概述
所谓超导发电机是指常规发电机的励磁绕组导线采用超导体, 或励磁绕组与电枢绕组均采用超导体的发电机, 后者又叫做全超导发电机。
转子采用妮一钦超导丝对绞后嵌入铜质材料内作为励磁线圈, 并用液体氦进行超低温(一269 ℃ ) 冷却。为防止周围常温热量的侵入,特采用转矩管、辐射封闭与真空隔热。为屏蔽来自电枢绕组非同步磁场的影响, 转子采用了多层屏蔽的圆筒形结构。
电枢线圈采用常导体。为避免铁心齿部的磁饱和, 以便有效地利用转子内的巨大磁动势, 电枢采用了空心下线的结构, 并进一步作了水平换位处理。电枢线圈外还加一层磁屏蔽, 在防止磁通向外部漏泄的同时也形成了主磁通的一个磁回路。
由于励磁绕组采用超导体, 所以损耗小,发电机效率可提高0. 5 % 一1 % 。由于超导体产生的高磁通密度使电磁载荷增大, 从而减少铁心材料, 可使发电机体积减少, 重量减轻约50 % 。由于定子不用铁心同步电抗可降低到0.5 P.u .以下, 是常规发电机的1/ 3 ~ 1/5 , 传输极限
可以提高约30 % , 故可大幅度提高电力系统的稳定性。由于定子线圈采用气隙下线结构,
不会因定子铁心端部过热现象限制其进相运行, 从而有较宽的超前功率因数运行范围。由于励磁线圈采用超导体, 有较高的能量密度, 发电机的理论容量能提高到3 o o MW,从而使大容量发电机的制造有更小的限制。超导发电机由于体积小、重量轻, 有较小的制造和安装成本: 效率高, 有较低的运行成本; 系统稳定性高可减少输电线路的建设费用。
技术原理
关键技术：超导材料、超导磁场绕组结构、转子结构材料和机械强度、旋转输液氦技术、转子冷收缩结构、转子真空结构、转子热屏蔽和电磁屏蔽、转子力矩管热交换器、转子中氦流冷却通道的分布和氦流热力特性、励磁电流引线结构、转子中温度和液面的测量、无槽电枢绕组、制冷系统等。
超导转子：
转子的内部装有超导磁场绕组。为了保持它处在超导状态, 需要用液氦冷却到极低的温度。将转子做成空心多层圆筒结构, 使绕组部分真空绝热。
由于超导状态下, 没有励磁损耗, 能产生很大的磁势, 故可不用铁芯。转子是用机械强度高的非磁性钢不锈钢制成的轻型结构。经过“ 液氦供给轴封” 向转子中连续供给液氦, 并且回收在转子内部气化了的氦气。图1中的电磁阻尼器起着强有力的阻尼线圈的作用, 是不锈金属包层的铜圆筒。它由转子最外层装设的常温挡板和真空绝热层内装设的低温挡板温度为-250℃构成。低温挡板兼有热辐射屏蔽板作用。
常导定子：
定子电枢绕组和常规机一样, 采用铜线绕制的常导绕组, 不过它是不用铁芯的线圈的组合结构, 可以叫做“空心电枢”。因为不是铁芯槽结构, 故各绕组无需对地绝缘。并且, 将组合绕组在油中浸渍, 还可提高其电气绝缘性能和冷却性能。这种绕组结构,可以说和变压器的绕组类似。因此, 可以预期超导发电机的端电压可比常规发电机提高。
此外, 为了防止漏磁, 需在最外层装置磁屏蔽或电屏蔽。
线圈与电流供给：
对于两极转子来说，绕组可以制成同心螺旋管式，像径向绕组那样，螺旋管端头在所连接的轴端径向通过凹槽(美国通用电气公司的方法)。线圈装配在钢架内。这种二维形状使得线圈容易制作，并且便于用埋置的管道进行冷却。力矩传递用的支承设计得很巧妙。美国通用电气公司借助于在正常温度下与磁心相连的一组径向杠杆系统解决了这个问题。
在一种不同的方法中，转子绕组由一些鞍形线圈组成(一台二极发电机用的两个鞍形线圈)o每个线圈由成型的分线圈层叠组成(美国超导体公司的方法)。类似变压器绕组那样来进行冷却，要达到冷却剂均匀渗透。支承处于低温下的一些圆筒壳体内。这些壳体与轴在低传热力矩下连接，问题在于力矩对线圈的传递以及由于离心负荷略小于电线而力矩的偏斜稍高于电线。其优点在于采用了与多极电机基本上相同的技术。
由低温级向常温级传送电流可高达几百安培，由特殊供电途径实现。绕组绝缘和传送电流决定了绕组的并联支路数。对绝缘和励磁装置来说，建议将电压和电流保持在已知水平。一台线匝总数为3000的1000MVA转子的并联支路应该为6。
屏蔽：
所有已知的结构都有一个做成外圆柱体形状的电磁屏蔽。该圆柱体充当阻尼绕组并作为内部热真空绝缘的外部壳体。此外，技术上的困难在于非磁性钢(机械强度)与铜／铝(导电性)的焊接。来自外部的渗漏热量应该保持在最低水平。这就使这些电线接近冷却剂温度，并且节省冷却装置的占用空间。全部热屏蔽的根据是低温部分与常温部分之间能保持真空。研究的目的是寻求一种特殊吸气剂材料来吸收剩余气体，以及寻找一种辐射率低的表面。
冷却：
