超导电力变压器的进展.pdf

④ ～ 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 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 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 8～0 ． 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 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 境 中。 高、 低 压 绕 组 采 用 超 细 Nb—T 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 5～6K， 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 【 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 Nb—Ni 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 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 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 ] [ ㈦ 式中， ( = Ⅵ ) 称作 磁耦合 系数，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 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 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 是 必要 的 。 空 心超 导变压器 的励 磁 电流 很大 ， 一 次 电 流 ^和 二 次 电流 之 间的 相位 差 使 它们 各 自 产 生 的 磁 场 H 和 也 有 相 位 差 。 因为 投 有 铁 心， 每 一个 绕组 产生酌磁 场 在其 绕 组 的两 端附 近 扩 散， 又 因 为每 个绕 组的直 径不 同 ， 所 以磁 维普资讯 1 9 9 6年第 9期 ” 场 H。 和 的方 向不 同。在 负 荷 ’隋况 下 ， 当作 用到导线 上的两 个交变 磁场 H 和 的相 位和 方 向不 同时 ， 合成 磁 场 是一 个 椭 圆磁 场， 它 包 括 了一个旋 转分量 。这 个旋 转分量 可能 使绕组 的交流损耗 增加， 并影 响其稳 定性 。 文献 【 9 】9的 作者做 了上述理论分析 和 计 算， 在 他 们 制造 的 试验 变 压 器 上 进 行 了验 证 他f I l 还指 出： 作 用在 各 绕组 上 的 磁 场分 布 是不均匀 的， 这 意昧着交 流 损耗 的分 布也 不 均 匀 绕组 的最井 层产 生柏 损 耗展尢 。 由于磁场 的旋 转分 量 使 作 用 在 超 导 线 上 的 电 磁 力 改 变方 l向、 所 以在进行 结构设计 时应考 虑这一 影响 。 4 ． 空 心 超 导 变 压 器 的 基 本 关 系 式 ． 文献 1 8 ] 详细 研 究 了这 种 变 压器 的基 本 电 磁 关 系 根 据 图 5 ， 可 以 得 到 一 次 电 流 三 次 电 流 和 二 次 电 压豹标 么值 ， 表 达 式 为 ： 书 j + Z L jK x j 五 ( 3 ) 式中， 下 标 r l 表示标 么值 ，五 为 负荷阻抗标么 值 电压和 电流 的基 值是折算 到一 次侧韵二 次 额 定 电 压 ， 和 二 次 额 定 电 流 。 自感 电 抗 标么值 一a ) L - ， ( 1 2 ) 。 二 次侧在额定屯 压、 额定电流、 额定负 荷功 率因数下工作时 ， ～谯 侧l的 电压 和 电流 被 定义 为一次侧 的额定 电压和额定 电流 。一 次额 定电 压的标么 值 U 和一 次 额定 电梳 的标 幺 值 ^ 按 下式计算 ： u 专 。= ( 4) 。 1．．．． ．．．．．．．． ．．．．．．： ．．．．．．． ．．．．．．． ．．．．．．． ．．．．．．．． ．．．．．．． ．．．．．一 ^ 玄 1 2 h sin + ( 5 ) 应该指 出， 由于空心超导 变 压器兼 有并 联 电抗 器的功能， 所以 和 均 >1 。 一 次额 定容 量 由下式给 出： ( ￡ ， ， ) ． 一ui ( 标么值) ( 6 ) 励磁容 量 Q。 为 ： a }0 一U： ， ( 标么值) ( 7 ) 由于空 超导 变 压器 的绕组 没 有 电阻 ， 阻 抗 电压 仅有 电抗分 量 ， 因此， 阻 抗 电压指 的 是 电抗 电压 q 。q的标 么值等 于 使二 次 侧短 路 且 流过的电流为额定值时的一次电压与一 额定 电压 之 比 ， 即 ：! KUi ( 8) 通常 、 q l 和 是 已知 的， 将 式 ( 7 ) 和 式 ( 8 ) 联 立 求 解 ， 得 ： n 一 ‘ —— ( 9 ) 1 一 0 0 【q n 审 一√1 一 q ~c o s L 『 ] 10 【 g s in ‘p 一、 ， 1 磊 r ‘ ( 1 o 1 一 般一次额 定 电压 Ui 和二 次额 定电 压 C 已知 ， 所 以转换 系数a可 以按下式计 算 ： 一一 一 ／ 一百 摄 式 ， ( 1 1 ，确 定 的 值 以 后 ， 一 嵌 穰 足 电 流 “ 一 次额定容量 ( ￡ } ． ， 和 绕组参 数可 按下 式计 算 ： l I ‘ 争 0 2 ) ( E ． ，( ut h l( L r， ) ( 1 3 ) ’ L 等 。0 4 ) 。 L - - 【 1 5 ) 一兰 f 1 6 1 2 ． 四 、 空心超导 变压 器和 常规娈压器的比较 1 ， ’ 文 献『 6 1 对 一台 用 于 5 0 0 k V 电缆输 电系 统 的单相 空心超导 电力变 压器进 行 了概 念 设计 。 其额定电压比为( 5 0 0 ， 、 ， ) ／ ( 6 6 ／ 4 _ 3 ) k v ， 额定容量 为3 0 0 M V A， 电抗电压 为 0 1 5 ， 它提供 1 0 0 M V A 的 无功功 率， 即作 为并联电抗器的容量 。