W poszukiwaniu wyższych sprawności
19-06-2024
Jednym z najważniejszych parametrów maszyn energetycznych jest sprawność. Wskaźnik ten określa, jaką część pobranej energii maszyna przetwarza na użyteczną pracę. Zgodnie z zasadą zachowania energii praca wykonywana przez dane urządzenie jest mniejsza od dostarczonej do niego energii o straty (energii) w niej wydzielane. Im mniejsze straty, tym wyższa sprawność i tym bardziej efektywne ekonomicznie jest działanie maszyny. W przypadku transformatorów energetycznych wydzielają się w nich straty obciążeniowe (ciepło Joule'a wydzielane przez prądy przepływające w uzwojeniach) i straty w rdzeniu (zależne od napięcia). Od dawna konstruktorzy i projektanci transformatorów dokładają starań, by ograniczyć w możliwie największym stopniu wspomniane straty energii. W końcu XX wieku udało się przebadać i wdrożyć do eksploatacji prototypy zupełnie nowych konstrukcji transformatorów o korzystniejszych parametrach działania. Poniżej zaprezentowano dwa obiecujące rozwiązania techniczne tych urządzeń firmy ABB i perspektywy ich szerszego zastosowania.
Transformatory na bazie materiałów nadprzewodnikowych
Rozwój fizyki ciała stałego umożliwił opracowanie doskonalszych materiałów elektrotechnicznych. Sposobem obniżenia strat w transformatorach energetycznych stało się zastosowanie nowych materiałów do wykonania uzwojeń, a mianowicie wysokotemperaturowych nadprzewodników określanych skrótowo HTS (High Temperature Superconductors). Materiały wykazujące nadprzewodność w temperaturach niższych od tzw. krytycznej (dla HTS wynosi od 30 do 139 st. K) zostały odkryte w końcu lat 1980-tych i niebawem znalazły zastosowanie w wielu urządzeniach elektroenergetycznych. Zbudowano prototypy nadprzewodnikowych generatorów i silników dużej mocy, ograniczników prądu zwarcia, a także transformatorów. W zakresie nadprzewodnictwa materiały HTS wyróżniają się znikomymi stratami mocy przy wysokiej gęstości prądu. Przejście od praktycznie pomijalnej oporności elektrycznej do wysokiej wartości następuje skokowo po utracie własności nadprzewodzących. Pierwszą z tych zalet wykorzystano do konstrukcji uzwojeń transformatorów energetycznych w celu obniżenia obciążeniowych strat mocy (tj. strat cieplnych w uzwojeniach). Pierwszy w świecie transformator z wykorzystaniem materiału HTS wyprodukowała firma ABB przy współpracy ze specjalistami z USA i Francji. W marcu w 1997 r. transformator nadprzewodnikowy o znamionowych napięciach 18,7/0,4 kV i mocy 630 kVA został włączony do pracy w sieci miejskiej Genewy. Należy zaznaczyć, że nieco wcześniej (listopad 1996 r.) ABB uruchomiła również pierwszy w przemysłowych sieciach ogranicznik prądu zwarcia na bazie tychże materiałów HTS. Transformator z uzwojeniami HTS zamiast miedzi nie posiada praktycznie rezystancji w temperaturze niższej od pewnej progowej (krytycznej) wartości.
