高溫超導可控電抗器的研究

黑穎頓，周興梅，陳偉

（云南電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院，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，因此隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，傳統(tǒng)可控電抗器的應用范圍受到限制。與傳統(tǒng)的銅等金屬材料相比，超導材料具有零電阻、高載流密度等優(yōu)點，用高溫超導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 高溫超導可控電抗器的結構

如圖1所示，高溫超導可控電抗器主要由硅鋼片磁軛、常規(guī)金屬繞組、高溫超導繞組1和2、玻璃纖維增強塑料低溫恒溫器、接地屏蔽、高溫超導繞組支架、冷卻管、電流引線和冷卻管的通道組成。磁軛用于提高磁導率。為了減少漏熱，采用雙層結構實現(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。高溫超導可控電抗器的電抗值可以通過關閉或打開高溫超導繞組1和2來調(diào)節(jié)。共有3組調(diào)節(jié)，包括打開高溫超導繞組1和2、打開高溫超導繞組1+關閉高溫超導繞組2以及打開高溫超導繞組2+關閉高溫超導繞組1，它們分別對應3個電抗值。

圖1 高溫超導可控電抗器的三維模型

設計高溫超導可控電抗器時需要解決的問題如下：

1）高溫超導帶材的臨界電流；

2）高溫超導繞組的交流損耗；

3）金屬構件的渦流損耗；

4）玻璃纖維增強塑料低溫恒溫器的結構設計和制造；

5）通過低溫恒溫器到液氮的漏熱量；

6）高溫超導繞組和電流引線的低溫絕緣；

7）高溫超導繞組的失超保護。

高溫超導可控電抗器的參數(shù)如表1所示。高溫超導繞組1和高溫超導繞組2的形狀為圓柱形，并被一些高溫超導雙餅線圈纏繞。為消除渦流損耗，采用玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂復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塑料低溫恒溫器之間的間隙中。由于玻璃纖維增強塑料低溫恒溫器浸沒在絕緣油中，絕緣油的溫度越高，對液氮的漏熱量越大，因此預期絕緣油的溫度不超過313K。由于溫度對高溫超導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繞組1和高溫超導繞組2。

表1 高溫超導可控電容器參數(shù)

2 高溫超導材料選擇

隨著高溫超導帶材制造技術的飛速發(fā)展，第一代（1G）BSCCO超導帶材和第二代（2G）YBCO超導帶材在電氣領域得到了廣泛的應用。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的關系如圖2所示，這表明降低工作溫度或降低外部垂直磁場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條件下的臨界電流較高，但是垂直磁場對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對應Bi2223/Ag帶材較高的臨界電流。液氮溫度下3種1G高溫超導帶材在不同垂直磁場下的載流密度如圖3所示，這表明磁通密度為0.1T的外磁場會導致臨界電流約40%的衰減。當然，使用溫度為68K的液氮冷卻高溫超導繞組是有用的。

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的關系

圖3 不同垂直磁場下3種1G高溫超導帶材的載流密度

3 熱分析

3.1 低溫恒溫器的漏熱

玻璃纖維增強塑料低溫恒溫器熱傳導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。

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

圖5 玻璃纖維增強塑料低溫恒溫器的導熱系數(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）空氣相對磁導率：1；

2）高溫超導繞組與常規(guī)金屬繞組相對磁導率：1；

3）多層絕緣鍍層電阻率：

4）1.5E-007 Ω?m；

5）磁軛的相對磁導率：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 結束語

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

2）為了提高高溫超導帶材的載流能力，必須采用過冷液氮對高溫超導繞組進行冷卻。

3）結構設計應以減小用于高溫超導帶材上的外加垂直磁場為目標。

4）對于玻璃纖維增強塑料低溫恒溫器，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。