Сверхпроводящие трансформаторы - Сверхпроводящие трансформаторы с локализированным магнитным полем рассеяния

ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ
СВЕРХПРОВОДЯЩИЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ
С ЛОКАЛИЗИРОВАННЫМ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ РАССЕЯНИЯ.

1. Общие сведения и классификация сверхпроводящих трансформаторов с локализированным магнитным полем рассеяния.

Сверхпроводящие трансформаторы с локализированным магнитным полем рассеяния выполняются с ферромагнитным магнитопроводом и без него.
В СПТ с ферромагнитным магнитопроводом локализированность магнитного поля рассеяния достигается:

1. применением поочередного секционирования первичных и вторичных обмоток из обычного МЖСПП. Первичная обмотка нагружена, при этом, не только рабочим током, но и током намагничивания, составляющим небольшую величину, по сравнению с первичным рабочим током, и создающим нескомпенсированное магнитное поле рассеяния, ухудшающее условия работы силовых обмоток;
2. применением в качестве проводникового материала обмоток, ЛМЖСПП, с коэффициентом заполнения провода:

Обмотки выполняются плотной намоткой витков, с коэффициентом заполнения обмоток Kз.об.

1. применением в качестве проводникового материала обмоток, обычного МЖСПП. Обмотки выполняются неплотной намоткой витков с шагом намотки, определяемым из условия максимального ослабления магнитной связи между витками.

В СПТ без ферромагнитного магнитопровода, локализированность магнитного поля рассеяния невозможно достигнуть при использовании первичной силовой обмотки трансформатора дня создания магнитного поля возбуждения. Намагничивающие токи, в этом случае, преобладают и превышают рабочие токи, в СПТ создаются сильные, некомпенсированные магнитные поля недопустимой величины. В связи с этим, возникает необходимость применения отдельной обмотки в сверхпроводящем трансформаторе для создания магнитного поля возбуждения, т.е. применения СПT с отдельной обмоткой возбуждения (ООВ).
Такая ООВ может быть выполнена из другого СП материала с другим количеством витков по сравнению с силовыми рабочими обмотками СП трансформатора. Конструктивно, ООВ в СПТ размещается ближе к магнитопроводу, чем силовые рабочие обмотки и имеет разные электрические и магнитные связи с ними. Отдельная обмотка возбуждения выполняется также из высокотемпературных сверхпроводящих проводов и основная задача ее оптимизации заключается в создании магнитного поля возбуждения в воздушном магнитопроводе сверхпроводящего трансформатора, при минимальных потерях в обмотках и минимальных затратах сверхпроводящего материала. В ООВ средние критические величины плотности тока снижены, т.к. их значения определяются значением критической плотности тока витков, которые находятся в неравномерных магнитных полях. Витки, расположенные в той части обмотки, где магнитное поле меньше максимальной величины, оказываются нагруженными по плотности тока. Для наилучшего использования свойств сверхпроводникового материала, в отдельных обмотках возбуждения СПТ, целесообразно разделение таких обмоток на отдельные секции, обтекаемые различными токами, так, как это делается в СП соленоидах. Плотность каждого СП провода выбирается максимально допустимым для значения магнитной индукции той секции, к которой он принадлежит, т.е. через каждую секцию пропускается максимальный ток, равный критическому току, соответствующему локальному значению магнитной индукции данной секции. 

Рис. 38
Такое определение оптимального распределения плотностей токов по сечению секции является сложной задачей, решением которой, при разбиении обмотки на две-три секции, удается уменьшить ее размеры до двух раз [214]. Рабочие силовые обмотки сверхпроводящего трансформатора, в этом случае, выполняются с локализированным магнитным полем рассеяния.
На рис. 38 представлена классификация сверхпроводящих трансформаторов с локализированным магнитным полем рассеяния с ферромагнитным магнитопроводом и без него.
Если обмотка СП трансформатора выполнена на основе ЛМЖСПП, то токонесущая способность СП провода, при сохранении диаметра провода, остается без изменения, по сравнению с обычным МЖСПП. Количество же жил, при этом, в
ЛМЖСПП враз меньше, чем в обычном МЖСПП.

