毕业论文-超导变压器的发展与现状

1、哈尔滨工业大学工学硕士学位论文哈尔滨理工大学学士学位论文- PAGE II - PAGE II -超导变压器的发展与现状摘 要电力变压器是发、输、变、配电系统中的重要设备之一，它的性能、质量直接关系到电力系统运行的可靠性和运营效益，因此变压器的优化成为了一个重要课题。随着科学技术的发展，超导变压器的研究被各个国家所重视。本文介绍了超导的研究简史，超导变压器的分类，空心超导变压器理论研究的最新成果，高温超导变压器的典型结构，超导变压器的特点，超导变压器的试验、检测项目，超导变压器性能检测方法及主要设备。最后，本文对我国超导技术的研究进行了展望，介绍了超导变压器的应用与今后超导变压器的发展方向，得

2、出了一系列结论。虽然有部分研究考虑省去超导变压器的铁心，但由于漏抗较大，没有成为超导变压器的主流。国内外已经有高温超导材料制成的超导变压器，但仍有许多问题需要解决。关键词: 超导；超导变压器；高温超导The development and status of the superconducting transformerAbstractPower transformer is one of the important equipment at generate electricity, transmission and substation in distribution system. It

3、s performance, quality directly related to the reliability and operational efficiency of power system. Transformer optimization has become an important topic. With the development of science and technology, superconducting transformer is valued by all countries. This article describes the brief hist

4、ory of the superconducting characteristics, the classification of the superconducting transformer, the latest research results of hollow superconducting transformer theory, the typical structure of the high-temperature superconducting transformer, the characteristics of the superconducting transform

5、er test, test items of the superconducting transformer, superconducting transformer performance testing methods and the main equipment. Finally, this article outlooks the study of superconductivity technology in, introducing superconducting transformer applications and future direction of developmen

6、t of superconducting transformers, coming to a series of conclusions. Although some studies consider eliminating the core the superconducting transformer, but this doesnt become superconducting transformer mainstream as the large reactance. Abroad has been had useful in high-temperature superconduct

7、ing materials and superconducting transformer to complete the design to be manufactured. But there are still many technical problems need to be solved. Keywords: Superconducting; Superconducting transformer; High-temperature superconductingPAGE II- - PAGE IV -目 录摘要 = 1 * ROMAN IAbstract = 2 * ROMAN

8、II TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc328560424 第1章 绪论 PAGEREF _Toc328560424 h 1 HYPERLINK l _Toc328560425 1.1 课题背景 PAGEREF _Toc328560425 h 1 HYPERLINK l _Toc328560426 1.2 超导研究的发展简史 PAGEREF _Toc328560426 h 2 HYPERLINK l _Toc328560427 1.2.1 发现超导的具体过程 PAGEREF _Toc328560427 h 2 HYPERLINK l _Toc328560428 1

9、.2.2 超导发展经历的三个阶段 PAGEREF _Toc328560428 h 3 HYPERLINK l _Toc328560429 1.3 本文内容 PAGEREF _Toc328560429 h 4 HYPERLINK l _Toc328560430 第2章 超导变压器的基本研究 PAGEREF _Toc328560430 h 5 HYPERLINK l _Toc328560431 2.1 超导变压器的分类 PAGEREF _Toc328560431 h 5 HYPERLINK l _Toc328560432 2.1.1 铁心式超导变压器 PAGEREF _Toc328560432 h

10、 5 HYPERLINK l _Toc328560433 2.1.2 空心式超导变压器 PAGEREF _Toc328560433 h 6 HYPERLINK l _Toc328560434 2.1.3 混合型超导变压器 PAGEREF _Toc328560434 h 8 HYPERLINK l _Toc328560435 2.2 空心超导变压器理论研究的最新成果 PAGEREF _Toc328560435 h 9 HYPERLINK l _Toc328560436 2.2.1 空心超导变压器的等效电路 PAGEREF _Toc328560436 h 9 HYPERLINK l _Toc328

11、560437 2.2.2 空心超导变压器的损耗 PAGEREF _Toc328560437 h 10 HYPERLINK l _Toc328560438 2.2.3 空心超导变压器的磁场分析 PAGEREF _Toc328560438 h 11 HYPERLINK l _Toc328560439 2.3 高温超导变压器的典型结构 PAGEREF _Toc328560439 h 11 HYPERLINK l _Toc328560440 2.4 超导变压器的特点 PAGEREF _Toc328560440 h 13 HYPERLINK l _Toc328560441 2.5 本章小结 PAGERE

12、F _Toc328560441 h 15 HYPERLINK l _Toc328560442 第3章 超导变压器的性能检测方法研究 PAGEREF _Toc328560442 h 16 HYPERLINK l _Toc328560443 3.1 超导变压器的试验、检测项目 PAGEREF _Toc328560443 h 16 HYPERLINK l _Toc328560444 3.2 超导变压器性能检测方法及主要设备 PAGEREF _Toc328560444 h 17 HYPERLINK l _Toc328560445 3.3 本章小结 PAGEREF _Toc328560445 h 23

13、HYPERLINK l _Toc328560446 第4章 超导变压器的应用与展望 PAGEREF _Toc328560446 h 25 HYPERLINK l _Toc328560447 4.1 超导变压器的应用 PAGEREF _Toc328560447 h 25 HYPERLINK l _Toc328560448 4.1.1 电力机车用超导变压器 PAGEREF _Toc328560448 h 25 HYPERLINK l _Toc328560449 4.1.2 电磁发射用高温超导空心脉冲变压器 PAGEREF _Toc328560449 h 27 HYPERLINK l _Toc328

