التصميم الهيكلي والتحليل الكهرومغناطيسي لمحول فائق التوصيل عالي الحرارة بقدرة 1 ميغا فولت أمبير

الخطة الثانية تتضمن تداخل ولف 10 موصلات لتشكيل ملف واحد، ثم تجميع اللفة بأكملها من خلال دمج 17 ملفًا كهذا. قبل لف الملفات، يجب إخضاع الموصلات الـ10 لمعالجة أولية. وعلى وجه التحديد، يتم تقسيم الموصلات الـ10 ذات اللف المتوازي إلى 5 مجموعات، مع وجود موصلين في كل مجموعة، كما هو موضح في الشكل 3(ب). وقبل اللف، يتم ربط الموصلين في كل زوج متوازٍ معًا باستخدام مادة لاصقة من الفيسكوز مكثفة بدرجة حرارة منخفضة، مما يخلق موصلًا مركبًا مرنًا ومستطيل الشكل وسهل اللف. وبفضل وجود هيكل دعم موزع، تستوعب القنوات الخمسة المرنة المجموعات الخمسة من الموصلات بدقة وتثبتها بإحكام أثناء التجميع. ويوضح الشكل 4 التكوين الهندسي لهذه الملفات الخمسة، حيث يتكون كل ملف من 5 مجموعات من الموصلات. وفي الوقت نفسه، يتدفق النيتروجين السائل المبرد إلى درجات حرارة متناهية الانخفاض عبر القنوات المستطيلة الموجودة بين طبقات كل ملف، مما يساعد بشكل فعال على تبريد أشرطة المواد الفائقة التوصيل.

الكلمات المفتاحية—محول فائق التوصيل، ملف فائق التوصيل عالي الحرارة، DI-BSCCO، التيار الحرج، خسائر التيار المتردد.

مقدمة

في السنوات الأخيرة، ومع التقدم في تكنولوجيا معدات الموصلية الفائقة العالية الحرارة، تم تطبيق هذه الابتكارات بشكل متزايد في أجهزة إلكترونيات الطاقة مثل مقاومات تيار العطل والمحولات [1]-[3]. وبالمقارنة بالمحولات التقليدية التي تستخدم موصلات النحاس أو الألمنيوم، تتميز المحولات ذات الموصلية الفائقة العالية الحرارة بمساحة أقل ووزن أخف وكفاءة أعلى. بالإضافة إلى ذلك، توفر مزايا مثل فترات صيانة ممتدة ومعدلات أعطال منخفضة وتأثير بيئي مخفض.

حاليًا، تتوفر محولات فائقة التوصيل العاملة بدرجات حرارة مرتفعة بشكل رئيسي في نوعين رئيسيين: محولات الطاقة ومحولات الجر. وفي مجال محولات طاقة فائقة التوصيل، نجحت السويد في تطوير محول ثلاثي الأطوار بقدرة 630 كيلوفولت أمبير/13.72 كيلوفولت/0.42 كيلوفولت عام 1997، تم توصيله بالشبكة وعمل بسلاسة لمدة عام كامل. وفي عام 2004، قدم مصنع واوكيشا للتصنيع في الولايات المتحدة أيضًا محول طاقة فائق التوصيل ثلاثي الأطوار بقدرة تتراوح بين 5 و10 ميجافولت أمبير/24.9 كيلوفولت/4.2 كيلوفولت. وفي وقت لاحق من نفس العام، كشفت جامعة كيوشو في اليابان عن محول فائق التوصيل أحادي الطور بقدرة 2 ميجافولت أمبير/66 كيلوفولت/6.9 كيلوفولت، بينما صممت كوريا الجنوبية في الوقت نفسه محول طاقة فائق التوصيل بقدرة 1 ميجافولت أمبير/22.9 كيلوفولت/6.6 كيلوفولت. بالإضافة إلى ذلك، طورت فرنسا في عام 2004 محولًا بقدرة 41 كيلوفولت أمبير/2.05 كيلوفولت/0.41 كيلوفولت. وتبعها الصين في عام 2005 بإنشاء محول فائق التوصيل بقدرة 630 كيلوفولت أمبير/10.5 كيلوفولت/0.4 كيلوفولت مع قلب من سبيكة غير معدنية، وفي عام 2010، قدموا هيكلًا مطليًا بـ YBCO يمكن استخدامه كمحدد حديث لتيار العطل بقدرة 2 ميجافولت أمبير/22 كيلوفولت/6.6 كيلوفولت. ومن جانب آخر، قامت نيوزيلندا بتثبيت مسبق لمحول فائق التوصيل ثلاثي الأطوار بقدرة 1 ميجافولت أمبير/11 كيلوفولت/0.4 كيلوفولت مزود بكابل مطلي بـ YBCO في عام 2013. أما في مجال محولات جر فائقة التوصيل تعمل بدرجات حرارة مرتفعة، فقد سبق لألمانيا أن أنتجت عام 2001 وحدة أحادية الطور بقدرة 1 ميجافولت أمبير/25 كيلوفولت/1.4 كيلوفولت، مصممة خصيصًا للاستخدام في القطارات عالية السرعة. كما ساهمت اليابان بشكل كبير في عام 2004 من خلال تصميم وتصنيع محول جر فائق التوصيل أحادي الطور بقدرة 4 ميجافولت أمبير/25 كيلوفولت/1.2 كيلوفولت لصالح نظام سكك حديد شينكانسن. وفي غضون ذلك، طورت الصين محولًا أحادي الطور بقدرة 0.3 ميجافولت أمبير/25 كيلوفولت/0.86 كيلوفولت في عام 2005، مخصصًا للقاطرات الكهربائية. ومع استمرار تطور المحولات الفائقة التوصيل النموذجية والتقنيات ذات الصلة، فمن الآمن توقع أنه في المستقبل القريب، ستنتقل هذه الأجهزة المبتكرة حتمًا نحو التسويق التجاري.

