常導(dǎo)/超導(dǎo)瘋PK 單相3000kVA高溫超導(dǎo)變壓器

現(xiàn)代變壓器是一種具有高度可靠性，高效率的電力設(shè)備。常導(dǎo)變壓器由于其固有缺陷難以滿足現(xiàn)代電力工業(yè)發(fā)展的需要。研究和發(fā)展新型超導(dǎo)變壓器，從而提高電力變壓器的性能，具有巨大的價值。高溫超導(dǎo)變壓器采用高溫超導(dǎo)材料取代銅導(dǎo)線繞制高溫超導(dǎo)線圈，以液氮取代變壓器油作為冷卻介質(zhì)，使高溫超導(dǎo)線圈在液氮環(huán)境中運行，與常導(dǎo)變壓器相比，它有很多優(yōu)勢：體積小，重量輕。一臺三相60MVA高溫超導(dǎo)變壓器考慮冷卻系統(tǒng)后，其重量約為同容量常導(dǎo)變壓器的60%。

1 超導(dǎo)變壓器電磁設(shè)計的要點

1)磁場與環(huán)流

與常導(dǎo)變壓器比較，在超導(dǎo)變壓器設(shè)計中，漏磁場及環(huán)流是需要特別考慮的兩個問題。在常導(dǎo)變壓器中，漏磁場達(dá)0.2～0.3T;并繞導(dǎo)線通過適當(dāng)換位，加上繞組電阻限制環(huán)流的作用，環(huán)流可控制在允許范圍內(nèi)。但在超導(dǎo)變壓器中，漏磁場尤其是其徑向分量，降低繞組中的臨界電流并增加交流損耗;而且超導(dǎo)材料的零電阻特性使得繞組限制環(huán)流的能力極低，繞組各支路間漏電抗微小的不平衡可能引起相當(dāng)大的環(huán)流。環(huán)流的存在一方面增加繞組的交流損耗;另一方面使得漏磁場分布不均勻，從而降低臨界電流。環(huán)流的較準(zhǔn)確計算建立在漏磁場分析的基礎(chǔ)上。因此，超導(dǎo)變壓器的電磁設(shè)計應(yīng)涉及漏磁場計算內(nèi)容。

2)短路阻抗

漏抗和漏磁場分布有關(guān)，而繞組的安匝分布決定漏磁場分布。為了降低漏磁場，超導(dǎo)變壓器的安匝分布比較稀疏，換言之，繞組的匝間、層間或餅間的氣隙相對較大，考慮到一，二次側(cè)繞組采用不同形式，高、低壓繞組磁勢沿軸向分布不均勻，由此產(chǎn)生的橫向磁場對漏抗的影響不能忽略。這樣，漏抗計算不能簡單套用常導(dǎo)變壓器的方法。

3)優(yōu)化方法

關(guān)于超導(dǎo)變壓器優(yōu)化設(shè)計的研究，大多數(shù)集中在減少超導(dǎo)線材用料及降低鐵心損耗方面。其中，文獻(xiàn)[6]推導(dǎo)了以繞組匝電壓為白變量，目標(biāo)函數(shù)是關(guān)于“變壓器鐵心體積及其損耗加超導(dǎo)線材長度加變壓器在一定壽命期限內(nèi)的損耗”，結(jié)果表明，當(dāng)變壓器的匝電壓約取1.1V時，上述目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)。這個匝電壓值較常導(dǎo)變壓器的10～20V低得多。文獻(xiàn)[7]以一臺50MVA超導(dǎo)變壓器為例，研究了基于匝電壓的總體積、總損耗及阻抗電壓的優(yōu)化設(shè)計，并與同容量的常導(dǎo)變壓器進(jìn)行了比較。

2 3000kVA高溫超導(dǎo)變壓器電磁設(shè)計

1)已知參數(shù)

(1)容量

SN1/SN2/SN3=3 000/1 275×2/450kVA

(2)額定電壓

U1/U2/U3=25 000/1 500×2/400V

(3)額定電流

I1/I2/I3=120/850×2/1 125A

(4)相數(shù)mp=1

(5)頻率f=50Hz

2)鐵心結(jié)構(gòu)

(1)形式單柱外鐵式

(2)材料30QG110

(3)心柱直徑D=270mm

(4)心柱有效面積

AZ=5 13.76cm2(Kp=0.96)

3)繞組

一次側(cè)有2個高壓繞組(并聯(lián))，二次側(cè)為2個牽引繞組、三次側(cè)為1個輔助繞組。高壓繞組、牽引繞組及輔助繞組均呈同心式排列。

4)線圈絕緣結(jié)構(gòu)

超導(dǎo)線絕緣采用浸環(huán)氧膠與固體絕緣結(jié)合。