5 ВВЕДЕНИЕ.
Современные электроэнергетические системы прежде всего характеризуется своими огромными масштабами, сложными структурными и динамическими свойствами. Эти свойства на современном этапе развития настолько усложнились, что иногда высказываются соображения, что Единая энергетическая система перерастает разумные пределы, системная автоматика достигает такого уровня сложности, что могут возникать неуправляемые явления в отношении устойчивости, регулирования частоты и активной мощности. Кроме того, для эффективного распределения электрической энергии, электроснабжения крупных нагрузочных узлов, обеспечения устойчивости, надёжности и живучести Единой энергетической системы необходимо, помимо создания сетей сверхвысокого напряжения, магистралей и вставок постоянного тока, создать коммутационное оборудование, обеспечивающие требуемое количество отключений токов короткого замыкания (КЗ) и токов нагрузки. Наряду с этим, на электростанциях и в электрических сетях России имеет место и общее старение основных фондов: генераторов, трансформаторов, реакторов, выключателей и т.д.[1,2].
В условиях свободного рынка перед системой производства и транспортировки электроэнергии России встаёт ряд неотложных задач, решение которых призвано обеспечить надёжное обеспечение потребителей качественной электроэнергией:
-преодоление недостаточной пропускной способности межсистемных и системообразующих линий электропередач;
-повышение управляемости электрических сетей и увеличение объёма устройств регулирования напряжения и реактивной мощности; -оптимизация распределения потоков мощности по параллельным линиям электропередач различного класса напряжения. Всё это в совокупности ставит вопрос о необходимости модернизации электростанций и электросетей, о замене устаревшего оборудования на новое. И, если затрачивать силы и средства, то хотелось бы, чтобы новое обо-
6
рудование соответствовало требованиям XXI века и по техническим и по коммерческим показателям - эффективное, надежное, пожаробезопасное, энергосберегающие, экологически чистое.
Современная наука пытается предложить новые эффективные решения, как на иных физических принципах, так и на более перспективных конструктивных и технологических решениях. Новые решения могут быть основаны на сверхпроводниковых технологиях, к которым уже обратились и достигли первых успехов многие технически развитые страны мира.
В последние десятилетия большое внимание уделяется исследованию и разработке конструкций, использующие сверхпроводящие материалы, которые дают возможность по-новому подойти к вопросам создания электротехнических устройств. Увеличение плотности тока, повышение удельной мощности, а также наличие особых, присущих только сверхпроводникам, физических свойств, создают предпосылки для разработки высокоэффективных видов электроэнергетического оборудования. Многие технические решения, которые до настоящего времени ограничивались областью слаботочной техники, где за частую наиболее важным являлось получение максимальной мощности в приемнике, а не коэффициент полезного действия, в связи с появлением сверхпроводящих материалов могут быть использованы в силовых устройствах электроэнергетики с высоким коэффициентом полезного действия. В частности это относится к сверхпроводящим статическим индуктивным регулирующим устройствам, а именно к устройствам с коммутаторами магнитного потока на основе сверхпроводящих экранов и сверхпроводниковым индуктивным накопителям энергии (СПИН).
Компенсация или локализация магнитного потока, проходящего через сверхпроводящий замкнутый контур, позволяют рассматривать такой контур на участке замкнутого магнитопровода в качестве переключателя магнитного потока. Принцип действия таких устройств не требует изменения характеристик магнитопровода и основан на зависимости магнитной связи обмоток от значений магнитных потоков и последовательности их суммирования. Воз-
7
можные области применения достаточно многообразны: выключатели индукционного типа, токоограничители, реакторы, устройства регулирования напряжения трансформаторов и т.д [3].
СПИН энергоемкостью (108-г109Дж) рассматриваются, как одно из эффективных средств управления электроэнергетической системой, на которые могут быть возложены задачи по выполнению условий и ее статической и динамической устойчивости. Возможность, практически, мгновенно реагировать на изменение режима и структуры энергосистемы существенно увеличивают технические преимущества СПИН по сравнению с традиционными противо-аварийными мероприятиями. Целесообразность использования СПИН в энергосистемах становится понятной, если учесть, что даже при кратковременном изменении режима противоаварийная автоматика для сохранения устойчивости энергосистемы в процессе динамического перехода действует на отключение генератора с последующим отключением потребителей [4].
