高溫超導(dǎo)變壓器的發(fā)展及其特點(diǎn)

高溫超導(dǎo)變壓器的發(fā)展及其特點(diǎn)一、研究背景現(xiàn)代電力變壓器是一種具有高度可靠性、高效率的電力設(shè)備。隨著我國電力工業(yè)和城市建設(shè)的迅速發(fā)展，國家正在實(shí)施城網(wǎng)、農(nóng)網(wǎng)改造，變壓器行業(yè)相應(yīng)地得到了飛速發(fā)展。隨著單機(jī)容量的日益增大，用戶對(duì)變壓器的要求越來越高,電力變壓器除了要滿足電、磁、力、熱等技術(shù)規(guī)范外，還要滿足小型、無油、低噪音的要求，以減小占地面積和減少環(huán)境污染。常規(guī)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，具有巨大的理論研究意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。從經(jīng)濟(jì)上看，超導(dǎo)材料的低阻抗特性有利于減小變壓器的總損耗，高電流密度可以提高電力系統(tǒng)的效率，采用超導(dǎo)變壓器將會(huì)大大節(jié)約能源，減少其運(yùn)行費(fèi)用；從絕緣運(yùn)行壽命上看，超導(dǎo)變壓器的繞組和固體絕緣材料都運(yùn)行于深度低溫下，不存在絕緣老化問題，即使在兩倍于額定功率下運(yùn)行也不會(huì)影響運(yùn)行壽命。在緊急情況下，可由一臺(tái)超導(dǎo)變壓器承載原本由兩臺(tái)變壓器供電的負(fù)載，提高了系統(tǒng)的安全性;從對(duì)電力系統(tǒng)的貢獻(xiàn)來看,正常工作時(shí)超導(dǎo)變壓器的內(nèi)阻很低，增大了電壓調(diào)節(jié)范圍，有利于提高電力系統(tǒng)的性能[1];當(dāng)電路發(fā)生短路時(shí)，超導(dǎo)體失超進(jìn)入有阻狀態(tài)，限制了電流尖峰。這種潛在的故障電流限制能力使得變壓器阻抗要求與短路電流要求得以分離，相應(yīng)的電力系統(tǒng)元件按限制后的電流來設(shè)計(jì)，減小了整個(gè)系統(tǒng)的投資;從環(huán)保角度看，超導(dǎo)變壓器采用液氮進(jìn)行冷卻，取代了常規(guī)變壓器所用的強(qiáng)迫油循環(huán)冷卻或空冷，降低了噪聲，避免了變壓器可能引起的火災(zāi)危險(xiǎn)和由于泄漏造成的環(huán)境污染?？傮w來看，超導(dǎo)變壓器具有體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，將成為21世紀(jì)最理想的節(jié)能變壓器，極具潛在的開發(fā)前景。二、研究現(xiàn)狀早在60年代實(shí)用超導(dǎo)材料出現(xiàn)后，國際上就開展了對(duì)超導(dǎo)變壓器的研究。由于超導(dǎo)線的交流損耗較大，超導(dǎo)變壓器的研究沒有什么進(jìn)展。80年代初，法國首先研制出低交流損耗的極細(xì)絲復(fù)合多芯超導(dǎo)線，加上低溫冷卻技術(shù)的改善，共同促進(jìn)了低溫超導(dǎo)（LTS）變壓器的發(fā)展。1987年以來，隨著高溫超導(dǎo)帶材的開發(fā)成功，超導(dǎo)變壓器的研究興趣開始轉(zhuǎn)向高溫超導(dǎo)（HTS）變壓器。首先德國、日本、美國等各國分別進(jìn)行了一系列技術(shù)、經(jīng)濟(jì)可行性研究和概念設(shè)計(jì)［2］,對(duì)大容量三相HTS變壓器進(jìn)行了相對(duì)價(jià)格與性能的評(píng)估，并與LTS變壓器與常規(guī)變壓器相比較。結(jié)果表明目前HTS變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行容量可達(dá)到30MVA,而LTS變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行容量為300MVA。隨著高溫超導(dǎo)材料性能的改進(jìn)，各種容量的HTS變壓器工業(yè)樣機(jī)也相繼問世。其中,ABB和法國電力公司、瑞士日內(nèi)瓦發(fā)電廠、洛桑工業(yè)大學(xué)聯(lián)合開發(fā)了一臺(tái)容量為630kVA、變比為18.7kV/0.42kV、頻率為50Hz的HTS變壓器［3］,采用的高溫超導(dǎo)材料為Bi-2223,工程臨界電流密度為4500A/cm2,短路阻抗為4.6%,于1997年3月12日起在瑞士日內(nèi)瓦正式掛網(wǎng)運(yùn)行，該樣機(jī)的研制成功說明了HTS變壓器投入電網(wǎng)運(yùn)行的可行性，并為30MVA以上超導(dǎo)變壓器的開發(fā)打下基礎(chǔ);美國電力公司、IGC超導(dǎo)材料公司和橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室共同研制成功一臺(tái)容量為1MVA、變比為13.8kV/6.9kV、頻率為60Hz的單相HTS變壓器樣機(jī)［4］,該樣機(jī)能承受10倍于額定電流的故障電流并能夠穩(wěn)定運(yùn)行而不發(fā)生熱降級(jí)，具有較好的穩(wěn)定性，其成功研制說明了更大容量的HTS變壓器在技術(shù)上的可行性及優(yōu)點(diǎn);日本九洲大學(xué)超導(dǎo)研究中心先后開發(fā)出一臺(tái)500kVA、6.6kV/3.3kV的HTS變壓器［5］與一臺(tái)1000kVA、22kV/69kV的超導(dǎo)變壓器;德國西門子公司研制了一臺(tái)容量為100kVA、變比為5.6kV/11kV的HTS變壓器［6］,目前正在開發(fā)用于鐵路運(yùn)輸?shù)?000kVA超導(dǎo)變壓器。三、高溫超導(dǎo)變壓器的特點(diǎn)傳統(tǒng)的油浸變壓器和高溫超導(dǎo)變壓器的基本結(jié)構(gòu)的比較：傳統(tǒng)的油浸變壓器是將銅導(dǎo)線繞制的一、二次繞組套裝在鐵心柱上，然后將器身裝入鋼制的油箱里，再將油箱注滿變壓器油。而高溫超導(dǎo)變壓器是將鉍氧化物超導(dǎo)線材卷制的繞溫空間里與液氮加以隔絕。液氮高溫超導(dǎo)變壓器的數(shù)學(xué)模型與常規(guī)變壓器的I二次繞超導(dǎo)線材玻璃鋼外殼溫空間里與液氮加以隔絕。液氮高溫超導(dǎo)變壓器的數(shù)學(xué)模型與常規(guī)變壓器的I二次繞超導(dǎo)線材玻璃鋼外殼組，放入經(jīng)玻璃纖維強(qiáng)化的玻璃鋼制成的隔熱圓筒內(nèi)，并注入77K的液氮，以取代