14、560450 4.2 今后课题 PAGEREF _Toc328560450 h 36 HYPERLINK l _Toc328560451 4.3 超导变压器的展望 PAGEREF _Toc328560451 h 38 HYPERLINK l _Toc328560452 4.4 本章小结 PAGEREF _Toc328560452 h 39 HYPERLINK l _Toc328560453 结 论 PAGEREF _Toc328560453 h 40 HYPERLINK l _Toc328560454 致 谢 PAGEREF _Toc328560454 h 41 HYPERLINK l _To

15、c328560455 参考文献 PAGEREF _Toc328560455 h 42 HYPERLINK l _Toc328560456 附 录 PAGEREF _Toc328560456 h 45- PAGE 10 - PAGE 51 -绪论课题背景超导技术是近40年发展起来的高技术，它在电工、交通、医疗、工业、国防和科学实验等高科技领域都有着重要的现实意义和巨大的发展前景，许多科学家认为超导技术将是21世纪具有经济战略意义的高新技术，是本世纪高新技术发展的一个重要方向，我国自20世纪60年代末即开始超导技术的研究，经过30多年的努力，在超导磁体技术及其应用、超导材料研究、超导电子学以及超导

16、基础研究方面都取得很大成绩。美国人1981年发表了1000MVA 超导变压器的概念设计，初步指出了超导变压器的技术、经济价值，这是超导变压器研究开发的第1步。1982 年法国的Alstom 公司开发出极细丝低温超导线材，成功地降低了超导线材在交变磁场中的交流损耗，从而提高了其超导稳定性，使超导技术在交流领域的应用成为可能，为超导变压器的开发奠定了物质基础。其后，美国、日本等工业发达国家相继开发成功了各种形式的低温超导变压器试验样机。90年代，高温超导线材技术取得了巨大进步, 使用高温超导线材的超导变压器试验样机也已经研制成功，容量为1MVA的高温超导变压器已经在日本和瑞士进行联网试验运行。随着

17、我国电力工业和城市建设的迅速发展，国家正在实施城网、农网改造，变压器行业相应地得到了飞速发展。随着单机容量的日益增大，用户对变压器的要求越来越高,电力变压器除了要满足电、磁、力、热等技术规范外，还要满足小型、无油、低噪音的要求，以减小占地面积和减少环境污染。常规变压器由于其固有缺陷难以满足现代电力工业发展的需要。研究和发展新型超导变压器,从而提高电力变压器的性能，具有巨大的理论研究意义和实际应用价值。从经济上看,超导材料的低阻抗特性有利于减小变压器的总损耗，高电流密度可以提高电力系统的效率，采用超导变压器将会大大节约能源，减少其运行费用；从绝缘运行寿命上看，超导变压器的绕组和固体绝缘材料都运行

18、于深度低温下，不存在绝缘老化问题，即使在两倍于额定功率下运行也不会影响运行寿命。应用超导技术设计的变压器具有很多优势。在紧急情况下，可由一台超导变压器承载原本由两台变压器供电的负载，提高了系统的安全性；从对电力系统的贡献来看，正常工作时超导变压器的内阻很低，增大了电压调节范围，有利于提高电力系统的性能1；电路发生短路时，超导体失超进入有阻状态，限制了电流尖峰。这种潜在的故障流限制能力使得变压器阻抗要求与短路电流要求得以分离，相应的电力系统元件按限制后的电流来设计，减小了整个系统的投资；从环保角度看，超导变压器采用液氮进行冷却，取代了常规变压器所用的强迫油循环冷却或空冷，降低噪声，避免了变压器可

19、能引起的火灾危险和由于泄漏造成的环境污染。总体来看，超导变压器具有体积小、重量轻等优点，将成为21世纪最理想的节能变压器，极具潜在的开发前景2。超导研究的发展简史发现超导的具体过程在凝聚态物质的研究中，人们发现引进极低温、超高压、强磁场等极端条件，对研究物质的宏观性质和微观机理十分有用。其中，低温物理和技术的迅速发展并取得成果，就是由此引发的一个典型。要弄清物质在接近绝对零度的极低温范围内，将会呈现什么样的物理性质，首先必须获得这样的极低温环境。在地球表面的自然界中，可以说要数南极洲最冷了，据记载，南极洲最冷时曾打到-88。但与我们所需的那种极低温相比，可以说是“超高温”了。因此，极低温相比，

20、可以说是“超高温”早在19世纪初，人们就开始了对气体液化的研究。著名的英国物理学家法拉第是这方面工作的先驱2。1823年，他利用相变制冷原理，实现了氯气和其他几种气体的液化。到1845年，他已经液化了大多数种类的气体，但仍有几种气体不能被液化。这些不能被液化的气体是氧气、氮气、氢气、一氧化氮、一氧化碳和甲烷，还有一种是1895年才被发现的惰性气体氦。人们在失望之余，把它们称为“永久气体”。最后应该指出，早在1905年，热物理学家能斯托就告诫人们，每次降温只能够使整个系统的熵减少一部分，但是无论如何也不可能去掉因有极小熵的存在而对应的极低温度。因此，无论制冷设备设计多么精巧，系统的熵只能减少其中

