СВЕРХПРОВОДЯЩАЯ ОБМОТКА ТРАНСФОРМАТОРА

Предлагаемая полезная модель относится к области электротехники, и может быть использована в электроэнергетике, связанной с криогенной электротехникой.
Известна сверхпроводящая обмотка трансформатора, в которой параллельно со сверхпроводящим проводом намотан провод из нормального металла (С.Kurupakorn, Simulation of electrical and thermal behavior of high temperature superconducting fault current limiting transformer, 2006 J. Phys.: Conf. Ser. 43, 950). Обмотки трансформатора функционируют в жидкоазотной среде. При выходе сверхпроводящих обмоток в нормальное состояние появляется активное сопротивление, определяющееся параметрами сверх-проводящего и нормального проводов и их длиной.
Очевидно, что в данной конструкции требуется столько же провода из нормального металла, сколько и сверхпроводящего провода, что значительно повышает стоимость сверхпроводящего трансформатора. Недостаток, связанный с возвратом в сверхпроводящее состояние после устранения короткого замыкания имеет место.
Известна сверхпроводящая обмотка трансформатора, являющаяся прототипом, намотанная из сверхпроводящего провода (Wilkinson К. I. R. «Superconductive Windings in power transformers», Proc. IEE 1963, v. 110, N 12, p.2271-2279). Обмотка трансформатора, как первичная, так и вторичная, функционирует в жидкогелиевой среде и намотана из сверхпроводящего провода с относительно однородными критическими параметрами по всей длине. При превышении тока, протекающего по обмотке, некоторого критического значения сверхпроводящая обмотка выходит из сверхпроводящего состояния в нормальное (резистивное) состояние, происходит ограничение тока короткого замыкания. Появляющееся активное сопротивление определяется параметрами сверхпроводящего провода, в частности его длиной и геометрическими параметрами и материалами несверхпроводящей части провода.
Однако, в такой обмотке, намотанной из сверхпроводящего провода с однородными критическими параметрами, из сверхпроводящего состояния в нормальное состояние выходит вся обмотка, т.е. по все длине сверхпроводящего провода появляется активное сопротивление, пропорционально которому выделяется тепло с поверхности провода. Это тепло за время бестоковой паузы или после отключения поврежденного элемента сети может быть не отведено от обмотки, в связи с чем, обмотка не возвращается в сверхпроводящее состояние к моменту возобновления нормального режима. Т.е. такое исполнение, когда вся обмотка выходит из сверхпроводящего состояния, не позволяет добиться требуемого активного сопротивления, при котором обеспечивается возврат сверхпроводящей обмотки в сверхпроводящее состояние из нормального состояния после устранения короткого замыкания без отключения трансформатора от сети, т.е. возврат сверхпроводящей обмотки в сверхпроводящее состояние под нагрузкой. С другой стороны, когда обмотка намотана из сверхпроводящего провода с параметрами, при которых в нормальном состоянии обмотка обладает малым активным сопротивлением, глубина ограничения тока короткого замыкания может быть неудовлетворительной.
Задачей, предлагаемой сверхпроводящей обмотки трансформатора, является улучшение условий возврата сверхпроводящей обмотки из нормального состояния в сверхпроводящее состояние после устранения короткого замыкания, без отключения трансформатора от сети, при одновременном ограничении тока короткого замыкания с требуемым активным сопротивлением.
Поставленная задача достигается тем, что в сверхпроводящей обмотке трансформатора, витки которой намотаны из сверхпроводящих проводов, обмотка разделяется на токоограничивающую часть, намотанную проводом с параметрами, при которых в нормальном состоянии эта часть обладаетактивным сопротивлением более 5 Ом, и нетокоограничивающую часть, намотанную проводом с другими параметрами, при которых эта часть в нормальном состоянии обладает активным сопротивлением менее 5 Ом.
На чертеже схематично приведена сверхпроводящая обмотка трансформатора в поперечном сечении. На чертеже показаны 1 - токоограничивающая часть обмотки, 2 - не токоограничивающая часть обмотки, также на чертеже приведены 3 - обмотка низкого напряжения, 4 - обмотка высокого напряжения, 5 - магнитопровод.
Длина провода в ограничивающей части обмотки определяется как
где
Tреб
R - требуемое сопротивление для ограничения тока КЗ;
В
n - число слоев в обмотке по высоте;
Ш
n - число слоев в обмотке по ширине;
Э
r - удельное эквивалентное сопротивление несверхпроводящих слоев сверхпроводящего провода.
Число витков, задействованных в ограничении тока КЗ определяется как
где
В
r - средний радиус витка.
Сверхпроводящая токоограничивающая обмотка работает следующим образом: при протекании тока короткого замыкания, превышающего величину критического тока токоограничивающей части обмотки, токоограничивающая часть обмотки выходит из сверхпроводящего состояния в нормальное состояние, появляется активное сопротивление, определяющееся количеством витков задействованном в токоограничении и параметрами сверхпроводящегопровода, в частности площадью поперечного сечения и материалами несверхпроводящих частей (слоев) провода. Активное сопротивление в токоограничивающей части обмотки должно быть более 5 Ом для эффективного ограничения тока короткого замыкания, т.к. сопротивление менее 5 Ом в достаточной мере не ограничивает ток короткого замыкания. Появляющееся активное сопротивление в нетокоограничивающей части обмотки должно быть менее 5 Ом, т.к. сопротивление более 5 Ом значительно ограничивает ток короткого замыкания. Тепло, выделившееся во время ограничения тока короткого замыкания, отводится хладагентом и за счет этого сверхпроводящая обмотка возвращается в сверхпроводящее состояние. Вариацией числа токоограничивающих витков можно подобрать требуемое активное сопротивление с позиции глубины ограничения и с позиции возврата обмотки в сверхпроводящее состояние после устранения тока короткого замыкания, без отключения трансформатора от сети.
Таким образом, за счет того, что только часть витков сверхпроводящей обмотки участвует в ограничении, можно подобрать необходимую величину активного сопротивления с позиции глубины ограничения тока короткого замыкания и с позиции возврата в сверхпроводящее состояние. Такой подбор активного сопротивления позволяет ограничить тепловыделения во время ограничения тока короткого замыкания. Иными словами, тепло, выделившееся во время короткого замыкания в случае с частичным задействованием витков в ограничении тока короткого замыкания, меньше, чем в случае с полным задействованием витков в ограничении тока короткого замыкания. И это тепло отводится системой охлаждения за меньшее время, чем в случае с обмоткой с полным задействованием витков в ограничении. За счет вариативности задействования витков в ограничении тока короткого замыкания обеспечивается гибкость в подборе необходимого активного сопротивления. Тем самым улучшаются условия возврата сверхпроводящей обмотки из нормального состояния в сверхпроводящее состояние после устранения короткого замыкания без отключения трансформатора от сети.