高溫超導(dǎo)可控電抗器的研究

黑穎頓，周興梅，陳偉

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，云南 昆明 650217）

0 前言

在高壓和超高壓電力系統(tǒng)中，電抗器被廣泛用于穩(wěn)定電力系統(tǒng)電壓、補(bǔ)償無功功率、提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性和電能質(zhì)量。然而，傳統(tǒng)可控電抗器存在著諧波干擾不可忽略、電抗不穩(wěn)定、損耗高等固有的局限性和缺點(diǎn)，因此隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，傳統(tǒng)可控電抗器的應(yīng)用范圍受到限制。與傳統(tǒng)的銅等金屬材料相比，超導(dǎo)材料具有零電阻、高載流密度等優(yōu)點(diǎn)，用高溫超導(dǎo)材料制成的控制繞組可以顯著提高可控電抗器的工作效率。

1 高溫超導(dǎo)可控電抗器的結(jié)構(gòu)

如圖1所示，高溫超導(dǎo)可控電抗器主要由硅鋼片磁軛、常規(guī)金屬繞組、高溫超導(dǎo)繞組1和2、玻璃纖維增強(qiáng)塑料低溫恒溫器、接地屏蔽、高溫超導(dǎo)繞組支架、冷卻管、電流引線和冷卻管的通道組成。磁軛用于提高磁導(dǎo)率。為了減少漏熱，采用雙層結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)低溫恒溫器的真空化。常規(guī)金屬繞組由絕緣銅線制成，并與高壓線直接連接。高溫超導(dǎo)可控電抗器的電抗值可以通過關(guān)閉或打開高溫超導(dǎo)繞組1和2來調(diào)節(jié)。共有3組調(diào)節(jié)，包括打開高溫超導(dǎo)繞組1和2、打開高溫超導(dǎo)繞組1+關(guān)閉高溫超導(dǎo)繞組2以及打開高溫超導(dǎo)繞組2+關(guān)閉高溫超導(dǎo)繞組1，它們分別對(duì)應(yīng)3個(gè)電抗值。

圖1 高溫超導(dǎo)可控電抗器的三維模型

設(shè)計(jì)高溫超導(dǎo)可控電抗器時(shí)需要解決的問題如下：

1）高溫超導(dǎo)帶材的臨界電流；

2）高溫超導(dǎo)繞組的交流損耗；

3）金屬構(gòu)件的渦流損耗；

4）玻璃纖維增強(qiáng)塑料低溫恒溫器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造；

5）通過低溫恒溫器到液氮的漏熱量；

6）高溫超導(dǎo)繞組和電流引線的低溫絕緣；

7）高溫超導(dǎo)繞組的失超保護(hù)。

高溫超導(dǎo)可控電抗器的參數(shù)如表1所示。高溫超導(dǎo)繞組1和高溫超導(dǎo)繞組2的形狀為圓柱形，并被一些高溫超導(dǎo)雙餅線圈纏繞。為消除渦流損耗，采用玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料制作線圈骨架。接地屏蔽位于常規(guī)金屬繞組和玻璃纖維增強(qiáng)塑料低溫恒溫器之間的間隙中。由于玻璃纖維增強(qiáng)塑料低溫恒溫器浸沒在絕緣油中，絕緣油的溫度越高，對(duì)液氮的漏熱量越大，因此預(yù)期絕緣油的溫度不超過313K。由于溫度對(duì)高溫超導(dǎo)帶材的載流密度有很大的影響，故采用68K液氮來冷卻高溫超導(dǎo)繞組1和高溫超導(dǎo)繞組2。

表1 高溫超導(dǎo)可控電容器參數(shù)