21、的一部分，始终存在一个微笑的剩余量，因而绝对零度是不可能打到的。换言之，人们在向绝对零度进军的过程中，只能逐渐逼近绝对零度，因而，对于低温之最的探索是永无止境的。随着氦的液化而获得了低温。但金属的电阻在新的低温区域将如何变化，这是当时人们普遍关心的一个问题。在氦被液化之前，对于金属的电阻在绝对零度附近将如何变化，人们只能作出各自的猜测。昂尼斯认为，当温度降低时，纯金属的电阻应先达到一个极小值，然后随温度的进一步下降，其电阻会重新开始增加，并在绝对零度时变为无限大。他在1911年4月28日发表论文在氦温度下纯汞的电阻。文中提到测量的结果表明，“纯汞能够被带到这样的一个状态，其电阻变为零，或者说至

22、少觉察不出与零的差异。”昂尼斯并没有意识到这就是物质的超导电现象。1912年至1913年，昂尼斯又发现了锡和铅的超导电现象。同时还有两相重要发现，意识发现通过超导体的电流越强，超导转变温度就越低。另一发现是，对于不纯的汞来说，其电阻小时的方式和纯纯汞完全相同。从而进一步否定了他原先认为只有纯金属电阻才会在液氦温度下消失的理论。并且，在莱顿通讯第1336期中，第一次使用了“超导电性”一词3。超导电现象被发现后，昂尼斯马上意识到，这种现象可能对电工技术有重要的潜在意义，特别是可以用来制造高场强的电磁铁。但结果却令人十分扫兴，当线圈内的磁场只有几百高斯时，样品就由超导态转变到了正常态。昂尼斯经进一步

23、的实验发现，当超导体的外加磁场大于一定值时，超导态就会被破坏。直到60年代发现了第二类超导体后，获得高场强的磁体才成为可能。并且在当今，已成为了超导体最重要的应用领域之一。从60年代开始，超导技术的应用才逐步展开。但是，人们在长期的实践中认识到，超导转变温度的高低，是超导技术能否广泛应用最重要的制约因素之一。因此，人们对于高Tc超导体的探索从来就没有停止过。在1986年前，尽管具有超导特性的单质和化合物种类繁多，但超导转变温度最高的Nb3Ge，也只有23.2K。而其他的大多数超导体则更要低得多，在实际应用中往往只能用液氦来冷却。由于氦气资源在地球上非常稀少，而且制备液氦的技术又十分复杂，因而成

24、本很高，这对广泛应用是十分不利的。探索更高转变温度的超导体，乃至室温超导体，一直是科学家们努力追求的目标。超导发展经历的三个阶段超导电现象与其他物理现象一样，也有它发现的深刻背景，以及漫长的认识过程。回顾超导的发展历史，将有助于我们更深刻地认识它的现状，并以更深远的目光去展望它的未来。同时，超导物理学家们提供的正反两个方面的经验，以及他们为探索科学真理而做出的不可磨灭的功绩，也是值得我们借鉴和铭记的。超导研究的发展可以追溯到人类探索低温物性时发现的超导电性，至今已有将近100年的历史，主要可分为一下几个阶段。（一）1911年到1957年，超导电性的发现阶段这一阶段是对超导现象的初步探索和认识阶

25、段。1911年，荷兰物理学家昂纳斯发现汞在温度将至4.2K附近时电阻小到实际上测不出来，他把汞的这一新状态成为超导态。这个发现开启了超导研究的大门。在此阶段，人们发现了一些超导体奇特的物理性质并对超导的物理原理给出了一些相对简单的理论模型，对超导现象作出了一些理论解释。（二）1957年到1986年，低温超导阶段这一阶段是对超导应用技术的准备和进一步的理论探索阶段。在1986年之前，已知的所有超导材料都要在极低温条件下才能表现出超导性质，这些苛刻条件给超导技术的实际应用带来了很多限制。因此，如何提高材料的超导转变温度Tc以及寻找高Tc材料，一直是研究的热门课题。在这一阶段，人们陆续发现了许多新型

26、超导材料4，为超导理论及试验的研究拓展了新的发展领域。（三）1986年至今，高温超导阶段在这一阶段，发现了很多液氮温区以上的高温超导材料，为超导材料的实际应用开辟了广阔的前景。超导的发展经历了近百年的时间，是一个漫长而又卓有成效的科研过程。本文内容查阅相关文献，深入了解超导变压器的特点和结构，以及高温超导变压器的研究、发展方向。在此基础上进行总结国内外在超导变压器所取得的技术进步。超导变压器的基本研究变压器是现代电力系统中的重要设备。在原理上，超导变压器与常规技术的变压器没有本质的区别，虽然有部分研究考虑省去超导变压器的铁心，但由于漏抗较大，没有成为超导变压器的主流。由于超导变压器具有体积小、

27、重量轻，效率高，阻燃等特点，因此受到许多电力研究人员的广泛关注。由于在稳定运行和经济性两方面，高温超导变压器比低温超导变压器都有巨大的潜在优势，因此高温超导变压器成为研究的主要对象。本章主要介绍了超导变压器的分类、特点、结构，以及空心超导变压器的最新研究成果。超导变压器的分类按照不同的用途，超导变压器可分为超导电力变压器和超导牵引变压器。随着现代工业的发展，人们对电力变压器的要求越来越高。现代的电力变压器要求高效率、小型化、重量轻以及无环境污染等，常规电力变压器由于其本质缺陷，无法满足时代的要求。自从超导体出现以来，以美国、日本为代表的几个国家开始着手研制新时代的超导电力变压器，并取得了长足的

