Молодой ученый разработал сверхпроводящий трансформатор с функцией токоограничения

Высокотемпературный сверхпроводящий трансформатор улучшит качество передачи электроэнергии и позволит снизить риск пожара в энергосистеме.

Молодой ученый, аспирант кафедры систем электроснабжения предприятий факультета энергетики НГТУ НЭТИ Арсений Семенов выиграл грант мэрии Новосибирска в 450 тысяч рублей на разработку высокотемпературного сверхпроводящего трансформатора с функцией токоограничения. 

Процесс работы трансформатора выстроен так: при возникновении в электрической сети короткого замыкания через сверхпроводник протекает ток выше критического значения, сверхпроводник выходит из сверхпроводящего состояния, у него появляется активное сопротивление, и ток короткого замыкания уменьшается. Преимущество этой разработки в том, что этот процесс происходит мгновенно, сопротивление вырастает не из-за срабатывания токоограничивающего устройства, а из-за природы сверхпроводника.

«Когда во внешнем элементе сети происходит аварийная ситуация, например, короткое замыкание, то обычный трансформатор пропускает этот ток через себя. Токи короткого замыкания могут вызывать повреждение оборудования и отключения элементов электрической сети. Чтобы уменьшить негативные последствия, нужны токоограничивающие устройства в электрической сети. Наш трансформатор способен ограничивать ток без их применения», — говорит Арсений Семенов.

В своем проекте Арсений вместо традиционной медной обмотки использует обмотку из высокотемпературного сверхпроводника (материал — ВТСП-провод 2-го поколения ReBCO). Этот материал способен проводить ток без активного сопротивления. Для этого его необходимо охладить до температуры -196 °C, поместив в жидкий азот. Состояние сверхпроводимости наступает только в охлажденном состоянии, при комнатной температуре его нет. Отличие высокотемпературных сверхпроводников в том, что низкотемпературным необходимо более глубокое охлаждение.

«Мы покупаем жидкий азот на заводе, привозим в специальном сосуде и периодически заливаем в корпус трансформатора. Одного сосуда (~16 л) хватает на день-два опытов. В новом трансформаторе объем будет больше, скорее всего, будем привозить по два сосуда за раз. Есть установки, которые производят жидкий азот на месте, но они стоят очень дорого, этот вариант нам не подходит. Сейчас на этапе опытных образцов необходимость в жидком азоте усложняет процесс. Когда такие трансформаторы будут делать на большую мощность и устанавливать на подстанциях в электрических сетях, тогда будет оправдана покупка установки для производства жидкого азота на подстанции», — рассказывает Арсений Семенов.

Жидкий азот также является и электроизолирующей негорючей средой, заменяя традиционное трансформаторное масло, тем самым ликвидируя проблему пожароопасности. В отличие от трансформаторного масла, жидкий азот не выделяет взрывоопасных газов.

Сверхпроводники позволяют реализовать в трансформаторе функцию ограничения токов короткого замыкания, которая обычно в сети выполняется токоограничивающими устройствами.

За счет снижения массы и объема обмотки разработка потенциально востребована для автономных энергосистем на водном транспорте и в традиционных электрических сетях.

«Через сверхпроводник можно пропускать больше тока, чем через медь, поэтому не нужны толстые медные провода, а достаточно тонкого ВТСП-провода, его толщина меньше миллиметра», — комментирует Арсений Семенов.

«Сверхпроводящие трансформаторы были известны давно, однако пока не получили широкого распространения. До недавнего времени сверхпроводники были очень дорогими, но в последние годы технология их производства совершенствуется, и цена снижается. Это позволяет сделать сверхпроводящий трансформатор массовым явлением. Главная проблема, которую он решает, — проблема высоких токов короткого замыкания. Это проблема не только трансформаторов в отдельности, это проблема электрических сетей в общем, массовое использование таких трансформаторов сделает их более надежными», — говорит Арсений Семенов.

Коллектив разработчиков спроектировал и изготовил однофазный опытный образец небольшой мощности. Часть опытов с ним провели сразу после изготовления, оставшиеся эксперименты будут проводить после завершения режима самоизоляции. Сейчас проектная команда моделирует и проектирует трехфазный опытный образец на более высокую мощность, его изготовление и экспериментальное исследование — следующий этап проекта.

Арсений Семенов выиграл грант 450 тысяч рублей с темой «Разработка и производство энергоэффективного и пожаробезопасного электрооборудования на основе высокотемпературных проводников с функцией токоограничения» в рамках конкурса департамента промышленности, инноваций и предпринимательства мэрии города Новосибирска.

«В России были попытки построить такой трансформатор, но о введении в опытную или тем более промышленную эксплуатацию публикаций нет. Но есть похожая разработка — токоограничивающее устройство, созданное по аналогичной технологии. Оно прошло испытания и введено в промышленную эксплуатацию в электрической сети в Москве, что позволяет делать вывод о перспективности нашей разработки», — комментирует Арсений Семенов.

В проекте также принимали участие Иван Мартынов, Дмитрий Иванов (магистратура факультета энергетики, направление «электроэнергетика и электротехника») и Сергей Шеин (бакалавриат факультета летательных аппаратов, направление «техническая физика»). Работа ведется под руководством доктора технических наук, профессора кафедры систем электроснабжения предприятий НГТУ НЭТИ Вадима Манусова.

Силовые трансформаторы — элемент электрических сетей, их применяют для повышения или понижения класса напряжения при передаче электроэнергии. Основные части силового трансформатора — обмотки, магнитопровод, система охлаждения и вспомогательные системы.