1MVA 高溫超導變壓器的結構設計及電磁分析

發(fā)布時間：2014-11-03 11:16:03 人氣：

作者：金建勛，湯長龍，孫日明，朱永平

摘要—這是一篇基于動態(tài)創(chuàng)新型BSCCO超導帶材作為變壓器線圈制造材料，容量為1MVA，電壓比為10kV/0.4kV電力變壓器概念設計。其鐵心采用在常溫環(huán)境下工作的三相三柱式疊鐵心結構。高壓繞組采用每相5層線圈串聯(lián)的結構，5層線圈同心繞制。對低壓繞組的初步設計有兩種方案。一種方案是采用5層同軸線圈并聯(lián)方式；另一種方案是每匝線圈直接由10根超導帶材并聯(lián)在一起，然后再由17個這樣的匝線圈軸向串聯(lián)的方式。結構設計和電磁分析將結合臨界電流與電流的均勻分布做出綜合分析。設計的1MVA高溫超導變壓器將比1MVA傳統(tǒng)變壓器在體積、重量和負載損耗上有顯著地優(yōu)勢。

關鍵詞—超導變壓器，高溫超導線圈，DI-BSCCO，臨界電流，交流損耗。

I. 簡介

最進幾年，隨著高溫超導設備技術的發(fā)展，在電子電力設備，如故障電流限流器和變壓器等設備上得到了實實在在的應用[1]-[3]。相比起銅導線或者鋁導線的傳統(tǒng)變壓器而言，高溫超導變壓器體積更小，重量更輕，效率更高，且具有維護周期長，故障率低，對環(huán)境污染小等優(yōu)點。

目前，高溫超導變壓器至少主要有兩種類型，電力變壓器和牽引變壓器。在超導電力變壓器領域，瑞典在1997年已研制出一臺三相630kVA/13.72kV/0.42kV的超導電力變壓器，并成功掛網(wǎng)運行一年。2004年美國的沃基肖制造廠也開發(fā)出一臺5-10MVA/24.9kV/4.2kV的三相超導電力變壓器；在同一年，日本九州大學也開發(fā)出一臺2MVA/66kV/6.9kV的單相超導變壓器，韓國也在同一年設計出一臺1MVA/22.9kV/6.6kV的超導電力變壓器。在2004年法國也開發(fā)出一臺41kVA/2.05kV/0.41kV變壓器。中國在2005年開發(fā)出一臺三相630kVA/10.5kV/0.4kV非金合金型鐵心結構的超導變壓器，并且在2010年開發(fā)出YBCO鍍層結構的三相2MVA/22kV/6.6kV超導故障電流限流器。新西蘭在2013年預裝了一臺YBCO鍍層線纜結構的三相1MVA/11kV/0.4kV超導變壓器。在高溫超導牽引變壓器領域，德國在2001年就制造出一臺單相1MVA/25kV/1.4kV高溫超導牽引變壓器用在高鐵上。日本也在2004年為新干線軌道交通設計制造出一臺4MVA/25kV/1.2kV單相超導牽引變壓器。中國在2005年開發(fā)出一臺用于電力機車的單相0.3MVA/25kV/0.86kV變壓器。隨著超導變壓器技術原型和其相關技術的領域的不斷發(fā)展，我們可以大膽預想在不久的將來，超導變壓器必將走向商業(yè)化。

這篇文章是對1MVA/10kV/0.4kV高溫超導電力變壓器的一個概念設計。在第二段中將對此超導電力變壓器做一個概述。第三段將介紹超導電力變壓器的鐵心結構和其高、低壓線圈的布置。在第四段講對電磁分析和高、低壓不同線圈形式結構的效率做進一步分析。第五段將對1MVA容量下銅線圈形式的傳統(tǒng)變壓強和超導線圈形式下的超導變壓器做一個綜合性能分析。

II. 1MVA高溫超導變壓器概述

這一臺1MVA超導變壓器將被設計用在10kV電網(wǎng)中的地方電網(wǎng)終端。有關這臺超導變壓器的電氣結構參數(shù)已經(jīng)例在表1和表2 中。三柱式鐵心由可在常溫下工作的高導磁冷軋取向硅鋼片疊制而成。一次側和二次側繞組連接方式均為星型聯(lián)接方式。高壓和低壓繞組均使用動態(tài)新型BSCCO超導帶材，超導導線全部置于65K液氮冷卻液中。以下為動態(tài)新型BSCCO超導帶材的主要參數(shù)：平均帶寬-4.5mm，平均厚度-0.3mm，在溫度為77K，磁場強度為0T環(huán)境下的臨界電流為200A，在溫度為77K時的臨界拉伸強度- 270MPa。非金屬型低溫恒溫裝置采用增強型玻璃纖維塑料制造。

