В последние годы во всех отраслях экономики отмечается значительный рост объема и плотности электропотребления в системах электроснабжения. При этом существует острая проблема высокого уровня нормируемых технологических потерь электрической энергии. С учетом жестких требований по его качеству и надежности наиболее эффективным и кардинальным техническим решением этой проблемы является применение инновационного электрооборудования. Для подстанций это ТCТ, обмотки которых выполняются с использованием явления высокотемпературной сверхпроводимости, а сердечники — из аморфных ферромагнитных материалов. Такие решения используются в конструкциях силовых трансформаторов (СТ) как по отдельности, так и совместно.

Всё это особенно актуально для напряженных и ответственных систем электроснабжения нефтяных месторождений. Можно констатировать, что перечисленные мероприятия пока не имеют широкого применения в существующих системах электроснабжения. Это связано с тем, что отечественная электротехническая промышленность практически еще не освоила производство названного электрооборудования, а зарубежное электрооборудование по многим причинам еще не получило должного распространения. Кроме того, отсутствует нормативная база по созданию и эксплуатации перспективных систем электроснабжения, включающих в себя инновационное электрооборудование и, прежде всего, то, что связано с построением адекватных математических моделей для анализа их рабочих режимов [1–8].

Первые два свойства обеспечивают низкие потери на гистерезис, а последние — низкие потери на вихревые токи [9]. Высокое удельное сопротивление материала является основным критерием для обеспечения низких потерь на вихревые токи. Магнитное поле, создаваемое обмотками, пронизывает магнитопровод. Под действием изменяющегося магнитного поля возникают токи Фуко. Так как сопротивление магнитопровода велико, то сила индукционного тока будет мала. Принимая во внимание правило Ленца, токи в магнитопроводе, наведенные обмотками, протекают таким образом, чтобы в наибольшей мере противодействовать причине, вызывающей их протекание. Это говорит о том, что высокое удельное сопротивление будет обеспечивать низкие потери на вихревые токи.

Целью данной работы является определение магнитных характеристик аморфной стали в конструкции магнитопровода силового трансформатора для снижения потерь холостого хода как значительной части технических потерь электрической энергии и мощности в электроэнергетических системах.

В рамках данной работы в программном пакете Ansys Maxwell были созданы математические модели АМТ и ТСТ (рис. 1). Существенные различия данных конструкций заключаются в магнитопроводе. У АМТ магнитопровод выполнен из листов аморфного сплава толщиной всего 0,035 мм. У ТСТ магнитопровод выполнен из листов холоднокатаной электротехнической стали 3404, толщина которой 0,35 мм.

Также в модели были учтены магнитные свойства для марки сплава АМТ и марки стали ТСТ, которые представлены в таблице 1.

Расчет потерь активной мощности, распределения напряженности магнитного поля, а также магнитной индукции производился методом конечных элементов. Метод основан на разбиении спроектированных моделей АМТ и ТСТ, состоящих из сплошных тел, на конечные элементы исчислимого количества. Расчет заключается в аппроксимации дискретной модели, которая создается из множества кусочно-непрерывных функций определенных в конечном числе подобластей (элементов).

Результаты моделирования представлены на рисунках 2 и 3. Магнитная индукция и напряженность магнитного поля у АМТ на порядок выше, что говорит о его лучших магнитных характеристиках в сравнении с ТСТ.

По результатам моделирования для АМТ и ТСТ были построены графики зависимости потерь активной мощности на вихревые токи в сердечнике силового трансформатора от времени (рис. 4).

Из графика видно, что потери в трансформаторе с аморфным магнитопроводом значительно ниже, чем в традиционном силовом трансформаторе. Среднее значение потерь на вихревые токи для ТСТ составило 290,5 Вт. Для АМТ — 41,9 Вт. Проведенные расчеты позволяют судить о том, что потери холостого хода в АМТ почти в 7 раз меньше, чем в ТСТ.

При использовании аморфного магнитопровода совместно со сверхпроводниковыми обмотками возможны две разные конструкции, отличающиеся конструкцией криостата. В первом случае в криостат помещаются только обмотки трансформатора, а магнитопровод находится при нормальных условиях (теплое исполнение). Во втором случае в криостат помещаются магнитопровод с обмотками целиком. В связи с этим вопрос изменения магнитных свойств аморфного магнитопровода и влияние этого изменения на передаточную функцию всего трансформатора представляет научный интерес.

Для опытного анализа токовых характеристик аморфного магнитопровода в зависимости от его температуры авторским коллективом был собран экспериментальный тороидальный трансформатор (рис. 5)

с габаритами 120:80:20 мм с магнитопроводом из ленточной аморфной стали. Обе обмотки выполнены проводом марки ПЭЛШКО диаметром 1 мм. Эксперимент проводился при температуре кипения жидкого азота (77, 4К).

В качестве входного сигнала использовался меандр с генератора НЧ Г3-112. Снятие характеристик производилось цифровым осциллографом Hantek idso1070a. Как видно из рисунка 6, передаточная функция аморфного магнитопровода обладает высоким качеством, о чем свидетельствует малый сдвиг между входным и выходным сигналом напряжений. Данное явление вызвано очень высокой начальной магнитной проницаемостью. Необходимо сравнить начальный участок характеристики на осциллограмме 6А при нормальных условиях с нисходящей частью осциллограммы 6Б, отвечающей криогенному состоянию, — оба графика показывают один переходный процесс, описывающий реакцию вторичной обмотки на установление магнитного потока при проистечении в цепи первичной обмотки входного токового сигнала. Схожие по амплитуде, но разные по величине падения напряжения на активном сопротивлении вторичной обмотки позволяют сказать, что изменение температуры аморфного магнитопровода влияет на его магнитные параметры в лучшую сторону, но не значительно.