28、发展。超导牵引变压器则是目前超导变压器的另一个主要应用方向。与电力变压器相比，牵引变压器的容量相对要小（低于10MVA），而且由于应用于高速行驶的火车上，这就产生了很多与电力变压器不同的地方。目前，日本、德国和中国是研制超导牵引变压器的几个主要的国家。按照有无铁心，超导变压器的结构可以分为铁心式、空心式和混合式三大类，下面分别介绍。铁心式超导变压器铁心式超导变压器的结构，如图2-1所示5。这是一台1750/3MVA，1100/ 550kV单相自耦超导变压器概念设计的结构。为了降低空载损耗，铁心用非晶合金制成，置于室温环境中。高、低压绕组采用超细Nb-Ti合金丝绞扭多股超导线绕制，置于用超临界液

29、氦冷却的低温恒温容器中，靠对流冷却。该容器是用玻璃纤维增强塑料(FRP)制成的真空密封双层结构的绝热容器。这台超导变压器采用超临界氦和G-10塑料作为绝缘材料。推荐超临界氦的压力为300kPa, 温度为56K, 密度为50kg/m3,这时它的绝缘强度几乎和变压器油相同。图2-1 铁芯式超导变压器的结构空心式超导变压器一台500/66kV，300MVA单相空心起导变压器的绕组结构如图2-2所示6。绕组的骨架是用FRP 材料制成。高、低压绕组均采用超细Nb-Ni合金丝绞扭多股超导线绕制，置于用起临界液氦冷却的低温恒温器（真空密封双层结构)内。与铁心式超导变压器相比，空心超导变压器的优点是：没有铁心

30、，因而没有空载损耗和磁饱和的问题，所以可以减小尺寸和损耗，降低重量。图2-2 空心超导变压器的绕组结构文献7对一台用于500kV电缆输电系统的单相空心超导电力变压器进行了概念设计。其额定电压比为（500/）/（66/）kV，额定容量为100MVA的无功功率, 即作为并联电抗器的容量。根据上述理论研究的成果进行设计。图2-3a示出所设计的空心超导变压器。具有相同输出容量、额定电压和电抗电压的常规变压器，如图2-3b所示.从图2-3可以看出，虽然空心超导变压器兼有并联电抗器功能，它仍然比常规变压器的尺寸小得多。超导变压器的总重包括磁屏蔽约为43t，而常规变压器总重为130t，前者比后者轻得多。(

31、a) 空心超导变压器 ( b) 常规变压器图2-3超导变压器和常规变压器的比较假定低温恒温系统的效率为1/750，空心超导变压器在额定负荷（300MW电阻性负荷）下的效率计算为99.5%，而常规变压器的效率为99.4%。实际上现在低温恒温系统的效率达到1/500到1/400.因为超导变压器的大部分损耗是低温恒温系统产生的, 所以这两种变压器效率的差值随着低温恒温系统效率的提高变得更大, 超导变压器降低损耗的潜力是很大的。混合型超导变压器一台6600/210V，100kVA混合型超导变压器结构如图2-4所示8。铁心的基本结构和使用的材质与常规变压器一样，并置于室温环境中。低压大电流绕组采用超临界

32、液氦冷却的交流超导线（由直径为0.55Lm金属丝制成) 绕制。高压绕组采用液氮冷却的低损耗铜线绕制。高、低压绕组置于低温恒温器内。低温恒温器为一液氦和液氮冷却的双层结构，如图2-5所示。因此，该变压器被称作混合型超导变压器。图2-4 混合型超导变压器的结构图2-5 低温恒温器的结构空心超导变压器理论研究的最新成果近几年，超导发电机、超导电力电缆都取得相当大的进步，相信在不久的将来就可以投入商业应用，因此与发电、输电系统相连接的超导变压器自然应该适应这种发展趋势。由于电缆输电系统或超高压架空线输电系统的分布电容很大，产生的超前无功功率也很大。对这样的输电系统，必须用并联电抗器补偿无功率。空心超导

33、变压器的励磁电流很大，产生的滞后无功功率也很大，它不但能充当一台电力变压器，同时也是一台并联电抗器，所以它特别适用于这样的输电系统。基于上述原因，近几年对空心超导变压器的研究较多，在理论研究上取得的成果也很多。空心超导变压器的等效电路空心超导变压器的等效电路，如图2-6所示9。图2-6 空心超导变压器的等效电路忽略所有损耗，超导变压器的电压方程式为10： （2-1）式中：U1和I1一次电压和电流U2和I2二次电压和电流L1和L2一、二侧自感M互感角频率用转换系数a可以把二次侧的量折算到一次测。其中： （2-2）于是（2-1）式变为： （2-3）式中：K称作磁耦合系数，自感L=L1，I2= I2

34、/a，U2=aU2。空心超导变压器的损耗对于这种变压器，研究负荷情况下的工作是很重要的。由于低温恒温器系统的效率很低，研究它的损耗特性尤其重要。了解了在损耗特性方面的研究成果，空心超导变压器中产生的损耗可以分为两个分量：一个是超导导线的交流损耗；另一个是引线直流电阻损耗。试验研究表明，超导绕组的交流损耗几乎与绕组电流的平方成正比。用R0、R1和R2表示交流损耗等效电阻，用Rdc1和Rdc2表示引线直流电阻。考虑这些电阻的影响，修正后的等效电路如图2-7所示。因为交流损耗等效电阻非常大，百引线交流电阻非常小，这些电阻对输入、输出特性的影响可以忽略。所以只有进行损耗特性分析时，才采用图2-7的等效

