WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

Лобынцев Владимир Васильевич СВЕРХПРОВОДНИКОВЫЕ ОГРАНИЧИТЕЛИ ТОКОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ ДЛЯ СИСТЕМ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ специальность 05.09.03 - «Электротехнические комплексы и системы»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА - 2009

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московском государственном университете путей сообщения» (МИИТ).

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Пупынин В.Н.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Высоцкий В.С.

кандидат технических наук, Литовченко В.В.

Ведущая организация: Петербургский государственный университет путей сообщения (ПГУПС)

Защита диссертации состоится « » _ 2009г.в час. мин.

на заседании диссертационного совета Д218.005.02 при Московском государственном университете путей сообщения (МИИТ), по адресу: 127994, Москва, ул. Образцова, 9, стр.9, ауд.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета путей сообщения (МИИТ).

Автореферат разослан « » _ 2009г.

Ученый секретарь д.т.н., старший научный диссертационного совета сотрудник Сидорова Н.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы:

Актуальность работы связана с тем, что интенсивная электрификация многих участков железных дорог производилась преимущественно во второй половине прошлого века, поэтому большая часть силового электротехнического оборудования уже выработала свой ресурс, и нуждается в замене. Вместе с тем темпы модернизации хозяйства электроснабжения таковы, что для замены только понизительных трансформаторов тяговых подстанций, эксплуатируемых на сегодняшний день сверх нормативного срока службы, понадобится минимум 100 лет. В основном ухудшению технического состояния трансформаторов способствует высокая частота возникновения коротких замыканий в тяговых сетях, которая примерно на два порядка выше, чем в распределительных сетях общепромышленного назначения аналогичного уровня напряжения (6-35кВ). При коротких замыканиях в обмотках трансформаторов возникают пондермоторные силы, многократно превышающие максимально допустимые значения, которые приводят к интенсивному старению изоляции. От коротких замыканий страдает и сама контактная сеть (пережоги и отжиг проводов), поэтому требуются срочные меры, позволяющие продлить сроки службы понизительных и преобразовательных трансформаторов, а также сократить число пережогов проводов контактной сети. Защитить обмотки понизительных трансформаторов от динамического действия токов короткого замыкания, а провода контактной сети от пережогов, могут единственные в своём роде безинерционные коммутационные устройства – сверхпроводниковые ограничители тока, позволяющие не только срезать амплитуду ударного тока короткого замыкания, но и ограничить его квазиустановившееся значение.

Особо следует отметить, что сейчас, в период глобальной модернизации хозяйства электроснабжения железных дорог, как никогда открывается прекрасная возможность начать его техническое перевооружение с применением новейших технологий, в том числе, согласно Энергетической стратегии ОАО «РЖД» на период до 2010г. и на перспективу до 2030г., основанных на использовании явления сверхпроводимости. Эти технологии позволят вывести работу систем тягового электроснабжения (СТЭ) на новый качественный уровень и в полной мере способствовать реализации высокоскоростного и тяжеловесного движения.

Цель работы:

Целью диссертационной работы является разработка сверхпроводниковых ограничителей токов короткого замыкания и исследование их токоограничивающего действия в системах тягового электроснабжения постоянного и переменного тока.

Основные задачи:

1. Исследование тепловых процессов в секции токоограничивающего элемента сверхпроводникового ограничителя токов короткого замыкания (СОТ).

2. Разработка математической модели высокотемпературного сверхпроводникового (ВТСП) ограничителя токов короткого замыкания резистивного типа.

3. Экспериментальное исследование физических свойств ВТСП проводников второго поколения различных производителей и комплексные испытания модельной секции ВТСП токоограничивающего элемента резистивного типа в активноиндуктивной цепи переменного тока.

4. Верификация математической модели ВТСП ограничителя токов короткого замыкания резистивного типа на основе полученных экспериментальных данных.

5. Выбор параметров токоограничивающих элементов, разработка конструкции основных узлов и системы криогенного обеспечения будущих прототипов промышленных СОТ для систем тягового электроснабжения постоянного и переменного тока.

6. Имитационное моделирование токоограничивающего действия СОТ в тяговых сетях постоянного и переменного тока.

