引言
現(xiàn)代變壓器是一種具有高度可靠性,高效率的電力設(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。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(jià)值。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(yùn)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(tái)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(jì)的要點(diǎn)
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(jì)中,漏磁場及環(huán)流是需要特別考慮的兩個(gè)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(jì)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(jì)應(yīng)涉及漏磁場計(jì)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(jì)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(jì)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(shí),上述目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)。這個(gè)匝電壓值較常導(dǎo)變壓器的10~20V低得多。以一臺(tái)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(jì),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(jì)
1)已知參數(shù)
(1)容量
SN1/SN2/SN3=3 000/1 275×2/450kVA
(2)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 125A
(4)相數(shù)mp=1
(5)頻率f=50Hz
2)鐵心結(jié)構(gòu)
(1)形式單柱外鐵式
(2)材料30QG110
(3)心柱直徑D=270mm
(4)心柱有效面積
AZ=5 13.76cm2(Kp=0.96)
3)繞組
一次側(cè)有2個(gè)高壓繞組(并聯(lián)),二次側(cè)為2個(gè)牽引繞組、三次側(cè)為1個(gè)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
高壓繞組取(雙)餅式,分2個(gè)線圈,沿軸向排列,2個(gè)線圈并聯(lián)。每個(gè)線圈32個(gè)單餅,每個(gè)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(gè)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(jì)并通過Ansys軟件計(jì)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。
4 結(jié)束語
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(jì)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。
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