Сверхпроводимость и трансформаторы

Автор: Фатхуллин Андрей Игоревич

КГЭУ, г. Казань

Научный руководитель: старший преподаватель Куракина О.Е.

Еще одна перспективная тема при создании новых трансформаторов – применение эффекта сверхпроводимости. Впрочем, еще с 60-х годов отмечалось повышенное внимание к трансформаторам с эффектом сверхпроводимости. Это было связано с появлением низкотемпературных сверхпроводников, которые применялись для обмоток трансформаторов. С того самого времени многие мировые производители из Европы, Японии и США стали вести исследования по созданию низкотемпературных сверхпроводниковых трансформаторов (НТСП). Но вопреки всем ожиданиям, барьером в развитии и применении НТСП-трансформаторов стали огромные размеры криогенных систем, которые необходимы для производства жидкого гелия. Это сделало экономически нецелесообразным производство таких трансформаторов.

Открытие в 1986 году высокотемпературных сверхпроводниковых материалов (ВТСП) дало возможность исключить из конструкции трансформатора громоздкие охлаждающие устройства. И теперь приоритет в разработках сверхпроводимых трансформаторов отдается именно этому направлению. Этому есть логическое объяснение, так как сверхпроводники обладают уникальным свойством – при высокой плотности тока они имеют малые потери, а при достижении критического тока быстро переходят от почти нулевого сопротивления к высокому. Такое свойство дало возможность получить трансформатор, по своим характеристикам значительно превосходящий традиционно применяемые сегодня сухие и масляные трансформаторы.

На сегодняшний день в мире существует три основные разработки по созданию ВТСП-трансформатора: в США, Европе и в Японии. Все три проекта были реализованы в 1997 году в виде опытных образцов. Министерство энергетики США сделало подробный анализ пробного применения ВТСП-трансформаторов. На основании этих исследований эксперты установили, что затраты за весь срок эксплуатации ВТСП-оборудования мощностью до 30 МВА почти на 50% меньше затрат на обслуживание традиционных трансформаторов. Вдохновленные таким подсчетами, конструкторы работают над проектом сверхпроводящего трансформатора мощностью до 1 миллиона кВт. Обладая достаточно большими мощностями, новый трансформатор, тем не менее, будет почти на 50% легче обычного масляного при сравнительно одинаковых потерях мощности.

Однако, несмотря на неоспоримые преимущества, сверхпроводящие трансформаторы имеют и существенные недостатки. Главным образом они связаны с защитой трансформатора от потери его сверхпроводящих свойств при возможных перегрузках, перегревах, коротких замыканиях, в случае если ток, магнитное поле или температура достигнут максимальных значений.

Подобные форс-мажорные обстоятельства могут привести к разрушению трансформатора. Впрочем, даже если разрушения и не произойдет, трансформатору понадобится несколько часов на охлаждение и восстановление сверхпроводящих способностей. Такие перерывы в электроснабжении неприемлемы. Это говорит о том, что прежде, чем вводить сверхпроводящие трансформаторы  в серийное производство, необходимо разработать систему защиты оборудования от аварийных режимов и детально проработать возможность альтернативного обеспечения системы электроэнергией на время простоя сверхпроводящего трансформатора. Успехи, достигнутые в этой области, позволяют надеяться, что в недалеком будущем проблема защиты трансформаторов нового поколения будет успешно решена и оборудование займет свое место на электроподстанциях.