超导电力变压器的最新进展.pdf
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1、 f 2 , 8 1 9 9 6年薨 9 期 超导 电力变压器 的 王冠军 ( 山 东 工 业 大 学 , 济 南2 5 0 0 1 4 ) TM斗 、 摘 要 : 介绍 了超导电力变压器的结构 详细诧进 了超导变压罂 理论研 究所取得 的最新进晨。将空 0超导电力变压 器与常规电力叠压器进行了比较 并对今后研究 开发超导 辱提出了建议 叙 词: 超 导变 压 墨 鲢 垫 , 结 构 研 究 崤 一,_ 一 , 一 、 一 、引 言 虽 然 I 9 1 1年 荷 兰 物 理 学 家 发 现 了 超 导 现 象 , 但是把超 导技术应 用于 电力 变压 器 的研 究 要 追 溯 到 1 9 6
2、1 年 。从 1 9 6 1 年 到 1 9 7 7年 间 发 表 的论 文 一 般 认 为 : 由 于 当 时 低 温恒 温 系 统 的 质量可 靠性 差 , 尤其是 超 导材 料 的交 流 损耗 很 高 , 所 以超 导 变 压 器 是 不 可 行 的 8 0年 代 初 , 超 导 技术 ( 包 括超 导 材 料, 深 冷技术 和超 导理 论 研 究1 取 得 巨 犬进 展 , 对超 导变压 器 的研 究 再 次引起 们 的极大兴趣 。文献I 2 - 指 出: 超 导 变 压器 的 经济 可行 性 是 与降 低 超 导 材料 中的 交 流 损 耗 相 联 系 的 。 1 9 8 3 年 法
3、 国 A s t h o m 集 团 研制 出超 细丝 (每 根细 丝的 直 径仅 为 O 0 80 5 t 4 m) 绞扭 多股 超 导 线, 使交 流超 导 线进A 实甩 化阶段 。在交 流超 导线 研制方 面 法 国处 于国际领先地位 。他们 研制的交流超 导线 , 其交流 损耗相 当小 B 3 ,2 5 4 1 0 0 超 导 线 在 5 o Hz 、 L 5 T_ 的峰 值磁 场下 ,损 耗只有 电流 密 度 为 l 51 0 A m 蛔 线 的 1 1 5 。 自 1 9 8 7年 发现高临界温 度超导体 以来 , 许多科学家相继发 现 了 1 0 o多种 高临界温 度 超导体 而
4、且临界温 度越 来 越 高 近 几 年 , 在 制造高临界温度超 导线 材的工艺上也取 得 了 巨大进展 人们 已经预 见到它在 电力变压 器 中的应用 前景 , 因而 对超 导 变压 器 的研 究 日 益增多 这和 6 0年代 初 人 们 预见 甜 电力 半 导体器件在交 流调 速系统的应用 前 景纷纷开 展交 流调 速理 论 的超 前研 究 的 情 形 极 为相 似 。 文献 3 】 对交流超导线 的 实用化 超 导变压 器 的可 行性 以及研 制概况作 了较 为详 细 的介 绍 。 本文 将详 细论 述超 导变压器 的结构 以及理 论研 究方 面所取得 的蛀新进展 、 以期推 动我 国对
5、 超 导 变 压 器 的 研 究 与 开 发 。 = 、 超 导 变压器 的结构 按 照 有 无 铁 心 , 超 导 变 压 器 的 结 构 可 以 分 为铁 心式 和空心式两 大类 , 下 面分剁介 绍。 1 铁心 式超 导变压器 文献 给出铁 心式超导 变压 器 的 结 构。 如 图 1 所示 。这是一台 1 7 5 0 3 Mv A 1 1 0 0 5 5 0 k V 单相 自耦超导变 压器 概念设计 的结构 。为了降 啊 l 铁心式超导变压鲁 的螬鞫 展 进 新 最 维普资讯 1 9 9 6年 第 9期 9 低 空 载 损 耗 铁 心 用 非 晶 合 金 制 成 , 置 于 室 温 环
6、 境 中。 高、 低 压 绕 组 采 用 超 细 NbT i 合 金丝绞 扭 多股 超 导 线 绕 制 置 于 用 超 临 界 液 氪冷却 的低温恒 温容器 中, 靠 对流 冷却 。该容 器是用 玻璃纤 维增强塑料 ( F RP ) 制成的真空 密 封双层 结构 的绝 热容器 。 这台超 导 变压 器 采 用超 临 界 氮 和 G一1 0 塑料 作 为绝 缘材 料 。 文献 【 4 推 荐超 临 界氮 的 压 力 为 3 0 0 k P a , 温 度 为 56K, 密 度 为5 0 k g m 、 这 时它 的绝缘强度几 乎和变 压器 油相同 。 2 混合型超导 变压器 的结 构 - 文 献
7、 【 5 】的 作 者 研 制 出 一 台 6 6 0 0 2 1 0 V 1 0 0 k VA混 合 型超 导 变 压器 , 其 结 构如 图 2所 示 。铁心 的基本结构 和使用 的材 质与常规变压 器一样 , 并 置于室 温环 境 中。 低压 大 电 流绕组 采用超临界 液 氮 冷却 的交 流超 导线 ( 由直径 为 0 5 5 u m锟 钍超 细金属丝 制成) 绕 制 高 压绕组 采用液氮冷却 的低损 耗铜 线 绕 制 。高、 低 压绕 组置于低温恒温器 内。低 温恒温器 为一液氨和 液氮冷却的双层 结构 如图 3所示 。因此, 该变 压器 被称作混合 型超 导变 压器 。 3 空心式
