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單相3000kVA高溫超導(dǎo)電力試驗變壓器設(shè)計技術(shù)分析
點擊次數(shù)：263 發(fā)布時間：2012-3-15
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，具有巨大的價值。
現(xiàn)代變壓器是一種具有高度可靠性，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。
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)境中運行，與常導(dǎo)變壓器相比，它有很多優(yōu)勢：體積小，重量輕。
一臺三相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)計的要點
1）磁場與環(huán)流
與常導(dǎo)變壓器比較，在超導(dǎo)變壓器設(shè)計中，漏磁場及環(huán)流是需要特別考慮的兩個問題。在常導(dǎo)變壓器中，漏磁場達(dá)0.2～0.3T;并繞導(dǎo)線通過適當(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分布不均勻，從而降低臨界電流。環(huán)流的較準(zhǔn)確計算建立在漏磁場分析的基礎(chǔ)上。因此，超導(dǎo)變壓器的電磁設(shè)計應(yīng)涉及漏磁場計算內(nèi)容。
2）短路阻抗
漏抗和漏磁場分布有關(guān)，而繞組的安匝分布決定漏磁場分布。為了降低漏磁場，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、低壓繞組磁勢沿軸向分布不均勻，由此產(chǎn)生的橫向磁場對漏抗的影響不能忽略。這樣，漏抗計算不能簡單套用常導(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，上述目標(biāo)函數(shù)*。這個匝電壓值較常導(dǎo)變壓器的10～20V低得多。文獻(xiàn)[7]以一臺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，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
1）已知參數(shù)
?。?）容量
SN1/SN2/SN3=3 000/1 275×2/450kVA
?。?）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 12
?。?）相數(shù)mp=1
2）鐵心結(jié)構(gòu)
（1）形式單柱外鐵式
（2）材料30QG110
?。?）心柱直徑D=270mm
?。?）心柱有效面積
AZ=5 13.76cm2（Kp=0.96）
3）繞組
一次側(cè)有2個高壓繞組（并聯(lián)），二次側(cè)為2個牽引繞組、三次側(cè)為1個輔助繞組。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）
6）高壓繞組
高壓繞組?。p）餅式，分2個線圈，沿軸向排列，2個線圈并聯(lián)。每個線圈32個單餅，每個單餅用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 磁場徑向和分量云圖
單相3000kVA高溫超導(dǎo)變壓器仿真設(shè)計并通過Ansys軟件計算得到磁場徑向分量云圖和軸向分量云圖分別表示在圖1和圖2中。
磁場分析表明，同心式的繞組排列方式磁場區(qū)域的徑向分量比較小，對于大容量變壓器，繞組都需要多根導(dǎo)線并繞（本設(shè)計中二次側(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，因此必須要對導(dǎo)線進(jìn)行有效的換位。