Оценка параметров сверхпроводящего гибридного трансформатора с пространственной магнитной системой
Ключевые слова:
ВТСП, сверхпроводимость, магнитное поле, трансформатор, пространственная магнитная система, магнитопровод, криостат, гибридные обмотки, оксидированный алюминий
Аннотация
Применение высокотемпературных сверхпроводящих проводников (ВТСП) в силовых трансформаторах – перспективное направление развития электроэнергетики. Статья посвящена исследованию действующего прототипа трехфазного трансформатора мощностью 25 кВ·А, сочетающего гибридное исполнение сверхпроводящих обмоток с диэлектрической средой в виде жидкого азота при температуре 77 К и пространственной магнитной системой. Цель исследования заключается в определении магнитной системы трансформатора, позволяющей повысить устойчивость к увеличению критического значения тока ВТСП-обмоток в сверхпроводящем состоянии. Предложена и теоретически обоснована методика расчета тепломассообмена при использовании жидкого азота в качестве криогенной диэлектрической среды. Методика учитывает природу потерь активной мощности в сверхпроводнике на переменном токе, конструкцию активных и пассивных элементов трансформатора и характеристику применяемых материалов. Обоснована эффективность применения сердечника с пространственной магнитной системой, позволяющей снизить воздействие потоков рассеяния на ВТСП-обмотки и вместе с уменьшением массы магнитопровода снизить потери на гистерезис. Использование пространственного сердечника уменьшает теплопередачу криостата и позволяет добиться равномерного охлаждения ВТСП-обмоток. Представлены термодинамические характеристики криостата, заполненного жидким азотом, в стационарном режиме работы. Отсутствие пожаро- и взрывоопасности, а также существенное снижение массогабаритных показателей дают существенное преимущество ВТСП-трансформаторов перед традиционными трансформаторами с обычной диэлектрической средой.
Литература
1. Волков Э.П., Джафаров Э.А. Параметры ВТСП трансформатора. – Известия РАН. Энергетика, 2015, № 1, с. 62–83.
2. Kondratowicz-Kucewicz B., Wojtasiewicz G. The Proposal of a Transformer Model with Winding Made of Parallel 2G HTS Tapes with Transpositioners and Its Contact Cooling System. – IEEE Transactions Applied Superconductivity, 2018, vol. 28(4), DOI: 10.1109/TASC.2018.2807585.
3. Hu D. et al. Development of a Single-Phase 330kVA HTS Transformer Using GdBCO Tapes. – Physica C: Superconductivity and its Applications, 2017, vol. 539, DOI: 10.1016/j.physc.2017.06.002.
4. Berger A., Noe M., Kudymov A. Test Results of 60 kVA Current Limiting Transformer with Full Recovery Under Load. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2011, vol. 21(3), pp. 1384–1387, DOI: 10.1109/TASC.2010.2088098.
5. Dai S. et al. Development of a 1250-kVA Superconducting Transformer and Its Demonstration at the Superconducting Substation. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2017, vol. 26(1), DOI: 10.1109/TASC.2015.2501105.
6. Ковалев К.Л. и др. Высокотемпературный сверхпроводниковый генератор мощностью 1 МВ•А для ветроэнергетических установок. – Электричество, 2017, № 10, с. 4–15.
7. Ковалев К.Л. и др. ВТСП электрические машины: актуальные проекты и перспективные области применения. – Электричество, 2023, № 8, с. 4–12.
8. Фетисов С.С., Зубко В.В. Базовые технологии изготовления силовых кабелей на основе высокотемпературных сверхпроводников второго поколения. – Электричество, 2021, № 6, с. 12–24.
9. Hong H. at al. Practical Calculation Method for the Short-Circuit Current of Power Grids with High Temperature Superconducting Fault Current Limiters. – Journal of Electrical Engineering and Technology, 2020 vol.15, DOI: 10.1007/s42835-019-00295-7.
10. Манусов В.З., Крюков Д.О. Обзор конструкций трансформаторов со сверхпроводящими обмотками. – Электричество, 2019, № 8, c. 4–16.
11. Волков Э.П. и др. Первый в России ВТСП трансформатор 1 МВА, 10/0,4 кВ. – Известия РАН. Энергетика, 2016, № 5, c. 45–56.
12. Манусов В.З., Галеев Р.Г. Высокотемпературный сверхпроводящий трансформатор, работающий на повышенной частоте переменного тока. – Проблемы региональной энергетики, 2023, т. 60, № 4, c. 43–54.
