一种高温超导变压器的优化设计:复合带宽及多间距结构（英文）

高温超导变压器由于具有体积小,交流损耗低等优点而在电网中占有非常重要的作用.本文设计了一种三相1 MVA容量的混合行高温超导变压器,为10 MVA大容量的高温超导变压器的设计提供技术经验.其中,高压绕组采用常规Cu导线;低压绕组采用YBCO第二代高温超导带材,由12个饼并联绕制而成.为了优化其结构,采用了有限元分析方法,在Opera-3D中建立了"磁-路"耦合模型并进行计算.计算结果表明,低压线圈中的电流分布不均匀,导致了材料的浪费并且可能造成线圈损坏.因此,我们采用复合带宽线圈替换相同带宽的线圈,即:12根带材的宽度与其承载的电流的大小成正比.结果给出了复合带宽线圈中每个饼的电流分布情况,表明复合带宽线圈可以应用于变压器中.同时,为了提高低压线圈中电流的均一性,我们提出了多间距结构,并且将实验电流与临界电流的比值定义为电流均一度.结果显示修改后的设计有更好的电流均一性.     

兆瓦级单边高温超导变压器设计及电磁特性分析

超导材料载流能力的提升及价格的下降,使得超导变压器在电力方面的应用具有广泛的前景.本文设计了一种三相1MVA级单边高温超导变压器并进行了电磁仿真计算.该变压器的铁芯为三柱式;高压绕组采用常规铜线材进行绕制,采用分段式结构;低压绕组使用铜包覆的第二代高温超导带材,由8饼线圈并联组成,并放置在装有液氮的复合玻璃钢杜瓦内.为了验证设计的合理性,使用有限元方法,对该变压器进行了数值分析,电磁仿真结果与设计值相符,对后续的经济实用型超导变压器制造具有指导意义.     

高速动车组用高温超导变压器的绕组结构优化设计和线圈批量绕制

从高速动车组用6 .6 MVA 高温超导变压器样机的总体设计和电磁方案出发, 根据国产高温超导线材的性能和结构特点, 开发并掌握了满足变压器样机耐压要求的高温超导线材绝缘包覆工艺, 确定了样机高压和牵引绕组用高温超导线材的截面规格. 在此基础上, 考虑工程化需要, 优化设计了构成绕组的串、 并联饼式线圈, 提出了线圈骨架结构和组装、 串联焊接、 并联线材交叉换位等方案. 之后, 成批试制了实验线圈, 得到了满意的临界电流测量结果, 验证了线圈设计和工程化方案的可行性.     

5 kVA高温超导变压器双饼线圈不同有限元模型对比分析

本文基于5 kVA 高温超导变压器的高压绕组双饼线圈, 运用有限元软件, 完成了均质化建模. 相比于全模型, 采用均质化模型不仅不影响计算精度, 而且大大减少了计算时间, 同时能够快速有效地计算出双饼线圈的磁场分布、 电流密度分布以及线圈交流损耗. 为了验证双饼线圈有限元计算模型的正确性, 本文进行了 H 方程全模型、H 方程均质化模型、T-A 方程全模型及T-A 方程均质化模型下的对比仿真分析. 仿真结果的一致性表明了双饼线圈有限元计算模型的正确性. 本文为后续基于T-A 方程下高温超导变压器均质化模型的研究提供了参考.     

0.5MJ高温超导储能磁体设计分析与研究

高温超导储能磁体(HTS-SMES)是电力系统中的重要应用.文中设计了一种0.5MJ级SMES装置,采用YBCO高温超导带材绕制为14组线圈饼,每组线圈饼由四个单饼线圈组成,设计工作温度为20K,工作电流100A.SMES装置在运行时,中心磁场接近3T,保证高磁场下YBCO带材的临界电流是SMES装置正常运行的必要条件.文中通过有限元的方法分析了运行工况下SMES装置的漏磁场,线圈内磁感应强度的分布,在该磁场条件下带材性能满足运行条件.通过电磁,结构耦合计算与冷却过程的应力分析,得到了线圈上的米塞斯应力与形变,满足储能磁体运行的条件,可以为SMES装置的设计和运行提供参考.     

一种基于阶梯电流的高温超导储能磁体优化方法

高温超导带材的各向异性特性一直影响着它工程使用中性能的充分发挥,为了提高带材的利用率,本文提出了一种基于阶梯电流的优化方法,利用MATLAB对YBCO高温超导储能单螺管磁体的结构进行优化获得初步模型,对双饼线圈进行分组,以两阶梯电流和三阶梯电流为例对磁体进行了优化.分析了各组双饼线圈的磁场分布和临界电流,计算了各部分带材性能的利用率.利用有限元软件分析阶梯电流引起的磁场变化,在充分考虑带材的临界特性和各向异性的前提下优化各组线圈的电流大小.仿真计算表明,和统一电流磁体相比,采用阶梯电流法能够优化磁体磁场构型,提高平均储能密度,最终提高磁体带材的利用率从而提升储能.阶梯电流法同样适用于多螺管磁体,对于超导储能磁体的优化是一种行之有效的方法.     