Методика исследования:

Для исследования тепловых процессов в секции токоограничивающего элемента сверхпроводникового ограничителя токов короткого замыкания использовалась программная среда COMSOL Multiphysics 3.4, ориентированная на решение широкого спектра инженерно-физических задач методом конечных элементов. Экспериментальные исследования физических свойств ВТСП проводников различных производителей и комплексные испытания модельной секции ВТСП токоограничивающего элемента резистивного типа проводились на экспериментальном стенде Института сверхпроводимости и физики твёрдого тела РНЦ «Курчатовский институт». Исследование токоограничивающего действия СОТ в тяговых сетях постоянного и переменного тока производилось при использовании специально разработанной для этих целей компьютерной программы основанной на решении методом итераций линейных и нелинейных алгебраических уравнений, записанных, как в явном, так и в неявном виде.

Научная новизна работы заключается в том, что:

- предложен метод расчёта времени перехода неидеальных сверхпроводников второго рода в нормальное состояние;

- доказана возможность существенного упрощения нестационарного уравнения теплопроводности используемого при расчёте температуры перегрева ВТСП проводников второго поколения за счёт перехода от двумерной (расчёт распределения температуры перегрева по сечению) к одномерной модели (расчёт температуры перегрева в центральной точке сечения);

- предложена математическая модель ВТСП ограничителя токов короткого замыкания резистивного типа;

- впервые в России проведены комплексные испытания модельной секции ВТСП токоограничивающего элемента резистивного типа, на основе которых произведена верификация математической модели ВТСП ограничителя токов короткого замыкания резистивного типа;

- предложен метод расчёта электрической изоляции криогенной части токовводов ВТСП электротехнических устройств различного рода тока и уровня напряжения;

- предложен метод расчёта токоограничивающего действия СОТ при его установке в силовых цепях действующих электроустановок (тяговых подстанций) постоянного и переменного тока.

Достоверность полученных результатов Все экспериментальные исследования проводились с использованием высокоточной измерительной аппаратуры: цифрового запоминающего осциллографа АКТАКОМ АСК-3107 и многоканальной измерительной системы Agilent 34970А. Эффективность работы ВТСП токоограничивающего элемента резистивного была доказана предварительным моделированием переходных процессов в электрической цепи с его использованием. Точность моделирования подтверждена экспериментально (расхождение составляет не более 10%).

Практическая ценность работы заключается в том, что:

- разработаны инженерные методы расчёта и проектирования ВТСП токоограничивающих элементов резистивного типа;

- разработаны конструктивные решения будущих прототипов СОТ ориентированных на использование в тяговых сетях постоянного и переменного тока ОАО «РЖД»;

- разработана схема универсальной системы криогенного обеспечения СОТ;

- показана возможность размещения в стандартной ячейке постоянного тока СОТ и быстродействующего выключателя (ВАБ-49);

- разработана ячейка ввода в распределительное устройство 27,5кВ с однофазными СОТ;

- дан план размещения оборудования на территории типовой тяговой подстанции переменного тока с первичным напряжением 110кВ, а также ячеек ввода с однофазными СОТ и системы их криогенного обеспечения;

- разработан порядок взаимодействия СОТ с устройствами автоматики и защиты при его установке на вводах в распределительное устройство 27,5кВ.

Внедрение результатов:

Разработанные методы расчётов и теоретических исследований носят новаторский характер, поэтому нашли своё применение при выполнении научноисследовательских работ в таких организациях как: ООО «Центр«Атом-инновации» и Государственный университет аэрокосмического приборостроения (ГУАП). С использованием метода расчёта электрической изоляции криогенной части токовводов ВТСП электротехнических устройств различного рода тока и уровня напряжения разработаны токовводные муфты для протитипа первой в России сверхпроводниковой кабельной линии, которые внедрены на испытательном полигоне ОАО НТЦ «Электроэнергетики».

