300kVA高溫超導變壓器電流引線漏熱損耗的測量分析

邱永志（哈爾濱變壓器有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150078）

300kVA高溫超導變壓器電流引線漏熱損耗的測量分析

邱永志
（哈爾濱變壓器有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150078）

摘要：高溫超導變壓器是利用高溫超導材料替換銅線制作導線圈，用液氨替換變壓器油當做超導線圈的冷卻介質。相對于傳統的變壓器和低溫超導變壓器在性能上具有很大優(yōu)勢。電流引線是高溫超導變壓器的主要漏熱源，其漏熱大小能夠直接對超導設備運行的穩(wěn)定性以及經濟性造成影響。因此，電流引線的設計和漏熱測量對高溫超導變壓器的生產和使用均具有很大意義，也一直是變壓器方面研究的重點。本文主要以300kVA高溫超導變壓器為例，采用量熱法對其不同電流下的漏熱損耗進行了簡介測量，分析和探討了電流導線漏熱損耗的測量方法和相關因素。

關鍵詞：300kVA高溫超導變壓器；電流引線；漏熱損耗

高溫超導變壓器相對于傳統變壓器存在體積較小、質量較輕、運行無污染等優(yōu)點，能夠以一定程度上促進運機車電氣化和電力機車輕型化。電流引線對高溫超導變壓器的性能和運行成本有很大影響，其設計對超導變壓器至關重要。目前，世界對不同金屬在不同溫度中所具有的電阻和導熱性能研究尚未深入，對電流引線設計的精確性形成極大的阻礙。因此，在對電流引線進行設計是需要先對其進行數值設計，再采用數字仿真技術，對其進行實驗模擬，檢驗其設計理論的準確性。

一、建立實驗系統

本文采取量熱法對電流引線的漏熱量進行簡介測量，有三個測量步驟：首先對不同電流下兩根輔助直銅導線的總漏熱量進行測量；然后，在不同電流下對一根輔助直銅導線和一根低壓電流引線的總漏熱量進行測量；最后，對沒有電流引線情況下的背景漏熱量進行測量。

實驗需要準備的器材有：兩根規(guī)格相同且在APG環(huán)氧狀態(tài)下的輔助直銅導線（分別為A1和A2），一根在APG環(huán)氧狀態(tài)下的低壓引線B，長度均為4.65dm；一個連接子銅片，一段引流銅管，一段乳膠管；一個3-30L/min和一個1-10L/min的流量計；一個里邊直流恒流電源，規(guī)格為100A，一個電阻，一個開關，一個引線固定架，一塊環(huán)氧板；一個低溫容器，規(guī)格為（Φ260×450mm）。

實驗原理為電流引線的漏熱會導致液氨出現蒸發(fā)，被蒸發(fā)出來的氨氣會隨著引線向上流動，通過引流管將所有冷量放出，然后恢復到常溫。以量熱法，根據因漏熱產生氨氣體積對漏熱損耗進行計算（已知大氣壓下，液氮蒸發(fā)的潛熱為198.3kJ/kg，氮氣密度在常溫常壓時為1.2505kgm3）。在20℃下在77K時，1W的熱功率會產生氨氣流量0.2598L/min，在能夠對氨氣流量進行測量的情況下，根據其流量值和引線漏熱之間的聯系，能夠間接得引線的總漏熱量。直銅導線A1和A2完全相同，可將其漏熱量看做相同。設單一直銅導線的漏熱量為Q1，低壓引線的漏熱量為Q2，低溫容器的背景漏熱量為Q3，在知道2Q1+Q3，Q1+Q2+Q3以及Q3的值時，低壓引線的漏熱量Q2值就能夠被計算出來，將由實驗得到的低壓引線的漏熱測量值和理論值進行對比。

將實驗材料準備齊全之后進行試驗。實驗具體步驟為：①按照設計好的實驗結構和電路圖將電路進行連接，將兩根輔助直銅導線連接起來，放在一個密閉的容器內，容器頂端鉆有四個小孔，用于引線穿出和氨氣的流通和液氨的注入，用密封膠將四個小孔堵住。②向容器內注入液氨，液氨量需要淹沒引線絕緣下端3cm，在浸泡大約5min后接上流量計，開始進行實驗。對電流為0A、20A、100A、400A情況下的氨氣流量進行統計（V1），每組測量至少進行8次，取其平均值為實驗數據。③將A2換為B，再次重復步驟②的情況，將氨氣的流量記錄下來（V2）。④將引線都拿出來，將四個小孔都堵住，對氨氣的流量進行測量（V3）。其中需要注意試驗中需要各部位的接口密閉性良好；選擇適合氨氣流量測量的玻璃轉子流量計，并持續(xù)實用到實驗結束，依次減少容器的氣壓波動，讓實驗結果準確性和有效性更高；電流變動需要等流量計讀數溫穩(wěn)定，并對電流上升和下降到一個電流值時的氨氣流量各讀一次。

二、對實驗結果進行分析

根據實驗檢測到的氨氣流量對引線的漏熱損耗進行計算，在試驗過程中發(fā)現：①輔助直銅導線在液氨注入后10min開始出現結霜現象，低壓引線在液氨注入后20min開始出現結霜現象，這一現象證明，低壓引線的延伸路徑能夠有效阻止室溫熱量被引線帶入低溫容器。②當電流為20A時，輔助直銅導線和低壓引線的漏熱量開始大于其理論最小漏熱值，此時，低壓引線的漏熱量比輔助直銅導線的漏熱量更加接近最佳漏熱；當電流達到400A時，低壓引線的漏熱量已經遠遠小于引線漏熱值，已經近似于其理論漏熱值。

根據這些結論可以證明：①不同電流均具有此階段電流應具有的一個最小漏熱量。②在引線橫截面一定時，電流最小漏熱和引線長度有關，試驗中引線A和引線B均不是20A電流下最小漏熱所對應的最佳長度和橫截面積，但引線B相較于引線A，其橫截面積和長度更加接近20A電流下的引線最佳長度和橫截面積；③當試驗中低壓引線漏熱量的實際測得值和仿真計算值存在一定的誤差，但其誤差均不大，且隨著電流的的升高，誤差值逐漸減小。

結語

電流引線漏熱損耗對高溫超導變壓器運行的經濟性和穩(wěn)定性均有很大影響，在進行設計時需要格外注意。本文主要分析了在300kVA高溫超導變壓器的低壓引線和輔助直銅導線在通入不同階段電流情況下漏熱損耗的變化，對其數字仿真漏熱損耗的準確性進行了研究，對電流引線延長路徑在實際情況下的有效性進行了證實。

參考文獻

[1]任麗，唐躍進，司漢松，等.300kVA高溫超導變壓器電流引線漏熱損耗的測量[J].低溫與超導，2006，13（02）：114-117.

[2]任麗，司漢松，唐躍進，等.300kVA電動車組高溫超導變壓器電流引線與套管的結構設計[J].低溫與超導，2005，18（04）：52-55+68.

[3]金翀.超導布線系統中電流引線漏熱及損耗研究[D].北京交通大學，2011.

[4]彭晉卿，劉華軍，陳敬林，等.50kA超導變壓器杜瓦及高溫超導電流引線的設計與優(yōu)化[J].低溫工程，2009，24（04）：6-10.

[5]田軍濤，諸嘉慧，李衛(wèi)國，等.變截面電流引線的漏熱分析與優(yōu)化設計[J].低溫與超導，2008，15（05）：47-51.

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