تقدم هذه المقالة تصميمًا مفاهيميًا لمحول طاقة فائق التوصيل بقدرة 1 MVA/10 kV/0.4 kV ودرجة حرارة مرتفعة. ويقدم القسم الثاني نظرة عامة على محول الطاقة هذا، بينما يتعمق القسم الثالث في هيكل قلب المحول الفائق التوصيل وترتيب ملفات الجهد العالي والجهد المنخفض الخاصة به. ويقدم القسم الرابع تحليلًا مفصلاً للأداء الكهرومغناطيسي، إلى جانب مقارنة الكفاءة بين تكوينات الملفات المختلفة المستخدمة في لفائف الجهد العالي والجهد المنخفض. وأخيرًا، يُجري القسم الخامس تقييمًا شاملاً للأداء، مقارنًا بين محول النحاس التقليدي بسعة 1 MVA وبين المحول الفائق التوصيل الذي يتميز بملفات فائقة التوصيل.

نظرة عامة على المحولات الفائقة التوصيل ذات درجات الحرارة العالية

التصميم الهيكلي

القلب الحديدي

تتخذ اللب هيكلًا نوويًا ثلاثي الأطوار بثلاثة أعمدة. وهو يحافظ على التوازن المغناطيسي الداخلي ويوفر الاستقرار الميكانيكي الشامل. صُنع اللب من صفائح فولاذية سيليكونية موجهة حبيبيًا، مدرفلة على البارد بدرجة نفاذية عالية 23RB035، وتنتجها شركة Wugang Steel. واستنادًا إلى الصيغ التجريبية، يمكن تقدير قطر اللب بحوالي 23 سم (54 × (1/3)¹⁄⁴ ≈ 23 سم)، مع مساحة مقطع مغناطيسي فعالة تبلغ 382.8 سم². تم تحديد كثافة التدفق المغناطيسي المصممة عند 1.6 تسلا، مما يؤدي إلى جهد لفة أولي قدره 23.53 فولت. وبالنظر إلى أبعاد تركيب إناء ديوار، تم تحديد ارتفاع نافذة اللب والمسافة بين مركزين أعمدة اللب مبدئيًا بـ 400 ملم و750 ملم على التوالي. ويوضح الشكل 1 التكوين الهندسي لللب.

لفافة الجهد العالي

تتكون كل مرحلة لفيفة عالية الجهد من إجمالي 5 طبقات من الملفات المتصلة على التوالي. يُظهر الشكل 2 رسمًا مقطعيًا من الجانب الأيمن لمجموعات اللفائف الخمس، في حين أن النصف الآخر مرتّب بشكل متماثل على الجانب الأيسر من عمود القلب. تم تصميم أربعة قنوات تبريد بين اللفائف المتجاورة، عرض كل منها 8 ملم في الاتجاه الشعاعي. يحتوي كل لف على 5 طبقات، مع 17 لفة في كل طبقة. تبلغ سماكة العزل بين اللفائف المتوازية المجاورة 0.1 مم. بالإضافة إلى ذلك، وبالنظر إلى القيود العملية لعملية اللف، يتم الحفاظ على فجوة بعرض 2 ملم بين اللفات المتجاورة.

