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高温超导（HTS）变压器及发展现状董宁波，宗军（北京英纳超导技术有限公司，北京100176）摘要介绍了高温超导变压器的优点，简单分析了高温超导变压器与传统油浸变压器的区别。在对高温超导变压器的发展现状进行总结之后，探讨了高温超导变压器的应用前景。关键词：高温超导；Bi-2223高温超导线材；变压器Abstract:Thispapergivesanbriefintroductionofhightemperaturesuperconductor(HTS)transformer.WecompareHTStransformerwithtraditionaltransformerandgivetheadvantagesofHTStransformer.WealsogiveanintroductionofHTStransformerdevelopmentinChinaandaboard.TheauthorsforecastHTStransformerwillhavelargedevelopmentinthenearfuture.Keyword:Hightemperaturesuperconductor,Bi-2223HTStape,transformer1引言高温超导（HTS）材料的发现是超导材料发展的一个重要里程碑，目前可以实用化的HTS材料为YBaB2BCuB3BOBxB和BiB2BSrB2BCaB2BCuB3BOBxB，其中昀主要的是利用金属套管法工艺生产的BiB2BSrB2BCaB2BCuB3BOBxB高温超导线材（简称Bi-2223线材），和未来3~5年将实用化的HTS材料YBaB2BCuB3BOBxB。由于高温超导材料的优越性能，国内外都在积极开展超导技术在电力领域的研究。变压器是电力设备中昀常用、昀重要的一个设备。因此，超导材料在变压器上的应用研究变得越来越重要。欧洲、美国和日本都相继研制出了MVA级的HTS变压器，美国的5/10MVA的HTS变压器已经走出了工厂。我国中国科学院电工所在2005年研制出630kVA的高温超导电力变压器，株洲电力机车厂预计在2005年底完成一台300kVA的电力机车用高温超导变压器。HTS材料应用到电力变压器上是21世纪科学家和电工技术专家的一项重要使命。2HTS变压器HTS变压器与传统变压器相比，主要区别在于HTS变压器采用的绕组线为HTS线材，而非传统的铜线或铝线。同时，由于HTS变压器绕组运行温度的不同，使HTS变压器较传统变压器有许多不同的地方。表〈1〉HTS变压器与传统变压器材料、组件的比较HTS变压器传统变压器绕组线HTS线材铜线或铝线冷却介质液氮或传导冷却(制冷机)油、空气铁芯材料普通硅钢片(常温铁芯)或特殊硅钢片(低温铁芯)普通硅钢片绕组低温屏蔽有无低温套管有无绝缘材料液氮、低温绝缘材料（30K~77K）油、普通绝缘材料HTS变压器的优点体积小、重量轻；可以减小变电站的占地面积，减少运输成本，降低变电站改造费用。效率高；HTS线材的应用可以大大降低变压器的负载损耗；过负荷能力强，并且不会造成绝缘热老化；HTS线材的通流能力随温度的降低而升高，通过降低HTS变压器的运行温度，可以提高HTS变压器的容量。这个特点使HTS变压器有很高的过负荷能力，并且不会造成变压器的绝缘老化。无火灾隐患。HTS变压器使用液氮冷却或制冷机传导冷却，没有变压器油因此是一种对环境安全的电力设备。可安装在市区、建筑物地下而不用担心火灾，无变压器油就不会有漏油造成的环境污染。表〈2〉高温超导变压器与传统变压器的总体性能比较假设：容量=100MVA；Jc=100A/mm2；ACloss=0.25mW/Am（0.1T）。变压器特征比率：（HTS/传统）总损耗31%重量46%总成本77%3HTS变压器的发展现状在发现高温超导材料以前，世界上就已经开展了低温超导变压器的研制工作。