2. Сверхпроводящий трансформатор с отдельной обмоткой возбуждения.

Принцип работы сверхпроводящего трансформатора с отдельной обмоткой возбуждения.

На рис. 39 представлен СП трансформатор с первичной стороны которого, вместо одной, выполнены две обмотки «А» и «С», а со вторичной стороны, как обычно, выполнена одна обмотка «В» 137,39-44]. Обмотки «А» и «С» питаются от напряжений UА и Uc, а «В» присоединена к цепи нагрузки с напряжением Uв. Такой трехобмоточный трансформатор, в зависимости от величины напряжений Uа, Uв, Uс и электромагнитных параметров отдельных обмоток, может работать в разных энергетических режимах.
Если, например, обмотки «А» и «В» имеют сильную магнитную связь относительно друг друга и более слабую магнитную связь с обмоткой «С», то очевидно, что любое изменение юка нагрузки в обмотке «В» будет вызывать соответственное и вменение тока в основном в обмотке «А», а не в обмотке «С». При этих условиях, электрическая энергия в обмотку «В» и в цепь нагрузки будет передаваться, в основном, от обмотки «А». Изменение нагрузки, следовательно, во вторичной цепи не будет отражаться на обмотке «С».

Рис. 39. К принципу работы СПТ с отдельной обмоткой возбуждения

 В обмотке «С» будет протекать ток приблизительно такой же величины, как до изменения нагрузки и обмотка «С» будет потреблять реактивную мощность. Потребляемые обмоткой «С» реактивный ток и реактивная мощность будут зависеть от величины приложенного к этой обмотке напряжения Uc. При таких условиях, обмотка «С» выступает в роли обмотки возбуждения, а обмотки «А» и «В» - в роли силовых обмоток. Такой трансформатор в дальнейшем будем называть сверхпроводящим трансформатором с отдельной обмоткой возбуждения.
Силовые обмотки такого СП трансформатора не находятся в сильном магнитном поле возбуждения, т.к. в первичной обмотке ток возбуждения не протекает.
Отсутствие тока возбуждения непосредственно в силовых обмотках дает возможность выполнения полностью компенсирующих друг друга первичных и вторичных обмоток и уменьшения всех магнитных потоков вокруг этих обмоток, что, в свою очередь, вызывает уменьшение потерь, увеличение токонесущей способности и мощности СП трансформатора.
В СПТ с отдельной обмоткой возбуждения, последняя выполняется автономно на требуемое магнитное поле возбуждения и ее размеры, и число витков могут быть другими по сравнению с размерами и числом витков первичной обмотки. В отличие от силовых обмоток, обмотка возбуждения может быть изготовлена из другого СП материала, выполнена криорезистивной или из обычного проводникового материала и функционировать в теплой зоне (300 К) на требуемые токи и напряжения, в зависимости от режимов работы СП трансформатора.
Магнитопровод, при этом, может быть выполнен ферромагнитным или неферромагнитным. Для обозначения величин, относящихся к первичной и вторичной обмоткам, воспользуемся, как обычно, индексами «1» и «2», а для величин, связанных с обмоткой возбуждения, индексом «в».

Уравнения сверхпроводящего трансформатора.

Для составления уравнений и проведения анализа электромагнитных процессов в стационарных и переходных режимах, необходимо определение параметров СПТ, его активных сопротивлений и индуктивностей.
Активные сопротивления СП трансформатора связаны с выделением тепловых потерь в СП обмотках при протекании в них переменного тока, а также в магнитопроводе (при наличии ферромагнитного сердечника), при возбуждении в нем переменного магнитного поля.
Индуктивности и индуктивные сопротивления СП трансформатора связаны с образованием магнитных полей рассеяния к канале рассеяния, создаваемых токами нагрузки и магнитных нолей возбуждения в магнитопроводе, создаваемых намагничивающими токами.
Активное сопротивление каждой СП обмотки состоит из трех составляющих:

