電氣工程及其自動化畢業(yè)設(shè)計(jì)-超導(dǎo)變壓器的發(fā)展與現(xiàn)狀(含外文翻譯)

1、<p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　　（20 屆）</b></p><p>　　超導(dǎo)變壓器的發(fā)展與現(xiàn)狀</p><p>　　所在學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級 電氣工程及其自動化

2、 </p><p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號 </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p>　　超導(dǎo)變壓器的發(fā)展與現(xiàn)狀</p><p>&

3、lt;b>　　摘 要</b></p><p>　　電力變壓器是發(fā)、輸、變、配電系統(tǒng)中的重要設(shè)備之一，它的性能、質(zhì)量直接關(guān)系到電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和運(yùn)營效益，因此變壓器的優(yōu)化成為了一個(gè)重要課題。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，超導(dǎo)變壓器的研究被各個(gè)國家所重視。本文介紹了超導(dǎo)的研究簡史，超導(dǎo)變壓器的分類，空心超導(dǎo)變壓器理論研究的最新成果，高溫超導(dǎo)變壓器的典型結(jié)構(gòu)，超導(dǎo)變壓器的特點(diǎn)，超導(dǎo)變壓器的試驗(yàn)、檢測項(xiàng)目，

4、超導(dǎo)變壓器性能檢測方法及主要設(shè)備。最后，本文對我國超導(dǎo)技術(shù)的研究進(jìn)行了展望，介紹了超導(dǎo)變壓器的應(yīng)用與今后超導(dǎo)變壓器的發(fā)展方向，得出了一系列結(jié)論。雖然有部分研究考慮省去超導(dǎo)變壓器的鐵心，但由于漏抗較大，沒有成為超導(dǎo)變壓器的主流。國內(nèi)外已經(jīng)有高溫超導(dǎo)材料制成的超導(dǎo)變壓器，但仍有許多問題需要解決。</p><p>　　關(guān)鍵詞: 超導(dǎo)；超導(dǎo)變壓器；高溫超導(dǎo)</p><p>　　The develo

5、pment and status of the superconducting transformer</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Power transformer is one of the important equipment at generate electricity, transmission and su

6、bstation in distribution system. Its performance, quality directly related to the reliability and operational efficiency of power system. Transformer optimization has become an important topic. With the development of sc

7、ience and technology, superconducting transformer is valued by all countries. This article describes the brief history of the superconducting characteristics, the classification of the</p><p>　　Keywords: Sup

8、erconducting; Superconducting transformer; High-temperature superconducting</p><p>　　不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符，此行不會被打印</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘要I</b></p>&

9、lt;p>　　AbstractII</p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　　1.1 課題背景1</p><p>　　1.2 超導(dǎo)研究的發(fā)展簡史2</p><p>　　1.2.1 發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)的具體過程2</p><p>　　1.2.2 超導(dǎo)發(fā)展經(jīng)歷的三個(gè)

10、階段3</p><p>　　1.3 本文內(nèi)容4</p><p>　　第2章 超導(dǎo)變壓器的基本研究5</p><p>　　2.1 超導(dǎo)變壓器的分類5</p><p>　　2.1.1 鐵心式超導(dǎo)變壓器5</p><p>　　2.1.2 空心式超導(dǎo)變壓器6</p><p>　　2.1.3

11、混合型超導(dǎo)變壓器8</p><p>　　2.2 空心超導(dǎo)變壓器理論研究的最新成果9</p><p>　　2.2.1 空心超導(dǎo)變壓器的等效電路9</p><p>　　2.2.2 空心超導(dǎo)變壓器的損耗10</p><p>　　2.2.3 空心超導(dǎo)變壓器的磁場分析11</p><p>　　2.3 高溫超導(dǎo)變壓器的典

12、型結(jié)構(gòu)11</p><p>　　2.4 超導(dǎo)變壓器的特點(diǎn)13</p><p>　　2.5 本章小結(jié)15</p><p>　　第3章 超導(dǎo)變壓器的性能檢測方法研究16</p><p>　　3.1 超導(dǎo)變壓器的試驗(yàn)、檢測項(xiàng)目16</p><p>　　3.2 超導(dǎo)變壓器性能檢測方法及主要設(shè)備17</p>

13、;<p>　　3.3 本章小結(jié)23</p><p>　　第4章 超導(dǎo)變壓器的應(yīng)用與展望25</p><p>　　4.1 超導(dǎo)變壓器的應(yīng)用25</p><p>　　4.1.1 電力機(jī)車用超導(dǎo)變壓器25</p><p>　　4.1.2 電磁發(fā)射用高溫超導(dǎo)空心脈沖變壓器27</p><p>　　4.2

14、 今后課題36</p><p>　　4.3 超導(dǎo)變壓器的展望38</p><p>　　4.4 本章小結(jié)39</p><p><b>　　結(jié) 論40</b></p><p><b>　　致 謝41</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)42</

15、b></p><p><b>　　附 錄45</b></p><p>　　千萬不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符，此行不會被打印。在目錄上點(diǎn)右鍵“更新域”，然后“更新整個(gè)目錄”。打印前，不要忘記把上面“Abstract”這一行后加一空行</p><p><b>　　緒論</b></p><p><b

16、>　　課題背景</b></p><p>　　超導(dǎo)技術(shù)是近40年發(fā)展起來的高技術(shù)，它在電工、交通、醫(yī)療、工業(yè)、國防和科學(xué)實(shí)驗(yàn)等高科技領(lǐng)域都有著重要的現(xiàn)實(shí)意義和巨大的發(fā)展前景，許多科學(xué)家認(rèn)為超導(dǎo)技術(shù)將是21世紀(jì)具有經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略意義的高新技術(shù)，是本世紀(jì)高新技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向，我國自20世紀(jì)60年代末即開始超導(dǎo)技術(shù)的研究，經(jīng)過30多年的努力，在超導(dǎo)磁體技術(shù)及其應(yīng)用、超導(dǎo)材料研究、超導(dǎo)電子學(xué)以及超導(dǎo)基礎(chǔ)研

17、究方面都取得很大成績。美國人1981年發(fā)表了1000MVA 超導(dǎo)變壓器的概念設(shè)計(jì)，初步指出了超導(dǎo)變壓器的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)價(jià)值，這是超導(dǎo)變壓器研究開發(fā)的第1步。1982 年法國的Alstom 公司開發(fā)出極細(xì)絲低溫超導(dǎo)線材，成功地降低了超導(dǎo)線材在交變磁場中的交流損耗，從而提高了其超導(dǎo)穩(wěn)定性，使超導(dǎo)技術(shù)在交流領(lǐng)域的應(yīng)用成為可能，為超導(dǎo)變壓器的開發(fā)奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。其后，美國、日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國家相繼開發(fā)成功了各種形式的低溫超導(dǎo)變壓器試驗(yàn)樣機(jī)。90年代，

18、高溫超導(dǎo)線材技術(shù)取得了巨大進(jìn)步, 使用高溫超導(dǎo)線材的超導(dǎo)變壓器試驗(yàn)樣機(jī)也已經(jīng)研制成功，容量為1MVA的高溫超導(dǎo)變壓器已經(jīng)在日本和瑞士進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)試驗(yàn)運(yùn)行。</p><p>　　隨著我國電力工業(yè)和城市建設(shè)的迅速發(fā)展，國家正在實(shí)施城網(wǎng)、農(nóng)網(wǎng)改造，變壓器行業(yè)相應(yīng)地得到了飛速發(fā)展。隨著單機(jī)容量的日益增大，用戶對變壓器的要求越來越高,電力變壓器除了要滿足電、磁、力、熱等技術(shù)規(guī)范外，還要滿足小型、無油、低噪音的要求，以減小占地面

19、積和減少環(huán)境污染。常規(guī)變壓器由于其固有缺陷難以滿足現(xiàn)代電力工業(yè)發(fā)展的需要。研究和發(fā)展新型超導(dǎo)變壓器,從而提高電力變壓器的性能，具有巨大的理論研究意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。從經(jīng)濟(jì)上看,超導(dǎo)材料的低阻抗特性有利于減小變壓器的總損耗，高電流密度可以提高電力系統(tǒng)的效率，采用超導(dǎo)變壓器將會大大節(jié)約能源，減少其運(yùn)行費(fèi)用；從絕緣運(yùn)行壽命上看，超導(dǎo)變壓器的繞組和固體絕緣材料都運(yùn)行于深度低溫下，不存在絕緣老化問題，即使在兩倍于額定功率下運(yùn)行也不會影響運(yùn)行壽命。

