1MVA 高溫超導變壓器的結構設計及電磁分析
發(fā)布時(shí)間:2014-11-03 11:16:03 人氣:
關(guān)鍵詞—超導變壓器,高溫超導線(xiàn)圈,DI-BSCCO,臨界電流,交流損耗。
I. 簡(jiǎn) 介
最進(jìn)幾年,隨著(zhù)高溫超導設備技術(shù)的發(fā)展,在電子電力設備,如故障電流限流器和變壓器等設備上得到了實(shí)實(shí)在在的應用[1]-[3]。相比起銅導線(xiàn)或者鋁導線(xiàn)的傳統變壓器而言,高溫超導變壓器體積更小,重量更輕,效率更高,且具有維護周期長(cháng),故障率低,對環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)。
目前,高溫超導變壓器至少主要有兩種類(lèi)型,電力變壓器和牽引變壓器。在超導電力變壓器領(lǐng)域,瑞典在1997年已研制出一臺三相630kVA/13.72kV/0.42kV的超導電力變壓器,并成功掛網(wǎng)運行一年。2004年美國的沃基肖制造廠(chǎng)也開(kāi)發(fā)出一臺5-10MVA/24.9kV/4.2kV的三相超導電力變壓器;在同一年,日本九州大學(xué)也開(kāi)發(fā)出一臺2MVA/66kV/6.9kV的單相超導變壓器,韓國也在同一年設計出一臺1MVA/22.9kV/6.6kV的超導電力變壓器。在2004年法國也開(kāi)發(fā)出一臺41kVA/2.05kV/0.41kV變壓器。中國在2005年開(kāi)發(fā)出一臺三相630kVA/10.5kV/0.4kV非金合金型鐵心結構的超導變壓器,并且在2010年開(kāi)發(fā)出YBCO鍍層結構的三相2MVA/22kV/6.6kV超導故障電流限流器。新西蘭在2013年預裝了一臺YBCO鍍層線(xiàn)纜結構的三相1MVA/11kV/0.4kV超導變壓器。在高溫超導牽引變壓器領(lǐng)域,德國在2001年就制造出一臺單相1MVA/25kV/1.4kV高溫超導牽引變壓器用在高鐵上。日本也在2004年為新干線(xiàn)軌道交通設計制造出一臺4MVA/25kV/1.2kV單相超導牽引變壓器。中國在2005年開(kāi)發(fā)出一臺用于電力機車(chē)的單相0.3MVA/25kV/0.86kV變壓器。隨著(zhù)超導變壓器技術(shù)原型和其相關(guān)技術(shù)的領(lǐng)域的不斷發(fā)展,我們可以大膽預想在不久的將來(lái),超導變壓器必將走向商業(yè)化。
這篇文章是對1MVA/10kV/0.4kV高溫超導電力變壓器的一個(gè)概念設計。在第二段中將對此超導電力變壓器做一個(gè)概述。第三段將介紹超導電力變壓器的鐵心結構和其高、低壓線(xiàn)圈的布置。在第四段講對電磁分析和高、低壓不同線(xiàn)圈形式結構的效率做進(jìn)一步分析。第五段將對1MVA容量下銅線(xiàn)圈形式的傳統變壓強和超導線(xiàn)圈形式下的超導變壓器做一個(gè)綜合性能分析。
II. 1MVA高溫超導變壓器概述
這一臺1MVA超導變壓器將被設計用在10kV電網(wǎng)中的地方電網(wǎng)終端。有關(guān)這臺超導變壓器的電氣結構參數已經(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磁冷軋取向硅鋼片疊制而成。一次側和二次側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超導帶材,超導導線(xiàn)全部置于65K液氮冷卻液中。以下為動(dòng)態(tài)新型BSCCO超導帶材的主要參數:平均帶寬-4.5mm,平均厚度-0.3mm,在溫度為77K,磁場(chǎng)強度為0T環(huán)境下的臨界電流為200A,在溫度為77K時(shí)的臨界拉伸強度- 270MPa。非金屬型低溫恒溫裝置采用增強型玻璃纖維塑料制造。
I. 結構設計
A. 鐵心
