. Диаметр обмоток: первичной-465 мм, вторичной - 509 мм.
Трансформатор прошел испытания при температурах 77 К и 66 К. При температуре 77 К мощность ВТСП трансформатора составила 500 кВА при напряжении 6600/3300 В на частоте 60 Гц, и отношении токов первичной и вторичной обмоток - 76/152 А.

Рис. 37. ВТСП трансформатор мощностью 1 МВА

С понижением температуры хладоагента с 77 К до 66 К мощность трансформатора возросла до 800 кВА, при отношении токов - 121/242 А. В обоих случаях была использована индуктивная нагрузка, функционирующая при 77 К, мощностью 500 кВА. Экспериментально полученный К.П.Д. ВТСП трансформатора при мощностях 500 кВА и 800 кВА составил 99,1 % и 99,3 %, соответственно.
В Германии, фирма Siemens разработала технологию производства ВТСП обмотки для трансформатора, используемого для железнодорожного транспорта, в частности для высокоскоростных поездов [191-193]. Проект предусматривает изготовление и испытание 1 МВА ВТСП трансформатора с целью дальнейшего перехода на мощность 10 кВА.
На рис. 37 представлен однофазный ВТСП трансформатор мощностью 1 МВА, разработанный фирмами Rochester Gas and Electric, Waukesha Electric Systems Jntemmagnetic General Corp. (США) [151,202,204,206].
Здесь обозначено: 1 - железный магнитопровод, 2 -  первичная ВТСП обмотка, 3 - вторичная ВТСП обмотка, 4 -  емкость для жидкого азота, 5 - высоковольтный вывод обмотки, 6-стеклопластиковый криостат, 7-стальная пластина магнитопровода, 8-высоковольтный токоввод, 9-низковольтный токоввод, 10-жидкий азот.
Силовые обмотки этого трансформатора изготовлены из материала BSCCO - 2212, керамического сверхпроводника на основе соединений висмута. ВТСП трансформатор был успешно испытан. Результаты испытаний ВТСП трансформатора мощностью 1 МВА, по сообщению его разработчиков, лягут в основу работ по созданию силовых высокотемпературных сверхпроводящих трансформаторов мощностью 30-150 МВА.
В 1998 году Departament of Energy (США), выделил 15 млн. долларов на разработку ВТСП трансформатора мощностью 10 МВА [196, 211]. В 4-х летней совместной программе разработок участвуют крупнейшие фирмы АВВ (Швеция), ASC (США) и Electricite de France (Франция). Непосредственно В ГСП трансформатор должна изготовить фирма АВВ, а криогенное оборудование для трансформатора - американская фирма АРД. Задача, поставленная перед разработчиком этой программы осуществить переход к коммерческому ВТСП трансформатору класса 30 МВА, так как именно эта мощность является нижним пределом мирового рынка традиционных силовых трансформаторов, составляющего 3 млрд. долларов в год.