13. Пат. RU 2815169 C1. Сверхпроводящий гибридный трансформатор / В.З. Манусов, Р.Г. Галеев, Б.В. Палагушкин, 2024.
14. Стародубцев Ю.Н. Теория и расчет трансформаторов малой мощности. М.: ИП РадиоСофт, 2017, 321 с.
15. Тихомиров П.М. Расчет трансформаторов. М.: Энергоатомиздат, 1986, 528 с.
16. Xu M., Shi D., Fox R.F. Generalized Critical-State Model for Hard Superconductors. – Phys Rev B Condens Matter, 1990, vol. 42(16), DOI: 10.1103/PhysRevB.42.10773.
17. Манусов В.З., Иванов Д.М. Электротепловые переходные процессы в сети с высокотемпературным сверхпроводящим трансформатором с функцией токоограничения. – Электричество, 2022, № 1, с. 9–17.
18. Levin G.A. et al. AC Losses of Copper Stabilized Multifilament YBCO Coated Conductors. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2012, vol. 23(3), DOI: 10.1109/TASC.2012.2232337.
19. Nguyen D.N., Sastry P.V., Schwartz J. Numerical Calculations of the Total AC Loss of Cu-Stabilized YBa2Cu3O7−δ Coated Conductor with a Ferromagnetic Substrate. – Journal of Applied Physics, 2007, vol. 101(5), DOI: 10.1063/1.2712180.
20. Berger A. et al. Comparison of the Efficiency of Superconducting and Conventional Transformers. – Journal of Physics: Conference Series, 2010, vol. 234, DOI 10.1088/1742-6596/234/3/032004.
21. С-Инновация [Электрон. ресурс], URL: https://www.s-innovations.ru (дата обращения 27.09.2024)
22. Малков М.П. и др. Справочник по физико-техническим основам криогеники. М.: Энергоатомиздат, 1985, 432 с.
23. Юшков Ю.Г. и др. Параметры и свойства электроизоляционного покрытия окиси алюминия, осажденного на металле форвакуумным источником. – Прикладная физика, 2020, № 2, с. 53–58
24. Кацман М.М. Электрические машины. М.: Издательский центр «Академия», 2009, 495 с.
25. Chang H. Cryogenic Cooling Temperature of HTS Transformers for Compactness and Efficiency. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2003 vol. 13(2), DOI: 10.1109/TASC.2003.813086.
26. ELCUT: Моделирование электромагнитных, тепловых и упругих полей методом конечных элементов. Версия 6.6. Руководство пользователя. СПб.: Издательские решения, 2023, 290 с.
#
1. Volkov E.P., Dzhafarov E.А. Izvestiya RAN. Energetika – in Russ. (News of the Russian Academy of Sciences. Energy Industry), 2015, No. 1, pp. 62–83.
2. Kondratowicz-Kucewicz B., Wojtasiewicz G. The Proposal of a Transformer Model with Winding Made of Parallel 2G HTS Tapes with Transpositioners and Its Contact Cooling System. – IEEE Transactions Applied Superconductivity, 2018, vol. 28(4), DOI: 10.1109/TASC.2018.2807585.
3. Hu D. et al. Development of a Single-Phase 330kVA HTS Transformer Using GdBCO Tapes. – Physica C: Superconductivity and its Applications, 2017, vol. 539, DOI: 10.1016/j.physc.2017.06.002.
4. Berger A., Noe M., Kudymov A. Test Results of 60 kVA Current Limiting Transformer with Full Recovery Under Load. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2011, vol. 21(3), pp. 1384–1387, DOI: 10.1109/TASC.2010.2088098.
5. Dai S. et al. Development of a 1250-kVA Superconducting Transformer and Its Demonstration at the Superconducting Substation. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2017, vol. 26(1), DOI: 10.1109/TASC.2015.2501105.
6. Kovalev K.L. et al. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2017, No. 10, pp. 4–15.
7. Kovalev K.L. et al. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2023, No. 8, pp. 4–12.
8. Fetisov S.S., Zubko V.V. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2021, No. 6, pp. 12–24.
9. Hong H. at al. Practical Calculation Method for the Short-Circuit Current of Power Grids with High Temperature Superconducting Fault Current Limiters. – Journal of Electrical Engineering and Technology, 2020 vol.15, DOI: 10.1007/s42835-019-00295-7.
10. Manusov V.Z., Kryukov D.O. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2019. No. 8, pp. 4–16.
11. Volkov E.P. et al. Izvestiya RAN. Energetika – in Russ. (News of the Russian Academy of Sciences. Energy Industry), 2016, No. 5, pp. 45–56.