35、电路11。图2-7 空心起导变压器的修正等效电路根据等效电路进行的损耗特性分析和试验测量的损耗特性都清楚表明，当磁耦合系数K变坏时，总损耗随二次电流增加的速率变大。因此可能得出结论：空心超导变压器的损耗特性受磁耦合系数K 的影响很大。空心超导变压器的磁场分析在这种超导变压器中，由于磁通没有特定的路径，绕组产生的磁通直接作用到超导绕组的每一线匝上。为了研究绕组的交流损耗和稳定性，对磁场进行分析是必要的。空心超导变压器的励磁电流很大，一次电流I1和二次电流I2之间的相位差使它们各自产生的磁场H1和H2也有相位差。因为没有铁心，每一个绕组产生的磁场在其绕组的两端附近扩散，又因为每个绕组的值不同，所以

36、磁场H1和H2的方向不同。在负荷情况下，当作用到导线上的两个交变磁场H1和H2的相位和方向不同时，合成磁场是一个椭圆磁场，它包括了一个旋转分量。这个旋转分量可能使绕组的交流损耗增加, 并影响其稳定性12。作用在各绕组上的磁场分布是不均匀的，这意味着交流损耗的分布也不均匀。绕组的最外层产生的损耗最大。由于磁场的旋转分量使作用在超导线上的电磁力改变方向，所以在进行结构设计时应该考虑这一影响。高温超导变压器的典型结构典型的高温超导变压器主要包括以下4个组件：铁芯、绕组、杜瓦和制冷系统。1）铁芯根据铁芯与线圈的相对位置，铁芯可以分为心式铁芯与壳式铁芯两种主要结构形式。心式铁芯又分为单相双柱式、单相三柱

37、式、三项三柱式和三相五柱式铁芯，其铁芯柱截面为多级圆形，绕制方便；对于壳式铁芯，铁芯截面为矩形，因此与之相配合的线圈截面也是长方形的。鉴于高温超导带材的力学性能，绕制绕组时带材的机械应变会明显降低超导线圈的载流能力，因此线圈弯折半径小于45mm的壳式铁芯并不适合采用超导带材绕制。根据铁芯运行的不同环境温度，铁芯可以分为低温铁芯和常温铁芯。低温铁芯浸泡在液氮中，常温铁芯则工作在室温条件下。低温铁芯可以与超导绕组耦合紧密，漏磁场的径向分量小，超导材料可以得到充分的利用。但是低温铁芯由液氮冷却，会带来严重的制冷损耗。根据铁芯的材料不同，铁芯可以分为铁氧体铁芯、硅钢片铁芯、坡莫合金铁芯、非晶合金铁芯和

38、纳米晶铁芯。目前最常用的铁芯是硅钢片铁芯，但非晶合金具有许多独特的性能。由于它的性能优异、工艺简单，从20世纪80年代开始成为国内外材料科学界的研究开发重点。目前美国、日本、德国已具有完善的生产规模，并且大量的非晶合金产品逐渐取代硅钢材料和坡莫合金及铁氧体涌向市场。2）绕组根据绕组材料不同，超导绕组可以分为铋系超导绕组和钇系超导绕组。目前，高温超导变压器的绕组材料主要是第一代高温超导铋系带材和第二代高温超导钇系带材。其中铋系带材又分为Bi-2212和Bi-2223两种，是长期以来构成超导绕组的首选材料。最近几年来，人们开始考虑使用钇系超导带材研制超导绕组，因为钇系带材具有比铋系带材更高的临界电

39、流密度和更好的电磁特性。根据超导绕组的不同结构形式，超导绕组可以分为饼式绕组、螺旋式绕组、圆筒式绕组和连续式绕组等。常用的高温超导变压器线圈形式主要有螺旋式和饼式两种。饼式绕组要比螺旋式绕组容易绕制，如果绕制过程中对高温超导带材有所损伤，只需用另一个线饼替换损坏的线饼即可，而螺旋式线圈却需要换掉整个线圈。但饼式绕组的垂直磁场强度过大，电流下降过多。韩国在2005年把常规变压器的连续式绕组绕制方法应用到超导绕组上，连续式绕组具有良好的绝缘性能、较低的交流损耗等优点13。3）杜瓦杜瓦主要用来盛装低温液氮，保持高温超导绕组运行的环境温度。其主要结构包括玻璃钢外层、玻璃钢内层、真空层和绝热层。外层与内

40、层之间被抽成真空，使内层的液氮与外界环境隔热。在内层的外壁上，一般附加有由绝热材料组成的绝热层，进一步减少热泄漏。杜瓦主要分为两种：一种是将铁芯和线圈一起直接浸泡在液氮中（即低温铁芯）；另一种是仅将线圈浸泡在液氮中，铁芯置于常温（即常温铁芯）。前者的制造工艺简单，且如前所述，铁芯浸泡在液氮中，与超导线圈耦合紧密，超导材料可以得到充分的利用。但由于铁芯采用液氮进行冷却，制冷损耗急剧增加，将增加整个变压器的总损耗。后者一般做成圆筒状，铁芯可以从中间穿过，杜瓦可充当铁芯和绕组间的绝缘之用。铁芯置于常温，制冷损耗比前者少，但超导材料利用率不如前者。4）制冷系统随着临界温度高于77K的高温超导材料的出现

