DI-BSCCO，交流損耗

I.簡(jiǎn)  介

   電抗器如今被廣泛地運用在現代電力系統中。它為現代電力系統提供了如限流、補償電能、感應接地等功能性服務(wù)。其在電力系統本身出現短路故障，或者系統中較大的電力設備故障運行時(shí)都會(huì )不可避免地出現電能質(zhì)量和供電可靠性問(wèn)題時(shí)發(fā)揮著(zhù)重要的作用。通過(guò)高溫超導限流器對故障電流的限制作用對故障電流進(jìn)行有效地控制故障電流水平?，F已有一些單位及電氣公司不斷地推動(dòng)者超導故障限流器的發(fā)展。全球已有很多超導故障限流器的設計范例。大體上來(lái)說(shuō)，大部分高溫超導故障電流限流器包括感應型高溫超導限流器，鐵心磁飽和型高溫超導限流器[1]、[2]，變壓器型高溫超導限流器[3]、[4]、[5]、 [6]，無(wú)感型高溫超導限流器[7]。它們都在輸電網(wǎng)和配電網(wǎng)中對故障電流的限制發(fā)揮著(zhù)重要的作用。
電力系統的故障主要包括三相短路，兩相短路，兩相接地短路和單相接地短路。據2008年國家電網(wǎng)公司對220kV電網(wǎng)，共6434條輸電線(xiàn)路發(fā)生的2407次故障統計數據顯示，單相接地短路故障占總故障次數的91.23%。由此可以看出單相接地短路故障已是提高電能質(zhì)量和供電可靠性必須解決的問(wèn)題。
在中性點(diǎn)非直接接地系統中發(fā)生單相接地短路時(shí)，由于故障電流比較小，而且三相之間的線(xiàn)電壓仍然保持對稱(chēng)，對負荷的供電沒(méi)有影響，因此，在一般情況下都允許再繼續運行1～2h。在此期間，工作人員可及時(shí)排除故障，以使其它兩相線(xiàn)路不間斷供電。為了達到這樣的連續運行效果常常在變壓器中性點(diǎn)經(jīng)一個(gè)限流電抗器接地以配合對電網(wǎng)中單相接地短路故障的保護。
這篇文章是對基于DI-BSCCO超導帶材100A級與1kVA級電抗器設計的一個(gè)概述。其內容包括：第二部分中高溫超導電抗器的設計；第三部分中對超導電抗器在系統中出現單相接地短路故障下的性能評估；第四部分中將對1kA級高溫超導電抗器在線(xiàn)路中出現諸如沖擊電流和故障電流情況下的磁滯損耗和磁化損耗做出對應的計算和分析。

II.高溫超導電抗器的設計

   表1和圖1展示列出了100A級和1kA級超溫超導電抗器主要的性能參數。采用單相三柱式鐵心結構，以此可節約一定的成本（從非導磁性恒溫器和制冷器）。鐵心采用牌號為30Q130高導磁冷軋硅鋼片疊制而成，其直徑為100mm，有效橫截面積為66.595cm2。鐵窗的高度和寬度分別為430mm和120mm。兩柱高溫超導線(xiàn)圈由34層線(xiàn)圈組成，每一層線(xiàn)圈由5匝線(xiàn)圈構成。100A級高溫超導電抗器的繞組由在77K溫度環(huán)境下工作的DI-BSCCO帶材單層散繞而成。在表2中列出了DI-BSCCO帶材的主要特性參數。對于1kA級高溫超導電抗器，3根DI-BSCCO帶材并繞制作中間的30匝線(xiàn)圈，然而在最后四層線(xiàn)圈的時(shí)候用4根DI-BSCCO帶材并繞。這樣布置是考慮到布置在繞組兩端的線(xiàn)圈的臨界電流要比中部的臨界電流小得多。30匝中層線(xiàn)圈構成了一個(gè)完整的螺線(xiàn)管線(xiàn)圈。4層末端線(xiàn)圈構成兩個(gè)雙餅式線(xiàn)圈。整個(gè)電抗器采用一臺20W/20K常規型制冷設備對高溫超導繞組進(jìn)行冷卻。

  設計以上所述的兩個(gè)高溫超導電抗器來(lái)替代一個(gè)傳統型的銅線(xiàn)繞制的電抗器。在銅導線(xiàn)電抗器中，單相兩柱式鐵心結構適用于保持內部磁平衡和提高整體的機械穩定性。兩個(gè)銅線(xiàn)繞組以相反的繞制方式繞制并安裝在兩個(gè)鐵心柱上。每一個(gè)銅繞組由兩個(gè)串繞的同軸線(xiàn)圈單元，以此從周?chē)睦鋮s油中獲得更好的冷卻效果（如圖1c）。兩個(gè)線(xiàn)圈單元的高度為292mm。內部線(xiàn)圈單元的內徑和外徑分別為150mm和166mm。外部線(xiàn)圈單元的內徑和外徑分別為178mm和194mm。線(xiàn)圈中的額定均方根電流為52A。

