Жылу көліктік жүйелері үшін сопротивтік суперкондуктивті ақырсыз өткізгіштердің оптималды сопротивті таңдау зерттеулері

1 Индуктивті суперкондуктивті жұлдыздық ағын шектейтін құрылғы

1.1 Иштеу принципі

Электр желілерінің өлшемдерінің кеңейуімен, отандағы электр системаларының жабыс ағын қабілеттері тез өсетіні, желілерді жасау және іске қосу үшін маңызды айнала тудыруы мүмкін. Жабыс ағындардың өсуін басқару үшін суперкондуктивті жұлдыздық ағын шектейтін құрылғылар (SFCL) өзара ыңғайлырақ болып табылады. SFCL-лердің жоғары индуктивтік жағдайға өтуі кезінде олардың жою қасиеттеріне байланысты, олар индуктивті және индуктивті емес типтерге бөлінеді.

Бұлардың ішінде, индуктивті емес суперкондуктивті жұлдыздық ағын шектейтін құрылғы қарапайым структурасы, жоғары өлшемдері мен жеңіл массасымен, айқын иштеу принципімен жазылған. Ол жоғары индуктивтік жағдайға өтуі кезінде, оның ағын шектейтін импедансы тез өседі, жоғары деңгейдегі жабыс ағындарды басқару қасиетін береді. Енді, суперкондукторларды параллель немесе сериялық конфигурациялар арқылы құрылғының қабілетін гибко реттеу мүмкін. Соңғы жылдары, комната температурасындағы суперкондуктивті материалдардағы прорывтар, академикалық және индустриялық салаларда индуктивті емес SFCL-лерді болашақтың негізгі даму бағыты ретінде кеңінен көрсетеді.

Критикалық ағын, критикалық магниттық поле және критикалық температура - суперкондуктордың суперкондуктивті жағдайда болатындығын анықтау үшін маңызды физикалық параметрлер. Бұл параметрлердің бірі де критикалық мәнінен асқанда, суперкондуктор суперкондуктивті жағдайдан квентке өтеді. Квенттеу процесі екі этаптан тұрады: алғашқы - магниттік потенциалдың өтуі, соңғы - нормаль индуктивтік жағдай. Суперкондуктор арқылы өтетін ағын тығыздығы критикалық ағын тығыздығынан асқанда, суперкондуктор магниттік потенциалдың өтуінің жағдайына өтеді.

Мұнда: E - электр тартылуының күштілігі; EC - критикалық электр тартылуының күштілігі; J - ағын тығыздығы; JCT - критикалық ағын тығыздығы; α - тұрақты; Tt1 және Tt2 - t1 және t2 уақыттарында суперкондуктордың температурасы; QRS - Rs индуктивтіктің t1-ден t2-ге дейін жылуы; QC - t1–t2 аралығында суперкондуктор мен аның айналуындағы аймақтың арасындағы жылу ауысуы; Cm - суперкондуктордың спецификалық жылу қабілеті; JCT(77) - 77 K (жидек азот аймағының температурасы) температурасындағы критикалық ағын тығыздығы; TC - критикалық температура; T - суперкондуктордың температурасы.

Теңдеу (1) бойынша, ағын тығыздығы J өссе, суперкондуктордың электр тартылуының күштілігі E тез өседі, оның индуктивтігі өседі. Индуктивтік өсімінің термодинамикалық әсерінің күштілігі өседі, теңдеу (2) бойынша, суперкондуктордың температурасы сәйкес өседі.

Теңдеу (3) бойынша, температураның өсуі критикалық ағын тығыздығын азайтады, электр тартылуының күштілігі E өседі, суперкондуктордың индуктивтігі өзара өседі. Индуктивтік өсімінің күштілігі өссе, суперкондуктордан жылу төмендету қолданыстағы жылуға теңестікке өтеді, температура тұрақтылауы, сондықтан нормаль индуктивтік жағдайға өтеді.

1.2 R-SFCL-дің қызықты DC системаларында қолданылуы

Қызықты DC ағында, DC ағындың жабыс ағын жоқ. Егер жабыс ағын пайда болса, жабыс ағын тез өсетіні, системадағы электр құрылғыларға зор қауіп тудыруы мүмкін. Системаның қауіпсіздігін қамтамасыз ету үшін, цепьдің қысқартылған сызығын тез бөлу қажет. Азықта, DC цепьдің қысқартылған сызықтары практикалық қолданыс талаптарын толық қанағаттандырған жоқ.

DC жағында жабыс ағын пайда болғанда, AC жағындағы цепьдің қысқартылған сызығы көбінесе жою қолданылады, бірақ бұл неизбежно айналу станциясын тоқтатады, және бұл уақытта электр құрылғылары артық ағыннан қозғалысқа ұшырай алады. DC қорғау барлық қорғау қатарын бірнеше миллисекунд ішінде аяқтау керек, ал AC цепьдің қысқартылған сызығының ең жылдас қозғалу уақыты көбінесе 50 миллисекунд, сондықтан ол системадағы электр құрылғыларын әсерінен қорғау үшін әділетті емес.

Азықтағы технология R-SFCL-лерді қысқартылған сызықты жою қозғалысынан өзара 3 миллисекунд ішінде нормаль индуктивтік жағдайға өтуге қолданылады. Индуктивті емес суперкондуктивті жұлдыздық ағын шектейтін құрылғы қысқартылған сызықты жою қозғалысынан дауысқа өту қозғалысынан өзара ыңғайлырақ болып табылады, және жабыс ағынды азайту үшін жоғары импеданс жағдайына өту керек.

