關(guān)鍵詞—超導(dǎo)變壓器，高溫超導(dǎo)線圈，DI-BSCCO，臨界電流，交流損耗。

I. 簡  介

    最進(jìn)幾年，隨著高溫超導(dǎo)設(shè)備技術(shù)的發(fā)展，在電子電力設(shè)備，如故障電流限流器和變壓器等設(shè)備上得到了實(shí)實(shí)在在的應(yīng)用[1]-[3]。相比起銅導(dǎo)線或者鋁導(dǎo)線的傳統(tǒng)變壓器而言，高溫超導(dǎo)變壓器體積更小，重量更輕，效率更高，且具有維護(hù)周期長，故障率低，對(duì)環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)。 

目前，高溫超導(dǎo)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(dǎo)電力變壓器領(lǐng)域，瑞典在1997年已研制出一臺(tái)三相630kVA/13.72kV/0.42kV的超導(dǎo)電力變壓器，并成功掛網(wǎng)運(yùn)行一年。2004年美國的沃基肖制造廠也開發(fā)出一臺(tái)5-10MVA/24.9kV/4.2kV的三相超導(dǎo)電力變壓器；在同一年，日本九州大學(xué)也開發(fā)出一臺(tái)2MVA/66kV/6.9kV的單相超導(dǎo)變壓器，韓國也在同一年設(shè)計(jì)出一臺(tái)1MVA/22.9kV/6.6kV的超導(dǎo)電力變壓器。在2004年法國也開發(fā)出一臺(tái)41kVA/2.05kV/0.41kV變壓器。中國在2005年開發(fā)出一臺(tái)三相630kVA/10.5kV/0.4kV非金合金型鐵心結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)變壓器，并且在2010年開發(fā)出YBCO鍍層結(jié)構(gòu)的三相2MVA/22kV/6.6kV超導(dǎo)故障電流限流器。新西蘭在2013年預(yù)裝了一臺(tái)YBCO鍍層線纜結(jié)構(gòu)的三相1MVA/11kV/0.4kV超導(dǎo)變壓器。在高溫超導(dǎo)牽引變壓器領(lǐng)域，德國在2001年就制造出一臺(tái)單相1MVA/25kV/1.4kV高溫超導(dǎo)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(shè)計(jì)制造出一臺(tái)4MVA/25kV/1.2kV單相超導(dǎo)牽引變壓器。中國在2005年開發(fā)出一臺(tái)用于電力機(jī)車的單相0.3MVA/25kV/0.86kV變壓器。隨著超導(dǎo)變壓器技術(shù)原型和其相關(guān)技術(shù)的領(lǐng)域的不斷發(fā)展，我們可以大膽預(yù)想在不久的將來，超導(dǎo)變壓器必將走向商業(yè)化。

這篇文章是對(duì)1MVA/10kV/0.4kV高溫超導(dǎo)電力變壓器的一個(gè)概念設(shè)計(jì)。在第二段中將對(duì)此超導(dǎo)電力變壓器做一個(gè)概述。第三段將介紹超導(dǎo)電力變壓器的鐵心結(jié)構(gòu)和其高、低壓線圈的布置。在第四段講對(duì)電磁分析和高、低壓不同線圈形式結(jié)構(gòu)的效率做進(jìn)一步分析。第五段將對(duì)1MVA容量下銅線圈形式的傳統(tǒng)變壓強(qiáng)和超導(dǎo)線圈形式下的超導(dǎo)變壓器做一個(gè)綜合性能分析。

II. 1MVA高溫超導(dǎo)變壓器概述

這一臺(tái)1MVA超導(dǎo)變壓器將被設(shè)計(jì)用在10kV電網(wǎng)中的地方電網(wǎng)終端。有關(guān)這臺(tái)超導(dǎo)變壓器的電氣結(jié)構(gòu)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(dǎo)磁冷軋取向硅鋼片疊制而成。一次側(cè)和二次側(cè)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(dòng)態(tài)新型BSCCO超導(dǎo)帶材，超導(dǎo)導(dǎo)線全部置于65K液氮冷卻液中。以下為動(dòng)態(tài)新型BSCCO超導(dǎo)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(qiáng)度為0T環(huán)境下的臨界電流為200A，在溫度為77K時(shí)的臨界拉伸強(qiáng)度- 270MPa。非金屬型低溫恒溫裝置采用增強(qiáng)型玻璃纖維塑料制造。

