Оптимизация конструкции и исследование процессов в силовых трансформаторах с высокотемпературными сверхпроводящими обмотками для энергоэффективной и безопасной трансформации электрической энергии

В течение долгого времени в электроэнергетике преобладала парадигма, при которой для увеличения передаваемой электрической мощности требовалось повышать класс напряжения. Открытие высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) и развитие технологий серийного производства сверхпроводников позволило изменить направление развития электроэнергетики. Под высокотемпературной сверхпроводимостью понимают достижение нулевого сопротивления проводника при температурах, близких к температуре кипения жидкого азота (77 K). Жидкий азот в данном случае выступает одновременно охлаждающей и диэлектрической средой. Допустимая плотность тока в сверхпроводнике на несколько порядков выше, чем в обычных алюминиевых или медных проводах и кабелях, что позволяет передавать повышенные мощности, не повышая напряжение, а стоимость жидкого азота делает ВТСП технологии экономически оправданными. Наряду с этим в электроэнергетических системах все более остро стоит вопрос ограничения токов короткого замыкания, которые оказывают существенное влияние на выбор защитно-коммутационной аппаратуры и надежность функционирования электросетевого, подстанционного и станционного высоковольтного электрооборудования. Эта проблема в значительной степени обусловлена тем, что при сроке службы трансформаторного и иного электрооборудования в течение 20-25 лет оно продолжает эксплуатироваться еще десятилетиями. За этот период электрические нагрузки существенно возрастают и вместе с ними токи короткого замыкания в электрической сети. Одними из наиболее перспективных устройств по соотношению перечисленных преимуществ, сложности изготовления и эксплуатации можно назвать силовые трансформаторы с ВТСП обмотками. Самым важным эффектом их применения является возможность ограничения токов короткого замыкания. Данное явление обусловлено резким увеличением активного сопротивления проводника при превышении значений критического тока либо критической температуры. Силовые трансформаторы с обмотками из ВТСП лент, по сравнению с традиционными силовыми машинами, обладают: повышенным коэффициентом полезного действия, минимальными электрическими потерями в обмотках, способностью мгновенно ограничивать ток короткого замыкания (КЗ), экологической безопасностью. Помимо этого, сверхпроводниковые трансформаторы обладают таким преимуществом как меньшие массогабаритные показатели, что делает данные агрегаты незаменимыми на определенных объектах (авианосцы, космические корабли). Сверхпроводящие трансформаторы, благодаря своему уникальному свойству токоограничения способны оказывать положительный эффект на всё смежное оборудование, не внося при этом в сеть дополнительное реактивное сопротивление, как в случае с токоограничивающими реакторами. Таким образом, ВТСП трансформатор позволяет совмести два важнейших электрических процесса, трансформацию напряжения и ограничение тока КЗ, в одном устройстве на основе одной диэлектрической среды (жидкий азот), что позволит существенно повысить энергоэффективность электроэнергетических систем, поскольку в нормальных режимах активное сопротивление и потери будут равны нулю, а ограничивающее воздействие будет автоматически возникать только в момент возникновения сверхтока. Это позволяет считать, что поиск оптимальной конструкции этого совмещенного устройства является весьма актуальной и продуктивной задачей.