验证型高温超导变压器的设计探讨与测试
2007-07-27 17:00:09
来源：《国际电子变压器》2007年7月刊
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1 引言
随着超导电材料和超导磁体材料的发展及其相关器件的上市，人们开始关注把高温超导材料，器件与技术应用于电功率设备的研究。一些研究成果证明了变压器采用高温超导材料是有着广阔前景的。例如，上世纪九十年代初，在southampton大学电气工程系和cryogenics研究所就开始了电功率器件应用高温超导材料的研究工作，设计试制了高温超导栅自耦变压器，对这种结构的技术性和经济性进行了可行性研究。在上世纪末，德国的地下成套配电站中，已有630kVA和1000kVA的高温超导三相变压器投入运行。以容量为630kVA的三相变压器为例而言，其一次侧电压为18720V，二次侧电压是420V，短路阻抗是4.6Ω；一次测电流是11.2A，二次侧电流866A。该变压器由热磁路和三个装有绕组的圆筒式低温恒温箱构成。在低温冷却的情况下，变压器产生的冷却气体可以用来冷却其引线，以减少对冷却区域的热输入。在液氦冷却和液氮冷却的三相630kVA变压器中，大电流引线866A作为冷却引线。在高压侧面，套管不用冷却，同时采用了电容式分级套管以减少套管直径。这种HTS变压器的绕组采用了同心圆分层结构，为了降低导热性，对绕组的支撑结构进行了优化设计。在额定电流下，高温超导变压器引线的冷却损耗是337W，热空载损耗是2.1kW。总热损耗达到HTS变压器引线损耗的一半。这台630kVA的超导变压器采用4500升外部液氮容器来补偿从变压器挥发出来的氮气。变压器的每个恒温箱都带有各自的液氮调节系统。在断电情况下，继电器可中止变压器运行。液氮是不燃烧的液体，如万一出现渗漏，装备的氧气传感器及报警装置可能以有效发出警示。
本文从验证型超导变压器的设计制作过程中，研究了一系列特殊的问题，尤其是对计算THS磁带的交流功率损耗进行了实验并提出了计算方法。从有效地利用HTS变压器的功率而言，预测和最大限度地控制以上所说的损耗是HTS变压器设计制作能力的最重要体现。
2 HTS变压器的设计考虑
用作验证的HTS变压器，在77K时可提供10KVA，或在65K时提供20KVA的功率容量。该变压器的次级绕组用BPSCCO-2223磁带绕制，在20A零磁场下，77K时具有标称临界电流，获得的大容量临界电流密度为22A/mm2，即超导细线的电流密度约为75A/mm2；其初级绕组则用铜导线绕制，以降低变压器成本。在外形尺寸为3.72×0.24mm2的银基中，超导体磁带有37根线。
图1所示为变压器次级绕组圆盘的排列情况。每一个28匝的圆盘由两根并排绕制的磁带构成。采用这种绕组结构是为了节省绕制线圈所需要的时间。同时还可以使每根磁带的一个边缘与冷却用的液氮直接接触。当然，这种结构不能使漏磁通达到最佳分布状态。有9个圆盘即18个半圆盘用来形成传送存在漏磁场时的次级电流所需要的6个并行通道。所选择的这种绕组结构可使线圈的连接排列最简单，并且可以更换圆盘。这种可更换性在变压器的制作、使用与维护中具有明显的优点。图2展示了这种连接的绕组照片。