12. Manusov V.Z., Galeev R.G. Problemy regional’noy energeti-ki – in Russ. (Problems of the Regional Energetics), 2023, vol. 60, No. 4, pp. 43–54.
13. Pаt. RU 2815169 C1. Sverhprovodyashchiy gibridnyy transfor-mator (Superconducting Hybrid Transformer) / V.Z. Manusov, R.G. Galeev, B.V. Palagushkin, 2024.
14. Starodubtsev Yu.N. Teoriya i raschet transformatorov maloy moshchnosti (Theory and Calculation of Low Power Transformers). M.: IP RadioSoft, 2017, 321 p.
15. Tihomirov P.M. Raschet transformatorov (Transformer Cal-culations). M.: Energoatomizdat, 1986, 528 p.
16. Xu M., Shi D., Fox R.F. Generalized Critical-State Model for Hard Superconductors. – Phys Rev B Condens Matter, 1990, vol. 42(16), DOI: 10.1103/PhysRevB.42.10773.
17. Manusov V.Z., Ivanov D.М. Elektrichestvo – in Russ (Elec-tricity), 2022, No. 1, pp. 9–17.
18. Levin G.A. et al. AC Losses of Copper Stabilized Multifilament YBCO Coated Conductors. – IEEE Transactions on Applied Super-conductivity, 2012, vol. 23(3), DOI: 10.1109/TASC.2012.2232337.
19. Nguyen D.N., Sastry P.V., Schwartz J. Numerical Calculati-ons of the Total AC Loss of Cu-Stabilized YBa2Cu3O7−δ Coated Conductor with a Ferromagnetic Substrate. – Journal of Applied Physics, 2007, vol. 101(5), DOI: 10.1063/1.2712180.
20. Berger A. et al. Comparison of the Efficiency of Superconducting and Conventional Transformers. – Journal of Physics: Conference Series, 2010, vol. 234, DOI 10.1088/1742-6596/234/3/032004.
21. S-Innovatsiya (S-Innovation) [Electron. resource], URL: https://www.s-innovations.ru (Date of appeal 27.09.2024).
22. Malkov M.P. et al. Spravochnik po fiziko-tehnicheskim os-novam kriogeniki (Handbook of Physical and Technical Fundamentals of Cryogenics). M.: Energoatomizdat, 1985, 432 p.
23. Yushkov Yu.G. et al. Prikladnaya fizika – in Russ. (Applied physics), 2020, No. 2, pp. 53–58.
24. Katsman M.M. Elektricheskie mashiny (Electrical Machines). M.: Izdatel’skiy tsentr «Akademiya», 2009, 495 p.
25. Chang H. Cryogenic Cooling Temperature of HTS Transfor-mers for Compactness and Efficiency. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2003, 13(2), DOI: 10.1109/TASC.2003.813086.
26. ELCUT: Modelirovanie elektromagnitnyh, teplovyh i uprugih poley metodom konechnyh elementov. Versiya 6.6. Rukovodstvo pol’zovatelya (ELCUT: Modeling of Electromagnetic, Thermal and Elastic Fields Using the Finite Element Method. Version 6.6. User Guide). SPb.: Izdatel’skie resheniya, 2023, 290 p
2. Kondratowicz-Kucewicz B., Wojtasiewicz G. The Proposal of a Transformer Model with Winding Made of Parallel 2G HTS Tapes with Transpositioners and Its Contact Cooling System. – IEEE Transactions Applied Superconductivity, 2018, vol. 28(4), DOI: 10.1109/TASC.2018.2807585.
3. Hu D. et al. Development of a Single-Phase 330kVA HTS Transformer Using GdBCO Tapes. – Physica C: Superconductivity and its Applications, 2017, vol. 539, DOI: 10.1016/j.physc.2017.06.002.
4. Berger A., Noe M., Kudymov A. Test Results of 60 kVA Current Limiting Transformer with Full Recovery Under Load. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2011, vol. 21(3), pp. 1384–1387, DOI: 10.1109/TASC.2010.2088098.
5. Dai S. et al. Development of a 1250-kVA Superconducting Transformer and Its Demonstration at the Superconducting Substation. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2017, vol. 26(1), DOI: 10.1109/TASC.2015.2501105.
6. Ковалев К.Л. и др. Высокотемпературный сверхпроводниковый генератор мощностью 1 МВ•А для ветроэнергетических установок. – Электричество, 2017, № 10, с. 4–15.