41、，相比之前的低温超导变压器制冷系统，高温超导变压器的制冷系统得到了很大的简化。一般来说，高温超导变压器由77K的饱和液氮冷却，但在低于77K的过冷液氮环境中，超导材料具有更高的临界电流值，且过冷液氮不易沸腾，可以获取更高的效率和更好的电气性能。一般来说，过冷液氮的温度要求在68K左右，且杜瓦内部气压维持在1个大气压，避免了杜瓦内外压力不同所带来的难题。目前GM制冷机、斯特林制冷机、脉冲管制冷机是3种主要的制备过冷液氮的制冷设备14。超导变压器的特点根据大量的概念设计、成本分析以及试验样机的研制，与常规变压器相比，超导变压器主要在以下几个方面具有较大的优势：1）体积小、重量轻。由于超导线材的通电

42、电流密度远大于铜等常规导体，利用超导线材制成的变压器绕组的体积和重量均将远小于常规变压器。根据概念设计，超导变压器与常规变压器相比，体积只有后者的30%70%，重量只有40%60%。ABB公司研制中的10MVA高温超导变压器，重量是同容量常规变压器的45%，体积为80%。由此带来的经济效益是使用原材料的减少、运输费用的降低、安装设备的简化以及占地面积和空间的减少。当然, 维持超导的低温冷却系统要占据一定的空间，但它可以和常规变压器所需的油箱、风扇、散热器等所占空间相抵。如果超导变压器不是单独地使用，而是和其他超导装置，如发电机、电缆或超导储能系统相配合，冷却系统将是多个超导装置的公用设施，则可

43、以获得更高的效益。基于此，日本名古屋大学和美国电力科学研究院分别提出了采用全封闭型超导输电系统和全超导变电站的概念。2）效率高。维持超导所需要的冷却能量是制约变压器效率的关键因素。低温超导只能运行在液氦温区(412K)，这一问题尤其显著。但是，高温超导可运行于液氮温区(77K)，氮气资源丰富、成本低、氮气液化所需的能量也很低。还可以使用直接冷却技术使高温超导变压器在低于77 K 的温区运行，这可以获得更高的超导稳定性。由于超导线材技术和冷却技术的进步，特别是高温超导线材技术的应用，超导变压器的效率可比常规变压器高出11%15%。虽然就一台变压器来说，这一数值并不大，但是，如果将系统中大量的变压

44、器的效率均提高15%，其经济效益仍然是相当可观的。然而，必须指出，在交流电流下，超导线材内部会产生交流损耗，消耗冷却功率，危害超导稳定性。设计超导变压器，要在充分考虑线材交流损耗的基础上，确定绕组导线通电电流密度的裕度和冷却功率。交流损耗大，所用线材的截面积也要增大，消耗冷却能量也大。所以，超导线材交流损耗指标是和变压器效率紧密相关的问题。3）阻燃。在超导变压器中，液氮或液氦既是冷却剂，又是绝缘的一部分。二者均具有良好的绝缘性能。由于氦气和氮气都不可燃，加上温度极低，超导变压器具有良好的阻燃特性。这一特点可以提高变电站的安全性能。4）特殊功能。超导装置运行在低温环境中，通过连接低温(超导系统)

45、和高温(常规系统)的电流引线的热传导侵入的热量，占超导装置热损耗的绝大部分。用超导变压器作为超导电力装置和常规电力系统的接口设备，通过电磁耦合而不是直接接触，连接不同温度的装置，可以降低侵入超导装置的热量，提高效率13。超导线圈可以在几T 甚至到十几T 的磁场条件下运行。省略铁心的空心变压器可在远高于铁心磁饱和磁通密度的高磁场下运行。虽然空心变压器的漏磁大，励磁电流大，但因不要铁心、体积、重量和损耗(铁损部分) ，并可积极利用漏磁大的特性，得到一些附加效益，如可兼做无功电抗器。超导体失超后会产生常导电阻。利用超导体的这一特性可以制成超导限流器。如果超导变压器上的某一绕组失超，由于常导电阻的出现

46、，在电压、电流的电磁特性上均将出现某种变化。超导变压器上也可以附加绕组，利用该绕组超导体的失超特性使之具有限制短路电流、失超检测等性能。虽然超导变压器的广泛应用还有待于超导线材价格的进一步下降以及相关超导、低温技术的进一步发展, 但是, 根据上述特点, 超导变压器将首先在以下场合获得应用: 供电密度高、容量大而土地价格昂贵、安装空间紧张的大城市内部配变电站；其他超导电力装置，如超导发电机、超导电缆、超导磁储能系统等与常规电力系统的变压器连接装置；超导装置失超检测中所需要的电磁耦合器件、高效无功电抗等非超导技术难以实现的特殊功能需求。在原理上，超导变压器与常规变压器没有本质区别，但超导变压器采用

47、超导材料取代铜导线绕制超导线圈，以液氦或液氮取代变压器油作为冷却介质，超导线圈在液氦或液氮环境中运行，故超导变压器具有不同于常规变压器的电磁特性：1）超导绕组有三个临界值: 临界温度、临界磁场、临界电流密度。超导变压器必须在这三个临界值构成的区域空间内运行,否则,超导变压器就会失超。2）超导线圈区域磁场(尤其是其径向分量)大。高温超导线能够传输比常规铜线大数十倍的电流,对于大容量变压器,与同容量的常规变压器相比,高温超导变压器的体积可以减小40%到60% ，但绕组区域(漏)磁场(尤其是其径向分量)大，使超导变压器的临界电流降低，同时也使交流损耗变大。因此,在保证阻抗要求的前提下，应严格限制其大