发现高温超导材料以后不久，高温超导变压器就被列入了研发计划。目前HTS变压器的研制主要有两个方向：（1）电力变压器；（2）电力机车用牵引变压器。HTS变压器的研发主要集中在西方发达国家，主要有三个研发区域，分别是美国、日本和欧洲。中国在“十·五”863计划中分别开始了HTS电力变压器和HTS牵引变压器的研制工作。从世界第一台HTS变压器的问世至今，HTS变压器的发展可以分为2个阶段，第1阶段为研究阶段，第2阶段为α型样机阶段。表〈3〉第1阶段的高温超导变压器研制公司名称研制周期额定容量电压等级ABB~1997630kVA18.7/0.42kVSiemens~100kVA5.5/1.1kVKyushuUniversity~1996500kVA6.6/3.3kVWaukesha~19971000kVA13.8/6.9kV第1阶段研制的高温超导变压器，容量均小于或等于1MVA，电压等级均低于20kV，具有明显的研究性质。表〈4〉第2阶段的高温超导变压器研制公司名称研制周期额定容量电压等级ABB1998~10MVA69/15kVSiemens20021000kVA25/1.389kVKyushuUniversity~20001000kVA22/6.9kVWaukesha1998~20045/10MVA138/13.8kV第2阶段研制的高温超导变压器，容量均大于或等于1MVA，电压等级均高于20kV，已经具有α型样机特性。电力机车用HTS牵引变压器Siemens，LINDE&GECAlsthom合作研制10MVA电力机车用HTS牵引变压器，目标是德国高速铁路系统。该计划的目标是采用高温超导技术把12t的牵引变压器减轻为7.7t。P[3]PSiemens公司认为与传统牵引变压器相比，高温超导技术的应用可以将牵引变压器的效率由94%提高到99%、体积减少30~40%。该项联合计划已经相继研制出了100kVA和1000kVA的高温超导牵引变压器，其中1000kVA的高温超导牵引变压器是一个完整的系统。下一步的目标是10MVA级的高温超导牵引变压器。表〈5〉高温超导线材的性能指标（Sienmens公司1000kVA高温超导牵引变压器）测试项目测试结果导线净尺寸3.65×0.258mm临界电流Ic（77K，自场）45.5A临界电流Ic（65K，自场）85.8A临界电流Ic（65K，0.1T平行场）71.9A临界电流Ic（65K，0.1T垂直场）33.9AACloss（77K，50Hz，0.1T平行场）0.89mW/AmACloss（77K，50Hz，0.1T垂直场）12.3mW/Am临界电流Ic（施加30N张力后）99.2Ic临界电流Ic（弯曲成70mm直径圆后）99.2Ic临界电流Ic（弯曲成-200mm直径圆后）98.8Ic注：高温超导线材由VacuumschmelzeGmbH生产。HTS电力变压器在全球高温超导电力变压器的研制过程中，美国的研制计划——SPI合作计划具有很强代表性。HTS电力变压器项目是SPI合作计划的一个子项目，其目的就是确定HTS变压器的技术和经济可行性，研制出HTS电力变压器并昀终从中受益（容量10MVA）。该合作计划包括了变压器制造商、电网公司、国家实验室等一些相关的组织结构。在该计划的成功组织下，HTS变压器项目进展的十分顺利。在1998年研制成功1MVA高温超导电力变压器后，Waukesha公司研制的5/10MVA高温超导电力变压器在克服了一系列技术难题后也于2004年走出了装配厂房。SPI合作计划中的HTS电力变压器研制计划分为3个阶段：第一阶段：论文研究，1MVA试验型高温超导变压器的设计、制造和试验。（已完成）；第二阶段（SPI）：30MVA高温超导变压器的概念设计，材料和附件的验证试验。5/10MVA高温超导变压器α型样机的设计、制造和试验；（进行中，接近尾声）第三阶段：30MVA高温超导变压器β型样机的设计、制造和试验。图〈1〉5/10MVAHTS变压器的α型样机从世界第一台高温超导变压器问世，高温超导变压器的技术有了很大的提高。