I. 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

A. 鐵心

鐵心采用三相三柱式鐵心結(jié)構(gòu)。由鐵心維持內(nèi)部的磁平衡和提供整體的機(jī)械穩(wěn)定性。鐵心采用武鋼生產(chǎn)的23RB035型高導(dǎo)磁冷軋取向硅鋼片，其直徑可通過經(jīng)驗(yàn)公式估算為：54× (1/3)1/4 ≈ 23 cm ，其有效導(dǎo)磁截面積為382.8 cm2。設(shè)計(jì)磁密為1.6T，并以此計(jì)算出的最初匝電壓為23.53V?？紤]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(shè)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(duì)稱地布置在鐵心柱的左邊。在相鄰的線圈之間設(shè)計(jì)有4個(gè)冷卻通道，每個(gè)通道輻向?qū)挾葹?mm。每個(gè)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(shí)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(shè)計(jì)了兩個(gè)結(jié)構(gòu)方案。一個(gè)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(gè)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(jié)構(gòu)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(dǎo)線重疊繞制成一匝線圈，然后由這樣的17個(gè)線圈組成整個(gè)繞組。在對(duì)線圈進(jìn)行繞制前需要對(duì)10根導(dǎo)線預(yù)先進(jìn)行處理。10根并繞的導(dǎo)線分成5組，每組2根導(dǎo)線，如圖3（b）。兩根并聯(lián)繞指的導(dǎo)線之間事先需要由低溫冷凝粘膠把兩根帶材凝結(jié)在一起，形成一個(gè)柔韌的矩形可繞制的組合導(dǎo)線。得益于分散的支撐骨架，5個(gè)具有柔韌性的空道恰能夠?qū)?組導(dǎo)線進(jìn)行固定裝配。5組線圈的幾何結(jié)構(gòu)如圖4 所示。每個(gè)線圈有5組導(dǎo)線。低溫制冷的液氮通過每層線圈之間的矩形通道流動(dòng)，從而達(dá)到對(duì)超導(dǎo)帶材冷卻的效果。

I. 電磁分析

A. 高壓繞組

此臺(tái)1MVA超導(dǎo)變壓器滿載情況下，高壓側(cè)和低壓側(cè)的峰值電流分別為81.59A和2.03kA。其高壓繞組周圍所對(duì)應(yīng)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(cè)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(gè)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(shí)，層間絕緣的安全性能也逐漸增強(qiáng)。但是需要在高壓繞組上安裝一個(gè)更大的低溫恒溫器。在設(shè)計(jì)中我們?yōu)楦邏豪@組選擇一個(gè)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(yīng)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(shí)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(shè)計(jì)中，低壓繞組g2 選擇值為16 mm 。

 

為了評(píng)估在不同線圈之間或者不同繞組之間的不平衡電流，我們?cè)O(shè)定一個(gè)電流均勻系數(shù)Ki 來衡量每一個(gè)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(duì)誤差系數(shù)為Kerror [=|0.2 - Ki| / 0.2] 0.015。然而，由于漏磁通和每個(gè)繞組感應(yīng)電抗的不平衡分布，實(shí)際電流的分布可能是不均勻的。

對(duì)于方案B，每個(gè)軸向線圈的十根疊制的帶材幾乎都能達(dá)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(duì)偏差會(huì)逐漸減小。其最大Ki 值出現(xiàn)在Nlayer = 1的時(shí)候，值為0.215。其相應(yīng)的 Kerror值為0.075。對(duì)比方案A，方案B的感應(yīng)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(rèn)為運(yùn)行電流的分布是均勻的。因此，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們選擇的是方案B。

 

A. 分流器對(duì)臨界電流的提高和分布的影響

為了提高線圈兩端允許運(yùn)行電流，最簡單的方法就是采用一個(gè)或者多個(gè)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(fèi)更多的成本，同時(shí)會(huì)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(gè)分流器能有效的提高臨界電流值。在設(shè)計(jì)中，像圖10所示，采用一種相對(duì)磁導(dǎo)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(shí)候的1.15倍和1.13倍。對(duì)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(yùn)行電流變得更均勻。

 

I. 1MVA高溫超導(dǎo)變壓器和常規(guī)變壓器的性能比較

1MVA超導(dǎo)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(guān)結(jié)構(gòu)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(dǎo)變壓器鐵心體積的1.1倍。而且一次側(cè)采用更多的線匝還會(huì)使鐵心尺寸進(jìn)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(guān)系如圖14所示。由于超導(dǎo)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(huì)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(dǎo)帶材繞制的線圈匝數(shù)和具體體積之間再尋求一個(gè)平衡點(diǎn)，以達(dá)到性能和體積的最優(yōu)化。受鐵心有效截面積的影響，當(dāng)一次側(cè)線圈匝數(shù)從425匝增加到1700匝的時(shí)候，鐵心截面積相應(yīng)的從382.8cm²減小到95.7cm²。下一步我們將就減小1MVA高溫超導(dǎo)變壓器整體體積做一個(gè)平衡設(shè)計(jì)。