單相300KVA-25000V-860V高溫超導(dǎo)變壓器電磁設(shè)計(jì)及特性研究.pdf

1、本文簡要介紹了高溫超導(dǎo)變壓器的特點(diǎn)；較詳細(xì)綜述了國內(nèi)外高溫超導(dǎo)變壓器的研究現(xiàn)狀；比較深入地研究了超導(dǎo)變壓器的一些電磁特性如臨界電流、漏磁場(chǎng)、環(huán)流、短路阻抗及突然短路、空載合閘和過電壓過程等。主要內(nèi)容有：1）臨界電流。臨界電流受漏磁場(chǎng)和溫度影響較大，在一定溫度下，與自場(chǎng)條件下的臨界電流比較，實(shí)際超導(dǎo)裝置的臨界電流將減小40～60﹪。多根高溫超導(dǎo)帶材迭合使用時(shí)，每根帶材的平均臨界電流較單根使用時(shí)為小。另外，漏磁場(chǎng)徑向分量對(duì)臨界電流的影響較軸

2、向分量大得多。2）磁場(chǎng)與環(huán)流。與常導(dǎo)變壓器比較，漏磁場(chǎng)和環(huán)流是超導(dǎo)變壓器設(shè)計(jì)中需要特別引起重視的兩個(gè)問題。漏磁場(chǎng)尤其是徑向分量減小繞組的臨界電流，增加交流損耗。超導(dǎo)材料由于沒有電阻，繞組各并聯(lián)支路電抗微小的不平衡可能引起很大環(huán)流。A.較全面地研究了不同鐵心結(jié)構(gòu)和多種繞組形式對(duì)漏磁場(chǎng)分布的影響。用“場(chǎng)—路”耦合的方法具體計(jì)算了2種鐵心結(jié)構(gòu)7種繞組形式的漏磁場(chǎng)分布；研究了減小漏磁場(chǎng)徑向分量的一些措施。提出了在二次側(cè)繞組餅間或匝間采用不均勻氣

3、隙來削弱漏磁場(chǎng)徑向分量的方法。結(jié)果表明，三柱外鐵式結(jié)構(gòu)的漏磁場(chǎng)徑向分量較兩柱窗式結(jié)構(gòu)??；繞組餅間或匝間采用不均勻氣隙可減小漏磁場(chǎng)徑向分量10﹪以上；另外，驗(yàn)證了在本設(shè)計(jì)中采用分磁環(huán)來減小漏磁場(chǎng)徑向分量是不可取的。B.首次較深入地研究了超導(dǎo)變壓器繞組的環(huán)流問題,填補(bǔ)了高溫超導(dǎo)變壓器在環(huán)流研究方面的空白。用“場(chǎng)—路”結(jié)合的方法具體計(jì)算了鐵心為三柱外鐵式時(shí)，一次繞組為餅式，二次側(cè)繞組分別為層式、螺旋式和餅式等3種形式8種情況的環(huán)流分布；并分析

4、了支路電阻對(duì)環(huán)流的影響。結(jié)果表明，就環(huán)流分布來說，層式繞組的環(huán)流最小，螺旋式繞組次之，餅式繞組較差；對(duì)于雙螺旋式繞組，兩個(gè)串聯(lián)連接的線圈采用不同導(dǎo)線換位方式時(shí)其環(huán)流差別相當(dāng)大。另外，對(duì)于層式繞組，不能將各層線圈兩端短接用銅線串聯(lián)各層繞組以代替并繞導(dǎo)線在層間的換位。3）漏抗是變壓器的一個(gè)重要參數(shù)。本課題研究中，從電氣絕緣和減小環(huán)流考慮,高、低壓繞組采用了不同形式；為了減小漏磁場(chǎng)，繞組安匝分布較為稀疏。因此，繞組磁勢(shì)沿軸向分布是不均勻的，漏

5、抗計(jì)算必須計(jì)入由此而產(chǎn)生的橫向漏磁的影響。本文應(yīng)用磁勢(shì)等效變換原理，首次推導(dǎo)了高、低壓繞組取不同形式、且沿徑向呈“HV－LV－HV”排列的繞組的漏抗計(jì)算公式。結(jié)果表明，橫向漏磁場(chǎng)對(duì)漏抗的影響與繞組沿軸向的分段數(shù)及段間氣隙的大小有很大的關(guān)系。在用ANSYS軟件分析漏磁場(chǎng)的基礎(chǔ)上計(jì)算的電抗值對(duì)本方法給予了驗(yàn)證。4）短路電磁力。在分析漏磁場(chǎng)的基礎(chǔ)上計(jì)算了超導(dǎo)變壓器的短路電磁力；并推導(dǎo)了電磁力密度的解析表達(dá)式。在超導(dǎo)態(tài)考慮短路時(shí)，短路電流最大值

6、較常導(dǎo)變壓器大。與常導(dǎo)變壓器的穩(wěn)態(tài)短路比較，超導(dǎo)變壓器的短路電磁力（密度）至少多一個(gè)基頻分量。此外，由于超導(dǎo)態(tài)時(shí)超導(dǎo)材料的電阻為零及繞組失超后電阻發(fā)生變化，超導(dǎo)變壓器的空載合閘及過電壓過程具有不同于常導(dǎo)變壓器的特性。5）交流損耗是超導(dǎo)變壓器的一個(gè)重要指標(biāo)，也是研究高溫超導(dǎo)變壓器的難點(diǎn)之一。由于高溫超導(dǎo)材料的各向異性，漏磁場(chǎng)徑向分量對(duì)交流損耗的影響較軸向分量大得多。本文根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)介紹的計(jì)算方法，在漏磁場(chǎng)分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，用ANSYS軟件