Автореферат (Разработка рациональных способов секционирования сверхпроводящих токоограничивающих устройств), страница 3

Благодаря этому,индуктивность токоограничителя в номинальном режиме (эквивалентнаяиндуктивность LЭ) оказывается существенно ниже его индуктивности в режимеограничения тока (L0). Одним из важнейших ограничений к конструкциитокоограничителя было то, что падение напряжения на его обмотках в номинальном14(не аварийном) режиме работы не должно превышать 1 кВ, следовательно, должновыполняться условие (активное сопротивление токоограничителя значительноменьше индуктивного): ω · LЭ < Δ UN / JN = 0,5 Ом. Для этого приходилось искатьдополнительные конструктивные решения для обеспечения данного соотношения.Значит, определенное исходными данными отношение может быть обеспеченотолько при коэффициенте связи между обмотками k>0,979.

Такую связь невозможнообеспечить, между обмотками, выполненными в виде отдельных катушек. Поэтому,физически токоограничитель необходимо выполнить в виде чередующихся секцийпервичной и вторичной обмоток.Для численного расчета характеристик токоограничителя использовалисьдве программы: программа расчета собственных и взаимных индуктивностейобмоток и программа расчета переходных процессов.Для каждой из рассматриваемых конструкций рассчитывалось нескольковариантов переходных процессов с целью выбора оптимального сочетанияхарактеристик выключателей, при условии соблюдения всех заданныхпараметров.Для расчета собственных и взаимных индуктивностей (а такжераспределения магнитного поля) использовалась традиционные методы расчета,за исключением двух отличий, обусловленных спецификой задачи:1.

Обычно собственные и взаимные индуктивности катушек, а такжесоздаваемые ими магнитные поля рассчитываются в предположенииравномерного распределения тока по их сечению. В рассматриваемом случаетакое упрощение недопустимо, так как витки различных обмотоктокоограничителя могут быть совмещены в пределах одной катушки. Поэтому,расчет вышеуказанных характеристик производился с учетом точных координаткаждого витка.2. Поскольку эквивалентная индуктивность токоограничителя в номинальномрежиме определяется разностью близких величин (компонент матрицы взаимныхиндуктивностей), точность расчета индуктивностей была повышена до 10-6.Расчет переходных процессов состоит из последовательного рассмотрениячетырех режимов.а) Номинальный режим - установившийся режим работы сети,существовавший до момента возникновения короткого замыкания.б) Режим нерегулируемого короткого замыкания – промежуток времени отмомента возникновения КЗ до начала размыкания выключателя.

Этот режимсодержит две части – промежуток времени от начала КЗ до момента подачисигнала управляющей системой на размыкание выключателя (сигнал подается по15достижении током сети заданного техническим заданием предельного значенияJP) и время задержки срабатывания системы ∆τp – промежуток от моментаподачи сигнала на размыкание до фактического начала размыканиявыключателя (значение ∆τp определяется техническими характеристикамиуправляющей системы).

Скорость изменения тока в этом режимеограничивается только сопротивлением защищаемого участка сети (в контекстетехнического задания - сопротивлением генератора ωLg, Rg) и эквивалентнымсопротивлением токоограничителя (сопротивлением токоограничителя призамкнутом выключателе).в) Режим размыкания выключателя.

Длительность этого режимаопределяется характеристикой выключателя. – зависимостью, котораяописывает увеличениесопротивления плавкой вставки взрывноговыключателя, выключателя предохранительного типа, сопротивлениепромежутка размыкающихся контактовсо временем и т.д. В случаеограничителя ударного тока взрывного действия характеристика можетварьироваться путем изменения материала и размеров плавкой вставки. Выбороптимальной характеристики для каждого варианта токоограничителя – одна иззадач расчета.г) Режим ограничения тока - режим, установившийся после размыканиявыключателя токоограничителя.

Максимальная величина тока в этом режиме J0определяется практически только индуктивностью обмотки токоограничителя.Поэтому, заданное значение J0 (наряду с величиной номинального тока JN)являются основными параметрами, определяющими весогабаритныехарактеристики токоограничителя.Результаты расчетов для четырёх приведенных конструкций (№1, №2 –токоограничитель трансформаторного и автотрансформаторного типасоответственно с обмотками, выполненными с использованием традиционныхпроводников; №3,4 – токоограничитель автотрансформаторного и трансформаторного типа, с обмотками выполненными с использованием высокотемпературных сверхпроводящих материалов) представлены в таблице 1.Основным параметром, ограничивающим возможности выключателейвзрывного типа, является допустимое напряжение размыкания.

До сих пор онииспользуются при действующих значениях напряжения размыкаемой цепи до35 – 40 кВ.16Таблица 1. Результаты расчетов токоограничителейТип токоограничителя№1№2№3№4Внутренний диаметр обмотки [м]2,151,451,52,15Внешний диаметр обмотки [м]2,982,92,52,98Высота обмотки [м]1,90,8351,01,55Общее число витков240206206240количество дисковых катушек-9-Общий вес обмотки [Т]26,918,30,561,1Тепловые потери в номинальном режиме [кВт]296178,218*42*Индуктивность в номинальном режиме [мГн]1,281,561,41,12Индуктивность в режиме «ограничения тока» [мГн]76,576,877,176,3Максимальный ток в переходном процессе [ кА ]14,014,214,114,04Максимальный ток в режиме «ограничения тока» [ кА ] 7,257,237,37,27-* Потери даны с учетом холодильного коэффициента КХ=10.При этом известно, что максимальные напряжения в момент размыканиявдвое выше действующих значений.