48、小。3）超导材料几乎为零的电阻使得绕组限制环流的能力极低，绕组各支路间漏电抗微小的不平衡就可能引起较大的环流。环流的存在增加绕组的交流损耗并使得磁场分布变得更不均匀，从而降低超导线的临界电流。本章小结本章主要介绍了超导变压器的基本研究。超导变压器按照功能可分为超导电力变压器和超导牵引变压器，按照有无铁心可分为铁心式、空心式以及混合式三大类。紧接着介绍了空心超导变压器理论研究的最新成果，包括空心超导变压器的等效电路，空心超导变压器的损耗，空心超导变压器的磁场分析。最后，本章介绍了高温超导变压器的典型结构以及超导变压器的特点。超导变压器的性能检测方法研究超导变压器是超导技术在电力中的应用之一，要实

49、现超导变压器的上网运行尚有若干关键技术问题需要解决，其性能检测方法的规范就是其中的一个重要内容。本章从超导变压器的电磁特性出发，探讨了超导变压器的试验项目及性能检测方法,并重点介绍了几种用于冷却超导变压器的低温系统。超导变压器的试验、检测项目超导变压器的试验内容包括常规变压器试验和超导特性试验两部分。常规变压器例行试验项目有：(1)绕组电阻测量；(2)电压比测量和联结组标号检定；(3)短路阻抗和负载损耗的测量；(4)空载电流和空载损耗的测量；(5)绕组对地绝缘电阻和(或)绝缘系统电容的介质损耗因数(tan)的测量；(6)绝缘例行试验。以上试验项目及其检测方法在超导变压器的试验、检测中可沿用，在

50、此不再一一列举。超导特性部分的试验主要是冷却试验、连续通电试验和连续负荷试验。具体如下：(1) 低温系统参数测量：变压器制冷时，测量变压器达到稳定的温度状态所需的时间、测量液氮流速、测量液氮波动水平以及液氮循环系统的工作压力。(2) 低温下的绕组临界电流测量：包括恒定温度临界电流测量(半小时)和热循环临界电流测量。恒定温度临界电流测量是在超导变压器达到临界温度半小时后，测量绕组在多个温度下的临界电流值；热循环临界电流测量是将超导变压器制冷达到设定温度，测量临界电流值，然后回温至常温，再制冷达到设定温度，测量临界电流值。反复循环数次。(3) 过流试验：将变压器绕组通以超过临界电流20%的电流，测

51、试绕组电流的分布及变压器受到扰动后，恢复超导状态的能力。(4) 涌流试验：当高压侧突然加压时，由此产生的涌流可能在低压侧引起很大的电流，若该电流大于变压器线圈的临界电流，则会引起变压器失超，应对高压侧涌流值的大小及其衰减周期进行测量。(5) 连续通流试验：将超导变压器接入系统前，连续通流24小时，测量绕组温升、电流和电压值，验证变压器空载时的稳定性。(6) 连续负载试验：接入电抗器负载，连续运行200小时，测量绕组温升及原、副边电流和电压值，验证变压器负载时的稳定性。(7) 未通流及通流时的漏热测量：分别测量变压器未通流和通入额定电流时的漏热。(8) 失超保护检测：给超导变压器通电，在通电电流

52、低于或略高于临界电流值两种情况下，检测失超保护能否正确动作。超导变压器性能检测方法及主要设备 1）负载损耗（交流损耗）的测量图3-1是变压器交流损耗的测试电路 15 。将初级线圈短路，给次级线圈施压。为了提高测量精度，用耦合线圈抵消终端电压的感应分量。交流损耗就是终端电压和传输电流在一个周期的积分。主要设备有：分流器、分压器、放大器、数模转换模块、计算机和低温系统。图3-1变压器交流损耗测量电路 2）低温短路试验图3-2是变压器短路阻抗测试电路。给变压器一次侧通入额定电流，保持150分钟，测量一次侧阻抗电压，得出短路阻抗。主要设备、仪器有：电流表、功率表、电容器、分流器、互感器、数字记录仪和低

53、温系统。图3-2超导变压器短路试验电路图 3）过冷液氮冷却系统由于高温超导体在过冷液氮温度有更高的临界电流，且过冷液氮不易沸腾，故高温超导变压器的冷却系统一般采用过冷液氮冷却系统。一般情况下，过冷液氮冷却系统的运行温度约为68K，压力维持在1个大气压，这样避免了杜瓦内外压力不同所带来的难题，从而可使冷却系统简化。图3-3是一个简单的过冷液氮冷却系统。它主要由液氮冷却泵、真空泵和充满低压液氮的热交换器组成。该系统的主要参数是：真空泵抽真空速度为500L/min，热交换器液氮温度为65K，压力为155Torr，液氮泵和变压器中的液氮均为1atm， 液氮流量为60L/h。优点是结构简化、用料省。缺点

