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        1MVA 高温超导变压器的结构设计及电磁分析

        发布时间:2014-11-03 11:16:03 人气:

        作者:金建勋,汤长龙,孙日明,朱永平
        摘要这是一篇基于动态创新型BSCCO超导带材作为变压器线圈制造材料,容量为1MVA,电压比为10kV/0.4kV电力变压器概念设计。其铁心采用在常温环境下工作的三相三柱式叠铁心结构。高压绕组采用每相5层线圈串联的结构,5层线圈同心绕制。对低压绕组的初步设计有两种方案。一种方案是采用5层同轴线圈并联方式;另一种方案是每匝线圈直接由10根超导带材并联在一起,然后再由17个这样的匝线圈轴向串联的方式。结构设计和电磁分析将结合临界电流与电流的均匀分布做出综合分析。 设计的1MVA高温超导变压器将比1MVA传统变压器在体积、重量和负载损耗上有显著地优势。 

        关键词超导变压器,高温超导线圈,DI-BSCCO,临界电流,交流损耗。

         

        I. 简  介

            最进几年,随着高温超导设备技术的发展,在电子电力设备,如故障电流限流器和变压器等设备上得到了实实在在的应用[1]-[3]。相比起铜导线或者铝导线的传统变压器而言,高温超导变压器体积更小,重量更轻,效率更高,且具有维护周期长,故障率低,对环境污染小等优点。 

        目前,高温超导变压器至少主要有两种类型,电力变压器和牵引变压器。在超导电力变压器领域,瑞典在1997年已研制出一台三相630kVA/13.72kV/0.42kV的超导电力变压器,并成功挂网运行一年。2004年美国的沃基肖制造厂也开发出一台5-10MVA/24.9kV/4.2kV的三相超导电力变压器;在同一年,日本九州大学也开发出一台2MVA/66kV/6.9kV的单相超导变压器,韩国也在同一年设计出一台1MVA/22.9kV/6.6kV的超导电力变压器。在2004年法国也开发出一台41kVA/2.05kV/0.41kV变压器。中国在2005年开发出一台三相630kVA/10.5kV/0.4kV非金合金型铁心结构的超导变压器,并且在2010年开发出YBCO镀层结构的三相2MVA/22kV/6.6kV超导故障电流限流器。新西兰在2013年预装了一台YBCO镀层线缆结构的三相1MVA/11kV/0.4kV超导变压器。在高温超导牵引变压器领域,德国在2001年就制造出一台单相1MVA/25kV/1.4kV高温超导牵引变压器用在高铁上。日本也在2004年为新干线轨道交通设计制造出一台4MVA/25kV/1.2kV单相超导牵引变压器。中国在2005年开发出一台用于电力机车的单相0.3MVA/25kV/0.86kV变压器。随着超导变压器技术原型和其相关技术的领域的不断发展,我们可以大胆预想在不久的将来,超导变压器必将走向商业化。

        这篇文章是对1MVA/10kV/0.4kV高温超导电力变压器的一个概念设计。在第二段中将对此超导电力变压器做一个概述。第三段将介绍超导电力变压器的铁心结构和其高、低压线圈的布置。在第四段讲对电磁分析和高、低压不同线圈形式结构的效率做进一步分析。第五段将对1MVA容量下铜线圈形式的传统变压强和超导线圈形式下的超导变压器做一个综合性能分析。

        II. 1MVA高温超导变压器概述

        这一台1MVA超导变压器将被设计用在10kV电网中的地方电网终端。有关这台超导变压器的电气结构参数已经例在表1和表2 中。三柱式铁心由可在常温下工作的高导磁冷轧取向硅钢片叠制而成。一次侧和二次侧绕组连接方式均为星型联接方式。高压和低压绕组均使用动态新型BSCCO超导带材,超导导线全部置于65K液氮冷却液中。以下为动态新型BSCCO超导带材的主要参数:平均带宽-4.5mm,平均厚度-0.3mm,在温度为77K,磁场强度为0T环境下的临界电流为200A,在温度为77K时的临界拉伸强度- 270MPa。非金属型低温恒温装置采用增强型玻璃纤维塑料制造。