低温超导体使用液态氮(在4．2K温度下沸腾)。高温超导体允许改变成液态氖(27K 温度下沸腾)。至于氦，可以借助于温差环流系统效应进行冷却。可以通过与这些导体直接接触，或用一些埋置的管道，抑或借助于固体中的导热来排出热量。但是，氖的沸点处于电机应用范围的上限。从另一个角度看，氖在24．6K温度下凝固。这就使冷却装置的控制变得比较复杂。它也使得将来变成更低的温度成为不可能的(安全极限)。
线圈冷却使用气态氦就可排除这个问题。在15—25K温度下可将氦气输入线圈。在样机转子上进行骤冷试验以后，可以确定该温度值。因为失去温差环流系统效应，所以务必用一个外部泵来驱动氦气回路。
借助于Giford-McMahon冷却装置排出热量。这个冷却装置伸人转子轴的中心孔，并且不是与线圈冷却剂直接接触，就是通过旋转的热管接头与它接触。在另一端，该装置通过常温软管与一个小的压缩机壳体相接。对于要从IOOMVA发电机转子中排出的300W热量来说，必须使用3个各IOOW 的冷却装置。为了在30K温度下排出lOOW 热量，压缩机传动装置上需用的电功率为8o00w。可靠性(冷却装置中的可动圆筒)仍然是一个关系重大的问题，并且要求该装置有冗余度。冷却装置的这样一种冗余系统是与转子分开而单独布置的，并且转子冷却剂可以用一个旋转的液体管接头来传输。不移动零件而可替换的制冷机正在开发中。
国内发展和应用现状
我国是最早研制超导发电机的国家之一，如上海发电设备成套设计研究所于1977年曾研究一台有超导转子的400kVA的超导同步发电机，并在短时间内还投入电网作10MVA同步调相机运行，但由于超导转子结构、工艺等存在不足，致使未能达到长期发电运行的目标。另外，为了研究超导电机用于船舶和轧钢厂的可能性，西安交通大学试制了作为雏型的17kW、4极的直流电机。我国在超导材料的某些研究领域, 如在高临界温度值氧化物超导块材的研究方面处于国际领先水平,而对超导电力设备的研究还只是刚刚起步。1998年7月24日,由中国科学院电工研究所等单位研制成功了我国第一根1m长锡系高温超导电缆。上海电器科学研究所在上海电机厂的协助下, 成功地开发了400 kVA 的超导发电机,并投入电网作同步调相机运行。又试制了10 MVA 级的模型机, 长期投入运行以积累数据。目前，我国的高温超导材料技术已处于世界先进行列, 我国的超导发电机技术亦将赶上发达国家，为了充分利用我国高温超导材料领先技术，我国各大专院校和研究所开展了有关超导发电机理论和实用化程度的研究工作。如为了促进超导技术在我国电力系统中的应用与发展，华中科技大学成立了“超导电力科学技术研究与发展中心”等。
国外发展和应用现状
超导发电机不仅能提高发电效率, 减小尺寸及质量, 且能改善电力系统的稳定性。自20世纪70年代世界上第一台45kW旋转励磁型超导发电机在美国麻省理工学院问世以来，有关超导发电机的研究及开发一直在美国、俄罗斯、英国、法国、日本等国进行。1994 年前, 国际上制造成功的1～50 MVA 超导发电机有14 台。美国是世界上开展超导发电机研究工作最早的国家，1997年美国电力研究院就对1200MVA超导发电机进行了概念性设计，1994年美国GF公司在其能源部的资助下，开始100MVA超导发电机的研制。日本是世界上开发超导发电机较早、研制成功数量较多、研究成果最接近实用化水平的国家，1976~1986年，日立公司研制试验了一台50MW级超导发电机。1985~1986年，日本电力部门进行了大量以超导发电机为中心的可行性研究。1999年，日本三菱和富士联手开发的两台低温超导70MW级发电机成功地并入电网运行，并对200MW的高温超导发电机进行了各类试验，预计到2015年及2030年，日本的超导发电机的单机容量将分别发展到600MW及1000MW。根据第五届国际超导工业高峰会议的预测表明，以高温超导为主流的超导发电机技术将会在2010~2015年左右呈现出大规模的应用。
供应商信息
Super- GM：超导发电设备和材料开发计划
美国西屋公司
美国通用电气公司
日本关西电力公司
德国西门子公司
中国上海发电设备成套设计研究所
经典案例
日本已并网运行的两台70MW级低温超导汽轮发电机的基本结构如图3所示其主要技术参数如表1所述它们的定子结构相同东芝日本及三菱三个公司先后为这两台电机分别制造了慢速的励磁响应A型和B型以及快速响应型3种型号的转子线圈参数如表2 所示1999年上半年参与并网的两台电机的转子其中1号机为A型2号机为B型当时前者的最大出力达79MW后者的连续运行时间已达1500小时均创下了世界记录。
参考文献
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