В последние годы в промышленно развитых странах резко усилился интерес к использованию сверхпроводящих электротехнических устройств для передачи, распределения и регулирования потоков электроэнергии. В этой связи необходимо отметить быстрый рост работ по созданию макетных и опытно-промышленных образцов силового оборудования для энергосистем на основе использования низкотемпературных (гелиевый уровень) и высокотемпературных (азотный уровень) сверхпроводящих материалов.
Технические характеристики разработанных к настоящему времени низкотемпературных сверхпроводящих материалов (проводов и лент) обеспечивают возможность их использования, практически, во всех электроэнергетических устройствах. Большое число крупных фирм осуществляет промышленный выпуск по цене ~ 1$/м-кА. Успехи в области создания промышленных образцов высокотемпературных сверхпроводников пока недостаточны для широкого использования этих материалов в сильноточной технике. Основным препятствием для промышленного использования является низкое значение предельных рабочих индукций магнитного поля, сильная зависи-
8
мость критического тока от величины магнитного поля, высокая стоимость (в настоящее время ~ 180$/м-кА, в будущем ~ 10$/м-кА), обусловленная сложной технологией изготовления.[5] Однако, по мнению большинства специалистов, возможности для совершенствования производства и технических характеристик высокотемпературных сверхпроводников еще далеко не исчерпаны.
Из разработанных к настоящему времени силовых сверхпроводящих устройств для электроэнергетических систем можно выделить как имеющие наилучший результат промышленной проверки токоограничивающие устройства и СПИН. При этом токоограничители базируются на использовании высокотемпературных сверхпроводящих экранов, а СПИН формируется магнитной системой на основе низкотемпературных сверхпроводников.
В частности опытно-промышленный образец трехфазного токоограни-чителя с номинальной мощностью 1,2 МВА, установленный фирмой ABB в Женевскую энергосистему, представляет собой конструкцию из магнитопро-вода с обмотками, охватывающими кольца из высокотемпературной сверхпроводящей керамики [6]. СПИН являются наиболее продвинутыми с точки зрения коммерческого применения силового сверхпроводникового оборудования в электроэнергетике. Поставляемый фирмой ASC (США) СПИН энергоемкостью ~ 0,5-107 Дж (микро - СПИН) для целей демпфирования последствий аварийных ситуаций в энергосистеме успешно эксплуатируются на ряде предприятий США, Европы и Южной Африки [7,8].
В России исследования в области силовых сверхпроводящих устройств для электроэнергетических систем были начаты более тридцати лет назад. У истоков этого направления стояли В.В. Андрианов, В.А. Альтов, Ю.Н. Астахов, Б.К. Буль, И.А. Глебов, К.С. Демирчян, В.Б. Зенкевич, А.Г. Иосифьян, В.Е. Кейлин, Е.Ю. Клименко, Л.К. Ковалев, Л.В. Лейтес, Ш.И. Лутидзе, Н.Л.Новиков, Г.Н. Петров, И.Б. Пешков, Г.Г. Свалов, В.В. Сычев, H.A. Чер-ноплеков, И.В. Якимец и др.
9
Основным недостатком сверхпроводящих статических индуктивных регулирующих устройств является высокая стоимость сверхпроводящих материалов. В связи с этим важное значение при разработке сверхпроводящих обмоток статических индуктивных регулирующих устройств (часто называемых магнитными системами) приобретают вопросы выбора рациональной геометрии, обеспечивающей наименьший удельный расход сверхпроводника. При этом необходимо учитывать зависимость допустимой плотности тока в сверхпроводнике от индукции магнитного поля. Уменьшить расход сверхпроводника позволяет повышение плотности тока в тех секциях обмотки, где наибольшая магнитная индукция относительно невелика, и снижение плотности тока в секциях с высокой индукцией магнитного поля. В этой связи становятся актуальными задачи исследования различных способов секционирования сверхпроводящих обмоток статических индуктивных регулирующих устройств. Под секционированными обмотками подразумеваются обмотки, изготовленные из сверхпроводящего провода или набранные из сверхпроводящих колец, состоящие из нескольких частей, отделенных друг от друга зазорами, либо различающихся по плотности тока [9,10].
