Автореферат (Разработка рациональных способов секционирования сверхпроводящих токоограничивающих устройств)

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальностьтемы.Развитиеэлектроэнергетическихсистемхарактеризуется устойчивым ростом электрических нагрузок, увеличениемгенерирующих мощностей, усилением связей с соседними энергетическимисистемами и созданием крупных объединённых систем. Неизбежнымследствием такого развития является рост токов короткого замыкания (КЗ),особенно остро проявляющийся в регионах с высокой плотностьюэнергопотребления, а также в мегаполисах.УвеличениетоковКЗ,сопровождаетсяувеличениемэлектродинамических и тепловых воздействий на оборудование, приводит кросту количества повреждений обмоток генераторов, синхронныхкомпенсаторов, трансформаторов, реакторов и т.д.

Сверхнормативные токи КЗмогут повреждать выключатели, обеспечивающие локализацию и ликвидациюаварийных ситуаций в системе, что приводит к увеличению масштабовпоследствий КЗ.Максимальный уровень токов КЗ, определяющий требования кэлектрическим аппаратам и оборудованию, становится критическимпараметром и ограничивающим фактором развития электрических систем.Проблема ограничения токов КЗ является весьма актуальной. Решениемэтой проблемы занимаются практически все крупные электротехническиекомпании, международные научные организации, научно-исследовательскиецентры и вузы во многих странах, в том числе и в России.Появлениеновыхтехнологийиматериалов,связанныхспреобразовательной техникой и явлением сверхпроводимости, быстрыйпрогресс в элементной базе силовой электроники и высокотемпературныхсверхпроводящих (ВТСП) материалахдают возможность созданиятокоограничивающих устройств нового поколения, обладающих свойствами,которые позволяют открыть дорогу к широкому применению этих устройств вэлектроэнергетике.В настоящее время стоимость любого сверхпроводящего устройства на50-80% состоит из стоимости сверхпроводящего материала, используемого внём, поэтому встаёт вопрос о максимально эффективном его использовании.Для этого в работе разрабатывается методика секционирования различныхконструкций сверхпроводящих токоограничивающих устройств.Цель работы.

Разработка рациональных способов секционированиясверхпроводящего устройства (кабеля, кольца, обмотки, магнитной системы)токоограничителядляповышенияэффективностииспользованиясверхпроводящих материалов.В этой связи необходимо исследовать влияние способа секционированияи соотношений геометрических размеров сверхпроводящего устройства нагабаритные размеры токоограничителя, либо на увеличение плотности тока всверхпроводнике. Также важным параметром для токоограничителя являютсяпотери в сверхпроводнике при нормальном режиме работы энергосистемы.Предметом исследования является методика расчета характеристиктокоограничивающих устройств (ТУ) позволяющая максимально эффективноиспользовать сверхпроводящих материал.Методы исследований.

При решении задач диссертации использовалисьразличные методы расчетов линейных и нелинейных дифференциальныхуравнений и результаты их решений, элементы теории нелинейных магнитныхцепей, теория поля и электрических цепей, а также компьютерноемоделирование переходных процессов.Научнаяновизна.Предложенспособсекционированиясверхпроводящих устройств токоограничителей, позволяющий учитыватьтоконесущие свойства сверхпроводящего материала, что, в свою очередь, даётвозможность повысить эффективность его использования. С одной стороныможно уменьшить габаритные размеры (то есть снизить необходимоеколичество сверхпроводящего материала) при заданном уровне тока, а с другой– увеличить плотность тока при заданных габаритных размерах.Кроме того выявлено снижение гистерезисных потерь присекционированиисверхпроводящихустройствтокоограничителейвнормальном режиме работы сети.Предложены новые способы секционирования сверхпроводящихустройств, на которые получены патенты.Разработаны методики выбора размеров секций токоограничителя ирасчётов гистерезисных потерь при нормальном режиме работы сети.Практическая ценность и реализация результатов.