20、</p><p>　　應(yīng)用超導(dǎo)技術(shù)設(shè)計(jì)的變壓器具有很多優(yōu)勢。在緊急情況下，可由一臺超導(dǎo)變壓器承載原本由兩臺變壓器供電的負(fù)載，提高了系統(tǒng)的安全性；從對電力系統(tǒng)的貢獻(xiàn)來看，正常工作時(shí)超導(dǎo)變壓器的內(nèi)阻很低，增大了電壓調(diào)節(jié)范圍，有利于提高電力系統(tǒng)的性能[1]；電路發(fā)生短路時(shí)，超導(dǎo)體失超進(jìn)入有阻狀態(tài)，限制了電流尖峰。這種潛在的故障流限制能力使得變壓器阻抗要求與短路電流要求得以分離，相應(yīng)的電力系統(tǒng)元件按限制后的電流來設(shè)計(jì)，減

21、小了整個(gè)系統(tǒng)的投資；從環(huán)保角度看，超導(dǎo)變壓器采用液氮進(jìn)行冷卻，取代了常規(guī)變壓器所用的強(qiáng)迫油循環(huán)冷卻或空冷，降低噪聲，避免了變壓器可能引起的火災(zāi)危險(xiǎn)和由于泄漏造成的環(huán)境污染?？傮w來看，超導(dǎo)變壓器具有體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，將成為21世紀(jì)最理想的節(jié)能變壓器，極具潛在的開發(fā)前景[2]。</p><p><b>　　超導(dǎo)研究的發(fā)展簡史</b></p><p><b>

22、　　發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)的具體過程</b></p><p>　　在凝聚態(tài)物質(zhì)的研究中，人們發(fā)現(xiàn)引進(jìn)極低溫、超高壓、強(qiáng)磁場等極端條件，對研究物質(zhì)的宏觀性質(zhì)和微觀機(jī)理十分有用。其中，低溫物理和技術(shù)的迅速發(fā)展并取得成果，就是由此引發(fā)的一個(gè)典型。</p><p>　　要弄清物質(zhì)在接近絕對零度的極低溫范圍內(nèi)，將會呈現(xiàn)什么樣的物理性質(zhì)，首先必須獲得這樣的極低溫環(huán)境。在地球表面的自然界中，可以說要數(shù)南極

23、洲最冷了，據(jù)記載，南極洲最冷時(shí)曾打到-88℃。但與我們所需的那種極低溫相比，可以說是“超高溫”了。因此，極低溫相比，可以說是“超高溫”了。因此，極低溫環(huán)境只有用認(rèn)為的方法去獲得。在歷史上，低溫的獲得在很長時(shí)間內(nèi)，是與氣體的液化技術(shù)密切相關(guān)的。</p><p>　　早在19世紀(jì)初，人們就開始了對氣體液化的研究。著名的英國物理學(xué)家法拉第是這方面工作的先驅(qū)[2]。1823年，他利用相變制冷原理，實(shí)現(xiàn)了氯氣和其他幾種氣體

24、的液化。到1845年，他已經(jīng)液化了大多數(shù)種類的氣體，但仍有幾種氣體不能被液化。這些不能被液化的氣體是氧氣、氮?dú)?、氫氣、一氧化氮、一氧化碳和甲烷，還有一種是1895年才被發(fā)現(xiàn)的惰性氣體氦。人們在失望之余，把它們稱為“永久氣體”。</p><p>　　最后應(yīng)該指出，早在1905年，熱物理學(xué)家能斯托就告誡人們，每次降溫只能夠使整個(gè)系統(tǒng)的熵減少一部分，但是無論如何也不可能去掉因有極小熵的存在而對應(yīng)的極低溫度。因此，無論制

25、冷設(shè)備設(shè)計(jì)多么精巧，系統(tǒng)的熵只能減少其中的一部分，始終存在一個(gè)微笑的剩余量，因而絕對零度是不可能打到的。換言之，人們在向絕對零度進(jìn)軍的過程中，只能逐漸逼近絕對零度，因而，對于低溫之最的探索是永無止境的。</p><p>　　隨著氦的液化而獲得了低溫。但金屬的電阻在新的低溫區(qū)域?qū)⑷绾巫兓?，這是當(dāng)時(shí)人們普遍關(guān)心的一個(gè)問題。在氦被液化之前，對于金屬的電阻在絕對零度附近將如何變化，人們只能作出各自的猜測。昂尼斯認(rèn)為，當(dāng)溫

26、度降低時(shí)，純金屬的電阻應(yīng)先達(dá)到一個(gè)極小值，然后隨溫度的進(jìn)一步下降，其電阻會重新開始增加，并在絕對零度時(shí)變?yōu)闊o限大。他在1911年4月28日發(fā)表論文《在氦溫度下純汞的電阻》。文中提到測量的結(jié)果表明，“純汞能夠被帶到這樣的一個(gè)狀態(tài)，其電阻變?yōu)榱?，或者說至少覺察不出與零的差異?！卑耗崴共]有意識到這就是物質(zhì)的超導(dǎo)電現(xiàn)象。</p><p>　　1912年至1913年，昂尼斯又發(fā)現(xiàn)了錫和鉛的超導(dǎo)電現(xiàn)象。同時(shí)還有兩相重要發(fā)現(xiàn)

27、，意識發(fā)現(xiàn)通過超導(dǎo)體的電流越強(qiáng)，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度就越低。另一發(fā)現(xiàn)是，對于不純的汞來說，其電阻小時(shí)的方式和純純汞完全相同。從而進(jìn)一步否定了他原先認(rèn)為只有純金屬電阻才會在液氦溫度下消失的理論。并且，在《萊頓通訊》第1336期中，第一次使用了“超導(dǎo)電性”一詞[3]。</p><p>　　超導(dǎo)電現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)后，昂尼斯馬上意識到，這種現(xiàn)象可能對電工技術(shù)有重要的潛在意義，特別是可以用來制造高場強(qiáng)的電磁鐵。但結(jié)果卻令人十分掃興，當(dāng)線

28、圈內(nèi)的磁場只有幾百高斯時(shí)，樣品就由超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變到了正常態(tài)。昂尼斯經(jīng)進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)超導(dǎo)體的外加磁場大于一定值時(shí)，超導(dǎo)態(tài)就會被破壞。直到60年代發(fā)現(xiàn)了第二類超導(dǎo)體后，獲得高場強(qiáng)的磁體才成為可能。并且在當(dāng)今，已成為了超導(dǎo)體最重要的應(yīng)用領(lǐng)域之一。</p><p>　　從60年代開始，超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用才逐步展開。但是，人們在長期的實(shí)踐中認(rèn)識到，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的高低，是超導(dǎo)技術(shù)能否廣泛應(yīng)用最重要的制約因素之一。因此，人們對于

29、高Tc超導(dǎo)體的探索從來就沒有停止過。在1986年前，盡管具有超導(dǎo)特性的單質(zhì)和化合物種類繁多，但超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度最高的Nb3Ge，也只有23.2K。而其他的大多數(shù)超導(dǎo)體則更要低得多，在實(shí)際應(yīng)用中往往只能用液氦來冷卻。由于氦氣資源在地球上非常稀少，而且制備液氦的技術(shù)又十分復(fù)雜，因而成本很高，這對廣泛應(yīng)用是十分不利的。探索更高轉(zhuǎn)變溫度的超導(dǎo)體，乃至室溫超導(dǎo)體，一直是科學(xué)家們努力追求的目標(biāo)。</p><p>　　超導(dǎo)發(fā)展經(jīng)歷

30、的三個(gè)階段</p><p>　　超導(dǎo)電現(xiàn)象與其他物理現(xiàn)象一樣，也有它發(fā)現(xiàn)的深刻背景，以及漫長的認(rèn)識過程。回顧超導(dǎo)的發(fā)展歷史，將有助于我們更深刻地認(rèn)識它的現(xiàn)狀，并以更深遠(yuǎn)的目光去展望它的未來。同時(shí)，超導(dǎo)物理學(xué)家們提供的正反兩個(gè)方面的經(jīng)驗(yàn)，以及他們?yōu)樘剿骺茖W(xué)真理而做出的不可磨滅的功績，也是值得我們借鑒和銘記的。超導(dǎo)研究的發(fā)展可以追溯到人類探索低溫物性時(shí)發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)電性，至今已有將近100年的歷史，主要可分為一下幾個(gè)階段

31、。</p><p>　　（一）1911年到1957年，超導(dǎo)電性的發(fā)現(xiàn)階段</p><p>　　這一階段是對超導(dǎo)現(xiàn)象的初步探索和認(rèn)識階段。1911年，荷蘭物理學(xué)家昂納斯發(fā)現(xiàn)汞在溫度將至4.2K附近時(shí)電阻小到實(shí)際上測不出來，他把汞的這一新狀態(tài)成為超導(dǎo)態(tài)。這個(gè)發(fā)現(xiàn)開啟了超導(dǎo)研究的大門。在此階段，人們發(fā)現(xiàn)了一些超導(dǎo)體奇特的物理性質(zhì)并對超導(dǎo)的物理原理給出了一些相對簡單的理論模型，對超導(dǎo)現(xiàn)象作出了一些