При рассмотрении СПТ с отдельной обмоткой возбуждения, как трехобмоточного трансформатора, необходимо определение девяти индуктивностей. Однако, при упрощенном подходе, можно οграничиться меньшим количеством индуктивностей, а именно:
L1s, L2s — индуктивности рассеяния первичной и вторичной обмоток.
Lsb - индуктивность рассеяния обмотки возбуждения
М - взаимоиндуктивность между первичной и вторичной обмотками
Мв - взаимоиндуктивности между первичной (вторичной) обмоткой и обмоткой возбуждения.
В сверхпроводящих трансформаторах, в отличие от обычных трансформаторов, необходимо дополнительно учитывать кинетические индуктивности обмоток, связанных кинетической энергией свободно движущихся сверхпроводящих электронов в этих обмотках. От величин кинетических индуктивностей Lk зависят величины электрических сопротивлений и, соответственно, токонесущая способность СП обмоток. На величины индуктивностей Мв кинетическая индуктивность практически влияния не оказывает из-за относительно незначительной величины.
На рис. 40 а, б представлены схема и расположение обмоток в СП трансформаторе с отдельной обмоткой возбуждения. Такое разделение функций обмоток можно допустить, например, при определенном расположении обмоток относительно друг друга. В качестве примера, на рис. 40б показано расположение этих обмоток в СПТ стержневого типа. Обмотка возбуждения В с числом витков Wb находятся близко к сердечнику, а первичная 1 и вторичная 2 обмотки с числом витков W1 и W2 находятся на некотором расстоянии от обмотки возбуждения и расположены рядом друг с другом.

Рис. 40. Схема (а) и расположение обмоток (б) СПТ с отдельной обмоткой возбуждения

Рис. 41. Расчетная схема СПТ с отдельной обмоткой побуждения

Разделение функций обмоток может быть получено и другим способом.
В обычных двухобмоточных трансформаторах первичная обмотка совмещает назначение силовой обмотки и обмотки возбуждения.
В связи с этим, ток первичной обмотки в режиме нагрузки состоит из двух составляющих: тока возбуждения, который создает основной магнитный поток в магнитопроводе трансформатора, и тока нагрузки, который компенсирует ток вторичной обмотки.
В СПТ с первичной стороны, как было отмечено, выполнены две обмотки, при этом в обмотке 1 должен протекать только ток нагрузки, а в обмотке возбуждения - только ток возбуждения.
Учитывая, что все три обмотки в СПТ магнитно связаны друг с другом, распределение токов и мощностей зависит от параметров обмоток и требуемое распределение токов и мощностей возникает только при определенных условиях и соотношениях параметров обмоток.
Для получения указанных соотношений,

Схема замещения СП трансформатора, соответствующая уравнениям (4.9), показана на рис. 42.

Рис. 42. Эквивалентная электрическая схема замещения СПТ с ООВ в переходных процессах

На рис. 43 и 44 показаны эквивалентные схемы СПТ в режиме х.х. и к.з.
Из уравнений (4.9) легко получить уравнения, описывающие стационарный процесс в СПТ, если р заменить через jω, где ω - частота, приложенного к первичной обмотке, напряжения.

Рис. 43. Эквивалентная электрическая схема замещения СПТ с ООВ в режиме холостого хода

Рис. 44. Эквивалентная электрическая схема замещения СПТ с ООВ в режиме короткого замыкания

Рис. 46. Эквивалентные электрические схемы замещения
СПТ с параллельной ООВ
а) рабочий режим СПТ
б) холостой ход СПТ
в) короткое замыкание СПТ

После некоторых преобразований уравнений (4.9), при работе трансформатора на активно-индуктивную нагрузку, получим:

2.Если а=1, т.е. все обмотки расположены близко к магнитопроводу, то:

Рис. 47. Эквивалентная электрическая схема замещения СПТ с ООВ в режиме холостого хода

Уравнения и решение уравнений сверхпроводящего трансформатора в режиме соединения двух СП линий электропередач.

