超导变压器电磁的工作原理及应用设计方案

引言

现代变压器是一种具有高度可靠性，高效率的电力设备。常导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，具有巨大的价值。高温超导变压器采用高温超导材料取代铜导线绕制高温超导线圈，以液氮取代变压器油作为冷却介质，使高温超导线圈在液氮环境中运行，与常导变压器相比，它有很多优势：体积小，重量轻。一台三相60MVA高温超导变压器考虑冷却系统后，其重量约为同容量常导变压器的60%。

1 超导变压器电磁设计的要点

1）磁场与环流

与常导变压器比较，在超导变压器设计中，漏磁场及环流是需要特别考虑的两个问题。在常导变压器中，漏磁场达0．2～0．3T；并绕导线通过适当换位，加上绕组电阻限制环流的作用，环流可控制在允许范围内。但在超导变压器中，漏磁场尤其是其径向分量，降低绕组中的临界电流并增加交流损耗；而且超导材料的零电阻特性使得绕组限制环流的能力极低，绕组各支路间漏电抗微小的不平衡可能引起相当大的环流。环流的存在一方面增加绕组的交流损耗；另一方面使得漏磁场分布不均匀，从而降低临界电流。环流的较准确计算建立在漏磁场分析的基础上。因此，超导变压器的电磁设计应涉及漏磁场计算内容。

2）短路阻抗

漏抗和漏磁场分布有关，而绕组的安匝分布决定漏磁场分布。为了降低漏磁场，超导变压器的安匝分布比较稀疏，换言之，绕组的匝间、层间或饼间的气隙相对较大，考虑到一，二次侧绕组采用不同形式，高、低压绕组磁势沿轴向分布不均匀，由此产生的横向磁场对漏抗的影响不能忽略。这样，漏抗计算不能简单套用常导变压器的方法。

3）优化方法

关于超导变压器优化设计的研究，大多数集中在减少超导线材用料及降低铁心损耗方面。其中，文献［6］推导了以绕组匝电压为白变量，目标函数是关于“变压器铁心体积及其损耗加超导线材长度加变压器在一定寿命期限内的损耗”，结果表明，当变压器的匝电压约取1．1V时，上述目标函数最优。这个匝电压值较常导变压器的10～20V低得多。以一台50MVA超导变压器为例，研究了基于匝电压的总体积、总损耗及阻抗电压的优化设计，并与同容量的常导变压器进行了比较。

2 3000kVA高温超导变压器电磁设计

1）已知参数

（1）容量

SN1／SN2／SN3=3 000／1 275×2／450kVA

（2）额定电压

U1／U2／U3=25 000／1 500×2／400V

（3）额定电流

I1／I2／I3=120／850×2／1 125A

（4）相数mp=1

（5）频率f=50Hz

2）铁心结构

（1）形式单柱外铁式

（2）材料30QG110

（3）心柱直径D=270mm

（4）心柱有效面积

AZ=5 13．76cm2（Kp=0．96）

3）绕组

一次侧有2个高压绕组（并联），二次侧为2个牵引绕组、三次侧为1个辅助绕组。高压绕组、牵引绕组及辅助绕组均呈同心式排列。

4）线圈绝缘结构

超导线绝缘采用浸环氧胶与固体绝缘结合。

5）临界电流

IC=100A（77K，自场）

6）高压绕组

高压绕组取（双）饼式，分2个线圈，沿轴向排列，2个线圈并联。每个线圈32个单饼，每个单饼用1根导线绕制。

7）牵引绕组1（或2）

牵引绕组1（或2）采用螺旋式，轴向分1段，径向分2个线圈串联。

8）辅助绕组

辅助绕组为螺旋式，轴向分2段串联。

3 磁场径向和分量云图

单相3000kVA高温超导变压器仿真设计并通过Ansys软件计算得到磁场径向分量云图和轴向分量云图分别表示在图1和图2中。

4 结束语

磁场分析表明，同心式的绕组排列方式磁场区域的径向分量比较小，对于大容量变压器，绕组都需要多根导线并绕（本设计中二次侧绕组并绕导线多达38根或40根），由于超导材料的零电阻特性使得抑制环流的能力大大削弱，因此必须要对导线进行有效的换位。

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