32、理論解釋。</p><p>　?。ǘ?957年到1986年，低溫超導(dǎo)階段</p><p>　　這一階段是對超導(dǎo)應(yīng)用技術(shù)的準(zhǔn)備和進(jìn)一步的理論探索階段。在1986年之前，已知的所有超導(dǎo)材料都要在極低溫條件下才能表現(xiàn)出超導(dǎo)性質(zhì)，這些苛刻條件給超導(dǎo)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用帶來了很多限制。因此，如何提高材料的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度Tc以及尋找高Tc材料，一直是研究的熱門課題。在這一階段，人們陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了許多新型超導(dǎo)材料

33、[4]，為超導(dǎo)理論及試驗(yàn)的研究拓展了新的發(fā)展領(lǐng)域。</p><p>　　（三）1986年至今，高溫超導(dǎo)階段</p><p>　　在這一階段，發(fā)現(xiàn)了很多液氮溫區(qū)以上的高溫超導(dǎo)材料，為超導(dǎo)材料的實(shí)際應(yīng)用開辟了廣闊的前景。超導(dǎo)的發(fā)展經(jīng)歷了近百年的時(shí)間，是一個(gè)漫長而又卓有成效的科研過程。</p><p><b>　　本文內(nèi)容</b></p>

34、<p>　　查閱相關(guān)文獻(xiàn)，深入了解超導(dǎo)變壓器的特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)，以及高溫超導(dǎo)變壓器的研究、發(fā)展方向。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行總結(jié)國內(nèi)外在超導(dǎo)變壓器所取得的技術(shù)進(jìn)步。</p><p>　　超導(dǎo)變壓器的基本研究</p><p>　　變壓器是現(xiàn)代電力系統(tǒng)中的重要設(shè)備。在原理上，超導(dǎo)變壓器與常規(guī)技術(shù)的變壓器沒有本質(zhì)的區(qū)別，雖然有部分研究考慮省去超導(dǎo)變壓器的鐵心，但由于漏抗較大，沒有成為超導(dǎo)變壓器的主

35、流。由于超導(dǎo)變壓器具有體積小、重量輕，效率高，阻燃等特點(diǎn)，因此受到許多電力研究人員的廣泛關(guān)注。由于在穩(wěn)定運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)性兩方面，高溫超導(dǎo)變壓器比低溫超導(dǎo)變壓器都有巨大的潛在優(yōu)勢，因此高溫超導(dǎo)變壓器成為研究的主要對象。本章主要介紹了超導(dǎo)變壓器的分類、特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)，以及空心超導(dǎo)變壓器的最新研究成果。</p><p><b>　　超導(dǎo)變壓器的分類</b></p><p>　　按照

36、不同的用途，超導(dǎo)變壓器可分為超導(dǎo)電力變壓器和超導(dǎo)牽引變壓器。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，人們對電力變壓器的要求越來越高?，F(xiàn)代的電力變壓器要求高效率、小型化、重量輕以及無環(huán)境污染等，常規(guī)電力變壓器由于其本質(zhì)缺陷，無法滿足時(shí)代的要求。自從超導(dǎo)體出現(xiàn)以來，以美國、日本為代表的幾個(gè)國家開始著手研制新時(shí)代的超導(dǎo)電力變壓器，并取得了長足的發(fā)展。超導(dǎo)牽引變壓器則是目前超導(dǎo)變壓器的另一個(gè)主要應(yīng)用方向。與電力變壓器相比，牽引變壓器的容量相對要小（低于10MVA）

37、，而且由于應(yīng)用于高速行駛的火車上，這就產(chǎn)生了很多與電力變壓器不同的地方。目前，日本、德國和中國是研制超導(dǎo)牽引變壓器的幾個(gè)主要的國家。</p><p>　　按照有無鐵心，超導(dǎo)變壓器的結(jié)構(gòu)可以分為鐵心式、空心式和混合式三大類，下面分別介紹。</p><p><b>　　鐵心式超導(dǎo)變壓器</b></p><p>　　鐵心式超導(dǎo)變壓器的結(jié)構(gòu)，如圖2-1

38、所示[5]。這是一臺1750/3MVA，1100/ 550kV單相自耦超導(dǎo)變壓器概念設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)。為了降低空載損耗，鐵心用非晶合金制成，置于室溫環(huán)境中。高、低壓繞組采用超細(xì)Nb-Ti合金絲絞扭多股超導(dǎo)線繞制，置于用超臨界液氦冷卻的低溫恒溫容器中，靠對流冷卻。該容器是用玻璃纖維增強(qiáng)塑料(FRP)制成的真空密封雙層結(jié)構(gòu)的絕熱容器。這臺超導(dǎo)變壓器采用超臨界氦和G-10塑料作為絕緣材料。推薦超臨界氦的壓力為300kPa, 溫度為5～6K, 密度為

39、50kg/m3,這時(shí)它的絕緣強(qiáng)度幾乎和變壓器油相同。</p><p>　　圖2-1 鐵芯式超導(dǎo)變壓器的結(jié)構(gòu)</p><p><b>　　空心式超導(dǎo)變壓器</b></p><p>　　一臺500/66kV，300MVA單相空心起導(dǎo)變壓器的繞組結(jié)構(gòu)如圖2-2所示[6]。繞組的骨架是用FRP 材料制成。高、低壓繞組均采用超細(xì)Nb-Ni合金絲絞扭多股超

40、導(dǎo)線繞制，置于用起臨界液氦冷卻的低溫恒溫器（真空密封雙層結(jié)構(gòu))內(nèi)。與鐵心式超導(dǎo)變壓器相比，空心超導(dǎo)變壓器的優(yōu)點(diǎn)是：沒有鐵心，因而沒有空載損耗和磁飽和的問題，所以可以減小尺寸和損耗，降低重量。</p><p>　　圖2-2 空心超導(dǎo)變壓器的繞組結(jié)構(gòu)</p><p>　　文獻(xiàn)[7]對一臺用于500kV電纜輸電系統(tǒng)的單相空心超導(dǎo)電力變壓器進(jìn)行了概念設(shè)計(jì)。其額定電壓比為（500/）/（66/）kV

41、，額定容量為100MVA的無功功率, 即作為并聯(lián)電抗器的容量。根據(jù)上述理論研究的成果進(jìn)行設(shè)計(jì)。圖2-3a示出所設(shè)計(jì)的空心超導(dǎo)變壓器。具有相同輸出容量、額定電壓和電抗電壓的常規(guī)變壓器，如圖2-3b所示.從圖2-3可以看出，雖然空心超導(dǎo)變壓器兼有并聯(lián)電抗器功能，它仍然比常規(guī)變壓器的尺寸小得多。超導(dǎo)變壓器的總重包括磁屏蔽約為43t，而常規(guī)變壓器總重為130t，前者比后者輕得多。</p><p>　　( a) 空心超導(dǎo)變

42、壓器 　( b) 常規(guī)變壓器</p><p>　　圖2-3　超導(dǎo)變壓器和常規(guī)變壓器的比較</p><p>　　假定低溫恒溫系統(tǒng)的效率為1/750，空心超導(dǎo)變壓器在額定負(fù)荷（300MW電阻性負(fù)荷）下的效率計(jì)算為99.5%，而常規(guī)變壓器的效率為99.4%。實(shí)際上現(xiàn)在低溫恒溫系統(tǒng)的效率達(dá)到1/500到1/400.因?yàn)槌瑢?dǎo)變壓器的大部分損耗是低溫恒溫系統(tǒng)產(chǎn)生的,

43、 所以這兩種變壓器效率的差值隨著低溫恒溫系統(tǒng)效率的提高變得更大, 超導(dǎo)變壓器降低損耗的潛力是很大的。</p><p><b>　　混合型超導(dǎo)變壓器</b></p><p>　　一臺6600/210V，100kVA混合型超導(dǎo)變壓器結(jié)構(gòu)如圖2-4所示[8]。鐵心的基本結(jié)構(gòu)和使用的材質(zhì)與常規(guī)變壓器一樣，并置于室溫環(huán)境中。低壓大電流繞組采用超臨界液氦冷卻的交流超導(dǎo)線（由直徑為

44、0.55Lm金屬絲制成) 繞制。高壓繞組采用液氮冷卻的低損耗銅線繞制。高、低壓繞組置于低溫恒溫器內(nèi)。低溫恒溫器為一液氦和液氮冷卻的雙層結(jié)構(gòu)，如圖2-5所示。因此，該變壓器被稱作混合型超導(dǎo)變壓器。</p><p>　　圖2-4 混合型超導(dǎo)變壓器的結(jié)構(gòu)</p><p>　　圖2-5 低溫恒溫器的結(jié)構(gòu)</p><p>　　空心超導(dǎo)變壓器理論研究的最新成果</p>