變壓器油，其基本結(jié)構(gòu)如圖所示。另外，從熱設(shè)計(jì)角度考慮，可以把鐵心放在室鐵心穩(wěn)定運(yùn)彳丁時(shí)鐵芯變壓器的等效電路HTS變壓器的等效電路與常規(guī)變壓器在形式上很接近，如圖所示:將副邊電壓、電流等量值折合到原邊，有Vl-(LmVl-(Lm+Lol)dndi±

dt_Lmdt+Rml\一RnJ2dl2 di±dt_Lmdt—Rml1+Rml2 + (Lm+L02dl2 di±dt_LmdtV2=kViIilkLC2LC2k2L(riZV1ZV1=(+LoiRmhdllTdllrRmh萬7一"~aT+(R、+從)八一一Rmh+(7?2+Rm)12+(Lm+L --Lm^=0其中，k為變比,L1、L2分別為原邊的漏電感和副邊折合到原邊的漏電感,Lm為勵(lì)磁電感,Rm為勵(lì)磁電阻。對(duì)HTS變壓器而言，在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)下,R1、R2'分別為原邊繞組和副邊繞組折算后的價(jià)電阻，。該電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于銅繞組的電阻，可以近似為零。此時(shí)，式(2)可以簡化為：R(T)二卩基底(門f變壓器負(fù)載端短路時(shí)，超導(dǎo)繞組發(fā)生失超,R1、R2分別表示失超后原邊與副邊繞組折合到原邊的失超電阻，該電阻為高溫超導(dǎo)帶材基底材料的電阻。四、高溫超導(dǎo)變壓器研究中存在的問題在工程上，以上特點(diǎn)使超導(dǎo)變壓器的冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、導(dǎo)體設(shè)計(jì)、套管和電流引線設(shè)計(jì)更為復(fù)雜，對(duì)繞組的機(jī)械強(qiáng)度要求更高。因此，在HTS變壓器的研究中需要解決以下關(guān)鍵技術(shù)問題(1)HTS變壓器結(jié)構(gòu)參數(shù)與性能參數(shù)的優(yōu)化。⑵漏磁場分布的優(yōu)化，提高HTS變壓器的穩(wěn)定性。⑶長期可靠運(yùn)行的冷卻技術(shù)的開發(fā)研究，適當(dāng)?shù)?/p>