变压器采用的超导体磁带具有各向异性特性，这对于降低绕组径向分量漏磁通，提高绕组性能是必要的。例如，为了使每根磁带能承载9.5A的峰值电流，峰值漏磁通密度的垂直（径向）分量必须小于15mT，相当于并行（轴向）分量110mT。为了降低尾端圆盘漏磁通密度的径向分量，两个磁通分流调节器放置于低温控制器内靠近绕组的末端，并采用低损耗材料制造，以便在低温控制器中产生的热量最小。为便于制造，本验证变压器样品中的磁通分流调节器是用铁粉环氧树脂复合材料制备的。该材料的相对磁导率为6，这已足以使线圈末端的漏磁通的径向分量产生显著的下降。图3所示为采用和未采用磁通分流的冷却系统。
3 验证变压器的冷却系统
HTS验证变压器冷却系统的基本结构是：外层用铜导线绕制的初级绕组紧贴在整个低温控制器的外侧。这种低温控制器上有一条小的径向缝隙，便于流入冷空气来消除由负载产生的铜损耗热量。在初级绕组层间还设计有冷却管，它们用“控制杆”支持，见图4所示。冷空气也经由冷却管道输送，而且，在某种程度上冷空气还通过磁心的水平轭架和垂直柱传导。通过使用一台风量比较大的冷却风扇对初级绕组进行冷却，即可在铜线绕组中使用大的电流密度，从而使铜绕组的整个尺寸与使用超导体绕组的尺寸差不多。所以，其电磁场分布状态也足以代表实际上的全超导变压器预计的电磁场分布的特征。
由于本案设计的验证HTS变压器的尺寸较小，所以只要求简单的冷却系统。使液态氮冷却剂的温度从77K变化降低到65K的冷却系统显然是较复杂的，但认为用它来控制过临界电流密度是必需要的。工程师们从使用BPSCCO绕组的多种实际变压器中，积累了它们在低温下工作的多方面经验。对于变压器低温冷却系统的设计方面需要进一步考虑的主要问题是，能够使其产生的热量流入到外部的冷却剂中，以确保交流损耗产生的热量足够低，这就需要一个真空隔热的杜瓦瓶。
4 对验证HTS变压器的测试结果
工程师们在77K条件时的损耗进行了测量，在供测试用的低温冷却系统中，低温控制器注有液态氮。因为液氮是通过封口的流量表注入的，故可以测得其流动速率而计算得到注入的液态氮输入的总热量。这个供测试用的冷却系统存在两个问题：①提供给测试的持续时间被限制在了30分钟以内，只有这个时间才保证线圈全部浸没在液态氮中；②当液态氮的水平面下降时，来自外部的流入液态氮的热量也因传导路径变长而减少，而且有更多的热量被冷蒸气阻塞掉（见图5所示）。
图6所示为在13.5KW负载下进行测试时，各时间段内在流量表中输出变化的情况。在超导绕组中，其负载电流为单一的50A。从图6可见，测试开始时，流量表中读数增大，这是由注入端口封闭的瞬时效应引起的。从测试开始到负载接通大约8分钟之后，其流速随液面的下降而平稳减小。根据使用的负载情况，随后的流速呈瞬时上升；之后，读数再次开始下降，大约在14分钟之后负载断开，这时的流速迅速下降，然后又恢复到稳定下降。
根据三个时间段数据的相应拟合曲线（见图6），估算出了液氮蒸气流速对负载电流的影响，同时，可以计算出这种影响所需要的热量输入的增量。图7所示为变压器的交流损耗随负载电流变化的函数关系。该曲线以aI2+bI3的形式与该数据拟合。假设aI2代表连接超导体线圈的铜导体和标称值I2R和边缘电流损耗（在10KVA时约为1W），而bI3项（在10KVA时约为3W）则表示超导体的磁滞损耗。在临界电流情况下，超导体中出现的I3相关值是已知的，正如在临界状态理论中所指出的并在实验非线性扩散模型中所证实的一样。仿真试验还给出了用于整个超导线圈损耗计算的数学模型。
5结论
当今，高温超导技术是一门前沿技术，在电功率应用中具有很大的潜力和美好前景。本案的10KVA高温超导验证型变压器为高温超导体应用的一个初步成果，从中得出了变压器交流损耗的测试值，它们与计算的预测值相吻合。这些试验结果将为未来设计与构造合理尺寸的HTS变压器提供十分宝贵的数据。