45、;<p>　　近幾年，超導(dǎo)發(fā)電機(jī)、超導(dǎo)電力電纜都取得相當(dāng)大的進(jìn)步，相信在不久的將來就可以投入商業(yè)應(yīng)用，因此與發(fā)電、輸電系統(tǒng)相連接的超導(dǎo)變壓器自然應(yīng)該適應(yīng)這種發(fā)展趨勢。由于電纜輸電系統(tǒng)或超高壓架空線輸電系統(tǒng)的分布電容很大，產(chǎn)生的超前無功功率也很大。對這樣的輸電系統(tǒng)，必須用并聯(lián)電抗器補(bǔ)償無功率?？招某瑢?dǎo)變壓器的勵(lì)磁電流很大，產(chǎn)生的滯后無功功率也很大，它不但能充當(dāng)一臺電力變壓器，同時(shí)也是一臺并聯(lián)電抗器，所以它特別適用于這樣的輸電

46、系統(tǒng)?；谏鲜鲈颍鼛啄陮招某瑢?dǎo)變壓器的研究較多，在理論研究上取得的成果也很多。</p><p>　　空心超導(dǎo)變壓器的等效電路</p><p>　　空心超導(dǎo)變壓器的等效電路，如圖2-6所示[9]。</p><p>　　圖2-6 空心超導(dǎo)變壓器的等效電路</p><p>　　忽略所有損耗，超導(dǎo)變壓器的電壓方程式為[10]：</p>

47、;<p><b>　　（2-1）</b></p><p><b>　　式中：</b></p><p>　　U1和I1——一次電壓和電流</p><p>　　U2和I2——二次電壓和電流</p><p>　　L1和L2——一、二側(cè)自感</p><p><b&

48、gt;　　M——互感</b></p><p><b>　　ω——角頻率</b></p><p>　　用轉(zhuǎn)換系數(shù)a可以把二次側(cè)的量折算到一次測。其中：</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　于是（2-1）式變?yōu)椋?lt;/p><p><

49、;b>　?。?-3）</b></p><p><b>　　式中：</b></p><p>　　K稱作磁耦合系數(shù)，自感L=L1，I2= I2/a，U2=aU2。</p><p>　　空心超導(dǎo)變壓器的損耗</p><p>　　對于這種變壓器，研究負(fù)荷情況下的工作是很重要的。由于低溫恒溫器系統(tǒng)的效率很低，研究

50、它的損耗特性尤其重要。了解了在損耗特性方面的研究成果，空心超導(dǎo)變壓器中產(chǎn)生的損耗可以分為兩個(gè)分量：一個(gè)是超導(dǎo)導(dǎo)線的交流損耗；另一個(gè)是引線直流電阻損耗。試驗(yàn)研究表明，超導(dǎo)繞組的交流損耗幾乎與繞組電流的平方成正比。用R0、R1和R2表示交流損耗等效電阻，用Rdc1和Rdc2表示引線直流電阻?？紤]這些電阻的影響，修正后的等效電路如圖2-7所示。因?yàn)榻涣鲹p耗等效電阻非常大，百引線交流電阻非常小，這些電阻對輸入、輸出特性的影響可以忽略。所以只有進(jìn)

51、行損耗特性分析時(shí)，才采用圖2-7的等效電路[11]。</p><p>　　圖2-7 空心起導(dǎo)變壓器的修正等效電路</p><p>　　根據(jù)等效電路進(jìn)行的損耗特性分析和試驗(yàn)測量的損耗特性都清楚表明，當(dāng)磁耦合系數(shù)K變壞時(shí)，總損耗隨二次電流增加的速率變大。因此可能得出結(jié)論：空心超導(dǎo)變壓器的損耗特性受磁耦合系數(shù)K 的影響很大。</p><p>　　空心超導(dǎo)變壓器的磁場分析&

52、lt;/p><p>　　在這種超導(dǎo)變壓器中，由于磁通沒有特定的路徑，繞組產(chǎn)生的磁通直接作用到超導(dǎo)繞組的每一線匝上。為了研究繞組的交流損耗和穩(wěn)定性，對磁場進(jìn)行分析是必要的?？招某瑢?dǎo)變壓器的勵(lì)磁電流很大，一次電流I1和二次電流I2之間的相位差使它們各自產(chǎn)生的磁場H1和H2也有相位差。因?yàn)闆]有鐵心，每一個(gè)繞組產(chǎn)生的磁場在其繞組的兩端附近擴(kuò)散，又因?yàn)槊總€(gè)繞組的值不同，所以磁場H1和H2的方向不同。在負(fù)荷情況下，當(dāng)作用到導(dǎo)線上

53、的兩個(gè)交變磁場H1和H2的相位和方向不同時(shí)，合成磁場是一個(gè)橢圓磁場，它包括了一個(gè)旋轉(zhuǎn)分量。這個(gè)旋轉(zhuǎn)分量可能使繞組的交流損耗增加, 并影響其穩(wěn)定性[12]。</p><p>　　作用在各繞組上的磁場分布是不均勻的，這意味著交流損耗的分布也不均勻。繞組的最外層產(chǎn)生的損耗最大。由于磁場的旋轉(zhuǎn)分量使作用在超導(dǎo)線上的電磁力改變方向，所以在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該考慮這一影響。</p><p>　　高溫超導(dǎo)

54、變壓器的典型結(jié)構(gòu)</p><p>　　典型的高溫超導(dǎo)變壓器主要包括以下4個(gè)組件：鐵芯、繞組、杜瓦和制冷系統(tǒng)。</p><p><b>　　1）鐵芯</b></p><p>　　根據(jù)鐵芯與線圈的相對位置，鐵芯可以分為心式鐵芯與殼式鐵芯兩種主要結(jié)構(gòu)形式。心式鐵芯又分為單相雙柱式、單相三柱式、三項(xiàng)三柱式和三相五柱式鐵芯，其鐵芯柱截面為多級圓形，繞制方

55、便；對于殼式鐵芯，鐵芯截面為矩形，因此與之相配合的線圈截面也是長方形的。鑒于高溫超導(dǎo)帶材的力學(xué)性能，繞制繞組時(shí)帶材的機(jī)械應(yīng)變會明顯降低超導(dǎo)線圈的載流能力，因此線圈彎折半徑小于45mm的殼式鐵芯并不適合采用超導(dǎo)帶材繞制。</p><p>　　根據(jù)鐵芯運(yùn)行的不同環(huán)境溫度，鐵芯可以分為低溫鐵芯和常溫鐵芯。低溫鐵芯浸泡在液氮中，常溫鐵芯則工作在室溫條件下。低溫鐵芯可以與超導(dǎo)繞組耦合緊密，漏磁場的徑向分量小，超導(dǎo)材料可以得

56、到充分的利用。但是低溫鐵芯由液氮冷卻，會帶來嚴(yán)重的制冷損耗。</p><p>　　根據(jù)鐵芯的材料不同，鐵芯可以分為鐵氧體鐵芯、硅鋼片鐵芯、坡莫合金鐵芯、非晶合金鐵芯和納米晶鐵芯。目前最常用的鐵芯是硅鋼片鐵芯，但非晶合金具有許多獨(dú)特的性能。由于它的性能優(yōu)異、工藝簡單，從20世紀(jì)80年代開始成為國內(nèi)外材料科學(xué)界的研究開發(fā)重點(diǎn)。目前美國、日本、德國已具有完善的生產(chǎn)規(guī)模，并且大量的非晶合金產(chǎn)品逐漸取代硅鋼材料和坡莫合金及

57、鐵氧體涌向市場。</p><p><b>　　2）繞組</b></p><p>　　根據(jù)繞組材料不同，超導(dǎo)繞組可以分為鉍系超導(dǎo)繞組和釔系超導(dǎo)繞組。目前，高溫超導(dǎo)變壓器的繞組材料主要是第一代高溫超導(dǎo)鉍系帶材和第二代高溫超導(dǎo)釔系帶材。其中鉍系帶材又分為Bi-2212和Bi-2223兩種，是長期以來構(gòu)成超導(dǎo)繞組的首選材料。最近幾年來，人們開始考慮使用釔系超導(dǎo)帶材研制超導(dǎo)繞組

58、，因?yàn)獒愊祹Р木哂斜茹G系帶材更高的臨界電流密度和更好的電磁特性。</p><p>　　根據(jù)超導(dǎo)繞組的不同結(jié)構(gòu)形式，超導(dǎo)繞組可以分為餅式繞組、螺旋式繞組、圓筒式繞組和連續(xù)式繞組等。常用的高溫超導(dǎo)變壓器線圈形式主要有螺旋式和餅式兩種。餅式繞組要比螺旋式繞組容易繞制，如果繞制過程中對高溫超導(dǎo)帶材有所損傷，只需用另一個(gè)線餅替換損壞的線餅即可，而螺旋式線圈卻需要換掉整個(gè)線圈。但餅式繞組的垂直磁場強(qiáng)度過大，電流下降過多。韓國