45kVA/2.4kV单相高温超导变压器的设计和试验

为了研究630kVA/10.5kV三相高温超导变压器突发短路情况下热稳定性以及机械稳定性的问题,开发了45kVA(2400V/160V,18.75A/281.25A)单相高温超导变压器.铁心为单相三柱式铁心;杜瓦为带有室温孔的玻璃钢杜瓦,可以保证铁心处在室温下并与绕组隔绝;导线采用Ag合金包套不锈钢加强Bi2223多芯高温超导带材,高压绕组为多层圆筒式绕组,各层间分别置有层间绝缘和冷却通道,低压绕组采用饼式结构;为减小引线的漏热,低压引线采用优化的气冷引线.采用有限单元法(FEM)分析了该变压器电磁、机械问题,并对其进行了基本的性能试验以及突发短路试验,得到重要意义的结果.     

高温超导变压器绕组的研究现状与设计技术展望

高温超导变压器是通过用高温超导带材取代铜导线绕制超导绕组,液氮取代变压器油作为冷却介质,超导绕组在液氮环境中运行,以达到提高能效并减少电力传输损失的变压器。针对高温超导变压器的绕组设计,从超导变压器的绕组材料、绕组结构、绕组布局三方面比较了近年内美、日、韩、中国等具有代表性的高温超导变压器绕组的研究现状,通过综合比较和分析国际上各种主流复合超导体的结构特征,设计方法等关键技术,提出了未来高温超导变压器的绕组设计需要以提高临界电流,减少绕组漏磁场尤其是其径向分量,以及降低交流损耗为目标。     

超导变压器绕组环流及漏磁场计算

高温超导变压器的漏磁场降低绕组中的临界电流并增加交流损耗;超导材料的零电阻特性使得绕组限制环流的能力极低.因此,在设计超导变压器时,进行磁场分析和环流计算显得尤其重要.本文采用场-路结合的方法,即在用ANSYS求得反映变压器各支路之间电磁耦合的电感矩阵的基础上列出电路方程,计算了变压器低压绕组5种不同形式的各支路电流分布,并进而分析了磁场.同时提出了减小环流和改善磁场分布的一些措施.     

基于YBCO的3MJ超导储能线圈模型样件的测试

高温超导储能磁体(HTS-SMES)是超导在电力系统中的重要应用之一。项目设计的3MJ级SMES装置采用YBCO高温超导带材绕制为16组线圈饼,每组线圈饼由8个双饼线圈组成,工作电流超过500A。文中选取3MJ储能线圈中的1个双饼作为模型样件,在完成该模型样件制造及装配后,对其进行了77K液氮环境下的临界电流、磁场分布、应力应变等项目的测试,测试结果满足测试样件的设计条件,可以为工程化SMES装置的设计和运行提供参考。     

高温超导空芯脉冲变压器的可行性研究

为了研究高温超导空心脉冲变压器的可行性,文中建立了一个由五个超导双饼组成的空芯脉冲变压器模型.采用有限元方法对变压器模型的电感矩阵进行计算,并在此基础上分析了两种不同的绕组联接方式.我们制作了一个由五个高温超导双饼组成的实验用空心脉冲变压器.由于环流的影响,实验结果部分与期望值相符,对高温超导空心脉冲变压器的设计具有一定参考意义.     

基于三维场路耦合方法的超导变压器绕组漏磁场和电流分布研究

超导带材的零电阻特性使得绕组限制环流的能力大大降低。此文利用有限元仿真软件,采用三维场路耦合方法,在330k VA高温超导变压器低压侧绕组间气隙采用4种不同排列方式的情况下,分别分析了绕组漏磁场和电流分布。研究表明,两端的双饼绕组漏磁场和电流高于其它双饼绕组;采用ISOB气隙方式排列的中部双饼绕组电流低于平均额定电流而采用IBOS气隙方式排列的中部双饼绕组电流高于平均额定电流;在4种排列方式中,采用ISOB气隙方式排列可以降低电流分布的不均匀程度,而采用IBOS气隙方式排列可以降低漏磁场的大小。研究综合表明,采用双饼绕组气隙由中间以定值向两边递增的排列方式不仅可以减小环流,而且可以改善磁场分布。     

用于46 T全超导磁体装置的26 T REBa2Cu3O7-δ高温超导内插磁体电磁设计研究

REBa2Cu3O7-δ(REBCO)高温超导带材具有良好的电磁性能和机械强度,现已成为开发极高场超导磁体的重要基础材料.本文基于T-A 方程提出了一种极高场REBCO 内插磁体的参数化设计方法,该方法在计算中考虑了超导屏蔽电流对磁体中心场强和应变分布的影响,采用分步优化的方式从内向外依次确定各超导线圈的结构参数,每个线圈的优化过程相对独立.基于该设计方法,本文给出了46T全超导磁体中26TREBCO 内插磁体的电磁设计方案,确定了主要线圈参数和工作电流.该内插磁体由4个线圈同轴嵌套串联组成,每个线圈都由REBCO带材绕制而成的双饼线圈(Double Pancake, DP)堆叠而成.基于当前模型计算结果,在给定的20T背景场中,当内插磁体工作电流达到290A时,磁体中心场强可达46T;高温超导线圈中最大环向应变为0.61%,仍然处于危险区域.     