لفافة الجهد المنخفض

تم تطوير تصميماً هيكليين للفائف ذات الجهد المنخفض. في أحد التصاميم، يتكون ملف كل طور من خمسة طبقات لفائف متوازية ومرتبة بشكل متحد المركز، تحتوي كل طبقة على 17 لفة. تفصل بين الطبقات المتجاورة أربعة قنوات تبريد، عرض كل منها 16 مم بشكل شعاعي، والمسافة المحورية بين اللفات المتجاورة هي 2 مم. تم توضيح الأبعاد الهندسية والتكوين الكهربائي في الشكل 3(أ). بالإضافة إلى ذلك، كما يظهر من الشكل 3 إلى الشكل 2، تبلغ المسافة العازلة بين القطر الخارجي للفائف ذات الجهد المنخفض والقطر الداخلي للفائف ذات الجهد العالي 40 مم.

الخطة الثانية تتضمن تداخل ولف 10 موصلات لتشكيل ملف واحد، ثم تجميع اللفة بأكملها من خلال دمج 17 ملفًا كهذا. قبل لف الملفات، يجب إخضاع الموصلات الـ10 لمعالجة أولية. وعلى وجه التحديد، يتم تقسيم الموصلات الـ10 ذات اللف المتوازي إلى 5 مجموعات، بواقع موصلين في كل مجموعة، كما هو موضح في الشكل 3(ب). وقبل البدء باللف، يتم ربط الموصلين اللذين يشكلان كل زوج متوازٍ معًا باستخدام مادة لاصقة من الفيسكوز مكثفة منخفضة الحرارة، مما يخلق موصلًا مركبًا مرنًا ومستطيل الشكل وسهل اللف. وبفضل وجود هيكل دعم موزع، تستوعب القنوات الخمسة المرنة المجموعات الخمسة من الموصلات بدقة وتثبتها بإحكام أثناء التجميع. ويوضح الشكل 4 التكوين الهندسي لهذه الملفات الخمسة، حيث يتكون كل ملف من 5 مجموعات من الموصلات. وفي الوقت نفسه، يتدفق النيتروجين السائل المبرد إلى درجات حرارة متناهية الانخفاض عبر القنوات المستطيلة الموجودة بين طبقات كل ملف، مما يساعد بشكل فعال على تبريد أشرطة المواد الفائقة التوصيل.

التحليل الكهرومغناطيسي

لفافة الجهد العالي

في ظل ظروف التحميل الكامل، تبلغ ذروة التيار على جانبي الجهد العالي والجهد المنخفض لهذا المحول الفائق الموصل بقدرة 1 MVA 81.59 أمبير و2.03 كيلوأمبير على التوالي. يشبه توزيع المجال المغناطيسي حول ملف الجهد العالي (كما هو موضح في الشكل 5) إلى حد كبير توزيع المجال لملف لولبي. وعلى وجه الخصوص، فإن المكون المتوازي للمجال المغناطيسي على طول السطح العريض لشريط DI-BSCCO يهيمن على توزيع المجال الداخلي. ومع ذلك، يصبح المكون العمودي للمجال المغناطيسي أقوى بشكل ملحوظ عند كلا طرفي الملف. وبسبب عدم التجانس الطبيعي للمجال المغناطيسي الناتج عن شريط DI-BSCCO [4]، فإن التيار الحرج الذي يحمله اللفائف الموجودة بالقرب من حواف الملف أقل بكثير من التيار الذي تحمله اللفائف في المنطقة الوسطى من الملف.