59、在2005年把常規(guī)變壓器的連續(xù)式繞組繞制方法應(yīng)用到超導(dǎo)繞組上，連續(xù)式繞組具有良好的絕緣性能、較低的交流損耗等優(yōu)點(diǎn)[13]。</p><p><b>　　3）杜瓦</b></p><p>　　杜瓦主要用來盛裝低溫液氮，保持高溫超導(dǎo)繞組運(yùn)行的環(huán)境溫度。其主要結(jié)構(gòu)包括玻璃鋼外層、玻璃鋼內(nèi)層、真空層和絕熱層。外層與內(nèi)層之間被抽成真空，使內(nèi)層的液氮與外界環(huán)境隔熱。在內(nèi)層的外壁上

60、，一般附加有由絕熱材料組成的絕熱層，進(jìn)一步減少熱泄漏。</p><p>　　杜瓦主要分為兩種：一種是將鐵芯和線圈一起直接浸泡在液氮中（即低溫鐵芯）；另一種是僅將線圈浸泡在液氮中，鐵芯置于常溫（即常溫鐵芯）。前者的制造工藝簡單，且如前所述，鐵芯浸泡在液氮中，與超導(dǎo)線圈耦合緊密，超導(dǎo)材料可以得到充分的利用。但由于鐵芯采用液氮進(jìn)行冷卻，制冷損耗急劇增加，將增加整個(gè)變壓器的總損耗。后者一般做成圓筒狀，鐵芯可以從中間穿過，

61、杜瓦可充當(dāng)鐵芯和繞組間的絕緣之用。鐵芯置于常溫，制冷損耗比前者少，但超導(dǎo)材料利用率不如前者。</p><p><b>　　4）制冷系統(tǒng)</b></p><p>　　隨著臨界溫度高于77K的高溫超導(dǎo)材料的出現(xiàn)，相比之前的低溫超導(dǎo)變壓器制冷系統(tǒng)，高溫超導(dǎo)變壓器的制冷系統(tǒng)得到了很大的簡化。一般來說，高溫超導(dǎo)變壓器由77K的飽和液氮冷卻，但在低于77K的過冷液氮環(huán)境中，超導(dǎo)材

62、料具有更高的臨界電流值，且過冷液氮不易沸騰，可以獲取更高的效率和更好的電氣性能。一般來說，過冷液氮的溫度要求在68K左右，且杜瓦內(nèi)部氣壓維持在1個(gè)大氣壓，避免了杜瓦內(nèi)外壓力不同所帶來的難題。目前G—M制冷機(jī)、斯特林制冷機(jī)、脈沖管制冷機(jī)是3種主要的制備過冷液氮的制冷設(shè)備[14]。</p><p><b>　　超導(dǎo)變壓器的特點(diǎn)</b></p><p>　　根據(jù)大量的概念設(shè)

63、計(jì)、成本分析以及試驗(yàn)樣機(jī)的研制，與常規(guī)變壓器相比，超導(dǎo)變壓器主要在以下幾個(gè)方面具有較大的優(yōu)勢：</p><p>　　1）體積小、重量輕。</p><p>　　由于超導(dǎo)線材的通電電流密度遠(yuǎn)大于銅等常規(guī)導(dǎo)體，利用超導(dǎo)線材制成的變壓器繞組的體積和重量均將遠(yuǎn)小于常規(guī)變壓器。根據(jù)概念設(shè)計(jì)，超導(dǎo)變壓器與常規(guī)變壓器相比，體積只有后者的30%～70%，重量只有40%～60%。ABB公司研制中的10MVA高

64、溫超導(dǎo)變壓器，重量是同容量常規(guī)變壓器的45%，體積為80%。由此帶來的經(jīng)濟(jì)效益是使用原材料的減少、運(yùn)輸費(fèi)用的降低、安裝設(shè)備的簡化以及占地面積和空間的減少。當(dāng)然, 維持超導(dǎo)的低溫冷卻系統(tǒng)要占據(jù)一定的空間，但它可以和常規(guī)變壓器所需的油箱、風(fēng)扇、散熱器等所占空間相抵。如果超導(dǎo)變壓器不是單獨(dú)地使用，而是和其他超導(dǎo)裝置，如發(fā)電機(jī)、電纜或超導(dǎo)儲能系統(tǒng)相配合，冷卻系統(tǒng)將是多個(gè)超導(dǎo)裝置的公用設(shè)施，則可以獲得更高的效益?；诖耍毡久盼荽髮W(xué)和美國電力科

65、學(xué)研究院分別提出了采用全封閉型超導(dǎo)輸電系統(tǒng)和全超導(dǎo)變電站的概念。</p><p><b>　　2）效率高。</b></p><p>　　維持超導(dǎo)所需要的冷卻能量是制約變壓器效率的關(guān)鍵因素。低溫超導(dǎo)只能運(yùn)行在液氦溫區(qū)(412K)，這一問題尤其顯著。但是，高溫超導(dǎo)可運(yùn)行于液氮溫區(qū)(77K)，氮?dú)赓Y源豐富、成本低、氮?dú)庖夯璧哪芰恳埠艿?。還可以使用直接冷卻技術(shù)使高溫超導(dǎo)變

66、壓器在低于77 K 的溫區(qū)運(yùn)行，這可以獲得更高的超導(dǎo)穩(wěn)定性。由于超導(dǎo)線材技術(shù)和冷卻技術(shù)的進(jìn)步，特別是高溫超導(dǎo)線材技術(shù)的應(yīng)用，超導(dǎo)變壓器的效率可比常規(guī)變壓器高出11%～15%。雖然就一臺變壓器來說，這一數(shù)值并不大，但是，如果將系統(tǒng)中大量的變壓器的效率均提高15%，其經(jīng)濟(jì)效益仍然是相當(dāng)可觀的。然而，必須指出，在交流電流下，超導(dǎo)線材內(nèi)部會產(chǎn)生交流損耗，消耗冷卻功率，危害超導(dǎo)穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)超導(dǎo)變壓器，要在充分考慮線材交流損耗的基礎(chǔ)上，確定繞組導(dǎo)線

67、通電電流密度的裕度和冷卻功率。交流損耗大，所用線材的截面積也要增大，消耗冷卻能量也大。所以，超導(dǎo)線材交流損耗指標(biāo)是和變壓器效率緊密相關(guān)的問題。</p><p><b>　　3）阻燃。</b></p><p>　　在超導(dǎo)變壓器中，液氮或液氦既是冷卻劑，又是絕緣的一部分。二者均具有良好的絕緣性能。由于氦氣和氮?dú)舛疾豢扇?，加上溫度極低，超導(dǎo)變壓器具有良好的阻燃特性。這一特點(diǎn)

68、可以提高變電站的安全性能。</p><p><b>　　4）特殊功能。</b></p><p>　　超導(dǎo)裝置運(yùn)行在低溫環(huán)境中，通過連接低溫(超導(dǎo)系統(tǒng))和高溫(常規(guī)系統(tǒng))的電流引線的熱傳導(dǎo)侵入的熱量，占超導(dǎo)裝置熱損耗的絕大部分。用超導(dǎo)變壓器作為超導(dǎo)電力裝置和常規(guī)電力系統(tǒng)的接口設(shè)備，通過電磁耦合而不是直接接觸，連接不同溫度的裝置，可以降低侵入超導(dǎo)裝置的熱量，提高效率[13

69、]。</p><p>　　超導(dǎo)線圈可以在幾T 甚至到十幾T 的磁場條件下運(yùn)行。省略鐵心的空心變壓器可在遠(yuǎn)高于鐵心磁飽和磁通密度的高磁場下運(yùn)行。雖然空心變壓器的漏磁大，勵(lì)磁電流大，但因不要鐵心、體積、重量和損耗(鐵損部分) ，并可積極利用漏磁大的特性，得到一些附加效益，如可兼做無功電抗器。</p><p>　　超導(dǎo)體失超后會產(chǎn)生常導(dǎo)電阻。利用超導(dǎo)體的這一特性可以制成超導(dǎo)限流器。如果超導(dǎo)變壓器

70、上的某一繞組失超，由于常導(dǎo)電阻的出現(xiàn)，在電壓、電流的電磁特性上均將出現(xiàn)某種變化。超導(dǎo)變壓器上也可以附加繞組，利用該繞組超導(dǎo)體的失超特性使之具有限制短路電流、失超檢測等性能。</p><p>　　雖然超導(dǎo)變壓器的廣泛應(yīng)用還有待于超導(dǎo)線材價(jià)格的進(jìn)一步下降以及相關(guān)超導(dǎo)、低溫技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展, 但是, 根據(jù)上述特點(diǎn), 超導(dǎo)變壓器將首先在以下場合獲得應(yīng)用: ①供電密度高、容量大而土地價(jià)格昂貴、安裝空間緊張的大城市內(nèi)部配變電