7. Ковалев К.Л. и др. ВТСП электрические машины: актуальные проекты и перспективные области применения. – Электричество, 2023, № 8, с. 4–12.
8. Фетисов С.С., Зубко В.В. Базовые технологии изготовления силовых кабелей на основе высокотемпературных сверхпроводников второго поколения. – Электричество, 2021, № 6, с. 12–24.
9. Hong H. at al. Practical Calculation Method for the Short-Circuit Current of Power Grids with High Temperature Superconducting Fault Current Limiters. – Journal of Electrical Engineering and Technology, 2020 vol.15, DOI: 10.1007/s42835-019-00295-7.
10. Манусов В.З., Крюков Д.О. Обзор конструкций трансформаторов со сверхпроводящими обмотками. – Электричество, 2019, № 8, c. 4–16.
11. Волков Э.П. и др. Первый в России ВТСП трансформатор 1 МВА, 10/0,4 кВ. – Известия РАН. Энергетика, 2016, № 5, c. 45–56.
12. Манусов В.З., Галеев Р.Г. Высокотемпературный сверхпроводящий трансформатор, работающий на повышенной частоте переменного тока. – Проблемы региональной энергетики, 2023, т. 60, № 4, c. 43–54.
13. Пат. RU 2815169 C1. Сверхпроводящий гибридный трансформатор / В.З. Манусов, Р.Г. Галеев, Б.В. Палагушкин, 2024.
14. Стародубцев Ю.Н. Теория и расчет трансформаторов малой мощности. М.: ИП РадиоСофт, 2017, 321 с.
15. Тихомиров П.М. Расчет трансформаторов. М.: Энергоатомиздат, 1986, 528 с.
16. Xu M., Shi D., Fox R.F. Generalized Critical-State Model for Hard Superconductors. – Phys Rev B Condens Matter, 1990, vol. 42(16), DOI: 10.1103/PhysRevB.42.10773.
17. Манусов В.З., Иванов Д.М. Электротепловые переходные процессы в сети с высокотемпературным сверхпроводящим трансформатором с функцией токоограничения. – Электричество, 2022, № 1, с. 9–17.
18. Levin G.A. et al. AC Losses of Copper Stabilized Multifilament YBCO Coated Conductors. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2012, vol. 23(3), DOI: 10.1109/TASC.2012.2232337.
19. Nguyen D.N., Sastry P.V., Schwartz J. Numerical Calculations of the Total AC Loss of Cu-Stabilized YBa2Cu3O7−δ Coated Conductor with a Ferromagnetic Substrate. – Journal of Applied Physics, 2007, vol. 101(5), DOI: 10.1063/1.2712180.
20. Berger A. et al. Comparison of the Efficiency of Superconducting and Conventional Transformers. – Journal of Physics: Conference Series, 2010, vol. 234, DOI 10.1088/1742-6596/234/3/032004.
21. С-Инновация [Электрон. ресурс], URL: https://www.s-innovations.ru (дата обращения 27.09.2024)
22. Малков М.П. и др. Справочник по физико-техническим основам криогеники. М.: Энергоатомиздат, 1985, 432 с.
23. Юшков Ю.Г. и др. Параметры и свойства электроизоляционного покрытия окиси алюминия, осажденного на металле форвакуумным источником. – Прикладная физика, 2020, № 2, с. 53–58
24. Кацман М.М. Электрические машины. М.: Издательский центр «Академия», 2009, 495 с.
25. Chang H. Cryogenic Cooling Temperature of HTS Transformers for Compactness and Efficiency. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2003 vol. 13(2), DOI: 10.1109/TASC.2003.813086.
26. ELCUT: Моделирование электромагнитных, тепловых и упругих полей методом конечных элементов. Версия 6.6. Руководство пользователя. СПб.: Издательские решения, 2023, 290 с.
#
1. Volkov E.P., Dzhafarov E.А. Izvestiya RAN. Energetika – in Russ. (News of the Russian Academy of Sciences. Energy Industry), 2015, No. 1, pp. 62–83.
2. Kondratowicz-Kucewicz B., Wojtasiewicz G. The Proposal of a Transformer Model with Winding Made of Parallel 2G HTS Tapes with Transpositioners and Its Contact Cooling System. – IEEE Transactions Applied Superconductivity, 2018, vol. 28(4), DOI: 10.1109/TASC.2018.2807585.
3. Hu D. et al. Development of a Single-Phase 330kVA HTS Transformer Using GdBCO Tapes. – Physica C: Superconductivity and its Applications, 2017, vol. 539, DOI: 10.1016/j.physc.2017.06.002.