54、是不能根据超导变压器输入热漏的大小调节液氮流速，从而使超导变压器迫流冷却。图3-3简单的过冷液氮冷却系统图3-4是一个完整的过冷液氮冷却系统16。它由3个功能单元组成，分别是热交换器单元、主杜瓦单元和液氮(LN2)泵单元。每个单元之间用柔软的传输管连接。热交换器单元包括真空泵降温的饱和液氮和使液氮过冷的热交换器两部分；液氮泵单元包含过冷液氮和循环泵，循环泵将液氮传送到杜瓦中；主杜瓦单元包含过冷液氮和浸在液氮中的变压器。在杜瓦液面30mm以下，温度基本是均匀的。较之图3-3，图3-4的系统较为复杂，但108kPa液氮的使用使系统中超导变压器的绝缘性能大大提高17。图3-4完整的过冷液氮冷却系统图

55、3-5是超导变压器过冷液氮冷却系统的照片。图3-3和图3-4都是没有制冷机的高温超导变压器过冷液氮冷却系统。它们的共同缺点是不能随意调节液氮流速。为了克服这一缺点，图3-6介绍了一种制冷机直接冷却的过冷液氮超导变压器冷却系统。它由真空隔热容器、制冷机及循环泵组成，并由真空隔热联管将其与变压器联接。其冷却过程是用过冷液氮将饱和蒸汽液氮的温度在大气压下从77K冷却到64K18。图3-5过冷液氮系统照片图3-6由两台制冷机冷却的超导变压器制冷系统该系统的主要参数是：变压器主体的液氮容量为330L；两台G - M制冷机每台的制冷量为200W（80K），制冷压缩输入功率为6kW，系统制冷功率为290W（

56、64K）；离心式液氮循环泵的流量为4L/min， 压差为124kPa；制冷机冷头运行温度保持在64K，超导变压器系统运行温度低于68K；静态时，过冷液氮的流速为4L/min，系统压力保持在108kPa。直接冷却的G-M制冷机的使用，使过冷液氮冷却系统的温度和压力易于维持在一个稳定的水平，因此，可防止液氮气泡的产生，提高液氮的电气绝缘强度和超导体的性能图3-7是制冷机直接冷却的过冷液氮冷却系统的照片。需要注意的是，在使用G-M制冷机前，需对其热载进行试验测试，测试示意图见图3-8。因为所有元件都悬挂在上法兰上且能拔下来，因此，图3-7冷却系统易于维护。缺点是，由于通过热流的颈口很大，故需要大功率

57、的G-M制冷机。图3-7制冷机直接冷却的高温超导变压器冷却系统的照片图3-8制冷及其热载测试装置图3-9是制冷机安装在底部的高温超导变压器冷却系统20，它避免了图7中漏热大的缺点。三个单元的功能同图3-7。不同的是， G-M制冷机安装在杜瓦的底部，这样可以大大减少通过杜瓦颈口的漏热。G-M制冷机的制冷量是65W(80K)，压缩机输入功率为3.2kW，离心式循环泵的最大流量为4L/min， 压差为124kPa；制冷机冷头运行温度保持在64K，超导变压器系统运行温度低于68K；静态时，过冷液氮的流速为4图3-9高温超导变压器制冷机冷却系统4）超导变压器的涌流测试图3-10是超导变压器的涌流测试电路

58、21。该测试电路包括电源、开关、可变电抗器、电阻和浸泡超导变压器的液氮池。可变电抗器与超导变压器串联，当开关突然合上时，记录超导变压器一次侧的电压、电流和二次侧的电压。图3-10超导变压器的涌流测试电路图3-11是22kV/6.9kV高温超导变压器的并网涌流测试电路。22kV/6.9kV高温超导变压器通过一台6.9kV/22kV的油浸变压器接入6.9 kV 级电网，当CB1合上， CB3打开时，合上CB2进行涌流测试。图3-11高温超导变压器并网涌流测试电路5）失超保护检测失超探测器的结构如图3-12所示22。图3-12失超探测器的构成测试超导变压器中性点与3个电阻中性点之间的压差，当所有线圈

59、处于超导态时，压差近似为零；当线圈失超时，压差会上升，输出失超信号，从而使超导变压器与电源断开。失超检测电路如图3-13。首先，闭合开关S3使模拟失超电阻短路，闭合开关S1和S2使超导变压器带负载运行。试验时，断开开关S3，使变压器的一个线圈失超。这时，模拟失超电阻上出现正弦电压，给出失超信号。当失超信号大于设定的参考电压，即判定为失超。接到失超信号后，开关S1会在20msec后断开。失超保护的响应时间由开关S1的动作时间决定。图3-13失超检测电路本章小结本章主要介绍了超导变压器的性能检测方法。超导变压器的试验、检测项目包括低温系统参数测量，低温下的绕组临界电流测量，过流试验，涌流试验，连续

60、通流试验，连续负载试验，未通流及通流时的漏热测量，失超保护检测。超导变压器性能检测方法及主要设备包括 负载损耗（交流损耗）的测量，低温短路试验，过冷液氮冷却系统，超导变压器的涌流测试，失超保护检测。超导变压器的应用与展望本章主要介绍了超导变压器的应用，未来超导变压器的展望以及今后超导变压器研制的基本方向。超导变压器的应用电力机车用超导变压器1）简介传动技术领域的创新对未来电力机车动车的运输能力、重量和寿命周期费用有着决定性的影响。经济的和有吸引力的机车车辆可增强铁路运输企业与其他运输系统竞争的能力。例如与以往相比，高速运输(HGV)领域中新型ICE家族的发展23，更加符合用户对快捷、节能、舒适