参考文献（略）
随着超导电材料和超导磁体材料的发展及其相关器件的上市，人们开始关注把高温超导材料，器件与技术应用于电功率设备的研究。一些研究成果证明了变压器采用高温超导材料是有着广阔前景的。例如，上世纪九十年代初，在southampton大学电气工程系和cryogenics研究所就开始了电功率器件应用高温超导材料的研究工作，设计试制了高温超导栅自耦变压器，对这种结构的技术性和经济性进行了可行性研究。在上世纪末，德国的地下成套配电站中，已有630kVA和1000kVA的高温超导三相变压器投入运行。以容量为630kVA的三相变压器为例而言，其一次侧电压为18720V，二次侧电压是420V，短路阻抗是4.6Ω；一次测电流是11.2A，二次侧电流866A。该变压器由热磁路和三个装有绕组的圆筒式低温恒温箱构成。在低温冷却的情况下，变压器产生的冷却气体可以用来冷却其引线，以减少对冷却区域的热输入。在液氦冷却和液氮冷却的三相630kVA变压器中，大电流引线866A作为冷却引线。在高压侧面，套管不用冷却，同时采用了电容式分级套管以减少套管直径。这种HTS变压器的绕组采用了同心圆分层结构，为了降低导热性，对绕组的支撑结构进行了优化设计。在额定电流下，高温超导变压器引线的冷却损耗是337W，热空载损耗是2.1kW。总热损耗达到HTS变压器引线损耗的一半。这台630kVA的超导变压器采用4500升外部液氮容器来补偿从变压器挥发出来的氮气。变压器的每个恒温箱都带有各自的液氮调节系统。在断电情况下，继电器可中止变压器运行。液氮是不燃烧的液体，如万一出现渗漏，装备的氧气传感器及报警装置可能以有效发出警示。
本文从验证型超导变压器的设计制作过程中，研究了一系列特殊的问题，尤其是对计算THS磁带的交流功率损耗进行了实验并提出了计算方法。从有效地利用HTS变压器的功率而言，预测和最大限度地控制以上所说的损耗是HTS变压器设计制作能力的最重要体现。
2 HTS变压器的设计考虑
用作验证的HTS变压器，在77K时可提供10KVA，或在65K时提供20KVA的功率容量。该变压器的次级绕组用BPSCCO-2223磁带绕制，在20A零磁场下，77K时具有标称临界电流，获得的大容量临界电流密度为22A/mm2，即超导细线的电流密度约为75A/mm2；其初级绕组则用铜导线绕制，以降低变压器成本。在外形尺寸为3.72×0.24mm2的银基中，超导体磁带有37根线。
图1所示为变压器次级绕组圆盘的排列情况。每一个28匝的圆盘由两根并排绕制的磁带构成。采用这种绕组结构是为了节省绕制线圈所需要的时间。同时还可以使每根磁带的一个边缘与冷却用的液氮直接接触。当然，这种结构不能使漏磁通达到最佳分布状态。有9个圆盘即18个半圆盘用来形成传送存在漏磁场时的次级电流所需要的6个并行通道。所选择的这种绕组结构可使线圈的连接排列最简单，并且可以更换圆盘。这种可更换性在变压器的制作、使用与维护中具有明显的优点。图2展示了这种连接的绕组照片。
变压器采用的超导体磁带具有各向异性特性，这对于降低绕组径向分量漏磁通，提高绕组性能是必要的。例如，为了使每根磁带能承载9.5A的峰值电流，峰值漏磁通密度的垂直（径向）分量必须小于15mT，相当于并行（轴向）分量110mT。为了降低尾端圆盘漏磁通密度的径向分量，两个磁通分流调节器放置于低温控制器内靠近绕组的末端，并采用低损耗材料制造，以便在低温控制器中产生的热量最小。为便于制造，本验证变压器样品中的磁通分流调节器是用铁粉环氧树脂复合材料制备的。该材料的相对磁导率为6，这已足以使线圈末端的漏磁通的径向分量产生显著的下降。图3所示为采用和未采用磁通分流的冷却系统。
