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        kA级超导电抗器的设计与分析

        发布时间:2014-11-03 10:28:33 人气:

        作者:金建勋,汤长龙,孙日明,朱永平
           摘要—这是一篇关于采用DI-BSCCO高温超导带材制造的100A级与1kA级超导电抗器的设计论文。整体结构采用铁心柱中间预留一个8mm宽气隙通道,单相三柱式铁心结构形式。铁心材料选择高导磁冷轧取向硅钢片。100A级与1kA级电抗器的高温超导螺线管绕组有34层总共136匝线圈。文中将对比传统铜线电抗器在包括临界电流和交流损耗在内的性能分析和结构设计进行讨论和比较。结果得出新型超导电抗器具有体积小,重量轻和运行损耗低的特点。关键词—超导电抗器,限流电抗器,中性点电抗器,

        DI-BSCCO,交流损耗

        I.简  介

           电抗器如今被广泛地运用在现代电力系统中。它为现代电力系统提供了如限流、补偿电能、感应接地等功能性服务。其在电力系统本身出现短路故障,或者系统中较大的电力设备故障运行时都会不可避免地出现电能质量和供电可靠性问题时发挥着重要的作用。通过高温超导限流器对故障电流的限制作用对故障电流进行有效地控制故障电流水平。现已有一些单位及电气公司不断地推动者超导故障限流器的发展。全球已有很多超导故障限流器的设计范例。大体上来说,大部分高温超导故障电流限流器包括感应型高温超导限流器,铁心磁饱和型高温超导限流器[1]、[2],变压器型高温超导限流器[3]、[4]、[5]、 [6],无感型高温超导限流器[7]。它们都在输电网和配电网中对故障电流的限制发挥着重要的作用。
        电力系统的故障主要包括三相短路,两相短路,两相接地短路和单相接地短路。据2008年国家电网公司对220kV电网,共6434条输电线路发生的2407次故障统计数据显示,单相接地短路故障占总故障次数的91.23%。由此可以看出单相接地短路故障已是提高电能质量和供电可靠性必须解决的问题。
        在中性点非直接接地系统中发生单相接地短路时,由于故障电流比较小,而且三相之间的线电压仍然保持对称,对负荷的供电没有影响,因此,在一般情况下都允许再继续运行1~2h。在此期间,工作人员可及时排除故障,以使其它两相线路不间断供电。为了达到这样的连续运行效果常常在变压器中性点经一个限流电抗器接地以配合对电网中单相接地短路故障的?;?。
        这篇文章是对基于DI-BSCCO超导带材100A级与1kVA级电抗器设计的一个概述。其内容包括:第二部分中高温超导电抗器的设计;第三部分中对超导电抗器在系统中出现单相接地短路故障下的性能评估;第四部分中将对1kA级高温超导电抗器在线路中出现诸如冲击电流和故障电流情况下的磁滞损耗和磁化损耗做出对应的计算和分析。

        II.高温超导电抗器的设计


           表1和图1展示列出了100A级和1kA级超温超导电抗器主要的性能参数。采用单相三柱式铁心结构,以此可节约一定的成本(从非导磁性恒温器和制冷器)。铁心采用牌号为30Q130高导磁冷轧硅钢片叠制而成,其直径为100mm,有效横截面积为66.595cm2。铁窗的高度和宽度分别为430mm和120mm。两柱高温超导线圈由34层线圈组成,每一层线圈由5匝线圈构成。100A级高温超导电抗器的绕组由在77K温度环境下工作的DI-BSCCO带材单层散绕而成。在表2中列出了DI-BSCCO带材的主要特性参数。对于1kA级高温超导电抗器,3根DI-BSCCO带材并绕制作中间的30匝线圈,然而在最后四层线圈的时候用4根DI-BSCCO带材并绕。这样布置是考虑到布置在绕组两端的线圈的临界电流要比中部的临界电流小得多。30匝中层线圈构成了一个完整的螺线管线圈。4层末端线圈构成两个双饼式线圈。整个电抗器采用一台20W/20K常规型制冷设备对高温超导绕组进行冷却。

                                   

                       

         

          设计以上所述的两个高温超导电抗器来替代一个传统型的铜线绕制的电抗器。在铜导线电抗器中,单相两柱式铁心结构适用于保持内部磁平衡和提高整体的机械稳定性。两个铜线绕组以相反的绕制方式绕制并安装在两个铁心柱上。每一个铜绕组由两个串绕的同轴线圈单元,以此从周围的冷却油中获得更好的冷却效果(如图1c)。两个线圈单元的高度为292mm。内部线圈单元的内径和外径分别为150mm和166mm。外部线圈单元的内径和外径分别为178mm和194mm。线圈中的额定均方根电流为52A。

        I. 单相接地故障下超导与铜导线电抗器的性能评估和比较

        A. 交流损耗计算

           在100A级和1kA级高温超导变压器中,交流损耗只要由磁滞损耗和磁化损耗组成??梢匀范ㄒ桓鲈诜逯档缌鱅m和临界电流Ic之间的比例因素i,这样单位长度的磁滞损耗Phys和磁化损耗Pmag可估算为[8]。