تُسمَّى المجموعات الكهرومغناطيسية الخمس، التي تمتد من الجدار الداخلي إلى الخارجي لكل من قسم الضغط العالي أو الضغط المنخفض، باسم Ngroup=1، Ngroup=2، ...، Ngroup=5. بالإضافة إلى ذلك، تُعرَّف الطبقات المحورية الـ17، التي تمتد من الأعلى إلى الأسفل، بأرقام Nlayer=1، Nlayer=2، ...، Nlayer=17. وعلى طول العرض المحوري للفجوة الهوائية، تُعرَّف ملفات الضغط العالي والمنخفض تحديدًا باسم g1 وg2 على التوالي. يوضح الشكل 6 توزيع التيار الحرج في الجزء العلوي من مواقع طبقات g1 المختلفة داخل الملف عالي الجهد. ومع زيادة g1، ينمو التيار الحرج Ic في كل مجموعة بشكل تدريجي، مقتربًا في النهاية من قيمته التشبعية. وفي الوقت نفسه، تتحسن هامش السلامة للعزل بين الطبقات باطراد. لكن هذا يتطلب تركيب منظم حراري كريوجيني أكبر حجمًا للملف عالي الجهد. وفي تصميمنا، اخترنا قيمة أكثر ملاءمة لـ g1: 8 مم. ومن الجدير بالذكر أن أدنى قيمة للتيار عبر جميع اللفات، Ic، تبلغ 266.5 أمبير، مما يتوافق مع نسبة الذروة إلى التيار الحرج تساوي Ipeak/Ic = 0.306.

لفافة الجهد المنخفض

يوضح الشكل 7 توزيع المجال المغناطيسي للفائف ذات الجهد المنخفض عند قيم مختلفة من g2. ويظهر الشكل 8 توزيع التيار الحرج في الملف الطبقي العلوي لفائف الجهد المنخفض (مع Nlayer = 1) تحت إعدادات متنوعة لـ g2. وبالمثل، مع زيادة g1، يزداد التيار الحرج Ic بشكل أكبر، مقتربًا تدريجيًا من قيمته التشبعية. وفي التصميم، تم تكوين ملف الجهد المنخفض بحيث يكون g2 مضبوطًا على 16 مم.

لتقييم التيارات غير المتوازنة بين الملفات أو مجموعات اللفات المختلفة، قمنا بتعريف عامل تجانس التيار \( K_i \)، الذي يقيس توازن أمبير-الدورات بين الملفات الفردية أو عبر اللفات المختلفة، كما يقيس الاختلال الكلي في أمبير-الدورات عبر جميع الملفات أو مجموعات اللفات. يوضح الشكل 9 عامل عدم تجانس التيار \( K_i \) للملفات المختلفة ضمن المخطط A. وتبلغ القيمة القصوى لـ \( K_i \) 0.203، مع معامل خطأ نسبي \( K_{\text{error}} = |\,0.2 - K_i\,| / 0.2 = 0.015 \). ومع ذلك، وبسبب تدفق التسرب والتوزيع غير المنتظم للمقاومة الحثية في كل ملف، قد لا تزال توزيعات التيار الفعلية عبر الملفات تظهر تباينات.

بالنسبة للمخطط B، يمكن لجميع الأشرطة العشرة المكدسة تقريبًا في كل ملف محوري أن تحقق تيارًا ذرويًا يصل إلى 2.03 كيلو أمبير. يوضح الشكل 9 عامل عدم التوازن الحالي بين مجموعات الأشرطة المختلفة. مع انخفاض عدد الطبقات، يتقلص الانحراف النسبي تدريجيًا. تحدث القيمة القصوى لـ Ki عندما يكون Nlayer = 1، حيث تصل إلى 0.215، مع قيمة Kerror المناظرة عند 0.075. وبالمقارنة مع المخطط A، يُظهر المخطط B مستوى ضئيلًا من الحث المتبادل. ونظرًا لأن التيارات الحرجة لمجموعات الملفات الخمسة متساوية تقريبًا، نستنتج أن توزيع التيار التشغيلي موحد. ولذلك، في التصميم الفعلي، اخترنا المخطط B.

تأثير الموزعات على تعزيز وتوزيع التيار الحرج

لزيادة التيار التشغيلي المسموح به عند طرفي الملف، فإن أبسط نهج هو استخدام ملفين أو أكثر على شكل أقراص مرتبة بالتوازي، مما يساعد على فصل التيارات المتدفقة عبر أطراف اللف. ومع ذلك، تتطلب هذه الطريقة مزيدًا من المواد الشريطية وتؤدي إلى تكاليف أعلى، كما تُنشئ أيضًا وصلات لحام إضافية. ووفقًا للمرجع [4]، فإن وضع مقاومتي تماس استراتيجيًا عند كل نهاية من الملف يمكن أن يعزز بفعالية قيمة التيار الحرج. وفي التصميم، كما هو موضح في الشكل 10، يتم استخدام قلب فيريت مع نفاذية نسبية تبلغ 40. وكما يظهر في الشكل 11، تصل الكثافة التقريبية للتدفق المغناطيسي داخل قلب الفيريت هذا إلى حوالي 1 تسلا. ومن الجدير بالذكر أنه عندما لا تستخدم مقاومة التماس عند الملف السفلي، تكون كثافة التدفق المغناطيسي العمودية عند نهاية الملف العلوي أقل بكثير مقارنةً بتلك الموجودة عند نهاية الملف السفلي.

