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1、高 温 超 导 变 压 器叶 林 杨 明 皓 杨 仁 刚(中 国 农 业 大 学 信 息 与 电 气 工 程 学 院 100083)摘 要 高 温 超 导 变 压 器 与 常 规 变 压 器 相 比 , 具 有 体 积 小 、 重 量 轻 、 效 率 高 、 无 火 灾 隐 患 、不 污 染 环 境 和 限 制 短 路 电 流 改 善 系 统 动 态 稳 定 性 等 诸 多 优 点 。 阐 述 了 欧 洲 、 美 国 及 日 本 等 国 家 的高 温 超 导 变 压 器 的 研 究 现 状 、 基 本 特 点 、 优 越 性 及 研 究 中 存 在 的 技 术 问 题 等 。 并 且 讨 论
2、了 高 温 超导 变 压 器 的 设 计 原 则 和 将 来 其 投 入 电 力 系 统 运 行 时 所 需 要 进 一 步 考 虑 的 问 题 。关 键 词 超 导 电 性 超 导 变 压 器 电 力 系 统1 高 温 超 导 变 压 器 的 研 究 意 义现 代 电 力 变 压 器 是 一 种 具 有 高 度 可 靠 性 、 高 效率 的 电 力 设 备 。 随 着 我 国 电 力 工 业 和 城 市 建 设 的 迅速 发 展 , 国 家 正 在 实 施 城 网 、 农 网 改 造 , 变 压 器 行业 相 应 地 得 到 了 飞 速 发 展 1 。 随 着 单 机 容 量 的 日益 增
3、大 , 用 户 对 变 压 器 的 要 求 越 来 越 高 , 电 力 变 压器 除 了 要 满 足 电 、 磁 、 力 、 热 等 技 术 规 范 外 , 还 要满 足 小 型 、 无 油 、 低 噪 声 的 要 求 , 以 减 小 占 地 面 积和 减 少 环 境 污 染 。 常 规 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 理 论 研 究 意 义 和 实 际 应 用 价 值 2 。高 温 超 导 变 压 器 (
4、 High TemperatureSuperconducting Transformer) 是 节 能 变 压 器 中 很有 发 展 前 景 的 产 品 。 高 温 超 导 变 压 器 是 将 由 高 温 超导 材 料 卷 制 的 绕 组 放 在 液 氮 里 冷 却 , 其 临 界 温 度 为77 K。 由 于 氮 气 是 制 氧 中 的 副 产 品 , 产 量 很 高 , 价格 低 廉 , 而 且 液 氮 的 制 取 极 为 方 便 , 成 本 不 高 , 所以 液 氮 极 具 商 业 价 值 , 因 而 人 们 期 盼 着 它 能 尽 早 投入 使 用 。 目 前 人 们 已 开 发 出
5、多 种 高 温 超 导 材 料 , 其中 银 基 铋 氧 化 物 系 列 超 导 材 料 已 经 解 决 了 长 尺 化 问题 , 在 国 外 作 为 商 品 早 已 用 于 超 导 变 压 器 中 3 。从 经 济 上 看 , 超 导 材 料 的 低 阻 抗 特 性 有 利 于 减 小 变压 器 的 总 损 耗 , 高 电 流 密 度 可 以 提 高 电 力 系 统 的 效率 , 采 用 超 导 变 压 器 将 会 大 大 节 约 能 源 , 减 少 其 运行 费 用 ; 从 绝 缘 运 行 寿 命 上 看 , 超 导 变 压 器 的 绕 组和 固 体 绝 缘 材 料 都 运 行 于 深 度
