單相3000kVA高溫超導變壓器設計

?0 引言
??? 現代變壓器是一種具有高度可靠性，高效率的電力設備。常導變壓器由于其固有缺陷難以滿足現代電力工業發展的需要。研究和發展新型超導變壓器，從而提高電力變壓器的性能，具有巨大的價值。高溫超導變壓器采用高溫超導材料取代銅導線繞制高溫超導線圈，以液氮取代變壓器油作為冷卻介質，使高溫超導線圈在液氮環境中運行，與常導變壓器相比，它有很多優勢：體積小，重量輕。文獻[2]指出，一臺三相60MVA高溫超導變壓器考慮冷卻系統后，其重量約為同容量常導變壓器的60%。

1 超導變壓器電磁設計的要點
??? 1)磁場與環流
??? 與常導變壓器比較，在超導變壓器設計中，漏磁場及環流是需要特別考慮的兩個問題。在常導變壓器中，漏磁場達0．2～0．3T；并繞導線通過適當換位，加上繞組電阻限制環流的作用，環流可控制在允許范圍內。但在超導變壓器中，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；而且超導材料的零電阻特性使得繞組限制環流的能力極低，繞組各支路間漏電抗微小的不平衡可能引起相當大的環流。環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。環流的較準確計算建立在漏磁場分析的基礎上。因此，超導變壓器的電磁設計應涉及漏磁場計算內容。
??? 2)短路阻抗
??? 漏抗和漏磁場分布有關，而繞組的安匝分布決定漏磁場分布。為了降低漏磁場，超導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變壓器的方法。

?3)優化方法
??? 關于超導變壓器優化設計的研究，大多數集中在減少超導線材用料及降低鐵心損耗方面。其中，文獻[6]推導了以繞組匝電壓為白變量，目標函數是關于“變壓器鐵心體積及其損耗加超導線材長度加變壓器在一定壽命期限內的損耗”，結果表明，當變壓器的匝電壓約取1．1V時，上述目標函數最優。這個匝電壓值較常導變壓器的10～20V低得多。文獻[7]以一臺50MVA超導變壓器為例，研究了基于匝電壓的總體積、總損耗及阻抗電壓的優化設計，并與同容量的常導變壓器進行了比較。

2 3000kVA高溫超導變壓器電磁設計
??? 1)已知參數
??? (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mp=1
??? (5)頻率f=50Hz
??? 2)鐵心結構
??? (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
??? 一次側有2個高壓繞組(并聯)，二次側為2個牽引繞組、三次側為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)線圈絕緣結構
??? 超導線絕緣采用浸環氧膠與固體絕緣結合。
??? 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個線圈，沿軸向排列，2個線圈并聯。每個線圈32個單餅，每個單餅用1根導線繞制。
??? 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。
??? 8)輔助繞組
??? 輔助繞組為螺旋式，軸向分2段串聯。

3 磁場徑向和分量云圖
??? 單相3000kVA高溫超導變壓器仿真設計并通過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。

4 結束語
??? 磁場分析表明，同心式的繞組排列方式磁場區域的徑向分量比較小，對于大容量變壓器，繞組都需要多根導線并繞(本設計中二次側繞組并繞導線多達38根或40根)，由于超導材料的零電阻特性使得抑制環流的能力大大削弱，因此必須要對導線進行有效的換位。