Целью настоящей работы является разработка рациональных способов секционирования сверхпроводящих магнитных систем для повышения эффективности использования сверхпроводящих материалов в статических индуктивных регулирующих устройствах. Для достижения поставленной цели требовалось решить следующие основные задачи:
1. Определить способ секционирования и выбрать схемное решение, дающее возможность за счет снижения индуктивности рассеяния регулирующего устройства трансформаторного типа увеличить токонесущую способность и глубину экранирования сверхпроводящих колец (экранов).
2. Уменьшить удельную стоимость запасаемой энергии за счет увеличения удельной энергоемкости СПИН путем более полного исполь-
10
зования токонесущих и механических характеристик сверхпроводящего провода.
Проведенные в работе исследования служат основой для создания экономичных секционированных магнитных систем статических индуктивных регулирующих устройств для решения электроэнергетических проблем страны.
В первой главе анализируются свойства технических сверхпроводников как низкотемпературных так и высокотемпературных. Проводится обзор теоретических и экспериментальных работ по созданию сверхпроводящих статических индуктивных регулирующих устройств. Проведён анализ электромагнитных процессов, протекающих в магнитных системах этих устройств. В результате выявлены достоинства и недостатки существующих устройств и их магнитных систем. Определены направления дальнейшего развития работ по созданию сверхпроводящих статических индуктивных регулирующих устройств, показана целесообразность научного исследования, определены основные задачи исследований.
Во второй главе проанализировано влияние секционирования экранов, выполненных из сверхпроводящих колец, на регулирование магнитного потока устройств трансформаторного типа Изложены основы теории сверхпроводящих переключателей магнитного потока и рассмотрены принципиальные схемы трансформаторного оборудования, в которых реализуется принцип коммутации магнитного потока. Разработана методика использования эквивалентных магнитных схем в замкнутых магнитных системах для исследования различных схем соединения и конструкций обмоток устройств трансформаторного типа.
Принцип действия таких устройств не требует изменения характеристик намагничивающего магнитопровода и целиком основан на зависимости связи обмотки и сверхпроводящего кольца от значений магнитных потоков.
Секционирование сверхпроводящего экрана приводит к снижению максимальной индукции магнитного поля. А это в свою очередь приводит к увеличению токонесущей способности и глубины экранирования, а также к
11
снижению в нем гистерезисных потерь. Наиболее удачной является конструкция трансформатора с симметрично чередующимися обмотками.
В третьей главе сформулирована задача и описана методика расчета энергоемкости и геометрических параметров многосекционной магнитной системы. Исследуется влияние способа секционирования, схемы соединения секций и геометрических параметров на энергоемкость магнитной системы СПИН. Показано, что при секционировании энергоемкость магнитной системы может увеличиваться по сравнению с несекционированной магнитной системой тех же размеров.
Исследованы переходные процессы в секционированных обмотках при различных способах соединения секций. Показано, что секционирование повышает надежность магнитной системы при переходе в нормальное состояние.
Разработана приближенная методика расчета гистерезисных потерь в сверхпроводящих магнитных системах, удобная для анализа на стадии предварительного проектирования. Исследовано влияние секционирования на величину гистерезисных потерь в сверхпроводящей магнитной системе.
В четвертой главе анализируется эффективность секционирования на примерах обмотки, имеющей формы бесконечно длинного соленоида и тора.
Повышение запасаемой энергии состоит в более полном по сравнению с несекционированной обмоткой использовании критических характеристик сверхпроводника: токи в секциях подбираются из условия их близости к критическому значению. Для крупных магнитных систем с высокими значениями магнитной индукции и конструктивной плотности тока лимитирующими могут оказаться механические нагрузки. В этом случае параметры секционирования целесообразно подбирать из условий равнонагруженности обмотки либо по механическим напряжениям, либо по деформациям.