71、站；②其他超導(dǎo)電力裝置，如超導(dǎo)發(fā)電機(jī)、超導(dǎo)電纜、超導(dǎo)磁儲能系統(tǒng)等與常規(guī)電力系統(tǒng)的變壓器連接裝置；③超導(dǎo)裝置失超檢測中所需要的電磁耦合器件、高效無功電抗等非超導(dǎo)技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)的特殊功能需求。</p><p>　　在原理上，超導(dǎo)變壓器與常規(guī)變壓器沒有本質(zhì)區(qū)別，但超導(dǎo)變壓器采用超導(dǎo)材料取代銅導(dǎo)線繞制超導(dǎo)線圈，以液氦或液氮取代變壓器油作為冷卻介質(zhì)，超導(dǎo)線圈在液氦或液氮環(huán)境中運(yùn)行，故超導(dǎo)變壓器具有不同于常規(guī)變壓器的電磁特性：

72、</p><p>　　1）超導(dǎo)繞組有三個(gè)臨界值: 臨界溫度、臨界磁場、臨界電流密度。超導(dǎo)變壓器必須在這三個(gè)臨界值構(gòu)成的區(qū)域空間內(nèi)運(yùn)行,否則,超導(dǎo)變壓器就會失超。</p><p>　　2）超導(dǎo)線圈區(qū)域磁場(尤其是其徑向分量)大。高溫超導(dǎo)線能夠傳輸比常規(guī)銅線大數(shù)十倍的電流,對于大容量變壓器,與同容量的常規(guī)變壓器相比,高溫超導(dǎo)變壓器的體積可以減小40%到60% ，但繞組區(qū)域(漏)磁場(尤其是其徑

73、向分量)大，使超導(dǎo)變壓器的臨界電流降低，同時(shí)也使交流損耗變大。因此,在保證阻抗要求的前提下，應(yīng)嚴(yán)格限制其大小。</p><p>　　3）超導(dǎo)材料幾乎為零的電阻使得繞組限制環(huán)流的能力極低，繞組各支路間漏電抗微小的不平衡就可能引起較大的環(huán)流。環(huán)流的存在增加繞組的交流損耗并使得磁場分布變得更不均勻，從而降低超導(dǎo)線的臨界電流。</p><p><b>　　本章小結(jié)</b>&l

74、t;/p><p>　　本章主要介紹了超導(dǎo)變壓器的基本研究。超導(dǎo)變壓器按照功能可分為超導(dǎo)電力變壓器和超導(dǎo)牽引變壓器，按照有無鐵心可分為鐵心式、空心式以及混合式三大類。緊接著介紹了空心超導(dǎo)變壓器理論研究的最新成果，包括空心超導(dǎo)變壓器的等效電路，空心超導(dǎo)變壓器的損耗，空心超導(dǎo)變壓器的磁場分析。最后，本章介紹了高溫超導(dǎo)變壓器的典型結(jié)構(gòu)以及超導(dǎo)變壓器的特點(diǎn)。</p><p>　　超導(dǎo)變壓器的性能檢測方法

75、研究</p><p>　　超導(dǎo)變壓器是超導(dǎo)技術(shù)在電力中的應(yīng)用之一，要實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)變壓器的上網(wǎng)運(yùn)行尚有若干關(guān)鍵技術(shù)問題需要解決，其性能檢測方法的規(guī)范就是其中的一個(gè)重要內(nèi)容。本章從超導(dǎo)變壓器的電磁特性出發(fā)，探討了超導(dǎo)變壓器的試驗(yàn)項(xiàng)目及性能檢測方法,并重點(diǎn)介紹了幾種用于冷卻超導(dǎo)變壓器的低溫系統(tǒng)。</p><p>　　超導(dǎo)變壓器的試驗(yàn)、檢測項(xiàng)目</p><p>　　超導(dǎo)變壓器的

76、試驗(yàn)內(nèi)容包括常規(guī)變壓器試驗(yàn)和超導(dǎo)特性試驗(yàn)兩部分。</p><p>　　常規(guī)變壓器例行試驗(yàn)項(xiàng)目有：(1)繞組電阻測量；(2)電壓比測量和聯(lián)結(jié)組標(biāo)號檢定；(3)短路阻抗和負(fù)載損耗的測量；(4)空載電流和空載損耗的測量；(5)繞組對地絕緣電阻和(或)絕緣系統(tǒng)電容的介質(zhì)損耗因數(shù)(tanδ)的測量；(6)絕緣例行試驗(yàn)。以上試驗(yàn)項(xiàng)目及其檢測方法在超導(dǎo)變壓器的試驗(yàn)、檢測中可沿用，在此不再一一列舉。</p><

77、;p>　　超導(dǎo)特性部分的試驗(yàn)主要是冷卻試驗(yàn)、連續(xù)通電試驗(yàn)和連續(xù)負(fù)荷試驗(yàn)。具體如下：</p><p>　　(1) 低溫系統(tǒng)參數(shù)測量：變壓器制冷時(shí)，測量變壓器達(dá)到穩(wěn)定的溫度狀態(tài)所需的時(shí)間、測量液氮流速、測量液氮波動水平以及液氮循環(huán)系統(tǒng)的工作壓力。</p><p>　　(2) 低溫下的繞組臨界電流測量：包括恒定溫度臨界電流測量(半小時(shí))和熱循環(huán)臨界電流測量。恒定溫度臨界電流測量是在超導(dǎo)變壓

78、器達(dá)到臨界溫度半小時(shí)后，測量繞組在多個(gè)溫度下的臨界電流值；熱循環(huán)臨界電流測量是將超導(dǎo)變壓器制冷達(dá)到設(shè)定溫度，測量臨界電流值，然后回溫至常溫，再制冷達(dá)到設(shè)定溫度，測量臨界電流值。反復(fù)循環(huán)數(shù)次。</p><p>　　(3) 過流試驗(yàn)：將變壓器繞組通以超過臨界電流20%的電流，測試?yán)@組電流的分布及變壓器受到擾動后，恢復(fù)超導(dǎo)狀態(tài)的能力。</p><p>　　(4) 涌流試驗(yàn)：當(dāng)高壓側(cè)突然加壓時(shí)，由

79、此產(chǎn)生的涌流可能在低壓側(cè)引起很大的電流，若該電流大于變壓器線圈的臨界電流，則會引起變壓器失超，應(yīng)對高壓側(cè)涌流值的大小及其衰減周期進(jìn)行測量。</p><p>　　(5) 連續(xù)通流試驗(yàn)：將超導(dǎo)變壓器接入系統(tǒng)前，連續(xù)通流24小時(shí)，測量繞組溫升、電流和電壓值，驗(yàn)證變壓器空載時(shí)的穩(wěn)定性。</p><p>　　(6) 連續(xù)負(fù)載試驗(yàn)：接入電抗器負(fù)載，連續(xù)運(yùn)行200小時(shí)，測量繞組溫升及原、副邊電流和電壓值

80、，驗(yàn)證變壓器負(fù)載時(shí)的穩(wěn)定性。</p><p>　　(7) 未通流及通流時(shí)的漏熱測量：分別測量變壓器未通流和通入額定電流時(shí)的漏熱。</p><p>　　(8) 失超保護(hù)檢測：給超導(dǎo)變壓器通電，在通電電流低于或略高于臨界電流值兩種情況下，檢測失超保護(hù)能否正確動作。</p><p>　　超導(dǎo)變壓器性能檢測方法及主要設(shè)備</p><p>　　1）負(fù)載

81、損耗（交流損耗）的測量</p><p>　　圖3-1是變壓器交流損耗的測試電路[ 15 ] 。將初級線圈短路，給次級線圈施壓。為了提高測量精度，用耦合線圈抵消終端電壓的感應(yīng)分量。交流損耗就是終端電壓和傳輸電流在一個(gè)周期的積分。主要設(shè)備有：分流器、分壓器、放大器、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、計(jì)算機(jī)和低溫系統(tǒng)。</p><p>　　圖3-1　變壓器交流損耗測量電路</p><p>&

82、lt;b>　　2）低溫短路試驗(yàn)</b></p><p>　　圖3-2是變壓器短路阻抗測試電路。給變壓器一次側(cè)通入額定電流，保持150分鐘，測量一次側(cè)阻抗電壓，得出短路阻抗。主要設(shè)備、儀器有：電流表、功率表、電容器、分流器、互感器、數(shù)字記錄儀和低溫系統(tǒng)。</p><p>　　圖3-2　超導(dǎo)變壓器短路試驗(yàn)電路圖</p><p>　　3）過冷液氮冷卻系統(tǒng)

83、</p><p>　　由于高溫超導(dǎo)體在過冷液氮溫度有更高的臨界電流，且過冷液氮不易沸騰，故高溫超導(dǎo)變壓器的冷卻系統(tǒng)一般采用過冷液氮冷卻系統(tǒng)。一般情況下，過冷液氮冷卻系統(tǒng)的運(yùn)行溫度約為68K，壓力維持在1個(gè)大氣壓，這樣避免了杜瓦內(nèi)外壓力不同所帶來的難題，從而可使冷卻系統(tǒng)簡化。</p><p>　　圖3-3是一個(gè)簡單的過冷液氮冷卻系統(tǒng)。它主要由液氮冷卻泵、真空泵和充滿低壓液氮的熱交換器組成。該

