超導(dǎo)變壓器電磁的工作原理及應(yīng)用設(shè)計(jì)方案

現(xiàn)代變壓器是一種高度可靠和高效的電力設(shè)備。正常導(dǎo)電的變壓器由于其固有的缺陷，很難滿足現(xiàn)代電力工業(yè)發(fā)展的需要。研究和開(kāi)發(fā)新型超導(dǎo)變壓器對(duì)提高電力變壓器的性能具有重要價(jià)值。高溫超導(dǎo)變壓器用高溫超導(dǎo)材料代替銅線纏繞高溫超導(dǎo)線圈，用液氮代替變壓器油作為冷卻介質(zhì)，使高溫超導(dǎo)線圈能在液氮環(huán)境下運(yùn)行。與通常導(dǎo)電的變壓器相比，它有許多優(yōu)點(diǎn)：體積小，重量輕?？紤]冷卻系統(tǒng)后，一臺(tái)三相60MVA  HTS變壓器的重量約為同等容量的恒導(dǎo)變壓器的60%。
1超導(dǎo)變壓器電磁設(shè)計(jì)要點(diǎn)
1)磁場(chǎng)和循環(huán)
與常導(dǎo)變壓器相比，漏磁場(chǎng)和環(huán)流是超導(dǎo)變壓器設(shè)計(jì)中需要特別考慮的兩個(gè)問(wèn)題。在常導(dǎo)變壓器中，漏磁場(chǎng)達(dá)到0.2 ~ 0.3t；通過(guò)導(dǎo)體周圍的適當(dāng)換位和繞組電阻限制循環(huán)電流的作用，可以將循環(huán)電流控制在允許的范圍內(nèi)。然而，在超導(dǎo)變壓器中，漏磁場(chǎng)，尤其是其徑向分量，降低了繞組中的臨界電流，增加了交流損耗。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，繞組各支路之間漏抗的輕微不平衡可能會(huì)造成相當(dāng)大的環(huán)流。一方面，環(huán)流的存在增加了繞組的交流損耗；另一方面，漏磁場(chǎng)分布不均勻，從而降低了臨界電流。環(huán)流的精確計(jì)算是基于漏磁場(chǎng)的分析。因此，超導(dǎo)變壓器的電磁設(shè)計(jì)應(yīng)涉及漏磁場(chǎng)的計(jì)算。
漏抗與漏磁場(chǎng)分布有關(guān)，繞組的安匝分布決定漏磁場(chǎng)分布。為了減小漏磁場(chǎng)，超導(dǎo)變壓器的安匝分布是稀疏的，換句話說(shuō)，繞組的匝、層或餅之間的氣隙相對(duì)較大。考慮到一次繞組和二次繞組采用不同的形式，高低壓繞組的磁勢(shì)沿軸向分布不均勻，橫向磁場(chǎng)對(duì)漏抗的影響不容忽視。這樣，漏抗的計(jì)算就不能簡(jiǎn)單地套用正常導(dǎo)通變壓器的方法。
3)優(yōu)化方法
超導(dǎo)變壓器優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究大多集中在降低超導(dǎo)線材和鐵芯損耗上。其中，參考文獻(xiàn)[6]推導(dǎo)出繞組匝電壓為白色變量，目標(biāo)函數(shù)為“變壓器鐵心體積及其損耗加上超導(dǎo)導(dǎo)線長(zhǎng)度加上一定壽命期內(nèi)的變壓器損耗”。結(jié)果表明，當(dāng)變壓器匝電壓約為1.1V時(shí)，上述目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)。該匝電壓值遠(yuǎn)低于正常導(dǎo)通變壓器的10 ~ 20 V。以一臺(tái)50MVA超導(dǎo)變壓器為例，研究了基于匝間電壓的總體積、總損耗和阻抗電壓的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并與同容量的恒導(dǎo)變壓器進(jìn)行了比較。
23000千伏安高溫超導(dǎo)變壓器的電磁設(shè)計(jì)
1)已知參數(shù)
(1)容量
SN1/SN2/SN3=3000/1275  2/450千伏安
(2)額定電壓
U1/U2/U3=25000/1500  2/400伏
(3)額定電流
I1/I2/I3=120/850  2/1125 A
(4)相數(shù)mp=1
(5)頻率f=50Hz
2)核心結(jié)構(gòu)
(1)形成單柱外鐵型
(2)材料30QG110
(3)芯柱直徑D=270mm毫米
(4)芯柱有效面積
AZ=513.76cm2(Kp=0.96)
3)纏繞
初級(jí)側(cè)有兩個(gè)高壓繞組(并聯(lián))，次級(jí)側(cè)有兩個(gè)牽引繞組，三級(jí)側(cè)有一個(gè)輔助繞組。高壓繞組、牽引繞組和輔助繞組都同心布置。
4)線圈絕緣結(jié)構(gòu)
超導(dǎo)體絕緣通過(guò)浸漬環(huán)氧膠與固體絕緣結(jié)合。
5)臨界電流
IC=100A(77K，自場(chǎng))
6)高壓繞組
T
磁場(chǎng)分析表明，在同心繞組布置中，磁場(chǎng)區(qū)域的徑向分量相對(duì)較小。對(duì)于大容量變壓器，繞組需要與多根導(dǎo)線并聯(lián)纏繞(在本設(shè)計(jì)中，次級(jí)繞組與多達(dá)38或40根導(dǎo)線并聯(lián)纏繞)。由于超導(dǎo)材料的零電阻特性，抑制環(huán)流的能力大大減弱，因此需要對(duì)導(dǎo)線進(jìn)行有效的轉(zhuǎn)置。