Показана возможность одновременного секционирования по критическим характеристикам сверхпроводника и по механическим нагрузкам. Выявлен диапазон геометрических параметров, в котором секционированная то-
12
роидальная магнитная система имеет большую запасаемую энергию, чем не-секционированная соленоидальная магнитная система.
В пятой главе проводится сравнение одно- и многообмоточных магнитных систем. Для этого строятся диаграммы, позволяющие активизировать обмотку с точки зрения сочетания ее геометрии и заданных характеристик проводника. Затем проводится сравнение оптимизированных одно- и многообмоточных магнитных систем.
Задача решается в два этапа. На первом получено аналитическое решение в приближении бесконечно длинной обмотки, которое пригодно для качественного, а в ряде случаев и количественного описания реальных систем. На втором этапе рассматриваются обмотки конечной длины.
Показано, что существует область исходных параметров проектирования, в которой многообмоточный СПИН предпочтительнее однообмоточно-го. Кроме того, многообмоточные магнитные системы более технологичны в изготовлении, более живучи и удобны в ремонте.
Научная новизна. Предложен способ секционирования сверхпроводящих статических индуктивных регулирующих устройств, позволяющий учитывать не только токонесущие, но и механические свойства обмоток, что, в свою очередь, дает возможность повысить эффективность использования сверхпроводника.
Проведено исследование влияния секционирования сверхпроводящих экранов на работу регулирующих устройств трансформаторного типа.
Разработана методика расчета размеров секций, дающая возможность увеличить энергоемкость СПИН за счет предложенных способов секционирования.
На основании проведенных исследований показано, что при разработке крупных СПИН целесообразнее использовать набор сверхпроводящих катушек меньших размеров, чем у одиночного соленоида, имеющего тот же суммарный объем сверхпроводника. V
13
В результате теоретических и экспериментальных исследований обоснована эффективность секционирования сверхпроводящих магнитных систем статических индуктивных регулирующих устройств. К защите представляются:
• вопросы теории эквивалентных магнитных схем замещения электротехнических устройств при различном соединении обмоток, совокупность аналитических выражений для электромагнитных процессов в комплексных трансформаторных устройствах, объединяющих функции трансформатора, выключателя, токоограничителя;
• рациональные способы секционирования и схемы соединения секций сверхпроводящих обмоток, выполненные с учетом зависимости тока проводника от индукции магнитного поля, обеспечивающие минимальный расход сверхпроводящих материалов для достижения заданного уровня запасаемой энергии при оговоренных габаритных размерах обмотки;
• теоретические пределы увеличения запасаемой сверхпроводящей обмоткой энергией за счет секционирования и ограничения, накладываемые реальными размерами обмоток и их секций, позволяющие выбрать рациональный способ секционирования, схему соединения и количество секций, позволяющие выбрать рациональный способ секционирования, схему соединения и количество секций для получения максимальной запасаемой энергии;
• альтернативная конструкция магнитной системы СПИН, основанная на замене одиночной обмотки набором катушек меньшего радиуса;
• Совокупность экспериментальных результатов, подтверждающих правильность модельных представлений, используемых при теоретическом анализе, и возможность реализации новых технических характеристик обмоток статических индуктивных регулирующих устройств.
Практическая ценность работы состоит в том, что разработаны общие научные принципы проектирования сверхпроводящих секционированных маг-
14
нитных систем для электроэнергетики, которые позволили, с одной стороны - создавать высокоэффективные образцы энергетических устройств различного типа, а с другой - наметить пути дальнейшего практического использования сверхпроводящих материалов в таких устройствах, как СПИН и трансформаторные устройства с коммутаторами магнитного потока.
Апробация работы. Программный комплекс по расчету и исследованию сверхпроводящих магнитных систем был представлен на ВДНХ СССР в 1985 году. Полученные в диссертации результаты докладывались и обсуждались на 12 научно-технических конференциях (Ленинград- 1981 г., Варна— 1982 г., Братислава - 1989 г., КНР - 1990 г., США - 1982, 1990, 1991, 1992, 1994 гг., Япония -1989 г., Москва - 2004 г.).
Публикация результатов диссертации. Основное содержание диссертации опубликовано в 31 работе, получен патент и авторское свидетельство.