鐵心采用三相三柱式鐵心結構。由鐵心維持內部的磁平衡和提供整體的機械穩定性。鐵心采用武鋼生產(chǎn)的23RB035型高導磁冷軋取向硅鋼片,其直徑可通過(guò)經(jīng)驗公式估算為:54× (1/3)1/4 ≈ 23 cm ,其有效導磁截面積為382.8 cm2。設計磁密為1.6T,并以此計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(xiàn)圈以串聯(lián)的方式連接。圖2為5組線(xiàn)圈的右半邊剖視圖。另一半線(xiàn)圈對稱(chēng)地布置在鐵心柱的左邊。在相鄰的線(xiàn)圈之間設計有4個(gè)冷卻通道,每個(gè)通道輻向寬度為8mm。每個(gè)繞組有5層,每層17匝線(xiàn)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(wèn)題,相鄰匝之間的間隙為2mm。
A. 低壓繞組
低壓繞組設計了兩個(gè)結構方案。一個(gè)方案是每相繞組由5層線(xiàn)圈同軸并聯(lián)組成,每層線(xiàn)圈均為17匝。相鄰層間有4個(gè)輻向寬度為16mm的冷卻通道。匝間軸向距離為2mm。其幾何尺寸及電氣結構圖如圖3(a)。從圖3 到圖2,在低壓繞組外徑和高壓繞組內勁之間的絕緣距離為40mm。
方案二是用10根導線(xiàn)重疊繞制成一匝線(xiàn)圈,然后由這樣的17個(gè)線(xiàn)圈組成整個(gè)繞組。在對線(xiàn)圈進(jìn)行繞制前需要對10根導線(xiàn)預先進(jìn)行處理。10根并繞的導線(xiàn)分成5組,每組2根導線(xiàn),如圖3(b)。兩根并聯(lián)繞指的導線(xiàn)之間事先需要由低溫冷凝粘膠把兩根帶材凝結在一起,形成一個(gè)柔韌的矩形可繞制的組合導線(xiàn)。得益于分散的支撐骨架,5個(gè)具有柔韌性的空道恰能夠對5組導線(xiàn)進(jìn)行固定裝配。5組線(xiàn)圈的幾何結構如圖4 所示。每個(gè)線(xiàn)圈有5組導線(xiàn)。低溫制冷的液氮通過(guò)每層線(xiàn)圈之間的矩形通道流動(dòng),從而達到對超導帶材冷卻的效果。
I. 電磁分析
A. 高壓繞組
此臺1MVA超導變壓器滿(mǎn)載情況下,高壓側和低壓側的峰值電流分別為81.59A和2.03kA。其高壓繞組周?chē)鶎拇艌?chǎng)分布情況(如圖5)與螺線(xiàn)管磁場(chǎng)非常相似。 DI-BSCCO帶材寬面平行磁場(chǎng)分量占內部分布磁場(chǎng)的絕大部分。然而,垂直磁場(chǎng)分布在線(xiàn)圈兩端變得更大。由于依靠DI-BSCCO帶材[4]產(chǎn)生的磁場(chǎng)有很大的不均勻性,位于線(xiàn)圈兩側線(xiàn)匝的臨界電流要比線(xiàn)圈中部線(xiàn)匝的臨界電流小很多。
從高壓或者低壓內壁到外壁的五個(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(xiàn)分別定義為Nlayer = 1, Nlayer = 2, …, Nlayer = 17。 在氣隙的軸向寬度方向上附近的高壓和低壓線(xiàn)圈分別定義為g1 和 g2。圖6展示了在高壓繞組不同的g1線(xiàn)層頂部的臨界電流分布。隨著(zhù)g1 的增大,每組中的電流Ic 變得越來(lái)越大,以至于越來(lái)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。但是需要在高壓繞組上安裝一個(gè)更大的低溫恒溫器。在設計中我們?yōu)楦邏豪@組選擇一個(gè)較為合適的值,即g1 = 8 mm 。所有線(xiàn)匝中最小的電流值 Ic 為266.5A。相應的額定電流比為 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(chǎng)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(xiàn)圈的臨界電流分布情況。同樣的,隨著(zhù)g1 的增大, Ic 變得越來(lái)越大,逐漸接近飽和值。在設計中,低壓繞組g2 選擇值為16 mm 。
