高温超导变压器技术概述及发展现状

龙源期刊网高温超导变压器技术概述及发展现状作者：王银顺来源：《新材料产业》2017年第09期由于超导变压器绕组采用电阻为0、且电流密度高于常规导体的超导材料以及液氦或液氮低温介质冷却和绝缘，所以与常规变压器相比，超导变压器具有损耗小、质量轻、绕组体积小、环境友好和无火灾危险等优点，引起国际上工业界的广泛兴趣。早在20世纪80年代，美国首次提出了基于低温超导体NbTi的1000MVA以液氦为低温介质的低温超导变压器[1]，并相继成功开发了各种形式的低温超导变压器试验样机[2-5]。然而，由于低温超导变压器工作于液氦温度，制冷费用极高，制冷设备复杂、庞大，很难实现商业化，停止了研发低温超导变压器技术。1986年发现了工作于液氮温度的高温超导材料，到1990年代中期，高温超导线材取得了很大进展，其后国内外研发成功了多种高温超导变压器，部分实现了挂网试验运行。本文简要介绍高温超导变压器基本结构和近十几年来有关高温超导变压器研究和开发概况。一、超导变压器结构概述龙源期刊网一般结构超导变压器的结构介于常规干式变压器和油浸式变压器结构之间，其一般结构如图1所示，主要由超导绕组、非金属低温容器、常规铁芯和套管4部分构成。超导绕组运行于低温液氮介质中，铁芯运行在室温温度。与常规变压器油作用相似，液氮起冷却和绝缘作用。常规变龙源期刊网压器绕组运行于室温温度（环氧浇注干式变压器）或变压器油中，高温超导变压器绕组由高温超导线材绕制并置于充满液氮77K（-196℃）的非金属低温容器中。超导变压器损耗主要由冷损耗和室温损耗构成。冷损耗由超导绕组交流损耗、通过电流引线向液氮中的漏热及损耗组成，室温损耗是由铁芯中产生的磁损，亦即常规变压器中的铁损。2.非金属低温容器常规的低温容器一般采高强度、高密质的材料制作，如玻璃和不锈钢材料。不锈钢制作的低温容器属于金属容器，适用于交流（无感）或直流超导电力装置。超导变压器低温容器为中心有室温孔径（供铁芯穿过）的环形低温装置，超导绕组和环形低温容器套在铁芯柱上，金属环形低温容器相当于变压器副边一匝短路绕组，所以金属低温容器不能用于超导变压器。因此，超导变压器只能采用非金属低温容器，虽然玻璃低温容器满足超导变压器要求，但是其容易损坏，不适合工业电力装置应用。目前，超导变压器均采用玻璃钢低温容器。玻璃钢低温容器与常规金属低温容器结构相似，所不同的在绝热防辐射层上；常规金属低温容器真空防辐射层铝箔不用切缝，玻璃钢低温容器真空防辐射层铝箔需要有“切缝”，以避免形成短路环。其次，常规金属低温容器真空夹层附加活性炭（半导体材料）作为吸气剂，玻璃钢低温容器使用分子筛（绝缘材料）作为吸气剂。图2（a）所示为超导变压器截面示意图，包括低温容器、高低压超导绕组、铁芯柱和低温介质。图2（b）铝箔带窄“切缝”的防辐射绝热层主视示意图，图2（c）是图2（b）的横向截面示意图。吸气剂采用有机13X分子筛。图3为单相超导变压器用环形玻璃钢低温容器的实物图，铁芯穿过中心室温空间，低温容器同心地套装于铁芯上，铁芯运行在室温温度，低温容器中环形空间用于安装超导绕组后充入液氮，以维持低温环境。放气是玻璃钢的本征特性之一，所以玻璃钢低温容器的真空度很难长时间维持，低温环境难以长期保持。为此，需要对玻璃钢低温容器进行定期抽真空，成为其能够长期运行的缺点。此外，虽然玻璃钢强度与不锈钢相当，但是在室外紫外线作用下，容易老化，不适宜长时间在暴露的空间使用。龙源期刊网二、高温超导变压器的研究进展目前，国际上开展研发的高温超导变压器主要有3种类型：电力变压器、机车（牵引）变压器和限流变压器。下面以3类具有代表性的国内外超导变压器进行介绍。