         

        I. 结构设计

        A. 铁心

        铁心采用三相三柱式铁心结构。由铁心维持内部的磁平衡和提供整体的机械稳定性。铁心采用武钢生产的23RB035型高导磁冷轧取向硅钢片,其直径可通过经验公式估算为:54× (1/3)1/4 ≈ 23 cm ,其有效导磁截面积为382.8 cm2。设计磁密为1.6T,并以此计算出的最初匝电压为23.53V??悸堑蕉磐叩陌沧俺叽?,初步把铁心窗高和铁心柱中心距分别设定在400mm和750mm。铁心的几何图形如图1所示。

        B. 高压绕组

        每一相高压绕组总共由5层线圈以串联的方式连接。图2为5组线圈的右半边剖视图。另一半线圈对称地布置在铁心柱的左边。在相邻的线圈之间设计有4个冷却通道,每个通道辐向宽度为8mm。每个绕组有5层,每层17匝线圈。相邻并绕带材之间的绝缘厚度为0.1mm??悸堑绞导嗜浦频墓ひ瘴侍?,相邻匝之间的间隙为2mm。

        A. 低压绕组

        低压绕组设计了两个结构方案。一个方案是每相绕组由5层线圈同轴并联组成,每层线圈均为17匝。相邻层间有4个辐向宽度为16mm的冷却通道。匝间轴向距离为2mm。其几何尺寸及电气结构图如图3(a)。从图3 到图2,在低压绕组外径和高压绕组内劲之间的绝缘距离为40mm。

         

        方案二是用10根导线重叠绕制成一匝线圈,然后由这样的17个线圈组成整个绕组。在对线圈进行绕制前需要对10根导线预先进行处理。10根并绕的导线分成5组,每组2根导线,如图3b)。两根并联绕指的导线之间事先需要由低温冷凝粘胶把两根带材凝结在一起,形成一个柔韧的矩形可绕制的组合导线。得益于分散的支撑骨架,5个具有柔韧性的空道恰能够对5组导线进行固定装配。5组线圈的几何结构如所示。每个线圈有5组导线。低温制冷的液氮通过每层线圈之间的矩形通道流动,从而达到对超导带材冷却的效果。

         

        I. 电磁分析

        A. 高压绕组

        此台1MVA超导变压器满载情况下,高压侧和低压侧的峰值电流分别为81.59A和2.03kA。其高压绕组周围所对应的磁场分布情况(如图5)与螺线管磁场非常相似。 DI-BSCCO带材宽面平行磁场分量占内部分布磁场的绝大部分。然而,垂直磁场分布在线圈两端变得更大。由于依靠DI-BSCCO带材[4]产生的磁场有很大的不均匀性,位于线圈两侧线匝的临界电流要比线圈中部线匝的临界电流小很多。

         

        从高压或者低压内壁到外壁的五个电磁组分别定义为Ngroup = 1, Ngroup = 2, Ngroup = 5.从顶部到底部的17层线分别定义为Nlayer = 1, Nlayer = 2, Nlayer = 17。 在气隙的轴向宽度方向上附近的高压和低压线圈分别定义为g1 和 g2。图6展示了在高压绕组不同的g1线层顶部的临界电流分布。随着g1 的增大,每组中的电流Ic 变得越来越大,以至于越来越接近饱和值。与此同时,层间绝缘的安全性能也逐渐增强。但是需要在高压绕组上安装一个更大的低温恒温器。在设计中我们为高压绕组选择一个较为合适的值,即g1 = 8 mm 。所有线匝中最小的电流值 Ic 为266.5A。相应的额定电流比为 Ipeak / Ic = 0.306。 

         