Рассмотрим СИТ, предназначенный для связи между двумя СП ЛЭП с разными уровнями напряжения (рис. 48а). В этом случае, рассматривая, как и выше, CUT в виде 3-х обмоточного трансформатора, получим для переходных режимов следующие уравнения:

Рис. 48. СПТ с ООВ в схеме соединения СПЛЭП1 и СПТЛЭПП (а) и его эквивалентная электрическая схема (б)
Мощность, приходящаяся на единицу объема магнитопровода СПТ:

Для разгрузки питающей сети возбуждения, целесообразно применение конденсаторов, настроенных в резонанс с индуктивностью обмотки возбуждения.
Выражение (4.42) позволяет приблизительно сравнивать эффективность применения СП обмотки возбуждения в СП трансформаторах при отсутствии железного магнитопровода.
При наличии магнитопровода из железа и выполнении проводника обмотки из меди, для мощности, имеем:

Из уравнений (4.46) следует, что применение СП обмотки возбуждения целесообразно при безжелезном выполнении магнитопровода при условии:

Основные схемы сверхпроводящего трансформатора.

В зависимости от схемы соединения обмотки возбуждения, СПТ могут быть разделены на:

1. СПТ с независимым возбуждением. В этом случае обмотка возбуждения питается от независимого источника реактивной энергии.
2. СПТ с параллельным возбуждением. Обмотка возбуждения, в этом случае, соединена параллельно с первичной силовой обмоткой.
3. СПТ со смешанным возбуждением. Параллельная и последовательная обмотки возбуждения соединяются с первичной обмоткой. В этом случае СПТ следует рассматривать как четырехобмоточный.

На рис. 49а показана схема СПТ с независимым возбуждением. Напряжение Ub и число витков Wb отличаются от напряжения и числа витков первичной обмотки. На рис. 496 источником реактивной мощности является конденсатор, настроенный в резонанс в цепи возбуждения.

Рис. 49. Схемы СПТ с независимым возбуждением

На рис. 50 а, б показаны схемы СПТ с параллельным возбуждением. На рис. 50а использована автотрансформаторная связь с первичной обмоткой. В этом случае, число витков обмотки возбуждения и ее напряжение отличаются от числа витков и напряжения первичной обмотки СПТ. Конденсатор применяется для компенсации реактивной мощности возбуждения.
На рис. 506 показан СПТ с параллельным возбуждением, при непосредственном соединении обмотки возбуждения параллельно с первичной обмоткой СПТ. Конденсатор, в этом случае, может компенсировать и реактивную мощность вторичной обмотки.

Рис. 50. Схемы СПТ с параллельным возбуждением

На рис. 51а, б представлены схемы СПТ со смешанным возбуждением. На рис. 51а показан СПТ при непосредственном соединении параллельной и последовательной обмоток возбуждения с первичной обмоткой. На рис. 51б использованы трансформаторные связи для обмоток возбуждения ΟΒΙ и OBIΙ. В этом случае эти обмотки могут быть рассчитаны на разные напряжения и числа витков.
На основании вышеизложенных выражений, может быть рассмотрен ряд режимов работы и выбраны требуемые параметры сверхпроводящего трансформатора.
Изменение тока нагрузки во вторичной обмотке вызывает изменение токов, как первичной обмотки, так и обмотки возбуждения. Однако, при соответственном выборе параметра α=ΔΒ/Δ и параметров, входящих в схему замещения трансформатора, могут быть достигнуты такие режимы работы, когда, в основном, будет нагружаться первичная обмотка трансформатора, а ток в обмотке возбуждения будет меняться незначительно.

Рис. 51. Схемы СПТ со смешанным возбуждением

Для оценки изменения токов первичной обмотки и обмотки возбуждения, рассмотрим отношение этих токов в установившемся режиме короткого замыкания, т.е. для случая, когда токи достигают своих максимальных значений.
На основании рассмотрения схемы замещения СПТ при UB=U1 (рис. 46в), после некоторых преобразований, для отношения токов в режиме короткого замыкания получим: