تشنغدو شوانغشينغ تقدم لك خدمات محولات متكاملة.
تصميم وتحليل المفاعلات الفائقة التوصيل من فئة kA
اليوم، تُستخدم المفاعلات على نطاق واسع في أنظمة الطاقة الحديثة، حيث تؤدي وظائف أساسية مثل الحد من التيار، وتعويض الطاقة غير النشطة، وكبح تيارات الأعطال. وتلعب دورًا حيويًا في الحفاظ على جودة الطاقة وضمان إمدادات كهربائية موثوقة عند حدوث أعطال قصر الدائرة داخل نظام الطاقة نفسه أو عند تعطل المعدات الكهربائية الرئيسية. ومن خلال استخدام محددات تيار العطل فائقة التوصيل بدرجة حرارة مرتفعة، تتحكم هذه الأجهزة بفعالية في تيارات الأعطال، مما يبقيها ضمن حدود آمنة أثناء الظروف غير الطبيعية. وفي الوقت الحالي، تعمل عدة منظمات وشركات كهربائية بنشاط على تطوير محددات تيار العطل فائقة التوصيل. وعلى الصعيد العالمي، تم بالفعل إنشاء العديد من الأمثلة التصميمية لمثل هذه الأجهزة. وبشكل عام، تندرج معظم محددات تيار العطل فائقة التوصيل بدرجة حرارة عالية ضمن فئات مثل محددات HTS من النوع الحثي، ومحددات HTS من نوع التشبع المغناطيسي ذات النواة الحديدية [1]، [2]، ومحددات HTS القائمة على المحولات [3]، [4]، [5]، [6]، ومحددات HTS غير الحثية [7]. وجميع هذه التصاميم تثبت أنها ذات قيمة كبيرة في كبح تيارات الأعطال في شبكات النقل والتوزيع على حد سواء.
مقدمة
اليوم، تُستخدم المفاعلات على نطاق واسع في أنظمة الطاقة الحديثة، حيث توفر وظائف أساسية مثل الحد من التيار، وتعويض الطاقة غير النشطة، وكبح تيارات الأعطال. وتلعب دورًا حيويًا في الحفاظ على جودة الطاقة وضمان إمدادات كهربائية موثوقة عند حدوث أعطال قصيرة الدائرة داخل نظام الطاقة نفسه أو عند تعطل المعدات الكهربائية الرئيسية. ومن خلال الاستفادة من أجهزة الحد من تيارات الأعطال فائقة التوصيل العاملة بدرجة حرارة مرتفعة، تتحكم هذه الأجهزة بشكل فعال في تيارات الأعطال، مما يبقيها ضمن حدود آمنة أثناء الظروف غير الطبيعية. وفي الوقت الحالي، تعمل عدة منظمات وشركات كهربائية بنشاط على تطوير أجهزة الحد من تيارات الأعطال فائقة التوصيل. وعلى الصعيد العالمي، تم بالفعل إنشاء العديد من الأمثلة التصميمية لهذه الأجهزة. وبشكل عام، تندرج معظم أجهزة الحد من تيارات الأعطال فائقة التوصيل العاملة بدرجة حرارة مرتفعة ضمن فئات مثل أجهزة الحد من النوع الحثي ذات الموصلية الفائقة العالية الحرارة، وأجهزة الحد من النوع المغناطيسي المشبع بقلب حديدي [1]، [2]، وأجهزة الحد المستندة إلى المحولات ذات الموصلية الفائقة العالية الحرارة [3]، [4]، [5]، [6]، بالإضافة إلى أجهزة الحد غير الحثية ذات الموصلية الفائقة العالية الحرارة [7]. وجميع هذه التصاميم تثبت أنها ذات قيمة كبيرة في كبح تيارات الأعطال في كل من شبكات النقل والتوزيع.
تشمل أخطاء نظام الطاقة بشكل رئيسي الدوائر القصيرة ثلاثية الأطوار، والدوائر القصيرة ثنائية الأطوار، وأعطال ثنائي الأطوار إلى الأرض، وأعطال الأطوار الواحدة إلى الأرض. ووفقًا لإحصائيات شركة شبكة الكهرباء الوطنية لعام 2008 بشأن شبكتها ذات الجهد 220 كيلوفولت - التي تغطي ما مجموعه 6,434 خط نقل و2,407 حالات أعطال - شكّلت أعطال الأطوار الواحدة إلى الأرض 91.23% من إجمالي الأعطال المسجلة. هذا يُبرز بوضوح أن معالجة أعطال الأطوار الواحدة إلى الأرض أصبحت قضية أساسية لتحسين جودة الطاقة وضمان إمداد كهربائي موثوق به.
في نظام غير مأرضٍ بشكل مباشر عند نقطة محايدة، عندما يحدث عطل أحادي الطور إلى الأرض، يكون تيار العطل صغيرًا نسبيًا، وتبقى جهود الخطوط بين الأطوار الثلاثة متوازنة—مما يعني أن الإمداد للحمل لا يتأثر. ونتيجة لذلك، في معظم الحالات، يُسمح للنظام بالاستمرار في التشغيل لمدة تتراوح من ساعة إلى ساعتين. خلال هذا الوقت، يمكن للفريق الفني تحديد العطل وإصلاحه على الفور، مما يضمن استمرار إمداد الطاقة دون انقطاع إلى خطَّي الطورين المتبقيَّين. ولتحقيق هذه التشغيلية المستمرة، غالبًا ما يتم توصيل مفاعلة محدودة التيار بنقطة محايدة المحول، مما يوفر حماية فعالة ضد أعطال الأطوار الواحدة إلى الأرض في شبكة الطاقة.
تقدم هذه المقالة نظرة عامة على تصميم مفاعلات بفئتي 100 أمبير و1 كيلو فولت أمبير تعتمد على أشرطة موصلية فائقة من نوع DI-BSCCO. يشمل المحتوى: الجزء 2، الذي يركز على تصميم المفاعلات الفائقة التوصيل ذات درجات الحرارة العالية؛ والجزء 3، الذي يوضح تقييم أداء المفاعلات الفائقة التوصيل في حالات أعطال القصر أحادي الطور إلى الأرض في النظام؛ والجزء 4، الذي يقدم الحسابات والتحليلات المقابلة لفقدان الهستيريس والمفقودات الناتجة عن المغنطة لمفاعل فائق التوصيل بدرجة حرارة عالية من فئة 1 كيلو أمبير عند تعرضه لظروف مثل التيارات الاندفاعية والتيارات الناتجة عن الأعطال في خط الطاقة.
تصميم المفاعلات الفائقة التوصيل ذات درجات الحرارة العالية
يعرض الجدول 1 والشكل 1 المعلمات الرئيسية لأداء المفاعلات الفائقة التوصيل العالية الحرارة من فئة 100 أمبير وفئة 1 كيلو أمبير. تتميز هذه المفاعلات بهيكل نواة أحادي الطور بثلاثة أعمدة، مما يساعد في تقليل التكاليف من خلال الاستغناء عن منظمات الحرارة غير المغناطيسية وأنظمة التبريد. يتم تجميع النواة باستخدام صفائح فولاذية سيليكونية عالية النفاذية ومدرفلة على البارد من درجة 30Q130، ويبلغ قطرها 100 مم مع مساحة مقطع عرضي فعّالة قدرها 66.595 سم². أما ارتفاع وعرض النافذة الحديدية فهما 430 مم و120 مم على التوالي. يتكون كل لفائف فائق التوصيل عالي الحرارة من طبقتين، وكل طبقة تحتوي على خمس لفات. وفي مفاعل فئة 100 أمبير، يتم صنع اللفافة من طبقة واحدة من شريط DI-BSCCO يعمل عند درجة 77 كلفن. يسرد الجدول 2 المعلمات الرئيسية لشريط DI-BSCCO. أما بالنسبة لمفاعل فئة 1 كيلو أمبير، فتُلَف ثلاث أشرطة DI-BSCCO معًا لتشكيل اللولب المركزي المكون من 30 لفة. ومع ذلك، في الطبقات الأربع الأخيرة من اللفافة، تُستخدم أربع أشرطة DI-BSCCO بدلاً من ذلك. تم تصميم هذا الترتيب لضمان بقاء التيار الحرج في اللفائف الموجودة عند طرفي اللفة أقل بكثير منه في الجزء الأوسط. يشكّل اللولب المركزي المكون من 30 لفة تكوينًا حلزونيًا متكاملًا، بينما تُرتَّب لفائف الطبقات الطرفية الأربعة على شكل لفتين مزدوجتين. وللحفاظ على حالة التوصيل الفائق لللفائف العالية الحرارة، يتم تبريد المفاعل بالكامل باستخدام وحدة تبريد تقليدية بقدرة 20 واط/20 كلفن.
صمم المفاعلين الفائقَي التوصيل عاليَي الحرارة الموضَّحَين أعلاه ليحلّا محل مفاعل تقليدي ملفوف بأسلاك نحاسية. في مفاعل الأسلاك النحاسية، يتم استخدام هيكل لُب ذي عمودَين وأحادي الطور للحفاظ على التوازن المغناطيسي الداخلي وتعزيز الاستقرار الميكانيكي العام. ويتم لف الملفَّين النحاسيَّين في اتجاهين متعاكسَين وتركيبهما على عمودَي اللب. يتكون كل ملف نحاسي من وحدتَي ملف متحدَّي المحور متصلتَين على التوالي، مما يضمن أداءً فائقًا للتبريد بواسطة زيت التبريد المحيط (كما هو موضح في الشكل 1c). يبلغ ارتفاع كل وحدة ملف 292 ملم، مع قطر داخلي قدره 150 ملم وقطر خارجي قدره 166 ملم للوحدة الداخلية، وقطر داخلي قدره 178 ملم وقطر خارجي قدره 194 ملم للوحدة الخارجية. وتبلغ قيمة التيار الجذر الوسطي المقنن الذي يمر عبر الملفات 52 أمبير.
تقييم ومقارنة المفاعلات ذات اللفائف الفائقة التوصيل والنحاسية تحت ظروف أخطاء الأرض أحادية الطور
حساب الخسارة لمعاملات التيار المتردد
في المحولات الفائقة التوصيل ذات درجات الحرارة العالية من فئة 100 أمبير وفئة 1 كيلو أمبير، تتألف خسائر التيار المتردد فقط من خسائر الهيستيريسيس وخسائر المغنطة. ومن الممكن تحديد قيمة عند ذروة التيار I. م والتيار الحرج I ج العامل النسبي i، مما يؤدي إلى فقد الهستيريس P لكل وحدة طول. هيس وخسارة الهستيريس المغناطيسية P ماغ يمكن تقديره بـ [8].
Ec هو المجال الكهربائي الحرج، ويُقاس بوحدات 10⁻⁴ فولت/متر. يمكن تقدير التيار الحرج Ic والأس النوني n كما يلي [10]:
تقييم الأداء ومقارنته
باستخدام برنامج اقتران متعدد الفيزياء، تم إنشاء نموذج مزدوج للمفاعلات الفائقة التوصيل ذات درجة الحرارة العالية من فئتي 100 أمبير و1 كيلوأمبر. وفي ظل حالات أعطال الدارة القصيرة أحادية الطور إلى الأرض، بلغت القيم الفعالة لتيارات التشغيل لكلا المجموعتين من المفاعلات 52 أمبيرًا. وتوضَّح توزيعات الحقل المغناطيسي في الأطوار المختلفة في الشكلين 2 و3. وعلى وجه الخصوص، عندما كانت زوايا الطور 30° و60° و90°، بلغت كثافات التدفق المغناطيسي المقابلة في الفجوة الهوائية 0.65 تسلا و1.13 تسلا و1.31 تسلا على التوالي. ولإبراز الاختلافات بوضوح، تم تحديد القيم العددية بحد أقصى قدره 0.05 تسلا لأغراض التصور. ونتيجة لذلك، يتضح أن توزيعات الحقل المغناطيسي لمجموعتي المفاعلات متشابهة بشكل ملحوظ.
يوضح الشكل 4 توزيع التيار الحرج الأدنى عبر طبقات الملفات المختلفة في مفاعل فائق التوصيل عالي الحرارة من فئة 100 أمبير. تم ترقيم الطبقات تباعًا ابتداءً من الطبقة العليا (Nlayer = 1) عند ملف اللفة الرابعة والثلاثين وصولًا إلى الطبقة السفلية (Nlayer = 34). يُرمز للتيار الحرج الأدنى لكل طبقة من طبقات الملف بـ Icmin. وبسبب التوزيع غير الموحد للمجال المغناطيسي، فإن الطبقتين الوسطيين (Nlayer = 17 وNlayer = 18)، حيث تسير خطوط المجال المغناطيسي بشكل موازٍ للملفات، تظهران أعلى قيم لـ Icmin. وعندما يعمل الملف بأكمله في بيئة فائقة التوصيل، يصل التيار الحرج الكلي لللفة الفائقة التوصيل عالي الحرارة إلى 132 أمبير. ويُظهر الشكل 5 خسائر المغنطة المقابلة لكل طبقة من طبقات الملف. ومن الجدير بالذكر أن أعلى قيم لخسائر المغنطة—14 مللي واط/متر—تم رصدها في طبقتي اللفة الثالثة عشرة والثانية والعشرين. وبالنسبة لمفاعل فائق التوصيل عالي الحرارة من فئة 1 كيلو أمبير، فإن أقصى تيار حرج يمكن تحقيقه هو 2.78 كيلو أمبير.
يعرض الجدول 3 مقارنة أداء بين المفاعلات الفائقة التوصيل ذات درجة الحرارة العالية من فئة 100 أمبير وفئة 1 كيلو أمبير. بالنسبة لمفاعل فئة 100 أمبير، تبلغ خسائر المغنطة الكلية \( P_{\text{magt}} \) وفقدان الهيستيريسيس \( P_{\text{hyst}} \) في الملف الفائق التوصيل ذي درجة الحرارة العالية بأكمله حوالي 0.14 واط و1.51 واط، على التوالي. وبالنظر إلى الظروف العملية [10]، عند استخدام مبرد حراري تقليدي، تكون طاقة التبريد المطلوبة حوالي 2.8 واط. وفي الضغط الجوي، يخزن النيتروجين السائل الحرارة بـ 161 كيلوجول/لتر، ويستغرق الأمر حوالي 16 ساعة حتى يتبخر كل لتر من النيتروجين السائل بالكامل.
بافتراض أن المقاومة النوعية لموصل النحاس المستوي تبلغ 0.0175 Ω·مم²/م، وأن المقاومة الكلية للملف النحاسي تبلغ حوالي 0.0535 Ω، فإن فقدان الطاقة الناتج عن المقاومة يبلغ 144.6 واط، مع نسبة مناظرة \( K_p \) [\( = P_{\text{النحاس}} / P_{\text{GM}} \)] قدرها 0.0194. ومن حيث حجم الملف، يبلغ حجم الملف النحاسي \( V_{\text{النحاس}} \) حوالي 11,380 سنتيمتر مكعب، مما يعطي نسبة \( K_v \) [\( = V_{\text{HTS}} / V_{\text{النحاس}} \)] قدرها 0.0178. يوضح الشكل 6 عوامل التحجيم للمفاعلات الفائقة التوصيل التي تُصنَّف بقدرة 100 أوم و1 كيلوأوم.
تقييم ومقارنة أداء مفاعلات اللفائف الفائقة التوصيل مقابل النحاس تحت ظروف تيار الدفعة
خلال التشغيل الفعلي، يمكن أن يواجه كلا المفاعلين فائقي التوصيل ومفاعلات الملفات النحاسية الملفوفة تيارات طارئة كبيرة. أظهرت الحسابات التي أُجريت على مفاعل نقطة وسط محول بجهد 110 كيلوفولت تم تركيبه في سيتشوان لصالح شبكة الكهرباء الوطنية، أن نقطة وسط المفاعل لديها تصنيف تيار مستقر حراريًا قدره 1.52 كيلو أمبير، مع مدة ضبط تبلغ 10 ثوانٍ. عند مستوى التيار هذا، يتم توضيح التوزيع العمودي للمجال المغناطيسي لمفاعل فئة 1 كيلو أمبير في الشكل 7. ومن اللافت للنظر أن الجزء الأكبر من مكون المجال المغناطيسي المتوازي يتركز في المنطقة الوسطى من طبقات الملف. ومع ذلك، بالقرب من نهايتي الملف، يصبح مكون المجال المغناطيسي العمودي أقوى بشكل ملحوظ.
الشكل 10. نسبة Kp إلى Kv لمفاعل الموصلات الفائقة عالي الحرارة من فئة 1 كيلو أمبير
يوضح الشكل 9 توزيع فقدان التيار المتردد في المفاعل الفائق التوصيل عالي الحرارة بقدرة 1 كيلو أمبير. وتبلغ القيم القصوى لـ Pmag و Phys على التوالي 0.157 واط/متر و0.356 واط/متر. كما يبلغ إجمالي فقدان المغنطة (Pmag) وفقدان الهستيريس (Phys) للملف الفائق التوصيل عالي الحرارة 2.1 واط و15.5 واط، على التوالي. وبالتالي، يصل إجمالي فقدان التيار المتردد إلى 17.6 واط، وهو أقل من قدرة التبريد المصممة البالغة 20 واط. وعند التبريد في درجة حرارة محيطة تبلغ 20 كلفن، ستكون خسائر الثلاجة أكبر بـ 100 إلى 200 مرة من خسائر المغنطة والهستيريس مجتمعتين، وقد تصل تقريباً إلى حوالي 3.52 كيلوواط. وفي المقابل، ترتفع الخسائر المقاومة بالفعل في مفاعل الملف النحاسي لتصل إلى ما يصل إلى 123.61 كيلوواط. ويعرض الشكل 10 نسبة Kp إلى Kv لمفاعل الفائق التوصيل عالي الحرارة من فئة 1 كيلو أمبير. وبالمقارنة مع المفاعل الملف النحاسي، فإن خسائر الطاقة وحجم اللفائف لمفاعل الفائق التوصيل عالي الحرارة من فئة 1 كيلو أمبير قد انخفضت إلى 0.0285 و0.046 ضعف قيمها السابقة على التوالي.
الخاتمة
تقدم هذه الورقة تصميم مفاعلات فائقة التوصيل تعمل عند درجات حرارة عالية بفئتي 100 أمبير و1 كيلو أمبير، إلى جانب تحليل مقارن مع المفاعلات الملفوفة بالنحاس. يُعوّض مفاعل HTS من فئة 100 أمبير، الذي تم لفه باستخدام أشرطة DI-BSCCO أحادية الطبقة، بشكل فعال تيار العطل البالغ 52 أمبير أثناء حدوث عطل بين طور واحد والأرض. علاوةً على ذلك، انخفضت خسائر التشغيل الخاصة به إلى 2% فقط مقارنةً بتلك التي يتكبدها مفاعل مماثل مصنوع من النحاس. وعند تصميم المفاعل من فئة 1 كيلو أمبير باستخدام أشرطة DI-BSCCO، أخذ المهندسون في الاعتبار قدرته على التعامل مع تيار عابر مذهل يصل إلى 1.52 كيلو أمبير. ومن الجدير بالذكر أن هذا المفاعل يُظهر أيضًا خسائر تشغيلية لا تتجاوز 2% فقط من تلك التي تشهدها التصميمات التقليدية الملفوفة بالنحاس. والأهم من ذلك، أنه دون الأخذ في الاعتبار الحاجة إلى أنظمة تبريد كريوجينية، يمكن تخفيض أبعاد لفائف مفاعل HTS بنسبة حوالي 98%. ونتيجة لذلك، نستنتج أنه في السيناريوهات التي تنطوي على أعطال بين طور واحد والأرض أو اضطرابات شبكية مماثلة أخرى، تقدم الجيل الجديد من مفاعلات فائقة التوصيل تعمل عند درجات حرارة عالية مزايا كبيرة من حيث الضغط والوزن الخفيف وانخفاض خسائر التشغيل مقارنةً بالحلول التقليدية المعتمدة على النحاس.
الأخبار الموصى بها
