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

引言

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(jià)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(yùn)行，與常導(dǎo)變壓器相比，它有很多優(yōu)勢(shì)：體積小，重量輕。一臺(tái)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(jì)的要點(diǎn)

1）磁場(chǎng)與環(huán)流

與常導(dǎo)變壓器比較，在超導(dǎo)變壓器設(shè)計(jì)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(dǎo)變壓器中，漏磁場(chǎng)達(dá)0．2～0．3T；并繞導(dǎo)線通過(guò)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(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(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(chǎng)分布不均勻，從而降低臨界電流。環(huán)流的較準(zhǔn)確計(jì)算建立在漏磁場(chǎng)分析的基礎(chǔ)上。因此，超導(dǎo)變壓器的電磁設(shè)計(jì)應(yīng)涉及漏磁場(chǎng)計(jì)算內(nèi)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(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(duì)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(shì)沿軸向分布不均勻，由此產(chǎn)生的橫向磁場(chǎng)對(duì)漏抗的影響不能忽略。這樣，漏抗計(jì)算不能簡(jiǎn)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(jì)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(zhǎng)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(shí)，上述目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)。這個(gè)匝電壓值較常導(dǎo)變壓器的10～20V低得多。以一臺(tái)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(jì)，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(jì)

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(gè)高壓繞組（并聯(lián)），二次側(cè)為2個(gè)牽引繞組、三次側(cè)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。

5）臨界電流

IC=100A（77K，自場(chǎng)）

6）高壓繞組

高壓繞組?。p）餅式，分2個(gè)線圈，沿軸向排列，2個(gè)線圈并聯(lián)。每個(gè)線圈32個(gè)單餅，每個(gè)單餅用1根導(dǎo)線繞制。

7）牽引繞組1（或2）

牽引繞組1（或2）采用螺旋式，軸向分1段，徑向分2個(gè)線圈串聯(lián)。

8）輔助繞組

輔助繞組為螺旋式，軸向分2段串聯(lián)。

3 磁場(chǎng)徑向和分量云圖

單相3000kVA高溫超導(dǎo)變壓器仿真設(shè)計(jì)并通過(guò)Ansys軟件計(jì)算得到磁場(chǎng)徑向分量云圖和軸向分量云圖分別表示在圖1和圖2中。

4 結(jié)束語(yǔ)

磁場(chǎng)分析表明，同心式的繞組排列方式磁場(chǎng)區(qū)域的徑向分量比較小，對(duì)于大容量變壓器，繞組都需要多根導(dǎo)線并繞（本設(shè)計(jì)中二次側(cè)繞組并繞導(dǎo)線多達(dá)38根或40根），由于超導(dǎo)材料的零電阻特性使得抑制環(huán)流的能力大大削弱，因此必須要對(duì)導(dǎo)線進(jìn)行有效的換位。

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