I. 結構設計

A. 鐵心

鐵心采用三相三柱式鐵心結構。由鐵心維持內(nèi)部的磁平衡和提供整體的機械穩(wěn)定性。鐵心采用武鋼生產(chǎn)的23RB035型高導磁冷軋取向硅鋼片，其直徑可通過經(jīng)驗公式估算為：54× (1/3)1/4 ≈ 23 cm ，其有效導磁截面積為382.8 cm2。設計磁密為1.6T，并以此計算出的最初匝電壓為23.53V。考慮到杜瓦的安裝尺寸，初步把鐵心窗高和鐵心柱中心距分別設定在400mm和750mm。鐵心的幾何圖形如圖1所示。

B. 高壓繞組

每一相高壓繞組總共由5層線圈以串聯(lián)的方式連接。圖2為5組線圈的右半邊剖視圖。另一半線圈對稱地布置在鐵心柱的左邊。在相鄰的線圈之間設計有4個冷卻通道，每個通道輻向?qū)挾葹?mm。每個繞組有5層，每層17匝線圈。相鄰并繞帶材之間的絕緣厚度為0.1mm?？紤]到實際繞制的工藝問題，相鄰匝之間的間隙為2mm。

A. 低壓繞組

低壓繞組設計了兩個結構方案。一個方案是每相繞組由5層線圈同軸并聯(lián)組成，每層線圈均為17匝。相鄰層間有4個輻向?qū)挾葹?6mm的冷卻通道。匝間軸向距離為2mm。其幾何尺寸及電氣結構圖如圖3（a）。從圖3 到圖2，在低壓繞組外徑和高壓繞組內(nèi)勁之間的絕緣距離為40mm。

方案二是用10根導線重疊繞制成一匝線圈，然后由這樣的17個線圈組成整個繞組。在對線圈進行繞制前需要對10根導線預先進行處理。10根并繞的導線分成5組，每組2根導線，如圖3（b）。兩根并聯(lián)繞指的導線之間事先需要由低溫冷凝粘膠把兩根帶材凝結在一起，形成一個柔韌的矩形可繞制的組合導線。得益于分散的支撐骨架，5個具有柔韌性的空道恰能夠?qū)?組導線進行固定裝配。5組線圈的幾何結構如圖4 所示。每個線圈有5組導線。低溫制冷的液氮通過每層線圈之間的矩形通道流動，從而達到對超導帶材冷卻的效果。

I. 電磁分析

A. 高壓繞組

此臺1MVA超導變壓器滿載情況下，高壓側和低壓側的峰值電流分別為81.59A和2.03kA。其高壓繞組周圍所對應的磁場分布情況（如圖5）與螺線管磁場非常相似。 DI-BSCCO帶材寬面平行磁場分量占內(nèi)部分布磁場的絕大部分。然而，垂直磁場分布在線圈兩端變得更大。由于依靠DI-BSCCO帶材[4]產(chǎn)生的磁場有很大的不均勻性，位于線圈兩側線匝的臨界電流要比線圈中部線匝的臨界電流小很多。

從高壓或者低壓內(nèi)壁到外壁的五個電磁組分別定義為Ngroup = 1, Ngroup = 2, …, Ngroup = 5.從頂部到底部的17層線分別定義為Nlayer = 1, Nlayer = 2, …, Nlayer = 17。在氣隙的軸向?qū)挾确较蛏细浇母邏汉偷蛪壕€圈分別定義為g1 和 g2。圖6展示了在高壓繞組不同的g1線層頂部的臨界電流分布。隨著g1 的增大，每組中的電流Ic 變得越來越大，以至于越來越接近飽和值。與此同時，層間絕緣的安全性能也逐漸增強。但是需要在高壓繞組上安裝一個更大的低溫恒溫器。在設計中我們?yōu)楦邏豪@組選擇一個較為合適的值，即g1 = 8 mm 。所有線匝中最小的電流值 Ic 為266.5A。相應的額定電流比為 Ipeak / Ic = 0.306。

