超导变压器电磁的工作原理及应用设计方案

现代变压器是一种高度可靠和高效的电力设备。正常导电的变压器由于其固有的缺陷，很难满足现代电力工业发展的需要。研究和开发新型超导变压器对提高电力变压器的性能具有重要价值。高温超导变压器用高温超导材料代替铜线缠绕高温超导线圈，用液氮代替变压器油作为冷却介质，使高温超导线圈能在液氮环境下运行。与通常导电的变压器相比，它有许多优点：体积小，重量轻。考虑冷却系统后，一台三相60MVA  HTS变压器的重量约为同等容量的恒导变压器的60%。
1超导变压器电磁设计要点
1)磁场和循环
与常导变压器相比，漏磁场和环流是超导变压器设计中需要特别考虑的两个问题。在常导变压器中，漏磁场达到0.2 ~ 0.3t；通过导体周围的适当换位和绕组电阻限制循环电流的作用，可以将循环电流控制在允许的范围内。然而，在超导变压器中，漏磁场，尤其是其径向分量，降低了绕组中的临界电流，增加了交流损耗。而且超导材料的零电阻特性使得绕组限制环流的能力极低，绕组各支路之间漏抗的轻微不平衡可能会造成相当大的环流。一方面，环流的存在增加了绕组的交流损耗；另一方面，漏磁场分布不均匀，从而降低了临界电流。环流的精确计算是基于漏磁场的分析。因此，超导变压器的电磁设计应涉及漏磁场的计算。
漏抗与漏磁场分布有关，绕组的安匝分布决定漏磁场分布。为了减小漏磁场，超导变压器的安匝分布是稀疏的，换句话说，绕组的匝、层或饼之间的气隙相对较大。考虑到一次绕组和二次绕组采用不同的形式，高低压绕组的磁势沿轴向分布不均匀，横向磁场对漏抗的影响不容忽视。这样，漏抗的计算就不能简单地套用正常导通变压器的方法。
3)优化方法
超导变压器优化设计的研究大多集中在降低超导线材和铁芯损耗上。其中，参考文献[6]推导出绕组匝电压为白色变量，目标函数为“变压器铁心体积及其损耗加上超导导线长度加上一定寿命期内的变压器损耗”。结果表明，当变压器匝电压约为1.1V时，上述目标函数最优。该匝电压值远低于正常导通变压器的10 ~ 20 V。以一台50MVA超导变压器为例，研究了基于匝间电压的总体积、总损耗和阻抗电压的优化设计，并与同容量的恒导变压器进行了比较。
23000千伏安高温超导变压器的电磁设计
1)已知参数
(1)容量
SN1/SN2/SN3=3000/1275  2/450千伏安
(2)额定电压
U1/U2/U3=25000/1500  2/400伏
(3)额定电流
I1/I2/I3=120/850  2/1125 A
(4)相数mp=1
(5)频率f=50Hz
2)核心结构
(1)形成单柱外铁型
(2)材料30QG110
(3)芯柱直径D=270mm毫米
(4)芯柱有效面积
AZ=513.76cm2(Kp=0.96)
3)缠绕
初级侧有两个高压绕组(并联)，次级侧有两个牵引绕组，三级侧有一个辅助绕组。高压绕组、牵引绕组和辅助绕组都同心布置。
4)线圈绝缘结构
超导体绝缘通过浸渍环氧胶与固体绝缘结合。
5)临界电流
IC=100A(77K，自场)
6)高压绕组
T
磁场分析表明，在同心绕组布置中，磁场区域的径向分量相对较小。对于大容量变压器，绕组需要与多根导线并联缠绕(在本设计中，次级绕组与多达38或40根导线并联缠绕)。由于超导材料的零电阻特性，抑制环流的能力大大减弱，因此需要对导线进行有效的转置。