45kVA／2．4kV单相高温超导变压器的设计和试验

为了研究630kVA／10．5kV三相高温超导变压器突发短路情况下热稳定性以及机械稳定性的问题，开发了45kVA（2400V／160V，18．75A／281．25A）单相高温超导变压器．铁心为单相三柱式铁心；杜瓦为带有室温孔的玻璃钢杜瓦。可以保证铁心处在室温下并与绕组隔绝；导线采用Ag合金包套不锈钢加强Bi2223多芯高温超导带材。高压绕组为多层圆筒式绕组．各层间分别置有层问绝缘和冷却通道，低压绕组采用饼式结构；为减小引线的漏热，低压引线采用优化的气冷引线．采用有限单元法（FEM）分析了该变压器电磁、机械问题，并对其进行了基本的性能试验以及突发短路试验。得到重要意义的结果．     

高温超导混合脉冲变压器的研制与放电测试研究

为了利用脉冲变压器模式有效提升输出电流,介绍了一种在常规脉冲变压器基础上引入超导技术混合应用的方法.通过理论分析和参数计算,研制出了由3个超导双饼绕组和2个单饼式铜绕组组成的实验用高温超导混合脉冲变压器.对研制好的混合变压器进行脉冲放电测试,实验结果表明:在初始电容器充电610V的条件下,变压器副边实现2.6kA的大电...     

高温超导变压器绕组端部分磁环的优化设计与研究

本文采用有限元方法研究了低损耗分磁环对高温超导变压器绕组端部漏磁场分布、线圈所承受的电磁力以及高温超导线圈交流损耗的影响,并以高温超导线圈交流损耗最小和并联超导绕组间环流最小为目标,对分磁环的结构参数进行优化.结果表明,分磁环对提高高温超导变压器的性能有一定的作用.     

三相行波磁场中涂层超导线圈的电-磁-力特性研究

随着超导线圈在电力领域中的应用越来越广泛,该文利用有限元仿真软件对处于交变磁场中载流高温超导带材的电-磁-力特性进行了研究,通过超导体的非线性E-J本构关系和基于棱边元法的磁场强度法来求解超导线圈内的电流分布、线圈周围的磁场分布及其受到的电磁力大小等电磁特性,重点研究了在以涂层超导磁体为励磁线圈的直线牵引系统中超导线圈和三相绕组之间的电磁力大小.基于仿真结果,分析了超导线圈内电流分布随气隙的变化关系;线圈周围的磁场分布情况及其对超导线圈临界电流的影响;线圈受到的电磁力随时间和气隙的变化关系等,所得结果为高温超导直线电机的设计和应用提供参考依据.     

高温超导磁体系统发热仿真及实验研究

本论文对高温超导磁体在传输直流电流时产生的损耗进行了理论分析和实验验证.本文考虑了高温超导带材非线性模型磁场方向对带材临界电流和n值的影响,用Bi2223超导带材绕制了(一个由20个双饼组成的高温超导磁体,用数值仿真和实验方法研究了此磁体传输直流电流时的指数损耗.并对每个双饼以及每匝线圈的损耗进行了分析.在液氮温度下对一个双饼线圈进行了指数损耗的测量,测量结果与数值仿真结果相当吻合.利用高温超导体临界电流此非线性模型,本文对此磁体快速励磁情况下的交流损耗的特点进行了数值模拟.     

一种YBCO带材及其单饼线圈的失超传播特性分析

对一种YBCO涂层的高温超导带材及其单饼线圈进行了失超传播特性的实验测试与分析。实验测试在77K温度的液氮环境下进行,给带材通入恒定直流电流,使用加热丝给带材上一点提供脉冲热扰动,主要测量了超导带材及单饼线圈失超传播过程中的最小失超能和失超传播速度。实验结果表明YBCO超导带材及其线圈的失超传播速度随电流升高而增大,最小失超能随电流升高而减小,线圈中径向传播速度要远小于纵向传播速度。     

用于脉冲电源的高温超导脉冲变压器模型及其参数影响分析

高温超导脉冲变压器用于能量存储以及电流脉冲放大,是电感储能型脉冲电源的重要设备。为了合理地设计高温超导脉冲变压器线圈的几何参数,满足脉冲功率系统体积小型化和储能密集化的发展趋势,本文选择了同轴饼式线圈叠加结构的脉冲变压器模型,利用有限元仿真软件Ansoft Maxwell进行建模仿真,分析了几何参数对高温超导脉冲变压器原边超导线圈的临界电流密度、储能容量、线圈中超导带材的受力以及变压器耦合系数的影响。通过对仿真结果的综合分析,得出原边超导线圈的高厚比小于0.3时,小型高温超导脉冲变压器可以获得较高的性能,为脉冲功率技术的基础性实验验证研究提供了一定的理论基础。