هذا يوضح بوضوح أن قيم التيار الحرج لكل من ملفات الجهد العالي والجهد المنخفض مع وجود المقاومة الجانبية قد زادت بشكل ملحوظ. تقارن الأشكال 12 و13 التيارات الحرج لملفات الجهد العالي والجهد المنخفض على التوالي. وعلى وجه التحديد، ارتفعت أدنى سعة تحميل للتيار في ملف الجهد العالي إلى 307.5 أمبير، بينما زادت سعة تحميل التيار في ملف الجهد المنخفض إلى 326 أمبير—ما يمثل 1.15 مرة و1.13 مرة على التوالي من المستويات التي شوهدت قبل إدخال المقاومة الجانبية. بالإضافة إلى ذلك، تم تخفيض معامل عدم الانتظام الأقصى لتوزيع التيار في المخطط B إلى 0.025 فقط. وبالتالي، فإن إدخال المقاومة الجانبية لا يؤدي فقط إلى تعزيز كبير في التيار الحرج، بل يضمن أيضًا توزيعًا أكثر انتظامًا للتيار التشغيلي عبر الملفات اللولبية المختلفة.

مقارنة الأداء بين المحولات الفائقة التوصيل ذات درجة الحرارة العالية والمحولات التقليدية

يكمن الاختلاف الرئيسي في المحول الفائق التوصيل بقدرة 1 ميغا فولت أمبير في تغيير مواد اللفات، وما يترتب على ذلك من تعديلات على الهياكل والمكونات الأخرى ذات الصلة التي تصاحب هذا التحول في المواد. في محول تقليدي بقدرة 1 ميغا فولت أمبير مصمم لنسبة جهد 10 كيلوفولت / 0.4 كيلوفولت، يبلغ القطر الداخلي لملف الجهد المنخفض 238 ملم والقطر الخارجي 334 ملم، بينما يتميز ملف الجهد العالي بقطر داخلي قدره 462 ملم وقطر خارجي يبلغ 606 ملم. أما ارتفاع كل من لفات الجهد العالي والجهد المنخفض فهو 530 ملم. وبسبب القيود الناتجة عن أبعاد اللفات على ارتفاع نافذة القلب وتباعد أعمدة القلب، فإن حجم قلب المحول التقليدي الملفوف بالنحاس يصل إلى 0.25 م³—أي أكبر بنحو 1.1 مرة تقريبًا من حجم المحول الفائق التوصيل. علاوةً على ذلك، فإن زيادة عدد اللفات على الجانب الأساسي قد تؤدي إلى تقليل الحجم الكلي للقلب بشكل أكبر. وترد العلاقة بين أبعاد القلب وأحجام لفات الجهد العالي والجهد المنخفض وعدد لفات الملفات في الشكل 14. ومن الجدير بالذكر أنه بفضل التيار الحرجة العالي جدًا لشريط الموصل الفائق، حتى مع الانكماش الكبير في حجم القلب، فإن الزيادة في عدد لفات الملفات لا تؤدي إلا إلى نمو طفيف في الحجم الكلي للملفات عالية الجهد ومنخفضة الجهد. وهذا يشير إلى أن تعزيز عدد لفات الملفات يمكن أن يؤدي إلى تخفيض كبير في كل من المساحة العرضية للقلب وفي الحجم الكلي للمحول، كما هو موضح في الشكل 14. وفي الخطوة التالية، سنعمل على إيجاد التوازن الأمثل بين عدد اللفات الملفوفة على شريط الموصل الفائق وبين الحجم الناتج للمحول، بهدف تحقيق أفضل نسبة ممكنة بين الأداء والحجم. بالإضافة إلى ذلك، وبالنظر إلى تأثير المساحة العرضية الفعالة للقلب، سنقوم بتعديل عدد لفات الملف الأساسي بعناية—من 425 لفة وحتى 1700 لفة—لضمان انخفاض متناسب في مساحة القلب، من 382.8 سم² إلى 95.7 سم² فقط. وفي النهاية، هدفنا هو تحسين التصميم العام للمحول الفائق التوصيل عالي الحرارة بقدرة 1 ميغا فولت أمبير، بما يحقق كلاً من الصغر في الحجم وتعزيز الكفاءة.