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      300kVA高溫超導(dǎo)變壓器電流引線漏熱損耗的測(cè)量分析

      2015-07-13 15:17:48邱永志哈爾濱變壓器有限責(zé)任公司黑龍江哈爾濱150078
      關(guān)鍵詞:引線氨氣損耗

      邱永志(哈爾濱變壓器有限責(zé)任公司,黑龍江 哈爾濱 150078)

      300kVA高溫超導(dǎo)變壓器電流引線漏熱損耗的測(cè)量分析

      邱永志
      (哈爾濱變壓器有限責(zé)任公司,黑龍江 哈爾濱 150078)

      摘要:高溫超導(dǎo)變壓器是利用高溫超導(dǎo)材料替換銅線制作導(dǎo)線圈,用液氨替換變壓器油當(dāng)做超導(dǎo)線圈的冷卻介質(zhì)。相對(duì)于傳統(tǒng)的變壓器和低溫超導(dǎo)變壓器在性能上具有很大優(yōu)勢(shì)。電流引線是高溫超導(dǎo)變壓器的主要漏熱源,其漏熱大小能夠直接對(duì)超導(dǎo)設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性以及經(jīng)濟(jì)性造成影響。因此,電流引線的設(shè)計(jì)和漏熱測(cè)量對(duì)高溫超導(dǎo)變壓器的生產(chǎn)和使用均具有很大意義,也一直是變壓器方面研究的重點(diǎn)。本文主要以300kVA高溫超導(dǎo)變壓器為例,采用量熱法對(duì)其不同電流下的漏熱損耗進(jìn)行了簡(jiǎn)介測(cè)量,分析和探討了電流導(dǎo)線漏熱損耗的測(cè)量方法和相關(guān)因素。

      關(guān)鍵詞:300kVA高溫超導(dǎo)變壓器;電流引線;漏熱損耗

      高溫超導(dǎo)變壓器相對(duì)于傳統(tǒng)變壓器存在體積較小、質(zhì)量較輕、運(yùn)行無污染等優(yōu)點(diǎn),能夠以一定程度上促進(jìn)運(yùn)機(jī)車電氣化和電力機(jī)車輕型化。電流引線對(duì)高溫超導(dǎo)變壓器的性能和運(yùn)行成本有很大影響,其設(shè)計(jì)對(duì)超導(dǎo)變壓器至關(guān)重要。目前,世界對(duì)不同金屬在不同溫度中所具有的電阻和導(dǎo)熱性能研究尚未深入,對(duì)電流引線設(shè)計(jì)的精確性形成極大的阻礙。因此,在對(duì)電流引線進(jìn)行設(shè)計(jì)是需要先對(duì)其進(jìn)行數(shù)值設(shè)計(jì),再采用數(shù)字仿真技術(shù),對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M,檢驗(yàn)其設(shè)計(jì)理論的準(zhǔn)確性。

      一、建立實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

      本文采取量熱法對(duì)電流引線的漏熱量進(jìn)行簡(jiǎn)介測(cè)量,有三個(gè)測(cè)量步驟:首先對(duì)不同電流下兩根輔助直銅導(dǎo)線的總漏熱量進(jìn)行測(cè)量;然后,在不同電流下對(duì)一根輔助直銅導(dǎo)線和一根低壓電流引線的總漏熱量進(jìn)行測(cè)量;最后,對(duì)沒有電流引線情況下的背景漏熱量進(jìn)行測(cè)量。

      實(shí)驗(yàn)需要準(zhǔn)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(dǎo)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(zhǎng)度均為4.65dm;一個(gè)連接子銅片,一段引流銅管,一段乳膠管;一個(gè)3-30L/min和一個(gè)1-10L/min的流量計(jì);一個(gè)里邊直流恒流電源,規(guī)格為100A,一個(gè)電阻,一個(gè)開關(guān),一個(gè)引線固定架,一塊環(huán)氧板;一個(gè)低溫容器,規(guī)格為(Φ260×450mm)。