        A. 低压绕组

        图7展示了低压绕组在不同的g2 下磁场分布情况。在图8中展示了低压绕组在不同g2 下,(Nlayer = 1)时顶层线圈的临界电流分布情况。同样的,随着g1 的增大, Ic 变得越来越大,逐渐接近饱和值。在设计中,低压绕组g2 选择值为16 mm 。

         

        为了评估在不同线圈之间或者不同绕组之间的不平衡电流,我们设定一个电流均匀系数Ki 来衡量每一个螺线管之间或者不同绕组之间的安匝平衡率以及衡量所有螺线管或者不同绕组之间总得安匝不平衡率。图9展示了A方案下不同螺线管之间的电流不均匀系数。其最大不平衡系数Ki 值为 0.203,相对误差系数为Kerror [=|0.2 - Ki| / 0.2] 0.015。然而,由于漏磁通和每个绕组感应电抗的不平衡分布,实际电流的分布可能是不均匀的。

        对于方案B,每个轴向线圈的十根叠制的带材几乎都能达到2.03kA的峰值电流。图9展示了在不同带组之间的电流不平衡系数。可以看出随着层数的减小相对偏差会逐渐减小。其最大Ki 值出现在Nlayer = 1的时候,值为0.215。其相应的 Kerror值为0.075。对比方案A,方案B的感应电抗是微不足道的。5组线圈临界电流近似相等的情况下,我们认为运行电流的分布是均匀的。因此,在实际设计中,我们选择的是方案B。

         

        A. 分流器对临界电流的提高和分布的影响

        为了提高线圈两端允许运行电流,最简单的方法就是采用一个或者多个平行布置的盘形线圈来分离绕组两端线圈的电流。然而却需要更多的带材和耗费更多的成本,同时会产生一些附加的焊接头。据资料[4]记载,在线圈两端布置两个分流器能有效的提高临界电流值。在设计中,像图10所示,采用一种相对磁导率为40的铁心粉铁心。在铁心粉铁心中近似磁通密度为约为1T,如图11。在底部线圈没有分流器的情况下,顶部线圈端部的垂直磁通密度要比底部线圈端部的磁通密度小得多。 

        由此可以看出,带分流器的高压和低压绕组的临界电流值有显著的增大。图12和图13展示了高压绕组和低压绕组临界电流的比较。高压绕组和低压绕组的最小载流值分别提高到307.5A和326A,为之前没有分流器时候的1.15倍和1.13倍。对于电流的不均匀系数,方案B的最大值分别减小到0.025。因此,引入分流器之后,除了显著地提高了临界电流以外,还使不同螺线管之间的运行电流变得更均匀。

         

        I. 1MVA高温超导变压器和常规变压器的性能比较

        1MVA超导变压器最大的区别就在于绕组材料的变化以及绕组材料变化之后所连带的其它相关结构和配件的变化。 在传统容量为1MVA,电压分配为10kV/0.4kV的常规变压器中,其低压线圈的内径为238mm,外径为334mm。高压绕组的内径为462mm,外径为606mm。高低压绕线高度为530mm。由于铁心窗高和心柱距离受到绕组尺寸的影响,传统常规铜绕组变压器铁心体积为0.25m³,其体积约为超导变压器铁心体积的1.1倍。而且一次侧采用更多的线匝还会使铁心尺寸进一步减小。不同铁心、高压绕组、低压绕组体积和线圈匝数之间的关系如图14所示。由于超导带材的临界电流很大,在伴随铁心体积急剧减小下线圈匝数的增多,高、低压绕组的体积增大也是很小的。即可以考虑把绕组匝数增多,这样就会使得铁心截面积及整体体积急剧减小。其具体情况如图14所示。下一步我们将就超导带材绕制的线圈匝数和具体体积之间再寻求一个平衡点,以达到性能和体积的最优化。受铁心有效截面积的影响,当一次侧线圈匝数从425匝增加到1700匝的时候,铁心截面积相应的从382.8cm²减小到95.7cm²。下一步我们将就减小1MVA高温超导变压器整体体积做一个平衡设计。

         


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