龙源期刊网国外研究进展（1）电力变压器①瑞士世界上首台三相630kVA、18.72kV/0.42kV、11.2A/866A高温超导变压器由ABB公司与美国（AMSC）超导公司合作完成，其阻抗为4.6%，绕组采用第1代Bi2223超导线绕制，并于1997年成功地在日内瓦电站进行了近1年的挂网试验运行[6]。铁芯为常规变压器硅钢片。图4为其现场运行试验现场。②日本日本也是开展高温超导变压器比较早的国家。1997年，东京电力公司（TEPCO）与九州大学合作完成了单相500kVA/6.6kV高温超导变压器，分别在温度77K和66K下完成了型式试验，图5为其样机实物图片[7]。不久，九州大学单独研发了一台单相1MVA/22kV高温超导变压器，并进行了一系列实验验证。2003年，九州大学研制完成了一台2MVA/66kV单相高温超导变压器样机，并开展了有载、空载和雷电冲击试验[8]，图6为该样机实物图片。③美国龙源期刊网年，Waukesha电力公司联合橡树岭国家实验室，为了给30MVA工业化三相高温超导变压器的开发积累经验，采用Bi2212超导线完成了单相1MVA/13.8kV高温超导变压器样机[9]。2004年，它们又联合Superpower公司，采用银包套多芯Bi2223高温超导线研制了一台5/10MVA/24.9kV三相高温超导变压器样机[10]，图7为该样机实物图片。④韩国从2000年开始，韩国开始进行高温超导变压器的研发工作，其研发计划分3个阶段：第1阶段和第2阶段采用第1代高温超导线分别开展1MVA/22.9kV单相和60MVA/154kV三相高温超导变压器样机；第3阶段采用第2代高温超导线开展100MVA/154kV单相高温超导变压器样机。在完成了10kVA/0.44kV单相高温超导变压器原理样机的基础上，成功研制出一台单相1MVA/22.9kV高温超导变压器样机，并通过了变压器性能测试试验，其实物照片如图8所示[11]。⑤新西兰2011年，新西兰首次采用由第2代高温超导线制备的Roebel电缆开展1MVA/11kV三相高温超导变压器的研发工作[11]。图9为其概念结构示意图，2013完成了验证试验。在过去的十几年里，国际上除了以上几个主要国家之外，俄罗斯、法国、意大利、匈牙利、捷克以及西班牙等国家集中于高温超导变压器原理样机的研究，但是未实现挂网试验运行。⑵机车（牵引）超导变压器德国和日本是国际上开展机车（牵引）超导变压器的主要国家，其他国家鲜有涉猎这方面的研究工作。①德国龙源期刊网年，Siemens公司与Alsthom联合开展单相100kVA/5.5kV/1.1kV高温超导机车牵引变压器的原理性研究工作，在完成有载和空载等试验之后，2001年完成了一台单相1MVA/25kV/1.4kV机车牵引超导变压器样机[12]。相关性能试验表明，该变压器具有的阻抗为25%，与常规机车牵引变压器阻抗相当。图10为实物图片。②日本从2004年开始，日本铁路技术研究所与九州大学和富士电气公司合作开展机车牵引高温超导变压器的研发工作，图11是为新干线轨道股份有限公司研发的单相4MVA/25kV/1.2kV机车牵引超导变压器实物图，并通过相关试验[13]。⑶限流超导变压器限流超导变压器即具有变压器的功能，同时又具有限制短路电流的作用，将变压器和限流器合二为一。在线路正常情况下，是一台变压器，增加系统稳定性和提高线路传输容量；在线路故障情况下是一台故障限流器并提高系统动态稳定性[14]。一般情况下，原边绕组采用常规电磁线绕制，副边绕组采用超导线绕制。①德国2010年，德国卡尔斯鲁厄研究中心（FZK）采用第2代高温超导带线材（ReBCOCC）失超后的高电阻率特性，设计完成60kVA/1kV/0.6kV单相限流高温超导变压器样机，该样机原边绕组采用常规铜导线，副边绕组采用ReBCO线绕制，并成功地完成了额定运行实验和失超及其恢复特性实验[15]。