4. Berger A., Noe M., Kudymov A. Test Results of 60 kVA Current Limiting Transformer with Full Recovery Under Load. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2011, vol. 21(3), pp. 1384–1387, DOI: 10.1109/TASC.2010.2088098.
5. Dai S. et al. Development of a 1250-kVA Superconducting Transformer and Its Demonstration at the Superconducting Substation. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2017, vol. 26(1), DOI: 10.1109/TASC.2015.2501105.
6. Kovalev K.L. et al. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2017, No. 10, pp. 4–15.
7. Kovalev K.L. et al. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2023, No. 8, pp. 4–12.
8. Fetisov S.S., Zubko V.V. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2021, No. 6, pp. 12–24.
9. Hong H. at al. Practical Calculation Method for the Short-Circuit Current of Power Grids with High Temperature Superconducting Fault Current Limiters. – Journal of Electrical Engineering and Technology, 2020 vol.15, DOI: 10.1007/s42835-019-00295-7.
10. Manusov V.Z., Kryukov D.O. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2019. No. 8, pp. 4–16.
11. Volkov E.P. et al. Izvestiya RAN. Energetika – in Russ. (News of the Russian Academy of Sciences. Energy Industry), 2016, No. 5, pp. 45–56.
12. Manusov V.Z., Galeev R.G. Problemy regional’noy energeti-ki – in Russ. (Problems of the Regional Energetics), 2023, vol. 60, No. 4, pp. 43–54.
13. Pаt. RU 2815169 C1. Sverhprovodyashchiy gibridnyy transfor-mator (Superconducting Hybrid Transformer) / V.Z. Manusov, R.G. Galeev, B.V. Palagushkin, 2024.
14. Starodubtsev Yu.N. Teoriya i raschet transformatorov maloy moshchnosti (Theory and Calculation of Low Power Transformers). M.: IP RadioSoft, 2017, 321 p.
15. Tihomirov P.M. Raschet transformatorov (Transformer Cal-culations). M.: Energoatomizdat, 1986, 528 p.
16. Xu M., Shi D., Fox R.F. Generalized Critical-State Model for Hard Superconductors. – Phys Rev B Condens Matter, 1990, vol. 42(16), DOI: 10.1103/PhysRevB.42.10773.
17. Manusov V.Z., Ivanov D.М. Elektrichestvo – in Russ (Elec-tricity), 2022, No. 1, pp. 9–17.
18. Levin G.A. et al. AC Losses of Copper Stabilized Multifilament YBCO Coated Conductors. – IEEE Transactions on Applied Super-conductivity, 2012, vol. 23(3), DOI: 10.1109/TASC.2012.2232337.
19. Nguyen D.N., Sastry P.V., Schwartz J. Numerical Calculati-ons of the Total AC Loss of Cu-Stabilized YBa2Cu3O7−δ Coated Conductor with a Ferromagnetic Substrate. – Journal of Applied Physics, 2007, vol. 101(5), DOI: 10.1063/1.2712180.
20. Berger A. et al. Comparison of the Efficiency of Superconducting and Conventional Transformers. – Journal of Physics: Conference Series, 2010, vol. 234, DOI 10.1088/1742-6596/234/3/032004.
21. S-Innovatsiya (S-Innovation) [Electron. resource], URL: https://www.s-innovations.ru (Date of appeal 27.09.2024).
22. Malkov M.P. et al. Spravochnik po fiziko-tehnicheskim os-novam kriogeniki (Handbook of Physical and Technical Fundamentals of Cryogenics). M.: Energoatomizdat, 1985, 432 p.
23. Yushkov Yu.G. et al. Prikladnaya fizika – in Russ. (Applied physics), 2020, No. 2, pp. 53–58.
24. Katsman M.M. Elektricheskie mashiny (Electrical Machines). M.: Izdatel’skiy tsentr «Akademiya», 2009, 495 p.
25. Chang H. Cryogenic Cooling Temperature of HTS Transfor-mers for Compactness and Efficiency. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2003, 13(2), DOI: 10.1109/TASC.2003.813086.
26. ELCUT: Modelirovanie elektromagnitnyh, teplovyh i uprugih poley metodom konechnyh elementov. Versiya 6.6. Rukovodstvo pol’zovatelya (ELCUT: Modeling of Electromagnetic, Thermal and Elastic Fields Using the Finite Element Method. Version 6.6. User Guide). SPb.: Izdatel’skie resheniya, 2023, 290 p