2 高溫超導(dǎo)材料選擇

隨著高溫超導(dǎo)帶材制造技術(shù)的飛速發(fā)展，第一代（1G）BSCCO超導(dǎo)帶材和第二代（2G）YBCO超導(dǎo)帶材在電氣領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。Bi2223/Ag帶材與YBCO帶材的比較如表2所示。住友公司制備的Bi2223/Ag帶材的臨界電流與外部垂直磁場(chǎng)的關(guān)系如圖2所示，這表明降低工作溫度或降低外部垂直磁場(chǎng)可以獲得較高的臨界電流。雖然Bi2223/Ag帶材在液氮溫度下和自場(chǎng)條件下的臨界電流較高，但是垂直磁場(chǎng)對(duì)Bi2223/Ag帶材的臨界電流影響很大，較低的溫度和較低的外部垂直磁場(chǎng)對(duì)應(yīng)Bi2223/Ag帶材較高的臨界電流。液氮溫度下3種1G高溫超導(dǎo)帶材在不同垂直磁場(chǎng)下的載流密度如圖3所示，這表明磁通密度為0.1T的外磁場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致臨界電流約40%的衰減。當(dāng)然，使用溫度為68K的液氮冷卻高溫超導(dǎo)繞組是有用的。

表2 Bi2223/Ag帶材與YBCO帶材的比較

圖2 Bi2223/Ag帶材臨界電流與垂直磁場(chǎng)的關(guān)系

圖3 不同垂直磁場(chǎng)下3種1G高溫超導(dǎo)帶材的載流密度

3 熱分析

3.1 低溫恒溫器的漏熱

玻璃纖維增強(qiáng)塑料低溫恒溫器熱傳導(dǎo)和熱輻射分析的仿真模型如圖4所示。定義的參數(shù)如下：

圖4 熱分析仿真模型

1）分析類型：熱；

2）元素類型：Solid90，Surf152；

3）元素尺寸：0.01m；

4）上蓋填充材料的導(dǎo)熱系數(shù)：

5）0.025 W/(m?K)；

6）玻爾茲曼常數(shù)：

7）5.67×10-8W/(m2?K4）；

8）玻璃纖維增強(qiáng)塑料材質(zhì)的發(fā)射率：0.9；

9）多層絕熱層的層數(shù)：50。

玻璃纖維增強(qiáng)塑料低溫恒溫器的導(dǎo)熱系數(shù)如圖5所示。溫度分布如圖6所示。熱傳導(dǎo)和熱輻射的漏熱量為158.94W。熱輻射為66W。

圖5 玻璃纖維增強(qiáng)塑料低溫恒溫器的導(dǎo)熱系數(shù)

圖6 溫度分布

3.2 多層絕緣的渦流損耗

渦流損耗模擬模型如圖7所示。渦流損耗分析的定義參數(shù)如下：

1）空氣相對(duì)磁導(dǎo)率：1；

2）高溫超導(dǎo)繞組與常規(guī)金屬繞組相對(duì)磁導(dǎo)率：1；

3）多層絕緣鍍層電阻率：

4）1.5E-007 Ω?m；

5）磁軛的相對(duì)磁導(dǎo)率：3000；

圖8 荷載與邊界條件

將多層絕緣材料切成4份和16份。渦流的電流密度分別如圖9與圖10所示。相應(yīng)的渦流損耗分別為59.66W和8.76W。因此，多層隔熱層隔斷越多，渦流損耗越低。

圖9 渦流電流密度（四分之一）

圖10 渦流電流密度（十六分之一）

4 結(jié)束語

1）為了實(shí)現(xiàn)互感，含有高溫超導(dǎo)繞組的低溫恒溫器應(yīng)采用非金屬材料制成。

2）為了提高高溫超導(dǎo)帶材的載流能力，必須采用過冷液氮對(duì)高溫超導(dǎo)繞組進(jìn)行冷卻。

3）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)以減小用于高溫超導(dǎo)帶材上的外加垂直磁場(chǎng)為目標(biāo)。

4）對(duì)于玻璃纖維增強(qiáng)塑料低溫恒溫器，通過扭曲內(nèi)容器外表面的多層絕熱層可以顯著降低其熱輻射。

5）為了減少多層絕緣電鍍金屬層的渦流損耗，可以采用多隔斷方式。