Диссертация (Разработка рациональных способов секционирования сверхпроводящих токоограничивающих устройств)

СОДЕРЖАНИЕИспользуемые сокращения………….……………………………………………4Введение…………………………………………………………………………..51Аналитическийобзорсверхпроводящихтокоограничивающихустройств...………………………………………………………………………141.1 Ограничители токов короткого замыкания…………………………141.2 Особенности конструкции сверхпроводящих токоограничивающихустройств………………………………………………………………………...191.2.1 Резистивные токоограничители …………………………………….201.2.2 Индуктивные токоограничители……………………………………231.2.3Короткаясверхпроводящаякабельнаялинияпостоянноготока………………………………………………………………………………..261.3 Секционирование сверхпроводящих устройств…………………….301.4 Цель работы.

Постановка задачи исследования…………………….342 Сверхпроводящие токоограничители резистивного типа…….………..362.1 Влияние секционирования на характеристики сверхпроводящегорезистивного токоограничителя……………………………………………..382.2 Методика расчета гистерезисных потерь…………………………….442.3Расчетгистерезисныхпотерьвсекционированномтокоограничителе………….. ………………………………………………….502.4 Результаты расчетов…………………………………………………….53Выводы по главе 2……………………………………………………………...543 Сверхпроводящие токоограничители индуктивного типа………….….563.1Секционированиесверхпроводящихтокоограничивающихустройств трансформаторного типа…………………………………………573.2Сравнениетокоограничителейтрансформаторногоиавтотрансформаторного типа………………………………………………...6023.2.1 Виды быстродействующих выключателей…………………………603.2.2 Методика расчета токоограничителей трансформаторного типа…633.2.3 Методика расчета токоограничителей автотрансформаторноготипа.........................................................................................................................673.2.4 Особенности программной реализации расчёта характеристиктокоограничителей................................................................................................693.2.5 Результаты расчетов………………………………………………….713.2.6 Оценка условий охлаждения обмоток………………………………813.2.7 Оценка электродинамических усилий………………………………833.3 Перспективы использования сверхпроводящих обмоток втокоограничивающих устройствах…………………………………………..853.3.1 Расчет потерь в сверхпроводящей обмотке токоограничителятрансформаторного типа………………………………………………………..88Выводы по главе 3…………………………………………………………….1034 Короткие сверхпроводящие кабельные линии постоянного тока…...1054.1Токонесущаяспособностьсверхпроводящегоуниполярногокабеля…………………………………………………………………………..1064.2 Токонесущая способность сверхпроводящей кабельной линии…1084.3Методикарасчетасекционированногосверхпроводящегокабеля…………………………………………………………………………...1104.4 Результаты расчетов…………………………………………………...1114.5 Методика расчета гистерезисных потерь…………………………...1154.6РасчетгистерезисныхпотерьвсекционированномВТСПкабеле…………………………………………………………………………...1164.7 Результаты расчетов…………………………………………………...119Выводы по главе 4…………………………………………………………….120ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………...122Список литературы……………………………………………………………..125ПРИЛОЖЕНИЯ………………………………………………………………...1363ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ СОКРАЩЕНИЯАПВ – аппарат повторного включения;БВ – быстродействующий выключатель;ВТСП – высокотемпературный сверхпроводящий;КЗ – короткое замыкание;КЛ – кабельная линия;РУ – распределительное устройство;СОТ – сверхпроводящий ограничитель тока;СП – сверхпроводник;СУ – система управления;ТУ – токоограничивающие устройство;ХХ – холостой ход;4ВВЕДЕНИЕРазвитие электроэнергетических систем тесно связано с общимэкономическимразвитиемихарактеризуетсяустойчивымростомэлектрических нагрузок, соответствующим увеличением генерирующихмощностей, усилением связейс соседними электроэнергетическимисистемами 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.УвеличениетоковКЗсопровождаетсяувеличениемэлектродинамических и тепловых воздействий на оборудование, приводит кростуколичестваповрежденийобмотокгенераторов,синхронныхкомпенсаторов, трансформаторов, реакторов и других электрическихаппаратов. Сверхнормативные токи КЗ могут повреждать выключатели,обеспечивающие локализацию и ликвидацию аварийных ситуаций в системе,что приводит к увеличению масштабов последствий КЗ.

Указанныеобстоятельства снижают надежность работы электрических систем.Максимальный уровень токов КЗ, определяющий требования кэлектрическимаппаратамиоборудованию,становитсякритическимпараметром и ограничивающим фактором развития электрических систем.Величина максимального уровня токов КЗ – это технико-экономическийпараметр, определяющий целесообразность ограничения тока КЗ или заменуоборудования на новое (если это возможно), способное выдержать болеевысокие значения токов КЗ.