      實(shí)驗(yàn)原理為電流引線的漏熱會(huì)導(dǎo)致液氨出現(xiàn)蒸發(fā),被蒸發(fā)出來的氨氣會(huì)隨著引線向上流動(dòng),通過引流管將所有冷量放出,然后恢復(fù)到常溫。以量熱法,根據(jù)因漏熱產(chǎn)生氨氣體積對(duì)漏熱損耗進(jìn)行計(jì)算(已知大氣壓下,液氮蒸發(fā)的潛熱為198.3kJ/kg,氮?dú)饷芏仍诔爻簳r(shí)為1.2505kgm3)。在20℃下在77K時(shí),1W的熱功率會(huì)產(chǎn)生氨氣流量0.2598L/min,在能夠?qū)Π睔饬髁窟M(jìn)行測(cè)量的情況下,根據(jù)其流量值和引線漏熱之間的聯(lián)系,能夠間接得引線的總漏熱量。直銅導(dǎo)線A1和A2完全相同,可將其漏熱量看做相同。設(shè)單一直銅導(dǎo)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(shí),低壓引線的漏熱量Q2值就能夠被計(jì)算出來,將由實(shí)驗(yàn)得到的低壓引線的漏熱測(cè)量值和理論值進(jìn)行對(duì)比。

      將實(shí)驗(yàn)材料準(zhǔn)備齊全之后進(jìn)行試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)具體步驟為:①按照設(shè)計(jì)好的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)和電路圖將電路進(jìn)行連接,將兩根輔助直銅導(dǎo)線連接起來,放在一個(gè)密閉的容器內(nèi),容器頂端鉆有四個(gè)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(gè)小孔堵住。②向容器內(nèi)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(jì),開始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。對(duì)電流為0A、20A、100A、400A情況下的氨氣流量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(V1),每組測(cè)量至少進(jìn)行8次,取其平均值為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。③將A2換為B,再次重復(fù)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(gè)小孔都堵住,對(duì)氨氣的流量進(jìn)行測(cè)量(V3)。其中需要注意試驗(yàn)中需要各部位的接口密閉性良好;選擇適合氨氣流量測(cè)量的玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì),并持續(xù)實(shí)用到實(shí)驗(yàn)結(jié)束,依次減少容器的氣壓波動(dòng),讓實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性和有效性更高;電流變動(dòng)需要等流量計(jì)讀數(shù)溫穩(wěn)定,并對(duì)電流上升和下降到一個(gè)電流值時(shí)的氨氣流量各讀一次。

      二、對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析

      根據(jù)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)到的氨氣流量對(duì)引線的漏熱損耗進(jìn)行計(jì)算,在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn):①輔助直銅導(dǎo)線在液氨注入后10min開始出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象,低壓引線在液氨注入后20min開始出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象,這一現(xiàn)象證明,低壓引線的延伸路徑能夠有效阻止室溫?zé)崃勘灰€帶入低溫容器。②當(dāng)電流為20A時(shí),輔助直銅導(dǎo)線和低壓引線的漏熱量開始大于其理論最小漏熱值,此時(shí),低壓引線的漏熱量比輔助直銅導(dǎo)線的漏熱量更加接近最佳漏熱;當(dāng)電流達(dá)到400A時(shí),低壓引線的漏熱量已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于引線漏熱值,已經(jīng)近似于其理論漏熱值。

      根據(jù)這些結(jié)論可以證明:①不同電流均具有此階段電流應(yīng)具有的一個(gè)最小漏熱量。②在引線橫截面一定時(shí),電流最小漏熱和引線長(zhǎng)度有關(guān),試驗(yàn)中引線A和引線B均不是20A電流下最小漏熱所對(duì)應(yīng)的最佳長(zhǎng)度和橫截面積,但引線B相較于引線A,其橫截面積和長(zhǎng)度更加接近20A電流下的引線最佳長(zhǎng)度和橫截面積;③當(dāng)試驗(yàn)中低壓引線漏熱量的實(shí)際測(cè)得值和仿真計(jì)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(jié)語

      電流引線漏熱損耗對(duì)高溫超導(dǎo)變壓器運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性均有很大影響,在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)需要格外注意。本文主要分析了在300kVA高溫超導(dǎo)變壓器的低壓引線和輔助直銅導(dǎo)線在通入不同階段電流情況下漏熱損耗的變化,對(duì)其數(shù)字仿真漏熱損耗的準(zhǔn)確性進(jìn)行了研究,對(duì)電流引線延長(zhǎng)路徑在實(shí)際情況下的有效性進(jìn)行了證實(shí)。

      參考文獻(xiàn)

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

      [2]任麗,司漢松,唐躍進(jìn),等.300kVA電動(dòng)車組高溫超導(dǎo)變壓器電流引線與套管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].低溫與超導(dǎo),2005,18(04):52-55+68.

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

      [4]彭晉卿,劉華軍,陳敬林,等.50kA超導(dǎo)變壓器杜瓦及高溫超導(dǎo)電流引線的設(shè)計(jì)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(guó),等.變截面電流引線的漏熱分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].低溫與超導(dǎo),2008,15(05):47-51.

      中圖分類號(hào):TM40

      文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

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