高温超导变压器关键技术_王银顺

高温超导变压器关键技术
1 2 2 2 王银顺 ，戴少涛 ，滕玉平 ，朱志芹
（ 1. 新能源电力系统国家重点实验室 （ 华北电力大学） ，北京 102206 ； 2. 中国科学院电工研究所应用超导实验室 ，北京 100190 ） 摘要： 由于超导材料的无阻载流特性 ，其在超导电缆、超导限流器、超导变压器、超导储能、超导电机等超导电力装 置中的应用引起人们极大兴趣 。其中超导变压器具有体积小 、重量轻、损耗低、无火灾隐患、无环境污染和低漏抗等 特点。简要介绍了高温超导变压器基本结构 ，重点介绍了变压器研发过程中的关键技术问题 ，包括液氮和气氮低温绝 缘特性、超导绕组损耗分析、电流引线设计、非金属低温容器设计等 ，为高温超导变压器的研发提供有用的参考 。 关键词： 高温超导变压器； 非金属低温容器； 电流引线； 交流损耗； 绕组
Key Issues of Hightemperature Superconducting Transformers
WANG Yinshun1 ，DAI Shaotao 2 ，TENG Yuping 2 ，ZHU Zhiqin2
（ 1. State Key Laboratory of Alternate Electrical Pow er System w ith Ｒenew able Energy Sources，North China Electric Pow er University ，Beijing 102206 ，China； 2. Key Laboratory of Applied Superconductivity ，Chinese Academy of Sciences， Beijing 100190 ，China） Abstract： Since superconductor can carry carrying direcet current w ith zero resistance ，its application in superconducting equipments such as superconduting cable， fault current limiter （ FCL ） ， transformer，supercondducting magnetic storage （ SM ES ） ，generatot / motor has attactive w orldw ide interetst， among of w hich the hightemperature superconducting （ HTS ） transformer has some adavntageous characteristics ， that is， small volume， light w eightness， low loss， no fire hazard and environmental pollution as w ell as low leakage reactance. With a brief description on the basic structure of the HTS transformer，this paper focuses on several key issues in its research analyzing methods of alternaand development，including insulation characteristics of liquid nitrogen （ LN 2 ） and gas nitrogen （ GN 2 ） ， tive current （ AC ） losses of the superconducting w indings and designs of current leads and nonmetallic cryostat，and thus provides useful reference for resaerch and development of HTS transformer. Key words： hightemperature superconducting （ HTS ） transformer； nonmetallic cryostat； current lead； AC losses； w indings
载流导体和绝缘材料如硅橡胶或陶瓷构成并充入油 或 SF6 气体。在超导电力装置中，套管中的导体电 ， 流引线提供低温环境和室温环境的电连接 它运行 在从室温到低温段的温度环境中， 因此其向低温环 境的漏热性能决定着超导电力装置的运行效率 。 电流引线的设计与超导设备的冷却方式有关， 由常规导体组成，分为传导冷却电流引线和气冷电 流引线，前者用于闭式循环冷却方式， 后者适用于
。
本文简要介绍了高温超导变压器基本结构， 重 点介绍了变压器研发过程中的关键技术问题， 为未 来高温超导变压器的研发提供有用参考 。
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超导变压器结构简介
与常规干式变压器结构类似， 超导变压器的一
பைடு நூலகம்
