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1、·电力系统·《电工技术杂志》2003年第10期高温超导变压器叶林杨明皓杨仁刚(中国农业大学信息与电气工程学院100083)摘要高温超导变压器与常规变压器相比,具有体积小、重量轻、效率高、无火灾隐患、不污染环境和限制短路电流改善系统动态稳定性等诸多优点。阐述了欧洲、美国及日本等国家的高温超导变压器的研究现状、基本特点、优越性及研究中存在的技术问题等。并且讨论了高温超导变压器的设计原则和将来其投入电力系统运行时所需要进一步考虑的问题。关键词超导电性超导变压器电力系统原本由两台变压器供电的负载,提高了系统的安全1高温超导变压器的研究意义性;从对电力系统
2、的贡献来看,正常工作时超导变现代电力变压器是一种具有高度可靠性、高效压器的内阻很低,增大了电压调节范围,有利于提[4]率的电力设备。随着我国电力工业和城市建设的迅高电力系统的稳定性;若电力系统中发生短路速发展,国家正在实施城网、农网改造,变压器行时,短路电流大于超导体的临界电流水平,超导体[1]业相应地得到了飞速发展。随着单机容量的日失超产生一个阻抗,能够快速的限制短路电流峰益增大,用户对变压器的要求越来越高,电力变压值。高温超导变压器的潜在的故障电流限制能力,器除了要满足电、磁、力、热等技术规范外,还要使得电力系统的元件可以按故障电流被限制后的
3、水[5]满足小型、无油、低噪声的要求,以减小占地面积平来设计,减小了整个系统的投资;从环保角和减少环境污染。常规变压器由于其固有缺陷难以度看,高温超导变压器采用液氮进行冷却,取代了满足现代电力工业发展的需要。研究和发展新型超常规变压器所用的强迫油循环冷却,降低了噪声,导变压器,从而提高电力变压器的性能,具有巨大避免了变压器可能引起的火灾危险和由于泄漏造成[2]的理论研究意义和实际应用价值。的环境污染。总体来看,超导变压器具有体积小、高温超导变压器(HighTemperature重量轻等优点,将成为21世纪最理想的节能变压[1]Supercondu
4、ctingTransformer)是节能变压器中很器,极具潜在的开发前景。有发展前景的产品。高温超导变压器是将由高温超2高温超导变压器的研究现状与进展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,价早在20世纪60年代实用超导材料出现后,国格低廉,而且液氮的制取极为方便,成本不高,所际上就开展了对超导变压器的研究。由于超导线的以液氮极具商业价值,因而人们期盼着它能尽早投交流损耗较大,超导变压器的研究没有什么进展。入使用。目前人们已开发出多种高温超导材料,其20世纪80年代初,法国首先研制出低交流损耗的中银
5、基铋氧化物系列超导材料已经解决了长尺化问极细丝复合多芯超导线,加上低温冷却技术的改[3]题,在国外作为商品早已用于超导变压器中。善,共同促进了低温超导(LTS)变压器的发展。从经济上看,超导材料的低阻抗特性有利于减小变1987年以来,随着高温超导带材的开发成功,超压器的总损耗,高电流密度可以提高电力系统的效导变压器的研究兴趣开始转向高温超导(HTS)变率,采用超导变压器将会大大节约能源,减少其运压器。首先德国、日本、美国等各国分别进行了一行费用;从绝缘运行寿命上看,超导变压器的绕组系列技术、经济可行性研究和概念设计,对大容量和固体绝缘材料都运行于
6、深度低温下,不存在绝缘三相HTS变压器进行了相对价格与性能的评估,老化问题,即使在两倍于额定功率下运行也不会影并与LTS变压器、常规变压器相比较。结果表明响寿命。在紧急情况下,可由一台超导变压器承载目前HTS变压器的经济运行容量可达到—63—《电工技术杂志》2003年第10期高温超导变压器[6]30MVA。随着高温超导材料性能的改进,各种制的油箱里,再将油箱注满变压器油。而高温超导[7]容量的HTS变压器工业样机也相继问世。其中,变压器是将铋氧化物超导线材卷制的绕组,放入经ABB和法国电力公司、瑞士日内瓦发电厂、洛桑玻璃纤维强化的玻璃钢制成的隔热
7、圆筒内(G—工业大学联合开发了一台容量为630kVA、变比为FRP),并注入77K(-196℃)的液氮,以取代变1817kV/0142kV、频率为50Hz的HTS变压器,压器油,其基本结构如图所示。另外,从热设计角采用的高温超导材料为Bi-2223,工程临界电流度考虑,可以把铁心放在室温空间里与液氮加以隔2[8]密度为4500A/cm,短路阻抗为416%,于1997绝。年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WES电力公司、IGC超导材料公司和橡树岭国家实
8、验室共同研制成功一台容量为1MVA、变比为1318kV/619kV、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