                        

         

         

        Ec为临界电场,单位10-4V/m。临界电流Ic 和指数n 可估算为[10]:

                    

        A. 性能评估和比较

            用多物理场耦合软件来对100A级和1kA级高温超导电抗器建立一个二元模型。两组电抗器在出现单相接地短路故障时的运行电流有效值为52A。不同相位下的磁场分布如图2和图3所示。当相位角等于30°,60°,90°时,在气隙中所对应的磁感应强度分别为0.65T,1.13T和1.31T。为了得到明显的对比效果,我们以上的数值长度限制在0.05T??梢钥闯隽阶榈缈蛊鞯拇懦》植挤浅O嗨?。

         

         

         

         

         

          图4 展示了在100A级高温超导电抗器在不同线圈层上的最小临界电流分布情况。从34层线圈的顶层到底层线圈以此定义为Nlayer=1,Nlayer=2,•••,Nlayer=34。每层线圈的最小临界电流定义为Icmin。由于磁场的不均匀分布,在中间两层(Nlayer=17,Nlayer=18)与磁力线平行,其Icmin值也最大。当整个线圈运行在超导环境中时,整个高温超导绕组的临界电流为132A。图5展示了不同线圈层所对应的磁化损耗。大磁化损耗值出现在线圈的第13和22层,其值为14mW/m。对于1kA级高温超导电抗器,可获得最大的临界电流2.78kA。

         

            表格3展示了100A级与1kA级高温超导电抗器的性能对比。100A级电抗器的整个高温超导线圈总共的磁化损耗Pmagt磁滞损耗Physt分别约为0.14W和1.51W??悸堑较质档那榭鯷10],当采用常规型制冷机时,要求制冷功率大约为2.8W。在一个大气压下,液氮中储存的热量为161kJ/L,且每公升液氮需要大约16个小时才能消耗完。 

            假设扁平铜导线的电阻率是0.0175Ω•mm2/m,铜绕组的总电阻约为0.0535Ω,因此电阻的功率损耗是144.6 W和对应比值Kp [= Pcopper / PGM]是0.0194。对于绕组体积来说,铜绕组体积Vcopper约为11380立方厘米,对应比例Kv [= VHTS /Vcopper]是0.0178。图6展示了100A级和1kA级超导电抗器的比例系数。

         

         

        I. 冲击电流下超导与铜导线电抗器的性能评估和比较

            在实际运行中,不管是超导电抗器还是铜线圈电抗器都可能遭受到很大的冲击电流。对国家电网安装在在四川的一台110kV的变压器中性点电抗器的计算得出其中心点电抗器的热稳定电流为1.52kA,整定持续时间为10s。1kA级电抗器此时的垂直磁场分布如图7。其平行磁场分量大部分出现在线圈层的中部。然而,在接近线圈的两端,垂直磁场分量会变得更大。

        由于磁场的不均匀分布,在位于两个线圈两端的地方,临界电流的值要比位于中间部分的低得多。在制作中,分别用3根带材并绕和4根带材并绕成中间的30层线圈和末端的4层线圈。对应的临界电流分布如图8。最大临界电流出现在第3层和第32层,其值为1.51kA。这个值近似等于热稳定电流1.52kA。

         

         

         

        图10. 1kA级高温超导电抗器Kp和Kv的比率

         

           图9展示了1kA高温超导电抗器的交流损耗分布。最大Pmag和Phys值分别是0.157 W/m和0.356 W/m。高温超导线圈总的磁化损耗Pmag和磁滞损耗Phys分别是2.1W和15.5W。总共的交流损耗是17.6W,这个值低于设计20 W的冷却容量。当在20K环境温度下制冷器的损耗值会是此磁化损耗和磁滞损耗之和的100-200倍,此时总损耗可达到大约3.52kW。但铜线圈电抗器的电阻性损耗值就已达到123.61kW。图10展示了1 kA级高温超导电抗器的Kp和Kv的比率。比起铜线圈电抗器,1kA级高温超导电抗器的功率损耗和绕组体积分别减少到0.0285和0.046。

        I. 结  论

           本文提出了关于100A级和1kA级高温超导电抗器的设计和与铜线圈电抗器的比较分析。由单层DI-BSCCO带材绕制的100A级高温超导电抗器能够充分满足单相接地故障52A电流的补偿。比起铜线圈电抗器,其运行损耗降低到铜线圈电抗器损耗的2%。设计由DI-BSCCO带材并绕制作的1kA级电抗器的时候,考虑到其能够流过1.52kA的冲击电流。其运行损耗同样只有铜线圈电抗器的2%。在不考虑低温冷却装置的情况下,高温超导电抗器的绕组尺寸可减小约98%。由此,我们可以得出在电网中出现单相接地故障及其它类似故障情况下新型高温超导电抗器在体积,重量和运行损耗上都有显著地优势。


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