概述
根据所选用的超导材料的不同,超导变压器可分为低温超导变压器和高温超导变压器。低温超导变压器是将由低温超导材料卷制的绕组放在液氦里冷却,其临界温度为4K。由于氦气在地球上的蕴藏量较少,价格昂贵,而且将氦气冷却成液氦所消耗的能源也较大,因此其实用价值不是很大。
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77K。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。
超导变压器具有以下特点:
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,提高了变压器的效率,从而可使冷却装置小型化。另外,由于选用非常细并可通过很大电流的特殊线材卷线,所以可实现变压器主体的小型化、轻量化。
②不燃、环保性能好
作为绝缘和冷却介质的液氮不燃烧,对大气无污染。所以,在防火、环保上它与变压器油、SF6气体相比具有特殊的优点。
③限流效果
当通过超导材料的电流超过临界电流(一般为1. 8 In ) 时,超导材料就会失去超导性能,电阻会重新出现,损耗增大,温度升高,这种现象称为“猝熄”。当超导变压器出现“猝熄”现象(是由电网短路等原因造成的) 时,为了确保超导变压器的安全运行,在变压器上配有保护用的限流装置防止“猝熄”。正因为超导变压器具有小型、轻量化、低损耗、不燃烧等特点,所以市中心变电所、高楼大厦及安装环境较恶劣的位置都可望采用超导变压器。
技术原理
高电压技术
大电流、低损耗技术
提高承受电磁力及冷却效果的能力
（1）过负荷功能：
超导材料在其临界温度以下具有临界电流随温度的下降而升高的特性，因此具备很强的过负荷能力。在表6 中，77 K时Bi-2223线材临界电流为45.5 A，而在65 K其临界电流为85.8 A，随着运行温度的降低，其Bi-2223线材临界电流提高了88.6%，这意味着变压器的容量可以提高88.6%。同时必须指出的是，变压器在过负荷运行期间，其绝缘不会加速老化，因为其运行温度不是随过负荷的升高而升高，而是降低。
（2）制冷组件、绕组的非金属杜瓦：
无论HTS变压器是液氮冷却还是直接传导冷却，都必须有制冷系统。其中制冷系统好坏直接关系到变压器的性能和安全运行。制冷组件是H T S 变压器的关键组件。绕组的非金属杜瓦用于把绕组运行的低温环境与外界室温环境隔离开。传统的低温杜瓦一般由金属制成，而且其超级绝热层一般也是镀铝的薄膜，交变磁场在金属杜瓦中产生的涡流损耗是一个必须认真考虑并解决的问题。非金属杜瓦将是一个很好的选择，但其绝热能力尚需进一步提高。
（3）交流损耗技术：
HTS变压器的负载损耗很大程度上决定于H T S线材的交流损耗，因此降低H T S 线材的交流损耗是一个必须解决的关键技术。资料表明，只有把HTS线材的交流损耗降低到0.25 mW/Am 的水平，HTS线材才能适用于制造30～40 MVA 的变压器。绝缘材料及结构。HTS变压器的绕组需要浸泡在液氮中或者由制冷机传导冷却，因此给变压器的绝缘材料和绝缘结构带来了新的挑战。以往传统的绝缘材料将有一部分不适用于这种低温环境，此外以往油浸变压器的油- 纸绝缘结构也将不适用。
国内发展和应用现状
我国高温超导技术在超导材料技术、超导强电技术和超导弱电技术三个方面取得了重大进展和突破。在众多领域中,超导技术的应用具有非常突出的优点和不可取代的作用。随着高温超导材料和低温制冷技术的迅速发展,使超导技术的应用步伐迅速加快。超导技术在电力、通信、高新技术装备和军事装备等方面的应用也十分令人向往,具有重要的战略意义。在“十五”863计划中，中国科学院电工所和株洲电力机车厂已经分别开始630kVAHTS电力变压器和电力机车用HTS牵引变压器的研制。
根据第五届国际超导工业峰会预测,高温超导应用技术将在今后5～10年时间达到实用化水平,并将在2010年前后形成较大规模的产业。到2010年,全球超导产业的产值预计将达到260亿美元,到2020年将达到2 400 亿美元以上。超导技术将是21世纪具有光明前景的高新技术。
国外发展和应用现状
早在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。80 年代初, 法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 变压器进行了相对价格与性能的评估, 并与L TS 变压器与常规变压器相比较。结果表明目前HTS 变压器的经济运行容量可达到30MVA , 而L TS 变压器的经济运行容量为300MVA。
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。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18. 7kV ö 0. 42kV、频率为50Hz 的HTS 变压器[3 ] , 采用的高温超导材料为B i- 2223,工程临界电流密度为4500A ö cm 2, 短路阻抗为4. 6% , 于1997 年3 月12 日起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一台容量为1MVA、变比为13. 8kV ö 6. 9kV、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、6. 6kV ö 3. 3kV 的HTS 变压器与一台1000kVA、22kV ö69kV 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5. 6kV ö11kV 的HTS 变压器, 目前正在开发用于铁路运输的1000kVA 超导变压器。