15
1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ПО СВЕРХПРОВОДЯЩИМ
МАГНИТНЫМ СИСТЕМАМ СТАТИЧЕСКИХ ИНДУКТИВНЫХ РЕГУЛИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ.
1.1. Состояние и перспективы развития сверхпроводящих материалов
Использование сверхпроводящих материалов позволяет выработать принципиально новые подходы к вопросам создания электротехнических устройств [11]. Увеличение плотности тока, повышение удельной мощности, а также наличие особых, присущих только сверхпроводникам физических свойств, создают предпосылки для разработки высокоэффективных видов электротехнического оборудования. В большинстве промышленно развитых стран мира ведутся интенсивные исследования и разработки новых видов электротехнических устройств на основе сверхпроводников. Интерес к таким разработкам особенно усилился в последние годы в связи с открытием высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП), не требующих сложных и дорогих охлаждающих устройств. Такие устройства способны работать при охлаждении дешёвым и легкодоступным, жидким азотом. 1.1.1 Низкотемпературные силовые сверхпроводящие провода.
Разработки по сильноточной прикладной сверхпроводимости начались еще в 1961 году [12]. Эти разработки использовали, так называемые, низкотемпературные сверхпроводники (НТСП), требующие охлаждения до температуры гелиевого уровня (4,2 К). Для технических применений, в том числе изготовления различных сверхпроводящих магнитных систем (СПМС), использовались сверхпроводящие провода, выполненные, главным образом, на основе сплавов ниобия с титаном Nb - 44ч-60% Ti, либо интерметаллические соединения NbaSn. Реже использовались провода на основе сплавов Nb -25-j-34% Zr или на основе соединения V3Ga. Достоинство титановых сплавов - высокая пластичность, облегчающая технологический процесс изготовления СПМС. Соединения Nb3Sn, V3Ga для приобретения высоких критических параметров требуется отжигать при повышенных температурах. В результате такой термообработки соединения становятся хрупкими, поэтому провода на
16
их основе подвергают отжигу, как правило, после завершения обмоточных операций.
Для сплавов Nb - Ti характерны: температура сверхпроводящего перехода ТСо=9,4ч-10,5 К, критическая магнитная напряженность НСо=Н,2 МА/м критическая плотность тока в сверхпроводнике Jc«103A/mm2. Практически, изделия из этих проводов могут обеспечить максимальные магнитные поля с Н<6ч-7 МА/м или В<7,5ч-8,5 Т.
Для сплавов Nb-Zr соответственно ТСо=Ю,8 К, НСо=Ю МА/м, Jc=10 А/мм . Более высокие параметры свойственны интерметаллическим со-единениям: NbaSn имеет Тсо=18 К, НСо=17,6 МА/м, Jc=2-10 А/мм , а V?Ga -соответственно ТСо=16,8 К, НСо=22 МА/м, Jc=10 А/мм .
Если, например, сплав Nb-Ti находится в нормальном (несверхпроводящем) состоянии, то при Т=5 К его удельное сопротивление р5~5-10"7 Омм, приблизительно в 300 - 500 раз больше у электротехнической меди при такой же температуре. Применение медной стабилизирующей матрицы позволяет избежать перенапряжений при переходе СПМС в нормальное состояние, поскольку ток из Nb-Ti переходит в медную матрицу. Заметим, что при Т=300 К сплава Nb-Ti удельное сопротивление р3оо=7-1О'7 Ом-м, что, примерно, в 40 раз превосходит рзоо Для меди [13,134].
В настоящее время доступны для применения любые типы низкотемпературных сверхпроводящих проводов на основе Nb-Ti [14]. На рис. 1.1 показан образец низкотемпературного сверхпроводящего провода для СПИН, изготовленного во ВНИИКП для проекта СЭН-Э.
1.1.2. Высокотемпературные сверхпроводящие провода и керамические кольца
В 1986 году сотрудники Швейцарского отделения фирмы IBM сообщили о существовании сверхпроводящего перехода в керамическом соединении оксидов лантана, бария и меди при Т=30 К. Устойчивое сверхпрово- |