6、 低 温 下 , 不 存 在 绝 缘老 化 问 题 , 即 使 在 两 倍 于 额 定 功 率 下 运 行 也 不 会 影响 寿 命 。 在 紧 急 情 况 下 , 可 由 一 台 超 导 变 压 器 承 载原 本 由 两 台 变 压 器 供 电 的 负 载 , 提 高 了 系 统 的 安 全性 ; 从 对 电 力 系 统 的 贡 献 来 看 , 正 常 工 作 时 超 导 变压 器 的 内 阻 很 低 , 增 大 了 电 压 调 节 范 围 , 有 利 于 提高 电 力 系 统 的 稳 定 性 4 ; 若 电 力 系 统 中 发 生 短 路时 , 短 路 电 流 大 于 超 导 体 的 临
7、界 电 流 水 平 , 超 导 体失 超 产 生 一 个 阻 抗 , 能 够 快 速 的 限 制 短 路 电 流 峰值 。 高 温 超 导 变 压 器 的 潜 在 的 故 障 电 流 限 制 能 力 ,使 得 电 力 系 统 的 元 件 可 以 按 故 障 电 流 被 限 制 后 的 水平 来 设 计 , 减 小 了 整 个 系 统 的 投 资 5 ; 从 环 保 角度 看 , 高 温 超 导 变 压 器 采 用 液 氮 进 行 冷 却 , 取 代 了常 规 变 压 器 所 用 的 强 迫 油 循 环 冷 却 , 降 低 了 噪 声 ,避 免 了 变 压 器 可 能 引 起 的 火 灾 危 险
8、 和 由 于 泄 漏 造 成的 环 境 污 染 。 总 体 来 看 , 超 导 变 压 器 具 有 体 积 小 、重 量 轻 等 优 点 , 将 成 为 21 世 纪 最 理 想 的 节 能 变 压器 , 极 具 潜 在 的 开 发 前 景 1 。2 高 温 超 导 变 压 器 的 研 究 现 状 与 进 展早 在 20 世 纪 60 年 代 实 用 超 导 材 料 出 现 后 , 国际 上 就 开 展 了 对 超 导 变 压 器 的 研 究 。 由 于 超 导 线 的交 流 损 耗 较 大 , 超 导 变 压 器 的 研 究 没 有 什 么 进 展 。20 世 纪 80 年 代 初 , 法
9、国 首 先 研 制 出 低 交 流 损 耗 的极 细 丝 复 合 多 芯 超 导 线 , 加 上 低 温 冷 却 技 术 的 改善 , 共 同 促 进 了 低 温 超 导 (L TS) 变 压 器 的 发 展 。1987 年 以 来 , 随 着 高 温 超 导 带 材 的 开 发 成 功 , 超导 变 压 器 的 研 究 兴 趣 开 始 转 向 高 温 超 导 ( HTS) 变压 器 。 首 先 德 国 、 日 本 、 美 国 等 各 国 分 别 进 行 了 一系 列 技 术 、 经 济 可 行 性 研 究 和 概 念 设 计 , 对 大 容 量三 相 HTS 变 压 器 进 行 了 相 对
10、价 格 与 性 能 的 评 估 ,并 与 L TS 变 压 器 、 常 规 变 压 器 相 比 较 。 结 果 表 明目 前 HTS 变 压 器 的 经 济 运 行 容 量 可 达 到36 电 力 系 统 电 工 技 术 杂 志 2003 年 第 10 期30MVA6 。 随 着 高 温 超 导 材 料 性 能 的 改 进 , 各 种容 量 的 HTS 变 压 器 工 业 样 机 也 相 继 问 世 7 。 其 中 ,ABB 和 法 国 电 力 公 司 、 瑞 士 日 内 瓦 发 电 厂 、 洛 桑工 业 大 学 联 合 开 发 了 一 台 容 量 为 630kVA、 变 比 为1817kV/
11、 0142kV、 频 率 为 50Hz 的 HTS 变 压 器 ,采 用 的 高 温 超 导 材 料 为 Bi - 2223 , 工 程 临 界 电 流密 度 为 4500A/ cm2 , 短 路 阻 抗 为 416 % , 于 1997年 在 瑞 士 日 内 瓦 正 式 挂 网 运 行 , 该 样 机 的 研 制 成 功说 明 了 HTS 变 压 器 投 入 电 网 运 行 的 可 行 性 , 并 为30MVA 以 上 超 导 变 压 器 的 开 发 打 下 基 础 ; 美 国WES 电 力 公 司 、 IGC 超 导 材 料 公 司 和 橡 树 岭 国 家实 验 室 共 同 研 制 成 功