Апробация работы Основные результаты работы были представлены на VI научно-практической конференции «Безопасность движения поездов» 26-27 октября 2005г., Москва, МИИТ; на третьем международном симпозиуме Eltrans2005, 15-17 ноября 2005г., Санкт-Петербург, ПГУПС; на международной конференции Siemens AG, 5 апреля 2006г., Москва; на заседании секции «Электрификация и электроснабжение» научно-технического совета ОАО «РЖД» «Перспективные технические средства и технологии для систем тягового электроснабжения железных дорог» 26-27 сентября 2006г. и 19-21 сентября 2007г. Москва, ОАО «РЖД»; на заседании совета по реализации генерального соглашения о сотрудничестве между Российской Академией Наук и ОАО РАО «ЕЭС России» по определению направлений развития ЕЭС России, 15 мая 2007г. Москва, РАН; VIII научнопрактической конференции «Безопасность движения поездов» 1-2 ноября 2007г., Москва, МИИТ; на четвёртом международном симпозиуме Eltrans2007, 23-26 октября 2007г., Санкт-Петербург, ПГУПС; на конференции по физике конденсированного состояния, материаловедению и сверхпроводимости, посвящённой 50-ти летию исследовательского ядерного реактора ИРТ, 26-30 ноября 2007, Москва, РНЦ «КИ»; на всероссийском семинаре по прикладной сверхпроводимости, 14 января 2009г., Москва, РНЦ «КИ».

Публикации По теме диссертационной работы имеется 17 публикаций, из них один патент на изобретение, одно свидетельство о регистрации программы для ЭВМ и две публикации в издании, рекомендуемом ВАК:

«Электричество », №2, 2007г., «НТТ – наука и техника транспорта», №4, 2008г.

Структура и объём диссертации Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объём диссертации составляет 198 страниц, включая 107 рисунков, 12 таблиц и списка литературы из 103 наименований и 5 приложений на 14 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель, задачи исследования, научная новизна и практическая ценность диссертационной работы. Отмечено, что над проблемой ограничения токов короткого замыкания работали такие специалисты, как Бочев А.С., Герман Л.А., Кейлин В.Е., Овласюк И.Я., Пупынин В.Н., Фигурнов Е.П., и др.

В первой главе представлены физические свойства и динамика развития, а также проанализированы технологические аспекты современного промышленного производства низко- и высокотемпературных сверхпроводников (рис. 1) используемых для создания электротехнических и электрофизических установок различного назначения.

Рассмотрены основные типы СОТ, обладающие реальной коммерческой перспективой:

индуктивный, выпрямительный и резистивный. Отражены последние мировые достижения и успешно завершенные проекты в сфере создания СОТ. Дан обзор современного состояние дел в области систем криостатирования и тепловой изоляции. Приведены основные типы микрорифрежераторов (криокулеров), в том числе поршневых машин работающих по циклу Стирлинга, входящих в состав, как систем циркуляционного охлаждения, так и компактных воздухоразделительных установок.

Рис. 1 – Структура ВТСП проводника второго поколения и его внешний вид Во второй главе предложен метод расчёта времени перехода неидеальных сверхпроводников второго рода, к которым относятся ВТСП проводники второго поколения, в нормальное состояние, основанный на двух выдвинутых в рамках данной диссертационной работы гипотезах:

1) основной причиной перехода в нормальное состояние ВТСП проводников второго поколения в случае бифилярной конструкции токоограничивающего элемента является рост их температуры, возникающий при превышении током некоторого порогового значения, называемого критическим;

2) сверхпроводник переходит в нормальное состояние равномерно по всей длине при увеличении тока в нём сверх критического значения.

Выдвинутые гипотезы позволяют представить процесс перехода ВТСП проводов второго поколения в нормальное состояние схемой замещения (рис. 2), состоящей из двух параллельно включенных нелинейных сопротивлений, и рассматривать в адиабатическом приближении. Данное приближение имеет место потому, что отвод тепла в жидкий азот за характерные времена перехода в нормальное состояние ВТСП проводов второго поколения крайне затруднён ввиду образования газообразной плёнки с низкой теплопроводностью вблизи нагревающейся поверхности. С учётом вышесказанного, для использованного ВТСП проводника второго поколения марки SF12050 производства компании SuperPower было записано нестационарное уравнение теплопроводности при переходе его сверхпроводящего слоя в нормальное состояние:

T & (1) mспCр = Q t где: mсп – масса погонного метра ВТСП проводника второго поколения, кг/м;

C p(T) = YBaCuO·C p(YBaCuO) (T) + Ag·C p(Ag) + h·C p(h) (T) – удельная объёмная теплоёмкость ВТСП проводника второго поколения, вклад в которую вносит каждый из слоёв, Дж.(кг.K)-1;

YBaCuO = S YBaCuO/S, Ag = S Ag/S, h = S h/S – соответственно коэффициенты заполнения ВТСП слоя, слоя серебра и хастеллоя марки С4;

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»