В трансформаторе возникло «охлаждение»

Ученые кафедры «Энергоснабжение электрических железных дорог» МГУПСа совместно с научными центрами Москвы и Санкт-Петербурга разработали принципиально новый вариант тяговой подстанции на сверхпроводниках.

- С внедрением новой технологии исчезнут проблемы нагрева трансформаторов тяговых подстанций, медные токопроводящие части не будут терять упругость и расплавляться, а изоляция прогорать, — пояснил «Гудку» доктор технических наук, профессор Владимир Пупынин преимущества новой тяговой подстанции. Достигается это за счет охлаждения индуктивных катушек до минус 265 градусов по Цельсию, в результате чего они превращаются в сверхпроводники. Сопротивление (резистивность) исчезает, если индуктивные катушки поместить в криостаты с жидким гелием или азотом, в которых специальными устройствами (криокуллерами) поддерживается необходимая температуры хладагента (от 4,5 до 65 градусов по Кельвину, или от минус 200 до минус 265 градусов по Цельсию). Потери электроэнергии при этом сокращаются практически на 100%. Значительно уменьшаются габариты и вес тяговой подстанции при существенном увеличении ее перегрузочной способности.

Как показали испытания, сверхпроводниковый трансформатор (СПТ) выдерживает двукратные перегрузки напряжения в течение двух суток, а десятикратные — до 5 минут. Действующие трансформаторы способны выдерживать перегрузку в 1,3 раза в течение двух часов, после чего выходят из строя. Получается, что при существующих требованиях к надежности для «холодных» подстанций вообще не нужны резервные мощности — дополнительные трансформаторы.

Кроме того, сверхпроводниковое оборудование пожаробезопасно, так как в любом состоянии ни гелий, ни азот не горят и не поддерживают горение.

Настоящая революция в области энергоснабжения железных дорог произойдет, если на тяговых подстанциях установить разработанные в университете сверхпроводниковые индуктивные накопители энергии (СПИНЭ) — «холодные» катушки большой индуктивности с полупроводниковым управляемым преобразователем.

СПИНЭ вне зависимости от типа подстанции (переменного или постоянного тока) подключаются непосредственно к тяговым шинам и подзаряжаются в моменты отсутствия тяговой нагрузки. А затем отдают ток в контактную сеть в моменты пиковых нагрузок. При этом размеры сверхпроводникового трансформатора уменьшатся в 1,25 — 1,4 раза, а вес — втрое.

С помощью разработанных в МГУПСе сверхпроводниковых ограничителей тока (СОТ) размером не более обыкновенного стула будет решена проблема коротких замыканий при токосъеме. Они надежны и долговечны, так как не имеют трущихся механических частей. Их сопротивление при нормальном режиме работы практически равно нулю, но резко возрастает при достижении в цепи критического значения тока. Это позволяет ограничить ток короткого замыкания до требуемой величины.

Установка СОТ на фидерах тяговых подстанций постоянного и переменного тока повысит надежность отключения коротких замыканий в контактной сети коммутационными аппаратами (выключателями). Будут исключены случаи их отказов. Силовое оборудование и токоведущие части будут надежно защищены от электродинамического и термического воздействия, а контактные провода в месте дугового короткого замыкания — от пережогов.

Установка СОТ на вводах существующих тяговых подстанций переменного тока позволит примерно в 10 раз снизить количество повреждений понижающих трансформаторов и значительно продлить срок их службы.

Обладая высоким быстродействием (полное время ограничения тока составляет 2?5 мс), СОТ не только уменьшает ток короткого замыкания, но и полностью «срезает» амплитуду ударного тока при замыкании, на что не способен ни один из самых совершенных выключателей переменного тока.

Суммарная годовая экономия электроэнергии при замене существующего резистивного оборудования (преобразовательного трансформатора и реактора сглаживающего устройства) сверхпроводниковыми на подстанции Дмитров Московской железной дороги составила 200000 кВт/ч, или 360000 руб. в год. А ежегодная экономия от снижения количества пережогов проводов контактной сети и рисков возникновения более тяжелых аварий из-за коротких замыканий достигла 1,9 млн руб.

В перспективе, по мнению ученого, появится возможность строить полностью закрытые тяговые подстанции постоянного и переменного тока, практически не нуждающиеся в обслуживании.

За сверхпроводниковыми устройствами — будущее, считают ученые университета, но оно может удаляться или приближаться в зависимости от размеров финансирования исследований. По плану НИОКР на 2007 год на создание сверхпроводниковой тяговой подстанции ОАО «РЖД» планирует выделить 4 млн руб., в то время как РАО «ЕЭС России» на аналогичные исследования потратит 1 млрд руб.