В соответствии с техническимихарактеристиками выключателей,все предложенные конструкциирассчитывались, исходя из условий: максимальное напряжение размыкания навыключателе в течение всего переходного процесса не должно превышать 70 кВ.В результате расчетов было установлено, что автотрансформаторнаясхема соединения обмоток предпочтительнее трансформаторной, посколькудаёт снижение значительное снижение массы и общих потерь (в 1,5 и более чемв 1,7 раза) уже при использовании традиционных проводников. Прииспользовании сверхпроводящих материалов эта разница становится еще болеезаметной – разница в массе между токоограничителем, выполненным потрансформаторной схеме с использованием традиционных проводников итокоограничителем, выполненным по автотрансформаторной схеме сиспользованием сверхпроводящих материалов, составляет 48 раз, разница потепловым потерям в номинальном режиме работы сети – до 16,5 раз.На рис.

6-8 представлены результаты расчетов переходных процессов взависимости от времени возникновения КЗ. Так как все вариантытокоограничителей были рассчитаны на одни и те же исходные параметрыпереходные процессы для них будут качественно одинаковы, поэтому представленыпереходные процессы, рассчитанные для одного из представленных вариантов(вариант №2).17Рис.6. Изменение тока сети в переходном процессе в зависимости от момента возникновения КЗРис. 7. Изменение тока через выключатель в переходном процессе в зависимости от моментавозникновения КЗРис.

8. Изменение напряжения на выключателе в переходном процессе для токоограничителя№2 в зависимости от момента возникновения КЗВ четвёртой главе рассмотрены короткие сверхпроводящие линиипостоянного тока, как ограничители сверхнормативных токов КЗ.Поскольку цепь постоянного тока гальванически не связана с сетьюпеременного тока, то для фиксации потенциала мостов преобразовательной18подстанции одна из точек на стороне постоянного тока заземляется.

Взависимости от того, какая точка заземлена, и от способа возврата токаразличают две разновидности схем выполнения электропередачи –униполярную и биполярную. В нашей работе рассматривается биполярнаяэлектропередача.Так как в данном случае токоограничение происходит за счет преобразователей, расположенных на концах линии, основной задачей и цельюявляется – максимально эффективная передача энергии по сверхпроводящемукабелю от одной подстанции (энергетического узла) к другой. Для реализацииданной задачи была разработана методика коаксиального секционирования,аналогичная методике секционирования, представленной для сверхпроводящего токоограничителя резистивного типа. Сечение кабеля разбивается нанесколько соосных секций, которые подключаются так, что токи в соседнихсекциях текут во взаимно противоположных направлениях (при этом секции стоками одного направления соединены параллельно между собой).

Модельтакого кабеля представлена на рис. 9.Результаты расчетов распределения магнитного поля по сечению кабеля,количества сверхпроводящего материала и гистерезисных потерь вноминальном режиме работы представлены на рис. 10-12.Рис. 9. Модель секционированного кабеля. Rn, rn – внешний и внутренний радиусы секции n,δr – зазор между секциями, R0 – радиус формера, RN – габаритный радиус кабеля.19120100806040200-20-40-60-80B[мТл]5.06.07.08.09.010.011.012.013.014.015.0[мм]Рис.10. Распределение магнитного поля по сечению пятисекционного кабеля J c=13,6 кА, R0 =5 мм, δ=0,63мм.

○ – начала секций, ● – окончания секций.Рис.11. Отношение расхода сверхпроводящего материала в секционированном кабеле красходу материала в варианте биполярной передачи с использованием двух униполярныхкабелейQn/Q11N=1N=2N=30.80.60.40.2000.20.40.60.81γРис.12. Отношение гистерезисных потерь в оптимизированном секционированномкабеле к потерям в соответствующем эквивалентном односекционном цилиндрическомкабеле. Режим работы сети – нормальный20В зависимости от параметров сверхпроводника и количества секцийразница в количестве материала в секционированной системе может быть болеечем на порядок в отличие от несекционированной системы, рассчитанной на теже параметры. Гистерезисные потери в номинальном режиме работы могутотличаться более чем в 20 раз в пользу секционированной системы.ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕОсновнойнаучныйрезультатработы–секционированиесверхпроводящих устройств ограничителей тока КЗ является универсальнымприёмом для повышения эффективности использования сверхпроводящихматериалов.

Наиболее существенные результаты работы состоят в следующем:1. Разработанаметодикарасчетагеометрическихпараметровсверхпроводящих секционированных токоограничителей, с учетом зависимостикритической плотности тока от индукции магнитного поля, которая позволяетмаксимально эффективно использовать сверхпроводящий материал втокоограничителях и повысить плотность тока в них. Разработана такжеметодика расчёта гистерезисных потерь для различных конструкцийсверхпроводящих секционированных токоограничителей.2. Предложены варианты различных конструкций секционированныхтокоограничителей: резистивный, индуктивный и короткая кабельная линияпостоянного тока.Показано,чтоиспользованиесекционированияобеспечиваетсущественную экономию сверхпроводящего материала и значительноуменьшает гистерезисные потери.Дополнительным преимуществомрезистивных токоограничителей и коротких кабельных линий постоянного токаявляется их компактность и экологическая чистота (отсутствие внешнихмагнитных полей).3.