从日本1996年、2000年先后研制的HTS变压器可以看出，HTS线材的交流损耗有了很大的降低，并且变压器的电气绝缘也能经受住了高电压试验的考核。表〈6〉日本HTS变压器的性能技术指标额定容量500kVA1000kVA额定电压6.6/3.3kV22/6.9kV额定频率60Hz60Hz运行温度77K77K漏热1020W~交流损耗1280W206W空载损耗3200W（1.6T）2289W（1.7T）效率99.1%99.4%Bi-2223Bi-2223纯AgAg-Mn合金61芯61芯HTS线材≥35A（77K，自场）45.5A（77K，自场）雷电冲击~100kV（峰值），全波，通过工频耐压~50kV，1min，通过昀大过电流~5倍额定电流，0.2s，无失超当前，高温超导电力变压器的研制大致有3类关键技术需要解决：（1）新功能类；（2）新组件类；（3）新材料、新结构类。新功能类的关键技术——过负荷功能超导材料在其临界温度以下具有临界电流随温度的下降而升高的特性，因此具备很强的过负荷能力。在表〈5〉中，77K时Bi-2223线材临界电流为45.5A，而在65K其临界电流为85.8A，随着运行温度的降低，其Bi-2223线材临界电流提高了88.6%，这意味着变压器的容量可以提高88.6%。同时必须指出的是，变压器在过负荷运行期间，其绝缘不会加速老化，因为其运行温度不是随过负荷的升高而升高，反而降低了。新组件类的关键技术——制冷组件、绕组的非金属杜瓦无论HTS变压器是液氮冷却还是直接传导冷却，都必须有制冷系统。其中制冷系统好坏直接关系到变压器的性能和安全运行。制冷组件是HTS变压器的关键组件。绕组的非金属杜瓦用于把绕组运行的低温环境与外界室温环境隔离开。传统的低温杜瓦一般由金属制成，而且其超级绝热层一般也是镀铝的薄膜，交变磁场在金属杜瓦中产生的涡流损耗是一个必须认真考虑并解决的问题。非金属杜瓦将一个很好的选择，但其绝热能力题尚需进一步提高。新材料、新结构的关键技术交流损耗。高温超导变压器的负载损耗很大程度上决定于HTS线材的交流损耗，因此降低HTS线材的交流损耗是一个必须解决的关键技术。资料表明，只有把HTS线材的交流损耗降低到0.25mW/Am的水平，HTS线材才能适用于制造30~40MVA的变压器。绝缘材料及结构。高温超导变压器的绕组需要浸泡在液氮中或者由制冷机传导冷却，因此给变压器的绝缘材料和绝缘结构带来了新的挑战。以往传统的绝缘材料将有一部分不适用于这种低温环境，此外以往油浸变压器的油-纸绝缘结构也将不适用。4高温超导变压器的应用前景环境收益高温超导变压器的效率将大大高于传统油浸变压器，因此将节约可观的电能，也就减少了对化石能源的需求，减少了因燃烧化石能源而产生的温室气体等各种污染物。我国电网的网损在7.5%~8.5%之间，这其中包括了各种输变电设备的能耗，变压器能耗也是其中的一个重要组成部分。我国电力生产消耗的化石能源中，煤的比例高达70%，而且这一比例将在未来几十年中长期保持。因此发展节能技术将是我国解决能源问题的一个重要手段，同时也是我国环境保护的一个重要手段。美国能源部的研究表明，其国内总发电量的7.34％以上（仍在上升）是通过输配电网络损失的。高温超导技术在输配电网络网络的应用能够将此损失减少一半。这意味着至少能使让电力需求下降约3.67％，可节省生产电力的相关燃料数量，减少温室气体、污染和资源消耗等。1995年，美国发电设备总装机容量（包括公用事业和非公用事业）是776365MW，其中54％是燃煤发电。此54％数量的3.67％是15386MW。如果将燃煤发电量通过应用高温超导技术的输配电网络输送，则根据现在的燃煤技术，可以每年（1995）少排放13100万吨的COB2B、24232吨的NOBXB和846000吨的SOBXB。市场预期根据美国能源部的预测，包括需更新的变压器在内，今后美国变压器总市场的增长分别为2.5%或1.4%。变压器的平均使用寿命估计为30年。因此，