2 Қызықты DC системаларындағы DC жабыс ағындың қасиеттері

Жабыс ағын нүктесінің орны тек системаның импедансына әсер етеді, ағын жолының немесе жабыс ағындың негізгі қасиеттеріне әсер етпейді. Моделирование үшін ыңғайлырақ, жабыс ағын DC сызығының ортасында орналастырылады және металлдық жабыс ағын деп қабылданады. PSCAD/EMTDC арқылы эки терминалды қызықты DC системасының модельі және R-SFCL модельі құрылады, системаның номиналдық напряжениесы ±110 кВ, номиналдық қуаты 75 МВт. R-SFCL-дің орналасуы Фигуре 1-де көрсетілген.

Егер DC жабыс ағын пайда болса, IGBT-дің блокирлайтын функциясы арқылы жабыс ағынды анықтай алатын және IGBT-ді тутып қоятын. Бірақ, IGBT-ге параллель түрде қосылған диодтар және передача сызықтары басқарылмайтын мостты ректификаторды құрайды, IGBT тутылғаннан кейін да коммуникация үнемдейді. DC жабыс ағындың негізгі үш этапы бар: бірінші этап - жабыс ағын пайда болғаннан кейін, DC жағындағы конденсатор тез зарядын жою және бірнеше миллисекунд ішінде DC ағын өзінің максималдық мәніне өсті.

Екінші этап - конденсатор напряжениесы нөлге өткеннен кейін, диодтар арқылы өтетін ағын олардың номиналдық ағындан он есе асатын, сондықтан электр құрылғылары өте қатты қозғалысқа ұшырай алады. Үшінші этап - DC жабыс ағын AC түрінен төменгі мәнге өткеннен кейін, AC түрі DC жабыс ағын нүктесіне жабыс ағынды қосады. DC жерге жабыс ағын пайда болғанда, екінші этап жоқ, бірақ оның қасиеттері DC жабыс ағынға ұқсас.

AC ағынды қосу кезінде, диодтар арқылы өтетін жабыс ағын олардың номиналдық ағындан он есе асатын. Бұл екі түрі DC жабыс ағындың қызықты DC системасындағы ағын жолы Фигурелер 2 және 3-те көрсетілген. Жабыс ағын жолына R-SFCL-ді орналастыру жабыс ағын контурының индуктивтігін тез өсіреді, жабыс ағынды азайту үшін көбірек уақыт береді және DC цепьдің қысқартылған сызығының өзінің ачылу уақыты және ағынды азайту қабілеті талаптарын азайтады.

3 Моделирование және талдау

PSCAD/EMTDC моделирование программасын пайдаланып, құрылған R-SFCL модельі 75 МВт қуаты бар эки терминалды қызықты DC системасының модельіне интегралдау арқылы тексеріледі. DC жабыс ағындың ағын шектейтін қасиеті Фигуре 4-те, ал DC жерге жабыс ағындың ағын шектейтін қасиеті Фигуре 5-те көрсетілген. Фигурелер 4 және 5-тен көрінетінімен, нормаль индуктивтік жағдай өссе, жабыс ағынының максималдық мәні азайады. Рады, R-SFCL-дің индуктивтігі және орнатуынан кейінгі жабыс ағынының максималдық мәні арасында белгілі бір функционалдық байланыс бар.

Қолдану аумағын кеңейту үшін, өзіндік модель қадам-қадамымен 75 МВт, 150 МВт және 300 МВт үш системаның қуатына қалаулық құрылды. DC жабыс ағын және DC жерге жабыс ағын кезінде, R-SFCL-дің нормаль индуктивтік мәні мен жабыс ағынының максималдық мәні арасындағы байланысты изучу үшін, жабыс ағынының максималдық мәндері алынды. Нәтижелер Фигурелер 6 және 7-де көрсетілген.

MATLAB-дегі криваялық функциясын пайдаланып, Фигурелер 6 және 7-дегі криваялар f(x) = ae⁻ᵇˣ + c форматындағы функционалдық теңдеулерге сайланып, конкретті параметрлер таблица 1-де көрсетілген. Сайланған функцияның туындысы f'(x) = -abe⁻ᵇˣ. Таблица 1-ден көрінетінімен, бірдей жабыс ағын түрі үшін параметр b тұрақты, ал параметр a системаның қуатымен өседі. b параметрі өте аз болғандықтан, бірдей жабыс ағын түрі үшін криваялардың бұрыштық теңдеулері өте ұқсас.Сондықтан, бірдей нормаль индуктивтік мәні бар R-SFCL-лер бірдей жабыс ағын түрі үшін әртүрлі системаның қуатында жабыс ағынының максималдық мәнінің өзгеру қысқытығы ұқсас, бұл өзара ыңғайлы ағын шектейтін қасиеттерді көрсетеді.

Осында, R-SFCL-дің нормаль индуктивтік мәні сызықты өссе, оның ағын шектейтін қасиеті өзара өсіреді. Фигурелер 6 және 7-дегі криваялардың бұрыштарына байланысты, R-SFCL-дің нормаль индуктивтік мәнінің 0–10 Ω аралығындағы оптималь мәні жабыс ағынының максималдық мәнін өзара өсіру үшін ыңғайлы.

4 Жалпы сөз

Өзара қызықты DC ағындағы айналу станциясының DC шығыс жағына R-SFCL-ді орнату DC жабыс ағындарын өзара өсіру үшін ыңғайлы. R-SFCL-дің индуктивтік мәні сызықты өссе, оның ағын шектейтін қасиеті өзара өсіреді. Зерттеулердің азықтағы жағдайы, инженериялық заттар, және жер ауданы талаптарын ескере отырып, R-SFCL-дің оптималь нормаль индуктивтік мәні 0–10 Ω аралығында болуы ұсынылады.