12、 一 台 容 量 为 1MVA、 变 比 为1318kV/ 619kV、 频 率 为 60Hz 的 单 相 HTS 变 压 器样 机 , 该 样 机 能 承 受 10 倍 于 额 定 电 流 的 故 障 电 流并 能 够 稳 定 运 行 而 不 发 生 热 降 级 , 具 有 较 好 的 稳 定性 , 其 成 功 研 制 说 明 了 更 大 容 量 的 HTS 变 压 器 在技 术 上 的 可 行 性 及 优 点 ; 日 本 九 洲 大 学 超 导 研 究 中心 先 后 开 发 出 一 台 500kVA、 616kV/ 313kV 的HTS 变 压 器 与 一 台 1000kVA、 22kV/
13、 69kV 的 超 导变 压 器 ; 德 国 西 门 子 公 司 研 制 了 一 台 容 量 为100kVA、 变 比 为 516kV/ 11kV 的 HTS 变 压 器 , 其常 温 下 的 总 损 耗 仅 为 309W , 远 远 低 于 传 统 变 压 器的 损 耗 , 目 前 正 在 开 发 用 于 铁 路 运 输 的 1000kVA超 导 变 压 器 。ABB、 美 国 超 导 公 司 和 法 国 电 力 公 司 ( EDF)签 订 1500 万 美 元 为 期 4 年 的 联 合 开 发 协 议 , 以 加速 高 温 超 导 ( HTS) 导 线 的 开 发 。 这 两 家 欧 洲
14、 公 司各 出 资 500 万 美 元 , 投 入 一 项 美 国 超 导 开 发 工 程 作为 此 计 划 的 一 部 分 。 根 据 有 关 协 议 , ABB 和 法 国电 气 公 司 将 用 美 国 公 司 生 产 的 HTS 导 线 制 造 一 台10MVA 变 压 器 样 机 。 该 变 压 器 是 开 发 商 用30MVA 变 压 器 项 目 的 一 部 分 。 这 台 10MVA 变 压器 的 容 量 是 1997 年 在 瑞 士 试 验 的 第 一 台 样 机 容 量的 15 倍 。 额 定 容 量 大 于 30MVA 的 常 规 变 压 器 ,全 球 年 市 场 估 计 为
15、 30 亿 美 元 。 新 的 超 导 变 压 器 的尺 寸 和 重 量 仅 为 常 规 变 压 器 的 一 半 , 允 许 在 不 增 大空 间 的 情 况 下 增 加 变 电 所 容 量 。3 高 温 超 导 变 压 器 的 结 构 及 特 点传 统 的 油 浸 变 压 器 和 高 温 超 导 变 压 器 的 基 本 结构 的 比 较 : 传 统 的 油 浸 变 压 器 是 将 铜 导 线 绕 制 的一 、 二 次 绕 组 套 装 在 铁 心 柱 上 , 然 后 将 器 身 装 入 钢制 的 油 箱 里 , 再 将 油 箱 注 满 变 压 器 油 。 而 高 温 超 导变 压 器 是 将
16、铋 氧 化 物 超 导 线 材 卷 制 的 绕 组 , 放 入 经玻 璃 纤 维 强 化 的 玻 璃 钢 制 成 的 隔 热 圆 筒 内 ( GFRP) , 并 注 入 77 K ( - 196 ) 的 液 氮 , 以 取 代 变压 器 油 , 其 基 本 结 构 如 图 所 示 。 另 外 , 从 热 设 计 角度 考 虑 , 可 以 把 铁 心 放 在 室 温 空 间 里 与 液 氮 加 以 隔绝 8 。图 超 导 变 压 器 的 基 本 结 构高 温 超 导 变 压 器 是 现 代 电 力 系 统 中 最 具 前 景 的节 能 设 备 之 一 , 与 常 规 变 压 器 相 比 , 高 温 超 导 变 压器 主 要 具 有 以 下 特 点 :(1) 小 型 、 轻 量 化 因 采 用 电 阻 很 小 的 超 导 线材 卷 制 绕 组 , 所 以 可 大 幅 度 地 降 低 负 载 损 耗 , 提 高了 变 压 器