A. 低壓繞組

圖7展示了低壓繞組在不同的g2 下磁場分布情況。在圖8中展示了低壓繞組在不同g2 下，（Nlayer = 1）時頂層線圈的臨界電流分布情況。同樣的，隨著g1 的增大， Ic 變得越來越大，逐漸接近飽和值。在設計中，低壓繞組g2 選擇值為16 mm 。

為了評估在不同線圈之間或者不同繞組之間的不平衡電流，我們設定一個電流均勻系數(shù)Ki 來衡量每一個螺線管之間或者不同繞組之間的安匝平衡率以及衡量所有螺線管或者不同繞組之間總得安匝不平衡率。圖9展示了A方案下不同螺線管之間的電流不均勻系數(shù)。其最大不平衡系數(shù)Ki 值為 0.203，相對誤差系數(shù)為Kerror [=|0.2 - Ki| / 0.2] 0.015。然而，由于漏磁通和每個繞組感應電抗的不平衡分布，實際電流的分布可能是不均勻的。

對于方案B，每個軸向線圈的十根疊制的帶材幾乎都能達到2.03kA的峰值電流。圖9展示了在不同帶組之間的電流不平衡系數(shù)。可以看出隨著層數(shù)的減小相對偏差會逐漸減小。其最大Ki 值出現(xiàn)在Nlayer = 1的時候，值為0.215。其相應的 Kerror值為0.075。對比方案A，方案B的感應電抗是微不足道的。在5組線圈臨界電流近似相等的情況下，我們認為運行電流的分布是均勻的。因此，在實際設計中，我們選擇的是方案B。

A. 分流器對臨界電流的提高和分布的影響

為了提高線圈兩端允許運行電流，最簡單的方法就是采用一個或者多個平行布置的盤形線圈來分離繞組兩端線圈的電流。然而卻需要更多的帶材和耗費更多的成本，同時會產(chǎn)生一些附加的焊接頭。據(jù)資料[4]記載，在線圈兩端布置兩個分流器能有效的提高臨界電流值。在設計中，像圖10所示，采用一種相對磁導率為40的鐵心粉鐵心。在鐵心粉鐵心中近似磁通密度為約為1T，如圖11。在底部線圈沒有分流器的情況下，頂部線圈端部的垂直磁通密度要比底部線圈端部的磁通密度小得多。

由此可以看出，帶分流器的高壓和低壓繞組的臨界電流值有顯著的增大。圖12和圖13展示了高壓繞組和低壓繞組臨界電流的比較。高壓繞組和低壓繞組的最小載流值分別提高到307.5A和326A，為之前沒有分流器時候的1.15倍和1.13倍。對于電流的不均勻系數(shù)，方案B的最大值分別減小到0.025。因此，引入分流器之后，除了顯著地提高了臨界電流以外，還使不同螺線管之間的運行電流變得更均勻。

I. 1MVA高溫超導變壓器和常規(guī)變壓器的性能比較

1MVA超導變壓器最大的區(qū)別就在于繞組材料的變化以及繞組材料變化之后所連帶的其它相關結構和配件的變化。在傳統(tǒng)容量為1MVA，電壓分配為10kV/0.4kV的常規(guī)變壓器中，其低壓線圈的內(nèi)徑為238mm，外徑為334mm。高壓繞組的內(nèi)徑為462mm，外徑為606mm。高低壓繞線高度為530mm。由于鐵心窗高和心柱距離受到繞組尺寸的影響，傳統(tǒng)常規(guī)銅繞組變壓器鐵心體積為0.25m³，其體積約為超導變壓器鐵心體積的1.1倍。而且一次側采用更多的線匝還會使鐵心尺寸進一步減小。不同鐵心、高壓繞組、低壓繞組體積和線圈匝數(shù)之間的關系如圖14所示。由于超導帶材的臨界電流很大，在伴隨鐵心體積急劇減小下線圈匝數(shù)的增多，高、低壓繞組的體積增大也是很小的。即可以考慮把繞組匝數(shù)增多，這樣就會使得鐵心截面積及整體體積急劇減小。其具體情況如圖14所示。下一步我們將就超導帶材繞制的線圈匝數(shù)和具體體積之間再尋求一個平衡點，以達到性能和體積的最優(yōu)化。受鐵心有效截面積的影響，當一次側線圈匝數(shù)從425匝增加到1700匝的時候，鐵心截面積相應的從382.8cm²減小到95.7cm²。下一步我們將就減小1MVA高溫超導變壓器整體體積做一個平衡設計。

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