84、系統(tǒng)的主要參數(shù)是：真空泵抽真空速度為500L/min，熱交換器液氮溫度為65K，壓力為155Torr，液氮泵和變壓器中的液氮均為1atm， 液氮流量為60L/h。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡化、用料省。缺點(diǎn)是不能根據(jù)超導(dǎo)變壓器輸入熱漏的大小調(diào)節(jié)液氮流速，從而使超導(dǎo)變壓器迫流冷卻。</p><p>　　圖3-3　簡單的過冷液氮冷卻系統(tǒng)</p><p>　　圖3-4是一個(gè)完整的過冷液氮冷卻系統(tǒng)[16]。它由3

85、個(gè)功能單元組成，分別是熱交換器單元、主杜瓦單元和液氮(LN2)泵單元。每個(gè)單元之間用柔軟的傳輸管連接。熱交換器單元包括真空泵降溫的飽和液氮和使液氮過冷的熱交換器兩部分；液氮泵單元包含過冷液氮和循環(huán)泵，循環(huán)泵將液氮傳送到杜瓦中；主杜瓦單元包含過冷液氮和浸在液氮中的變壓器。在杜瓦液面30mm以下，溫度基本是均勻的。較之圖3-3，圖3-4的系統(tǒng)較為復(fù)雜，但108kPa液氮的使用使系統(tǒng)中超導(dǎo)變壓器的絕緣性能大大提高[17]。</p>

86、<p>　　圖3-4　完整的過冷液氮冷卻系統(tǒng)</p><p>　　圖3-5是超導(dǎo)變壓器過冷液氮冷卻系統(tǒng)的照片。圖3-3和圖3-4都是沒有制冷機(jī)的高溫超導(dǎo)變壓器過冷液氮冷卻系統(tǒng)。它們的共同缺點(diǎn)是不能隨意調(diào)節(jié)液氮流速。為了克服這一缺點(diǎn)，圖3-6介紹了一種制冷機(jī)直接冷卻的過冷液氮超導(dǎo)變壓器冷卻系統(tǒng)。它由真空隔熱容器、制冷機(jī)及循環(huán)泵組成，并由真空隔熱聯(lián)管將其與變壓器聯(lián)接。其冷卻過程是用過冷液氮將飽和蒸汽液氮

87、的溫度在大氣壓下從77K冷卻到64K[18]。</p><p>　　圖3-5　過冷液氮系統(tǒng)照片</p><p>　　圖3-6　由兩臺制冷機(jī)冷卻的超導(dǎo)變壓器制冷系統(tǒng)</p><p>　　該系統(tǒng)的主要參數(shù)是：變壓器主體的液氮容量為330L；兩臺G - M制冷機(jī)每臺的制冷量為200W（80K），制冷壓縮輸入功率為6kW，系統(tǒng)制冷功率為290W（64K）；離心式液氮循環(huán)泵的

88、流量為4L/min， 壓差為124kPa；制冷機(jī)冷頭運(yùn)行溫度保持在64K，超導(dǎo)變壓器系統(tǒng)運(yùn)行溫度低于68K；靜態(tài)時(shí)，過冷液氮的流速為4L/min，系統(tǒng)壓力保持在108kPa。直接冷卻的G-M制冷機(jī)的使用，使過冷液氮冷卻系統(tǒng)的溫度和壓力易于維持在一個(gè)穩(wěn)定的水平，因此，可防止液氮?dú)馀莸漠a(chǎn)生，提高液氮的電氣絕緣強(qiáng)度和超導(dǎo)體的性能[19]。</p><p>　　圖3-7是制冷機(jī)直接冷卻的過冷液氮冷卻系統(tǒng)的照片。需要注意的

89、是，在使用G-M制冷機(jī)前，需對其熱載進(jìn)行試驗(yàn)測試，測試示意圖見圖3-8。因?yàn)樗性紤覓煸谏戏ㄌm上且能拔下來，因此，圖3-7冷卻系統(tǒng)易于維護(hù)。缺點(diǎn)是，由于通過熱流的頸口很大，故需要大功率的G-M制冷機(jī)。</p><p>　　圖3-7　制冷機(jī)直接冷卻的高溫超導(dǎo)變壓器冷卻系統(tǒng)的照片</p><p>　　圖3-8　制冷及其熱載測試裝置</p><p>　　圖3-9是制冷

90、機(jī)安裝在底部的高溫超導(dǎo)變壓器冷卻系統(tǒng)[20]，它避免了圖7中漏熱大的缺點(diǎn)。三個(gè)單元的功能同圖3-7。不同的是， G-M制冷機(jī)安裝在杜瓦的底部，這樣可以大大減少通過杜瓦頸口的漏熱。G-M制冷機(jī)的制冷量是65W(80K)，壓縮機(jī)輸入功率為3.2kW，離心式循環(huán)泵的最大流量為4L/min， 壓差為124kPa；制冷機(jī)冷頭運(yùn)行溫度保持在64K，超導(dǎo)變壓器系統(tǒng)運(yùn)行溫度低于68K；靜態(tài)時(shí)，過冷液氮的流速為4L/min，系統(tǒng)壓力保持在108kPa。&

91、lt;/p><p>　　圖3-9　高溫超導(dǎo)變壓器制冷機(jī)冷卻系統(tǒng)</p><p>　　4）超導(dǎo)變壓器的涌流測試</p><p>　　圖3-10是超導(dǎo)變壓器的涌流測試電路[21]。該測試電路包括電源、開關(guān)、可變電抗器、電阻和浸泡超導(dǎo)變壓器的液氮池?？勺冸娍蛊髋c超導(dǎo)變壓器串聯(lián)，當(dāng)開關(guān)突然合上時(shí)，記錄超導(dǎo)變壓器一次側(cè)的電壓、電流和二次側(cè)的電壓。</p><p

92、>　　圖3-10　超導(dǎo)變壓器的涌流測試電路</p><p>　　圖3-11是22kV/6.9kV高溫超導(dǎo)變壓器的并網(wǎng)涌流測試電路。22kV/6.9kV高溫超導(dǎo)變壓器通過一臺6.9kV/22kV的油浸變壓器接入6.9 kV 級電網(wǎng)，當(dāng)CB1合上， CB3打開時(shí)，合上CB2進(jìn)行涌流測試。</p><p>　　圖3-11　高溫超導(dǎo)變壓器并網(wǎng)涌流測試電路</p><p&g

93、t;<b>　　5）失超保護(hù)檢測</b></p><p>　　失超探測器的結(jié)構(gòu)如圖3-12所示[22]。</p><p>　　圖3-12　失超探測器的構(gòu)成</p><p>　　測試超導(dǎo)變壓器中性點(diǎn)與3個(gè)電阻中性點(diǎn)之間的壓差，當(dāng)所有線圈處于超導(dǎo)態(tài)時(shí)，壓差近似為零；當(dāng)線圈失超時(shí)，壓差會上升，輸出失超信號，從而使超導(dǎo)變壓器與電源斷開。</p&g

94、t;<p>　　失超檢測電路如圖3-13。首先，閉合開關(guān)S3使模擬失超電阻短路，閉合開關(guān)S1和S2使超導(dǎo)變壓器帶負(fù)載運(yùn)行。試驗(yàn)時(shí)，斷開開關(guān)S3，使變壓器的一個(gè)線圈失超。這時(shí)，模擬失超電阻上出現(xiàn)正弦電壓，給出失超信號。當(dāng)失超信號大于設(shè)定的參考電壓，即判定為失超。接到失超信號后，開關(guān)S1會在20msec后斷開。失超保護(hù)的響應(yīng)時(shí)間由開關(guān)S1的動作時(shí)間決定。</p><p>　　圖3-13　失超檢測電路&l

95、t;/p><p><b>　　本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要介紹了超導(dǎo)變壓器的性能檢測方法。超導(dǎo)變壓器的試驗(yàn)、檢測項(xiàng)目包括低溫系統(tǒng)參數(shù)測量，低溫下的繞組臨界電流測量，過流試驗(yàn)，涌流試驗(yàn)，連續(xù)通流試驗(yàn)，連續(xù)負(fù)載試驗(yàn)，未通流及通流時(shí)的漏熱測量，失超保護(hù)檢測。超導(dǎo)變壓器性能檢測方法及主要設(shè)備包括 負(fù)載損耗（交流損耗）的測量，低溫短路試驗(yàn)，過冷液氮冷卻系統(tǒng)，超導(dǎo)變

96、壓器的涌流測試，失超保護(hù)檢測。</p><p>　　超導(dǎo)變壓器的應(yīng)用與展望</p><p>　　本章主要介紹了超導(dǎo)變壓器的應(yīng)用，未來超導(dǎo)變壓器的展望以及今后超導(dǎo)變壓器研制的基本方向。</p><p><b>　　超導(dǎo)變壓器的應(yīng)用</b></p><p>　　電力機(jī)車用超導(dǎo)變壓器</p><p>&