根据上述 理论研究 的成果 进行 设 计 。 图 7 a示 出所 设 计 维普资讯 2． 1 9 9 6年第 9 _期 绕 组 { a ) l b J 圈 7超 导 变压 器 和常 规变 压嚣 的 比较 f a ) 空 心超导 变压 器 ( b ) 常规 变 压器 的空心超 导变压器 。具 有 相 同输 出容量 ， 额 定 电压 和 电抗 电 压 的 常 规 变 压 器 ， 如 图 7 b所 示 。 从 图 7可 以看 出 、 虽 然 空 心 超 导 变 压 器 兼 有 并 联 电抗器 功能 ， 它仍 然 比常规 变 压 器 的尺 寸 小 得 多 一 超 导变压器 的总 重包括磁屏蔽 约为 4 3 t 、 而 常规变 压器总重为 1 3 0 t 。 前 者 比后者 轻得多 假定低 温恒温系统 的效率为 1 i 7 5 0 ， 空 心 超 导变压器在额 定负荷 ( 3 0 0 Mw 电阻性 负荷 ) 下 的效率计 算 为 9 9 ． 5 ％． 而常规 变 压器 的效 率 为 9 9 ． 4 ％。实 际上 ， 现在 低 温 恒 温系 统的效 率 达 到 1 ／ 5 0 0～ 1 Ho 0 。 因为 超 导 变 压 器 的 大 部 分 损 耗是低温 恒温系统产 生 的， 所 以这 两 种变 压 器 效率 的差 值随着低温恒温 系统效 率的提高变得 更大 ． 超 导变压器降低损 耗的潜力是很大 的。 五 、 结论 近几年 ， 高临界 温 度超 导体 在提 高临 界 温 度， 改进 加 工工 艺 方 面获 得 飞 速发 展 ， 达 到 实 用化 的前 景服 好 。探 冷技 术 的 发展 使 低 温 恒 温系统的效瘁不断提高 。人们已经预见到低临界温 度空心 超导变压器 与超 导交 流 发 电机 、 超 导 电 缆 ( 或超高 压槊 空 线路 ) 输 电 系 统配 奢 的商 业 应用方面 将变为现实 。这 时 ， 在理 论 问题 上 做 超前 研究 是孵智之举 ．所 以国外都在增 加对空 心超 导变 压 器 的 理 论 研 究． 我 国 变 压 器行业 应该投入 资金 开展超 导变压器 的 理论研究 和实 验研 究 ， 以便能 在 高临 界 温度交 流超 导钱 达 到实 用化 时； 尽快 将 超 导变 压器推 向商 业应用 。 参考文献 1 M cF e e R． Su pe r c on du c t i n g p bwe r t r an s f or me r $一A f e a s i bi l i t y s t u d E l e c t r i c a l e n g i n e e r i n g ， 1 9 6 1 ’ 8 0 ( 1 0 ) ： 7 5 4 7 6 0 2 Ri e me r s ma H e t a t ． App l i c a t i o n f s u p e r c o n du c t i n g t e c hn ol o g y t o powe r t r a ns f o r m e r I EE E Tr a m． o n p o v ~r a p p a r ． a n d s y s t ， l 9 昱 1 ． 1 0 0 ( 7 ) ： 3 3 9 8~3 40 5 3 应百川 ．超导变 压 器 可 行 性 初 探 、变 压 器， 1 9 9 4 ， 3 1 ( 4 1 ： 2～7 4 Ya ma mo t o M e t a 1 ．A f e a s i b i l i t y s t ud y o n s u p e r c on du c t i n g p owe r t r a n s f or me r I EEE Tr a n s ．o n ma g n e t i c s 、 l 9 8 6 ． 2 2 ( 5 ) ： 4 】 8～4 加 5 K】 t o Y e l a l De v e l op me n t of a 6 6 0 0 ／ 2 1 0 v 】 O OkVA h y b r i d—t y p e s u pe r c o n du c t i n g t r d n s — f o r me r I EEE Tr a n s ．on powe r d e l i v er y ．】 9 9 1 6 c 2 1 ： 8 1 6～ 8 2 2 6 Ya mag uc h i H e t a 1 ． Con c e pt u al d e s i g n of a —c or e s u p e reo l i du c t i n g t r a n s f or me r f o r 5 0 0kV c a bl e t r a n s mi s s i on s y s t e m ． I EE Pr o c g o n e r ．t r a n s m．d is t r i b ． ， 1 9 9 5 ， 】 4 5 ) ： 4 8 7～4 9 3 7 Ya ma gu c hi H e t a 1 ． Lo s s c h a r a c t e r i s t i c s of a i r —c or e s u pe r c on d u c t i ng t r a n s f or me r I EEE Tr a n s ．o n ma g n e t i c s ， l 9 9 2 ． 2 8 ( 5 ) ： 2 2 3 2~2 2 3 4 8 K a t a ok a T e t a 1 ．Vo l t —a mp e r e r a t i n g o 1 "a i r— c o r e s u p e r c on du c t i n g t r an s f or me r ．I EEE Tr an s ． o n ma g n e t i cs， 】 9 9 3 ， 2 9 ( 6 ) ： 3 5 9 2--3 5 9 4 9 Ya mag uc h i H e t a1 ．M a gn e t i c f i e l d a n a l y s i s o 1 " a i r —c o r e s u pe r c o ndu c t i n g t r a n s f or me r ． I EEE Tr a n s o n ma g n e t i cs 1 9 9 5 ， 3 l ( 6 ) ： 41 2 4～4 】 2 6 ( 收稿 日期 ： l 9 9 6 -0 7 —1 0 ) 维普资讯