供应商信息
ABB公司
中科院电工所 630MVA高温超导变压器
株州电力机车厂电力机车用高温超导牵引变压器
美国电力公司、IGC 超导材料公司、橡树岭国家实验室
德国西门子公司
中国科学院电工研究所
经典案例
22kVP6. 9kV ,1 000kVA 单相样机的开发
在福冈县地区财团开发的超导变压器中,22kVP6. 9kV ,1 000kVA 超导变压器是目前世界最大的高温超导变压器之一。该样机是以日本变压器标准(J EC —2200) 为基准设计、制造的,并预先考虑到它与电网实际联网运行。它具有耐雷电冲击等保护系统,在结构上具有抵抗故障的性能。其结构简要介绍如下:
4. 1绕组基本结构
该样机的绕组结构为圆筒式,一次绕组为4 层,二次绕组为2 层,各层均有用G- FRP 制成的绕线筒,并在绕线筒上刻有螺旋槽,当绕组绕制时将导线放进槽内。为了将超导变压器做成大容量,采用了很薄的带状铋系列的超导线材构成的并联导线绕制绕组。为降低由电流不均和导线间电磁场作用而引起的附加损耗,在卷线时各层中适当进行导线换位,如图2 所示。为了降低电磁力的作用,把导线埋在绕组筒的槽里,并用玻璃粘带绑扎(图3) , 从而可承受5 倍额定电流所产生电磁力的作用。
4. 2高压绕组绝缘结构
开发出的产品通过了变压器标准(J EC —2200) 规定的过电压试验。该产品与传统的油浸变压器一样可承受100kV 的雷电冲击和50kV 的短时工频试验,性能优良。其绕组的绝缘结构如图3 所示,用宽度与导线宽度几乎相同的玻璃粘带(在玻璃丝带上涂半干的环氧树脂) 在导线上进行缠绕,将其热固化后来提高绕组匝间和层间的绝缘强度。玻璃粘带既能起到绝缘的作用,又能起到承受电磁力的作用。
4. 3高电压隔热型传导冷却引线套管
由于超导变压器中电流流经引线套管所产生的热有时得不到足够的冷却,所以开发氮气传导冷却的高效隔热型引线套管是十分重要的。由于一次侧的额定电压为22kV ,所以设计时还要充分考虑从未有过的高电压因素。开发时对传导冷却引线套管作了传热分析和电场分析,并在样件试验的基础上进行设计,从而保证了可靠性。
4. 4样机与电网联接试验
4. 4. 1样机冷却系统的冷却过程
在样机上配合使用了新开发出的过冷却液氮冷却系统,其冷却过程是用该冷却系统中的过冷却液氮将饱和蒸汽液氮的温度在大气压下从77K( - 196 ℃) 冷却到64K( - 209 ℃) 。由于对液氮进行了过度冷却,因此可防止液氮产生气泡,从而提高了液氮的电气绝缘强度和超导体的性能。
4. 4. 2冷却系统的组成
这次开发的过冷却液氮冷却系统,是由真空隔热容器、冷冻机及循环泵组成的,并由真空隔热联管将其与变压器联接。该系统的主要参数是:变压器主体的液氮容量为330L ,液氮循环量为4LPmin ,装置整体温度为77K,冷冻能力约300W。样机外观照片如图4 所示,过冷却液氮系统结构如图5 所示。
4. 4. 3样机的试验电路
样机的试验电路联接是按电网电压为6. 9kV ,6. 9kVP22kV 升压变压器,22kVP6. 9kV 超导变压器,模拟负载电抗器再加一个高压开关依次联接而成的,如图6 所示。
4. 4. 4试验项目
(1) 与系统联接前的试验
绝缘电阻测试和电压比测试;
空载试验和耐压试验(10min) ;
短路阻抗试验和负载试验;
连续通电试验(1000kVA 变压器,10h) ;
过冷却试验。
(2) 系统联接的试验
试充电试验(零起升压试验10min) ;
系统并联时励磁涌流测试(11 次) ;
负荷试验(电抗器负荷以500kvar 持续18h) ;
超铭牌额定容量试验(电抗器负荷以675kvar 持续25h)
连续负荷试验( 电抗器负荷以500kvar 持续150h)
4. 4. 5样机与电网联接试验结果
(1) 从150h 的连续运行并延长到200h 的运行结果看,超导变压器性能是稳定的。
(2) 该样机与电网系统联接合闸瞬间如图7 所示。该样机通过了5 倍以上额定电流的涌流,从而证明可以安全运行。
(3) 同油浸变压器一样,在1. 6 倍额定容量时该样机可短时间运行。
(4) 由于新开发的过冷却液氮冷却系统的投入,使得冷却系统可以做到免维护。
(5) 样机的效率为99. 4 % ,比同容量的油浸变压器高0. 5 % ,这已获得验证。
这次开发的样机为22kVP6. 9kV ,3 000kVA 三相变压器中的一相,其能够达到J EC 标准规定的绝缘性能及承受过电流的能力,这说明此样机已向实用化迈进了一大步。
参考文献
[1] 朴文铉.高温超导变压器的开发动态[J].变压器，2001，38（10）：12-16.
[2] 董宁波，宗军.高温超导变压器及发展现状[J].国际电力，2005，9（4）：60-63.
[3] 陈敏，余运佳.高温超导变压器的特点与发展前景[J].低温与超导，2001，29（4）：50-55.
[4] 杨天信,谢毅立,胡来平,王生旺,王贤华.我国高温超导技术研究现状[J].中国电子科学研究院学报，2008，3（2）：122-127.