常導/超導瘋PK 單相3000kVA高溫超導變壓器

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

1 超導變壓器電磁設計的要點(diǎn)

1)磁場(chǎng)與環(huán)流

與常導變壓器比較，在超導變壓器設計中，漏磁場(chǎng)及環(huán)流是需要特別考慮的兩個(gè)問(wèn)題。在常導變壓器中，漏磁場(chǎng)達0.2～0.3T;并繞導線(xiàn)通過(guò)適當換位，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。但在超導變壓器中，漏磁場(chǎng)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(chǎng)分布不均勻，從而降低臨界電流。環(huán)流的較準確計算建立在漏磁場(chǎng)分析的基礎上。因此，超導變壓器的電磁設計應涉及漏磁場(chǎng)計算內容。

2)短路阻抗

漏抗和漏磁場(chǎng)分布有關(guān)，而繞組的安匝分布決定漏磁場(chǎng)分布。為了降低漏磁場(chǎng)，超導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(chǎng)對漏抗的影響不能忽略。這樣，漏抗計算不能簡(jiǎn)單套用常導變壓器的方法。

3)優(yōu)化方法

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

2 3000kVA高溫超導變壓器電磁設計

1)已知參數

(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mp=1

(5)頻率f=50Hz

2)鐵心結構

(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

一次側有2個(gè)高壓繞組(并聯(lián))，二次側為2個(gè)牽引繞組、三次側為1個(gè)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(xiàn)圈絕緣結構

超導線(xiàn)絕緣采用浸環(huán)氧膠與固體絕緣結合。