8、超导 变压 器的结构 一 台 5 0 0 1 6 6 k V 、 3 0 0 MVA 单 相 空 心 超 导 变 圈 2 混台型 超 导变 压 器 的结 构 7 3 0r r Im E E 品 圈 3低温 恒温 嚣 的结构 盖 热鲍 肇 挂 氲容 器 鞭 氲 碱氰 善 器 i 蠹氮 真 空 压器 的绕组结构如 图 4所示 。绕组 的骨架是 用 F RP材 料 制成 。高 、 低 压 绕 组均 采 用 超 细 NbNi 合金丝 缓扭多股超 导线绕 蕾 j 置于用超 临界液 氮玲却 的低温恒 温 器 ( 真 空 密封 双层 结 构) 内。 与铁 心 式 超 导 变 压 器 相 比, 空 心 超 导
9、 变 压 器的优点是 : 投有铁心 , 因而没有 空载损耗和磁 饱和 的 问题 , 所 以可以 减小 尺 寸和 损 耗 , 降 低 重 量 三、 超导变压器理论研究的 最 新进展 近几 年, 超 导发 电 机、 超 导电力 电缆都 取得 圈 4 空心超导变压嚣的壤蛆结构 一 一0 维普资讯 T 0 1 9 9 6年第 9期 长是的进步 , 不 久的将来 可 投入 商 业 应用 与 发电 输 电系统相 连接的 超 导变 压 器 自然 应 该 适应这 种发展趋势 。因此 , 空心 超 导 电力 变 压 器 是 与 超 导 交 流 发 电机 、 超 导 电 缆 输 电 线 路 配 合使用 的超导变压
10、器 的最佳 型式 。这是 因为 电 缆输 电系统或超高压架 空 线输 电系统的分布电 容 很 大 , 因 而产 生 的 超 前 无 功 功 率 也 很 大 = 例 如, 5 0 0 k V 电 缆 输 电 线 路 的 无 功 功 率 约 为 5 MVA k m 而 1 1 0 0 k V超高 压架 空 输 电 线路 的 无 功功 率 约 为 3 MV Amm。 对这 样 的 输 电 系 统 , 必 须 用 并联 电 抗 器 补 偿 无 功 功 率 空 心 超 导变 压器的劢磁 电流 很大 、 产 生 的滞 后 无 功功 率 也 很 大 。 它 不 但 是 一 台 电 力 变 压 器 , 同 时
11、 也 是 一台并 联电抗器 。所 以它 特别适用于这样 的 输 屯系统。基于上述 原 因, 近几 年 对空心 超 导 变压器 的研究较多 , 在理 论 研究 上 取 得 的 成果 也 很 多 。 1 空心超导 变压器 的 等效皂路 忽略所有损 耗, 超 导 变 压器 的 电压 方 程式 为 : 吃 嘲 式 中 “ 和 一 次 电 压 和 电流 U 和 二 次 电 压 和 电流 厶 和 L 厂 一 、 二 次侧 自感 M 互感 角 频 率 用转 换系数 a a =L L ) 可 以把 二 次 侧 的量折算到一 次侧。于是式 ( 1 ) 变为 : 恸 LK L 式中, ( = ) 称作 磁耦合 系
12、数,自感 = L_ , = a , =日 对应于式 ( 2 ) 的 等 效 电路, 如 图 5 所 示 。这 个等 效 电路 已被文献 _ 7 1 的作者用他 们制 造的实验超 导变 压 器验 证 , 证 明 是 正 确 的 2 空心超导 变 压器的损耗 特性 对于 这 种 变 压 器 、 研 究 负 荷 情 况 下 的 工 作 特性是 很重要的 由 h于 低温 恒温 器系统的效率 很低 , 研究 它的掼耗 特牲 尤其 重要 。 文 献f 7 1 阐 囤 5 空 心超导 变 压器 的等 效电路 明 了在 损 耗 特 性 方 面 的研 宄 成 果 。 空 心 超 导 变 压 器 中产生 的损耗
13、可 分为 两个分量:一个是 超 导导线 的交流损耗 ; 另 一个是 引线 直流 电阻 损 耗 试验研究表 明, 超 导绕组 的交 流损 耗 几 乎 与绕 组 电流 的平 方藏 正 比。用 、 R 和 R , 表示交流损耗 等 效 电阻 , 用 和 R 表 示引 线 直 流 电阻 考 虑这 些 电 阻 的 影 响 , 修 正 后 的 等效 电路如 图 6所示 。因为 交 漉损 耗 等效 电 阻 非 常 大 而 引 线 直 流 电 阻 非 常 小 , 这 些 电 阻 对输 A、 输 出特性 的影 响可 以忽 略 所 以只有 进行 损耗 特 性 分 析时, 才 采 用 图 6的 等 效 电 路 凰
14、6 空 心超导 变压 篇 的修 正等 效 电路 根据 等效 电路进行的损耗 特性分 析和试 验 测量的损耗 特性 都清 楚表 明, 当磁耦 合 系数 变 坏 时 总损 耗 随 二 次 电流增 加 的 速率 变 大 。 因此 可 以得 出结 论 : 空 心超 导 变 压 器 的 损 耗 特 性受磁耦合 系数 的影 响很大 。 3 空心超 导变 压器的磁场分析 在这 种 超 导 变 压 器 中 , 由 于 磁 通 投 有 特 定 的 路 径 、 绕 组 产 生 的 磁 通 直 接 作 用 到 超 导 绕 组 的每 一线 匝上 。为 了研究绕组 的交流损耗和 稳 定 性 , 对 磁 场进 行分 析
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