图12和图13所示分别为组装前后的单相限流高温超导变压器样机实物图。②日本龙源期刊网年，日本名古屋大学完成了一台2MVA/22kV/6.6kV单相高温超导限流变压器原理样机，具有将预期短路故障电流减小48%的限流能力，图14为其实物装置[16]。2012年，日本九州大学利用ReBCO线材研发了一台10kVA/396.3V单相超导限流变压器原理样机，其原边和副边绕组具有辅助绕组，图15为实物图片[17]，并进行了实验，验证了该变压器的限流能力。无辅助绕组的20MVA/66kV限流超导变压器样机是他们的下一个目标。③美国2014年，Superpower公司（日本古河电气公司）联合美国南加州Edision公司和休斯顿大学计划合作研发一台三相28MVA/70.5kV/12.47kV超导限流变压器样机，预期可将故障电流减小30%～50%[18]。该样机原副边绕组均采用ReBCO线绕制。图16是其概念示意图，完成后计划安装在南加州EdisionMacArthur电站试验运行。此外，美国、英国、意大利、韩国、俄罗斯、波兰、伊朗、以色列等国家也开始进行超导限流变压器的研究，但是截至目前，所有研究在实验室进行原理样机研究，还未到挂网样机研究阶段。2017年报道，日本铁路研究所提出铁路电气系统用整流超导限流变压器概念[19]，进一步拓宽了限流超导变压器的应用。2.国内进展国内进行高温超导变压器研究比国外晚5年左右。在科技部和相关企业的支持下，开展了高温超导电力变压器和机车（牵引）高温超导变压器样机和原理样机的研究。⑴电力变压器2005年，中国科学院电工研究所与特变电工合作，在国家“863”计划支持下，完成了一台630kVA/10.5kV三相高温超导变压器试验样机，该变压器铁芯采用非晶合金铁芯、三相五柱结构，图17是其组装完成后的实物图片。在液氮温度该变压器经过了型式实验，于2005年11月成功地在新疆昌吉进行了挂网试验运行[20]。2014年，在甘肃省科学技术厅的支持下，白银有色长通电缆有限公司与中国科学院电工研究所合作完成了一台1.25MVA/10.5kV三相高温超导变压器，该变压器铁芯采用常规硅钢片材料。该变压器在甘肃白银科技工业园10kV变电站成功挂网试验运行，图18是变压器运行现场照片。龙源期刊网⑵单相300kVA/25kV高温超导机车牵引变压器2005年，在国家“863”计划支持下，南车株洲电力机车有限公（原株洲电力机车有限公司）联合华中科技大学，完成了一台300kVA/25kV单相高温超导机车牵引变压器样机[21]。实验表明，去除制冷损耗，样机效率达99.87%。目前，上海超导科技股份有限公司、上海上创超导科技有限公司、中国电力科学研究院等正在进行高温超导电力变压器项目研发。龙源期刊网三、结语进过近20年的发展，虽然国内外高温超导电力变压器研究取得了很大进展，并有几台成功地进行了挂网试验运行，高温超导变压器技术似乎为其实际应用做好了技术准备；但是在国际上相关超导变压器研究逐渐减少[22]。超导变压器的实际应用面临很大挑战：①高温超导材料的价格偏高、低温制冷运行费用等问题，使得小容量高温超导变压器与等容量的常规变压器相比在经济上没有明显优势。只有容量超过10MVA时，高温超导变压器才具有经济优势。②在高压或超高压等级应用场合极其困难：实用超导材料厚度仅为0.1mm左右，绝缘处理困难，也容易产生尖端放电；为了改善绕组波分布和提高雷电击穿强度，采用常规连续式、插入屏蔽式以及纠结式技术工艺对于高温超导变压器绕组制造几乎不可能实现。③非金属低温容器技术：不同于不锈钢低温容器