般结构如图 1 所示， 主要由铁心、 绕组、 非金属低 温容器和套管（ 包括电流引线） 4 部分构成。 1. 1 铁心 常规变压器中铁心材料有两种， 常规硅钢片和
1 ： 低电流高压套管 ，2 ： 高电流低压套管 ，3 ： 液氮输运管线， 4 ： 室温铁心，5 ： 非金属玻璃钢低温容器内外壁 ， 6 ： 高 / 低压超导绕组 ，7 ： 液氮，8 ： 铁心加件 （ 图片来源： 美国能源部橡树岭国家实验室 ）
开式循环冷却方式。
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关键技术
图1
Fig. 1
三相高温超导变压器结构示意
高温超导变压器铁芯工作于室温温度， 超导绕 组工作在液氮温度，液氮既是冷却介质又是绝缘介 质，必须处于非金属低温容器中； 套管中的电流引 线连接室温高压端与超导绕组， 是从室温环境到低 温环境的过度。本节将分别介绍各个部件的设计和 计算方法。 2. 1 液氮和气氮 高温超导电力装置一般工作于液氮温度区的低 温环境。液氮饱和温度与压力密切相关。 图 2 为液氮饱和温度与压强的关系， 液氮温度
表1
Tab. 1
几种绝缘薄膜和绝缘纸液氮温度下的击穿电压
Breakdown strength of several insulation films and papers in LN2 在 50Hz 交流 耐压 / （ kV ·mm － 1 ） 200 50 110 103 160 34 66 ～ 77 1. 000 33 ＞ 23 雷电冲击电压 （ 1 /40 （ s） / （ kV ·mm － 1 ） 230 60 180 160 220 98 113 ～ 138 63 ＞ 54
第 12 期
王银顺，等： 高温超导变压器关键技术
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非晶合金。铁心截面由绕组单位匝电压 E t 确定。 E t = 4. 44 fk c BS （ 1） 式中： f 为频率； k c 为铁心因子； S 为铁心截面； B 为铁心最大磁通密度 。 1. 75 T （ 硅钢片） B= （ 2） 1. 5 T （ 非晶合金） 高温超导变压器中的铁心工作于室温， 其损耗 也叫室温损耗， 一旦 E t 选定， 依据工艺和设计手 册铁心截面就可完全确定。
［5 ］
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目前，超导变压器均采用玻璃钢低温容器。 在 几何结构上玻璃钢低温容器与不锈钢低温容器相 同，不同的地方在于： 一是在低温容器内壁与外壁 真空空间的绝热防辐射层铝箔层采用绝缘隔开或有 切缝（ 非连续） 结构； 二是吸气剂不能采用半导体活 性炭，而要采用分子筛。采用这两种与金属低温容 器不同的工艺可以避免产生涡流回路 。 1. 4 套管和管内电流引线 套管是高压电力设备的重要附件之一， 一般由
随压强的增加而升高，在变压器绕组设计时必须考 虑这一点。
图2
Fig. 2
液氮沸点温度 T 与压强 P 的关系
Plot of LN2 boiling temperature T against pressure P
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南方电网技术
第9 卷
液氮除了起到冷却作用外， 还起到绝缘作用， 因此液氮的绝缘强度对于变压器主绝缘设计尤其重 要。在一个大气压下液氮的温度和相对介电常数分 别为 77. 3 K 和 1. 43 。 液氮绝缘强度随压强升高而增大， 液氮在电极 距离为 1 mm 时击穿电压与压力的关系曲线如图 3 所示。由于在低温容器内绕组之上空间充满氮气， 高低压套管电流引线穿过该空间， 因此氮气的绝缘 特性对于变压器的馈线设计很重要 。 气氮的击穿强度遵循 Paschen 定律， 即气氮的 绝缘强度与压强 P 与电极距离 d 的乘积 Pd 密切相 关。图 4 所示为几种气体的 Paschen 曲线示意图， 图 5 为电极间距 d = 20 mm 和频率为 60 Hz 时气氮 击穿电压与温度的关系，可见氮气的击穿电压随温 度的升高而降低。
2015 年 第 9 卷 第 12 期 2015 Vol. 9 No. 12
南方电网技术
SOUTHEＲN POWEＲ SYSTEM TECHNOLOGY 中图分类号： TM26 ； TM 404
超导发电与变电技术 Superconducting G ＆ T 文献标志码： A
0629 （ 2015 ） 12008007 文章编号： 1674DOI： 10. 13648 / j. cnki. issn16740629. 2015. 12. 010
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引言
外已有多组高温超导电力变压器样机和机车变压器 样机相继研发成功并通过了实验， 其中部分样机进 行了长期挂网试验运行
［3 － 4 ］
与传统的电力变压器相比，超导变压器具有体 积小、重量轻、损耗低、无火灾隐患、 无环境污染 和低漏抗等特点，基于第二代涂层导体高温超导线 材的高温超导变压器还具有潜在的限流能力。 近年 来，随着第二代高温超导线材性能的改善， 限流电 ［1 － 2 ］ 。 目前， 国内 力变压器引起国际上的广泛兴趣