I. 單相接地故障下超導與銅導線(xiàn)電抗器的性能評估和比較

A. 交流損耗計算

   在100A級和1kA級高溫超導變壓器中，交流損耗只要由磁滯損耗和磁化損耗組成?？梢源_定一個(gè)在峰值電流Im和臨界電流Ic之間的比例因素i，這樣單位長(cháng)度的磁滯損耗Phys和磁化損耗Pmag可估算為[8]。

Ec為臨界電場(chǎng)，單位10-4V/m。臨界電流Ic 和指數n 可估算為[10]：

A. 性能評估和比較

    用多物理場(chǎng)耦合軟件來(lái)對100A級和1kA級高溫超導電抗器建立一個(gè)二元模型。兩組電抗器在出現單相接地短路故障時(shí)的運行電流有效值為52A。不同相位下的磁場(chǎng)分布如圖2和圖3所示。當相位角等于30°，60°，90°時(shí)，在氣隙中所對應的磁感應強度分別為0.65T，1.13T和1.31T。為了得到明顯的對比效果，我們以上的數值長(cháng)度限制在0.05T?？梢钥闯鰞山M電抗器的磁場(chǎng)分布非常相似。

  圖4 展示了在100A級高溫超導電抗器在不同線(xiàn)圈層上的最小臨界電流分布情況。從34層線(xiàn)圈的頂層到底層線(xiàn)圈以此定義為Nlayer=1，Nlayer=2，•••，Nlayer=34。每層線(xiàn)圈的最小臨界電流定義為Icmin。由于磁場(chǎng)的不均勻分布，在中間兩層（Nlayer=17，Nlayer=18）與磁力線(xiàn)平行，其Icmin值也最大。當整個(gè)線(xiàn)圈運行在超導環(huán)境中時(shí)，整個(gè)高溫超導繞組的臨界電流為132A。圖5展示了不同線(xiàn)圈層所對應的磁化損耗。大磁化損耗值出現在線(xiàn)圈的第13和22層，其值為14mW/m。對于1kA級高溫超導電抗器，可獲得最大的臨界電流2.78kA。

    表格3展示了100A級與1kA級高溫超導電抗器的性能對比。100A級電抗器的整個(gè)高溫超導線(xiàn)圈總共的磁化損耗Pmagt磁滯損耗Physt分別約為0.14W和1.51W?？紤]到現實(shí)的情況[10]，當采用常規型制冷機時(shí)，要求制冷功率大約為2.8W。在一個(gè)大氣壓下，液氮中儲存的熱量為161kJ/L，且每公升液氮需要大約16個(gè)小時(shí)才能消耗完。 

    假設扁平銅導線(xiàn)的電阻率是0.0175Ω•mm2/m，銅繞組的總電阻約為0.0535Ω，因此電阻的功率損耗是144.6 W和對應比值Kp [= Pcopper / PGM]是0.0194。對于繞組體積來(lái)說(shuō)，銅繞組體積Vcopper約為11380立方厘米，對應比例Kv [= VHTS /Vcopper]是0.0178。圖6展示了100A級和1kA級超導電抗器的比例系數。

I. 沖擊電流下超導與銅導線(xiàn)電抗器的性能評估和比較

    在實(shí)際運行中，不管是超導電抗器還是銅線(xiàn)圈電抗器都可能遭受到很大的沖擊電流。對國家電網(wǎng)安裝在在四川的一臺110kV的變壓器中性點(diǎn)電抗器的計算得出其中心點(diǎn)電抗器的熱穩定電流為1.52kA，整定持續時(shí)間為10s。1kA級電抗器此時(shí)的垂直磁場(chǎng)分布如圖7。其平行磁場(chǎng)分量大部分出現在線(xiàn)圈層的中部。然而，在接近線(xiàn)圈的兩端，垂直磁場(chǎng)分量會(huì )變得更大。

由于磁場(chǎng)的不均勻分布，在位于兩個(gè)線(xiàn)圈兩端的地方，臨界電流的值要比位于中間部分的低得多。在制作中，分別用3根帶材并繞和4根帶材并繞成中間的30層線(xiàn)圈和末端的4層線(xiàn)圈。對應的臨界電流分布如圖8。最大臨界電流出現在第3層和第32層，其值為1.51kA。這個(gè)值近似等于熱穩定電流1.52kA。