97、lt;b>　　1）簡介</b></p><p>　　傳動技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)新對未來電力機(jī)車動車的運(yùn)輸能力、重量和壽命周期費(fèi)用有著決定性的影響。經(jīng)濟(jì)的和有吸引力的機(jī)車車輛可增強(qiáng)鐵路運(yùn)輸企業(yè)與其他運(yùn)輸系統(tǒng)競爭的能力。例如與以往相比，高速運(yùn)輸(HGV)領(lǐng)域中新型ICE家族的發(fā)展[23]，更加符合用戶對快捷、節(jié)能、舒適、低噪聲和低價(jià)格鐵路的要求。</p><p>　　除了變流器和電動機(jī)

98、外，主變壓器是決定傳動技術(shù)中重量、體積、能耗和費(fèi)用的重要部件。“超導(dǎo)牽引變壓器”的創(chuàng)新是滿足上述用戶期望的飛躍進(jìn)步。Siemens公司在這個(gè)領(lǐng)域中按聯(lián)邦教育和研究部要求進(jìn)行了開發(fā)工作，目標(biāo)是將主變壓器重量和體積減小45％，同時(shí)將效率提高到99％以上，以及降低壽命周期費(fèi)用。在機(jī)車動車領(lǐng)域中降低系統(tǒng)重量有了很大進(jìn)展。通過減輕軸重極大地降低了輪對、鋼軌和線路的磨損，新的列車設(shè)計(jì)方案擴(kuò)大了設(shè)計(jì)的活動空間，在今后力求更高的最終速度以及運(yùn)營部門強(qiáng)烈

99、要求低地板化的情況下，這一點(diǎn)特別受重視。由于超導(dǎo)變壓器減輕了重量，縮小了結(jié)構(gòu)體積，因此過境運(yùn)輸用多電流制機(jī)車的設(shè)計(jì)更簡單，從而降低了成本費(fèi)用。這里在降低運(yùn)營費(fèi)用和改善高速機(jī)車的互用性方面具有巨大的潛力。除了高速運(yùn)輸外，在其他鐵路上，例如近郊運(yùn)輸用列車和機(jī)車，由于大大提高了效率而有很大的改進(jìn)潛力。</p><p>　　高溫超導(dǎo)(HTSL)的開發(fā)為超導(dǎo)技術(shù)在鐵路上的實(shí)際應(yīng)用開辟了全新的前景。除了上述顯著地節(jié)省能量、降

100、低重量，以及較低的壽命周期費(fèi)用外，對運(yùn)輸企業(yè)來說還有其他優(yōu)點(diǎn)：過負(fù)荷不會因熱老化而縮短使用壽命，由于不用礦物油作為絕緣油和冷卻劑而不會造成污染，以及由于降低了火災(zāi)危險(xiǎn)而降低了環(huán)境危害。</p><p><b>　　2）樣機(jī)的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　2001年Siemens公司決定制造1臺用高溫超導(dǎo)的1MVA的變壓器。在導(dǎo)體試驗(yàn)范圍內(nèi)以及為獲得高溫超導(dǎo)首批測量

101、結(jié)果，首先制造了1臺功率100kVA、工作電壓5.5 kV/1.1 kV的變壓器樣機(jī)。該變壓器于1998年中期投入了試運(yùn)用并作了測試。1MVA的高溫超導(dǎo)變壓器的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)考慮了鐵路應(yīng)用的主要要求，如功率和電壓等級、25％的短路電壓、變壓器水平橫向布置在車體地板下面等。</p><p>　　100kVA變壓器樣機(jī)的導(dǎo)線材料是由55根無絞合細(xì)線編織而成的Bi2223帶狀導(dǎo)線。縮寫字表示高溫超導(dǎo)陶瓷的化學(xué)成分。護(hù)套和基

102、體為純銀的。帶狀導(dǎo)線寬3.6mm、厚0.26mm和帶狀導(dǎo)線25％橫截面為高溫超導(dǎo)部分。在1µV/cm和77.3K時(shí)的臨界電流為45A。Bi2223的電流負(fù)荷性相對外面磁場呈現(xiàn)極強(qiáng)的各向異性特性。在上升的平行磁場的情況下，臨界電流略有下降，而在垂直磁場的情況下，臨界電流戲劇性地下降。因此變壓器的額定電流取決于繞組端部磁場，設(shè)繞組端部垂直于帶狀導(dǎo)線的磁場為其最大值。</p><p>　　高壓(OS)繞組導(dǎo)線

103、是一根帶狀導(dǎo)線，而低壓(US)繞組是由5根徑向繞制的帶狀導(dǎo)線組成[24]，相互間沿徑向用Kapton薄膜絕緣。4根交叉導(dǎo)線等距地分布在繞組高度上，從而得到均勻的電流分布。變壓器帶狀導(dǎo)線長890m。為使繞組中的磁場分為兩半并獲得較高的臨界電流及較小的交流(AC)損耗，繞組呈雙同心布置。低壓繞組2個(gè)相互串聯(lián)的分繞組各為一層。另一側(cè)的高壓繞組由30個(gè)串聯(lián)的線圈組成。</p><p>　　在低壓繞組短接的情況下向高壓繞組

104、供電，測定繞組損耗，在額定電流時(shí)測出的短路損耗為20.8W。假定冷卻消耗為13W(相當(dāng)于被冷卻系統(tǒng)的溫度77K)和實(shí)際冷卻設(shè)備的效率為理想的CARNOT冷卻設(shè)備的23％，那么繞組的損耗只是用常規(guī)銅繞組變壓器的1/6。</p><p>　　在低壓繞組短接直到2IN和斷開高壓繞組直到2UN和在頻率f=fN×U/UN時(shí)作了測量。變壓器經(jīng)多次散熱和加熱循環(huán)，上述測量結(jié)果始終能重現(xiàn)。未見變壓器有何變化，或高溫超導(dǎo)

105、帶狀導(dǎo)線的任何降解作用。另外還在環(huán)境溫度下測量了空載運(yùn)行情況，以研究溫度對鐵芯疊片的影響。在77K、50Hz和電感1.7T時(shí)，空載損耗比在環(huán)境溫度時(shí)測出的值約增大了10％。</p><p>　　3）應(yīng)用超導(dǎo)變壓器前后的比較</p><p>　　針對現(xiàn)有傳統(tǒng)的機(jī)車變壓器，在可能實(shí)現(xiàn)開發(fā)高溫超導(dǎo)工藝的前提下，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的高溫超導(dǎo)機(jī)車變壓器。針對帶狀導(dǎo)線改為矩形橫截面，假設(shè)臨界電流密度的目標(biāo)值在

106、77K時(shí)是250A/mm2，相應(yīng)地在67K時(shí)為410A/mm2(1µ/cm，固有磁場)。如今實(shí)現(xiàn)的是77K時(shí)為100A/mm：。假定0.1T、磁場平行于帶狀導(dǎo)線、50Hz和77K時(shí)的AC損耗為0.3mW/(Am)(每安培的毫瓦數(shù))。就低溫恒溫箱表面積來說，低溫恒溫箱損耗為4W/m2，供電引起的損耗為4W/kA和冷卻設(shè)備的熱力學(xué)效率為 23％。</p><p>　　圖4-1的第1列是用于地區(qū)性鐵路

107、的變壓器[25]。這里具有很重要意義的是其結(jié)構(gòu)高度較低，因此鐵芯同樣是放在液態(tài)氮中。所給出的損耗和重量包括了冷卻設(shè)備和低溫恒溫箱。</p><p>　　第2列是用于高速運(yùn)輸?shù)?。所有?shù)據(jù)都是針對15kV，16.7Hz和25kV，50Hz的多流制機(jī)車變壓器而言的。因?yàn)樵试S變壓器有較高的結(jié)構(gòu)高度，所以鐵芯借助玻纖增強(qiáng)塑料的低溫恒溫箱與氮絕緣，這樣鐵芯就可處在環(huán)境溫度下。這里同樣需優(yōu)先考慮的是重量和損耗。</p&g

108、t;<p>　　第3列是用于機(jī)車的，因?yàn)檫@里的結(jié)構(gòu)高度不是很關(guān)鍵性的，所以按鐵芯置于環(huán)境溫度下進(jìn)行設(shè)計(jì)。特別要優(yōu)先考慮的是減少投資費(fèi)用。</p><p>　　圖4-1 現(xiàn)有的傳統(tǒng)銅．油機(jī)車變壓器與高溫超導(dǎo)變壓器設(shè)計(jì)的比較</p><p>　　因此，各種設(shè)計(jì)方案與所選擇的要優(yōu)先考慮的對象有關(guān)，為保證鐵路用超導(dǎo)變壓器的使用性，對日常鐵路運(yùn)營中出現(xiàn)的各種不同情況作了分析。一方面，必