為了評估在不同線(xiàn)圈之間或者不同繞組之間的不平衡電流,我們設定一個(gè)電流均勻系數Ki 來(lái)衡量每一個(gè)螺線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)管之間的電流不均勻系數。其最大不平衡系數Ki 值為 0.203,相對誤差系數為Kerror [=|0.2 - Ki| / 0.2] 0.015。然而,由于漏磁通和每個(gè)繞組感應電抗的不平衡分布,實(shí)際電流的分布可能是不均勻的。
對于方案B,每個(gè)軸向線(xiàn)圈的十根疊制的帶材幾乎都能達到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。可以看出隨著(zhù)層數的減小相對偏差會(huì )逐漸減小。其最大Ki 值出現在Nlayer = 1的時(shí)候,值為0.215。其相應的 Kerror值為0.075。對比方案A,方案B的感應電抗是微不足道的。在5組線(xiàn)圈臨界電流近似相等的情況下,我們認為運行電流的分布是均勻的。因此,在實(shí)際設計中,我們選擇的是方案B。
A. 分流器對臨界電流的提高和分布的影響
為了提高線(xiàn)圈兩端允許運行電流,最簡(jiǎn)單的方法就是采用一個(gè)或者多個(gè)平行布置的盤(pán)形線(xiàn)圈來(lái)分離繞組兩端線(xiàn)圈的電流。然而卻需要更多的帶材和耗費更多的成本,同時(shí)會(huì )產(chǎn)生一些附加的焊接頭。據資料[4]記載,在線(xiàn)圈兩端布置兩個(gè)分流器能有效的提高臨界電流值。在設計中,像圖10所示,采用一種相對磁導率為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(xiàn)圈沒(méi)有分流器的情況下,頂部線(xiàn)圈端部的垂直磁通密度要比底部線(xiàn)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(zhù)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(méi)有分流器時(shí)候的1.15倍和1.13倍。對于電流的不均勻系數,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(zhù)地提高了臨界電流以外,還使不同螺線(xiàn)管之間的運行電流變得更均勻。
I. 1MVA高溫超導變壓器和常規變壓器的性能比較
1MVA超導變壓器最大的區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)結構和配件的變化。 在傳統容量為1MVA,電壓分配為10kV/0.4kV的常規變壓器中,其低壓線(xiàn)圈的內徑為238mm,外徑為334mm。高壓繞組的內徑為462mm,外徑為606mm。高低壓繞線(xiàn)高度為530mm。由于鐵心窗高和心柱距離受到繞組尺寸的影響,傳統常規銅繞組變壓器鐵心體積為0.25m³,其體積約為超導變壓器鐵心體積的1.1倍。而且一次側采用更多的線(xiàn)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(xiàn)圈匝數之間的關(guān)系如圖14所示。由于超導帶材的臨界電流很大,在伴隨鐵心體積急劇減小下線(xiàn)圈匝數的增多,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帶材繞制的線(xiàn)圈匝數和具體體積之間再尋求一個(gè)平衡點(diǎn),以達到性能和體積的最優(yōu)化。受鐵心有效截面積的影響,當一次側線(xiàn)圈匝數從425匝增加到1700匝的時(shí)候,鐵心截面積相應的從382.8cm²減小到95.7cm²。下一步我們將就減小1MVA高溫超導變壓器整體體積做一個(gè)平衡設計。
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