Разработанныеобщиенаучныепринципыпроектированиясверхпроводящихсекционированных устройств позволили создавать высокоэффективныеобразцы токоограничителей, крометого разработанныеметодикисекционирования могут использоваться в кабелях постоянного тока прибиполярной передаче и размещении прямого и обратного проводника в одномкабеле. Результаты теоретических исследований нашли своё применение вгранте РФФИ 11-08-00313 «Расчет тепловых потерь и других4электротехнических характеристик в ВТСП лентах и в сверхпроводящихкабелях на их основе», гранте РФФИ 12-08-00412-а «Математическоемоделирование тепловых и электрофизических процессов ВТСП кабелейсложной конструкции», а также используются в НИУ МЭИ в учебномпроцессе.Достоверность разработанных методик расчетов и полученныхрезультатов диссертации обусловлена использованием строгих математическихрасчетов, а также достаточной апробацией и публикациями полученныхрезультатов.Апробация работы: Основные материалы диссертации докладывалисьна III Международной научно-практической конференции «Применениеинновационных технологий в научных исследованиях», Курск, 2011 г.; на 1-йНациональной конференции по прикладной сверхпроводимости НКПС-2011,Москва, 2011 г.; на международной конференции по сверхпроводимостиApplied superconductivity ASC-2012, Oregon, 2012 г.; на международнойконференции по сверхпроводимости EUCAS-2013, Genova, 2013 г.; на 2-йнациональной конференции по прикладной сверхпроводимости НКПС-2013,Москва, 2013 г.; на международной научно-практической конференциистудентов, аспирантов, молодых ученых «Инженерные решения по энергетике,водоочистке и механизации процессов сельскохозяйственного производства,Москва, 12 апреля 2013 г.Публикации: По теме диссертации опубликовано 12 работ, из них две вжурналах, входящих в перечень ВАК, две в зарубежных цитируемых изданиях,а так же 4 патента на полезную модель.Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, четырехглав, заключения, списка литературы и приложения.

Работа содержит 150страниц машинописного текста, 6 таблиц, 45 рисунков, списка литературы из97 наименований на 11страницах и приложений на 14 страницах.На защиту выносится: 1. Рациональные способы секционирования исхемы соединения секций сверхпроводящих токоограничителей, выполненныес учетом зависимости критического тока проводника от индукции магнитногополя,обеспечивающиемаксимальноэффективноеиспользованиесверхпроводящего материала при заданном уровне тока срабатывания защиты;2.

Уменьшение гистерезисных потерь (в номинальном режиме работытокоограничителя)всекционированныхустройствахотносительнонесекционированных, рассчитанных на те же параметры;53. Новые способы секционирования, дающие возможность повыситьпропускную способность сверхпроводящего токоограничивающего устройства(сверхпроводящего кабеля, для использования его в короткой кабельной линиипостоянного тока) при заданных габаритных размерах;4.

Разработанные методики расчетов размеров секций сверхпроводящихтокоограничителей и гистерезисных потерь при номинальном режиме работыэнергосистемы.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель изадачи диссертации, определены ее научная новизна и практическая ценность,дана информация о структуре и объеме работы.В первой главе рассмотрена проблема непрерывно увеличивающихсятоков КЗ в энергосистеме страны, которая вызвана рядом причин, основные изкоторых:- отставание развития сетей от роста потребления электроэнергии;- старение оборудования в сетях, введенного в основном в 70-80-е годыпрошлого века;- рост межсистемных перетоков при активной торговле электроэнергией;-трудности взаимодействия сетевых операторов, принадлежащих разнымсубъектам рынка;- сокращение расходов на обслуживание сетей в рыночных условиях;- нехватка опытного эксплуатационного и диспетчерского персонала.В связи с этим необходимо принимать дополнительные меры для защитыгенерирующего, коммутационного и сетевого оборудования от всевозрастающих токов КЗ, а также для надежного обеспечения потребителейэлектроэнергией высокого качества.

Одними из таких мер могут быть:- замена существующего коммутационного и сетевого оборудование нановое, способное выдержать более высокие значения токов КЗ;- деление сети;- осуществление мероприятий по ограничению и снижению уровня токов КЗ.Следует отметить, что первый путь является сложным и высокозатратным, второй приводит к снижению надежности системы.

Наиболеепривлекательным и экономически обоснованным является третий путь решенияпроблемы - осуществление мероприятий по ограничению и снижению уровнятоков КЗ.6Были рассмотрены принципиальные конструкции резистивных ииндуктивных токоограничивающих устройств, а также короткая линияпостоянного тока, как токоограничивающее устройство.Возможность использования высокотемпературных сверхпроводящихматериалов при создании токоограничителей различных типов открываетновые горизонты для создания перспективного и высокоэффективногооборудования.В связи с высокой стоимостью сверхпроводящих материалов большоезначение при разработке сверхпроводящих устройств приобретает выборрациональнойгеометрии,обеспечивающейнаименьшийрасходсверхпроводника. Список параметров, которые необходимо варьировать сцелью такой оптимизации, достаточно широк и зависит от вида проектируемогоустройства (геометрические размеры и форма изделия, величина магнитногополя, картина распределения поля и тока и т.д.) При этом обеспечение условияравнонагруженности сверхпроводника током, то есть, оптимизация всоответствии с заданной зависимостью jc=f(B) представляется целесообразнымпрактически для любого изделия.ЗависимостьjC(B)являетсяиндивидуальнойхарактеристикойсверхпроводника, в работе используется зависимость вида,(1)где α и γ – константы, зависящие от свойств сверхпроводника.Во второй главе рассматриваются сверхпроводящие токоограничителирезистивного типа.Принципиально важной особенностью такого ограничителя являетсясвойство перехода сверхпроводящего элемента из сверхпроводящего состоянияв нормальное в случае превышения критического значения тока.