Учитывая, что второй путь являетсявысокозатратным,основныеметодырешенияпроблемсвязанысприменением способов и мероприятий по ограничению уровней токов КЗ.Внастоящеевремявсетяхпромышленныхпредприятий,электростанций и подстанций напряжением до 35 кВ ограничение токов КЗдостигается, в основном, за счет применения токоограничивающихреакторов и трансформаторов с расщеплёнными обмотками. В сетях5напряжением выше 35 кВ основными способами ограничения токов КЗявляются схемно-технические решения, обеспечивающие секционированиесети и организация автоматического деления сети при аварийныхситуациях. Однако все эти решения приводят к снижению надежностиэлектроснабжения потребителей, увеличению потерь в системе, снижениюкачества напряжения, так как ограничение токов КЗ достигается за счетувеличения суммарного реактанса сети.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. Особенно остропроблема проявляется в сетях напряжением 110-220 кВ.

Об актуальностипроблемы заявляли представители ФСК ЕЭС, Мосэнерго и другихорганизаций.ВРоссииисследованиявобластисверхпроводящихтокоограничивающих устройств для электроэнергетических систем былиначаты более двадцати лет назад. У истоков этого направления стояли В.А.Альтов, В.С. Высоцкий, В.Б. Зенкевич, В.Е. Кейлин, Л.К. Ковалёв, Л.В.Лейтес, Н.Л. Новиков, Г.Г. Свалов, В.Е. Сытников, Л.М. Фишер, Н.А.Черноплёков, Л.И.

Чубраева, Ю.Г. Шакарян, И.В. Якимец и др.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 устройствв электроэнергетике.Следует заметить, что при реализации любой схемы сверхпроводящеготокоограничителя его стоимость определяется, в основном, необходимымколичеством ВТСП материала, стоимость которого достигает ~70% общейстоимости устройства. В связи с этим важное значение при разработке6сверхпроводящеготокоограничителяприобретаютвопросывыборарациональной геометрии, обеспечивающей наименьший удельный расходсверхпроводника.

При этом необходимо учитывать зависимость критическойплотности тока в сверхпроводнике от индукции магнитного поля. Уменьшитьрасход сверхпроводника позволяет повышение плотности тока в тех секциях,где наибольшая индукция магнитного поля относительно невелика, иснижение плотности тока в секциях с высокой максимальной магнитнойиндукцией.Под секционированием сверхпроводящего устройства, являющегосячастью токоограничителя, подразумевается разбиение его на несколькочастей (кабеля, кольца, обмотки или магнитной системы), отделённых другот друга зазорами, имеющих взаимно встречное включение, связанныхобщим магнитным полем.Цель работы.

Разработка рациональных способов секционированиясверхпроводящего устройства (кабеля, кольца, обмотки, магнитной системы)токоограничителядляповышенияэффективностииспользованиясверхпроводящих материалов.Вэтойсвязисекционированияинеобходимоисследоватьсоотношенийвлияниегеометрическихспособаразмеровсверхпроводящего устройства на пропускную способность (плотность тока)токоограничителя и потери в сверхпроводнике (гистерезисные) принормальном режиме работы энергосистемы.Объект исследования.1. Сверхпроводящие ограничители токовразличных конструкций (индуктивного типа, резистивного типа, короткиевставки постоянного тока).2.

Секционирование обмоток сверхпроводящих ограничителей токов иметодики их расчетов.Методыисследований.Прирешениизадачдиссертациииспользовались различные методы расчетов линейных и нелинейныхдифференциальных уравнений и результаты их решений, элементы теории7нелинейных магнитных цепей, теория поля и электрических цепей, а такжекомпьютерное моделирование переходных процессов.Научнаяновизна.Предложенспособсекционированиясверхпроводящих устройств токоограничителей, позволяющий учитыватьтоконесущие свойства сверхпроводящего материала, что, в свою очередь,даёт возможность повысить эффективность его использования. С однойстороныможноуменьшитьгабаритныеразмеры(тоестьснизитьнеобходимое количество сверхпроводящего материала) при заданном уровнетока, а с другой – увеличить плотность тока при заданных габаритныхразмерах.Кроме того установлено снижение потерь при секционированиисверхпроводящих устройств токоограничителей в нормальном режимеработы сети.Предложеныновыеспособысекционированиясверхпроводящихустройств, на которые получены патенты.Разработаны методики выбора размеров секций токоограничителя ирасчётов гистерезисных потерь при нормальном режиме работы сети.Практическая ценность и реализация результатов.