超导变压器

高温超导变压器的发展及其特点

一、研究背景

现代电力变压器是一种具有高度可靠性、高效率的电力设备。随着我国电力工业和城市建设的迅速发展, 国家正在实施城网、农网改造,变压器行业相应地得到了飞速发展。随着单机容量的日益增大,用户对变压器的要求越来越高,电力变压器除了要满足电、磁、力、热等技术规范外, 还要满足小型、无油、低噪音的要求,以减小占地面积和减少环境污染。常规变压器由于其固有缺陷难以满足现代电力工业发展的需要。研究和发展新型超导变压器,从而提高电力变压器的性能,具有巨大的理论研究意义和实际应用价值。从经济上看, 超导材料的低阻抗特性有利于减小变压器的总损耗,高电流密度可以提高电力系统的效率,采用超导变压器将会大大节约能源, 减少其运行费用; 从绝缘运行寿命上看,超导变压器的绕组和固体绝缘材料都运行于深度低温下, 不存在绝缘老化问题,即使在两倍于额定功率下运行也不会影响运行寿命。在紧急情况下, 可由一台超导变压器承载原本由两台变压器供电的负载, 提高了系统的安全性;从对电力系统的贡献来看,正常工作时超导变压器的内阻很低, 增大了电压调节范围,有利于提高电力系统的性能[ 1];当电路发生短路时,超导体失超进入有阻状态,限制了电流尖峰。这种潜在的故障电流限制能力使得变压器阻抗要求与短路电流要求得以分离,相应的电力系统元件按限制后的电流来设计,减小了整个系统的投资;从环保角度看,超导变压器采用液氮进行冷却, 取代了常规变压器所用的强迫油循环冷却或空冷,降低了噪声,避免了变压器可能引起的火灾危险和由于泄漏造成的环境污染。总体来看, 超导变压器具有体积小、重量轻等优点,将成为21 世纪最理想的节能变压器,极具潜在的开发前景。

二、研究现状

早在60 年代实用超导材料出现后,国际上就开展了对超导变压器的研究。由于超导线的交流损耗较大, 超导变压器的研究没有什么进展。80年代初,法国首先研制出低交流损耗的极细丝复合多芯超导线, 加上低温冷却技术的改善,共同促进了低温超导( LTS) 变压器的发展。1987年以来,随着高温超导带材的开发成功, 超导变压器的研究兴趣开始转向高温超导( HT S)变压器。首先德国、日本、美国等各国分别进行了一系列技术、经济可行性研究和概念设计[ 2], 对大容量三相HT S 变压器进行了相对价格与性能的评估,并与LT S 变压器与常规变压器相比较。结果表明目前HT S 变压器的经济运行容量可达到30MVA, 而LT S 变压器的经济运行容量为300MVA。随着高温超导材料性能的改进,各种容量的HTS 变压器工业样机也相继问世。其中,ABB 和法国电力公司、瑞士日内瓦发电厂、洛桑工业大学联合开发了一台容量为630kVA、变比为18. 7kV / 0. 42kV、频率为50Hz 的HT S 变压器[ 3],采用的高温超导材料为Bi- 2223,工程临界电流密度为4500A/ cm2, 短路阻抗为4. 6% ,于1997 年3 月12 日起在瑞士日内瓦正式挂网运行, 该样机的研制成功说明了HTS 变压器投入电网运行的可行性, 并为30MVA 以上超导变压器的开发打下基础;美国电力公司、IGC 超导材料公司和橡树岭国家实验室共同研制成功一台容量为1MVA、变比为13. 8kV/ 6. 9kV、频率为60Hz 的单相HT S变压器样机[ 4], 该样机能承受10 倍于额定电流的故障电流并能够稳定运行而不发生热降级,具有较好的稳定性, 其成功研制说明了更大容量的HTS 变压器在技术上的可行性及优点;日本九洲大学超导研究中心先后开发出一台500kVA、6. 6kV/ 3. 3kV 的HT S 变压器[ 5]与一台1000kV A、22kV/ 69kV 的超导变压器;德国西门子公司研制了一台容量为100kVA、变比为5. 6kV/ 11kV 的HT S 变压器[ 6],目前正在开发用于铁路运输的1000kVA 超导变压器。

三、高温超导变压器的特点

传统的油浸变压器和高温超导变压器的基本结构的比较: 传统的油浸变压器是将铜导线绕制的一、二次绕组套装在铁心柱上, 然后将器身装入钢制的油箱里, 再将油箱注满变压器油。而高温超导变压器是将铋氧化物超导线材卷制的绕

组, 放入经玻璃纤维强化的玻璃钢制成的隔热圆筒内,并注入77K的液氮, 以取代变压器油, 其基本结构如图所示。另外, 从热设计角度考虑, 可以把铁心放在室温空间里与液氮加以隔绝。

超导变压器的基本结构

高温超导变压器的数学模型与常规变压器的区别

稳定运行时铁芯变压器的等效电路

HTS 变压器的等效电路与常规变压器在形式上很接近,如图所示:

将副边电压、电流等量值折合到原边, 有

折合后变压器的电压方程式为：

其中, k 为变比, L1、L2 分别为原边的漏电感和副边折合到原边的漏电感, Lm 为励磁电感, Rm 为励磁电阻。对HTS 变压器而言, 在稳态运行状态下, R1、R2’分别为原边绕组和副边绕组折算后的价电阻,。该电阻远远小于铜绕组的电阻, 可以近似为零。此时,式( 2)可以简化为:

变压器负载端短路时, 超导绕组发生失超, R1、R2 分别表示失超后原边与副边绕组折合到原边的失超电阻, 该电阻为高温超导带材基底材料的电阻。

四、高温超导变压器研究中存在的问题

在工程上, 以上特点使超导变压器的冷却系统结构设计、导体设计、套管

和电流引线设计更为复杂,对绕组的机械强度要求更高。因此,在HT S 变压器的研究中需要解决以下关键技术问题

(1)HT S 变压器结构参数与性能参数的优化。

(2)漏磁场分布的优化,提高HT S 变压器的稳定性。

(3)长期可靠运行的冷却技术的开发研究,适当的冷却方式的选择。

(4)液氮冷却剂的高压绝缘问题。

(5)正常运行和短路故障时绕组的机械稳定性研究。

(6)正常运行和短路故障时高温超导材料的交流损耗与热稳定性研究。

(7)故障失超的快速检测与保护方法、故障限流功能的实现与故障排除后恢复能力的研究。

(8)HT S 变压器在电力系统中的动态仿真和试验研究。