3 验证变压器的冷却系统
HTS验证变压器冷却系统的基本结构是：外层用铜导线绕制的初级绕组紧贴在整个低温控制器的外侧。这种低温控制器上有一条小的径向缝隙，便于流入冷空气来消除由负载产生的铜损耗热量。在初级绕组层间还设计有冷却管，它们用“控制杆”支持，见图4所示。冷空气也经由冷却管道输送，而且，在某种程度上冷空气还通过磁心的水平轭架和垂直柱传导。通过使用一台风量比较大的冷却风扇对初级绕组进行冷却，即可在铜线绕组中使用大的电流密度，从而使铜绕组的整个尺寸与使用超导体绕组的尺寸差不多。所以，其电磁场分布状态也足以代表实际上的全超导变压器预计的电磁场分布的特征。
由于本案设计的验证HTS变压器的尺寸较小，所以只要求简单的冷却系统。使液态氮冷却剂的温度从77K变化降低到65K的冷却系统显然是较复杂的，但认为用它来控制过临界电流密度是必需要的。工程师们从使用BPSCCO绕组的多种实际变压器中，积累了它们在低温下工作的多方面经验。对于变压器低温冷却系统的设计方面需要进一步考虑的主要问题是，能够使其产生的热量流入到外部的冷却剂中，以确保交流损耗产生的热量足够低，这就需要一个真空隔热的杜瓦瓶。
4 对验证HTS变压器的测试结果
工程师们在77K条件时的损耗进行了测量，在供测试用的低温冷却系统中，低温控制器注有液态氮。因为液氮是通过封口的流量表注入的，故可以测得其流动速率而计算得到注入的液态氮输入的总热量。这个供测试用的冷却系统存在两个问题：①提供给测试的持续时间被限制在了30分钟以内，只有这个时间才保证线圈全部浸没在液态氮中；②当液态氮的水平面下降时，来自外部的流入液态氮的热量也因传导路径变长而减少，而且有更多的热量被冷蒸气阻塞掉（见图5所示）。
图6所示为在13.5KW负载下进行测试时，各时间段内在流量表中输出变化的情况。在超导绕组中，其负载电流为单一的50A。从图6可见，测试开始时，流量表中读数增大，这是由注入端口封闭的瞬时效应引起的。从测试开始到负载接通大约8分钟之后，其流速随液面的下降而平稳减小。根据使用的负载情况，随后的流速呈瞬时上升；之后，读数再次开始下降，大约在14分钟之后负载断开，这时的流速迅速下降，然后又恢复到稳定下降。
根据三个时间段数据的相应拟合曲线（见图6），估算出了液氮蒸气流速对负载电流的影响，同时，可以计算出这种影响所需要的热量输入的增量。图7所示为变压器的交流损耗随负载电流变化的函数关系。该曲线以aI2+bI3的形式与该数据拟合。假设aI2代表连接超导体线圈的铜导体和标称值I2R和边缘电流损耗（在10KVA时约为1W），而bI3项（在10KVA时约为3W）则表示超导体的磁滞损耗。在临界电流情况下，超导体中出现的I3相关值是已知的，正如在临界状态理论中所指出的并在实验非线性扩散模型中所证实的一样。仿真试验还给出了用于整个超导线圈损耗计算的数学模型。
5结论
当今，高温超导技术是一门前沿技术，在电功率应用中具有很大的潜力和美好前景。本案的10KVA高温超导验证型变压器为高温超导体应用的一个初步成果，从中得出了变压器交流损耗的测试值，它们与计算的预测值相吻合。这些试验结果将为未来设计与构造合理尺寸的HTS变压器提供十分宝贵的数据。
参考文献（略）
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