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。     

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.     

不同绕组结构的高温超导变压器漏磁场分析

高温超导带材具有各向异性,带材所处的漏磁场,特别是径向漏磁场会直接影响其载流能力和交流损耗。对高温超导变压器不同绕组结构的漏磁场进行对比分析,研究减小绕组端部径向漏磁场的方法。以1250k VA高温超导变压器为例,利用Ansoft Maxwell有限元软件,建立模型并进行暂态漏磁场分析,得出漏磁场分布较好绕组排布方式。     

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.     

结构参数对高温超导绕组线圈磁化损耗影响分析

为了研究高温超导电力设备的绕组密度对其磁化损耗的影响,优化绕组线圈结构,减小交流损耗。利用有限元仿真软件,建立了多匝双根单饼线圈绕组的二维轴对称模型。在外加交变磁场条件下,分别改变超导绕组线圈匝数、匝间间距,分析磁化损耗的变化规律。结果表明,线圈间存在屏蔽作用,在一定范围内,超导线圈匝数越多,磁化损耗越小,匝间间距与超导线圈的磁化损耗正相关。     

超导变压器绕组带材抗短路冲击特性研究

为了研究超导变压器绕组带材的抗短路冲击的能力,制备了四组实验样品,用以模拟超导变压器原、副边绕组的运行环境,实验研究了超导带材并联不锈钢带材的抗短路冲击特性。实验结果表明,超导带材并联不锈钢带材后的抗短路冲击能力有明显的提升,这对超导变压器的研发与制作具有重要的应用参考价值。     

45 kVA单相高温超导变压器交流损耗特性研究

本文研究以多芯不锈钢加强Bi2223/Ag带材绕制的45 kVA单相高温超导变压器的交流损耗特性.变压器绕组置于具有室温孔径的环形玻璃钢杜瓦内,铁芯穿过杜瓦室温孔径以保证铁芯与绕组分离并工作于室温环境.在77 K和工频下,基于Bean模型和绕组中的磁场分布计算了绕组的交流损耗,计算结果与传统电测法和热测法测量的变压器交流损耗结果一致;表明在77K绕组中交流损耗以磁滞损耗为主,涡流损耗和耦合损耗可以忽略不计.     

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.     

智能电网超导装备的电磁设计与暂态特性分析

基于第二代高温超导材料的超导变压器和超导电缆作为智能电网超导设备,可以灵活应对电力系统发生短路故障等暂态环境,保证电网稳定运行。针对31.5 MVA,110 kV/10.5 kV的超导变压器和10.5 kV/1.85 kA的三相同轴电缆的联合运行开展电磁设计和暂态特性分析,提出了超导设备的结构参数和电气参数,建立了基于MATLAB和PSCAD/EMTDC包含可变电阻、损耗和电抗的仿真模型,仿真结果显示,超导变压器具有限流功能,配合超导电缆运行,超导电缆的出口短路电流降低了21%,大幅降低超导电缆的出口短路电流和故障中的产热,对于线路制冷系统和后续恢复具有重要意义。     

超导可控电抗器低温系统冷却管道设计

35k V超导可控电抗器工作在70K温区和交流工况下时,由于交流损耗和杜瓦漏热等因素影响,超导双饼端部及杜瓦内壁会产生温升,引起局部失超。文中对超导可控电抗器使用低温过冷液氮冷却进行了分析,调节冷却液流量,改变冷却管道分布和冷却液入口温度,进行了冷却效果的对比分析。仿真结果表明,增大冷却液流量、均匀分布冷却管道和降低冷却液入口温度能够降低杜瓦内温升。     

五柱式超导变压器磁路饱和特性分析

磁路饱和现象对变压器的安全稳定运行有很多负面影响。文中从变压器理论出发,重点分析Yyn连接法的三相五柱式铁芯超导变压器在磁路饱和情况下的工作特性,同时建立超导变压器有限元模型精确分析超导变压器的磁场分布特性和感应电动势波形。通过理论与仿真相结合的方法,得到超导变压器与常导变压器磁路饱和特性的不同点,对超导变压器的安全稳定运行提出建议。     

基于RBF-PID的超导变压器励磁电源控制系统研究

超导导体测量装置中的超导变压器由于次级线圈接头电阻的损耗会引起次级电流的衰减,为了克服次级电流衰减的影响,改善超导变压器的输出性能.对超导变压器原理进行分析,建立超导变压器数学模型,采用一种基于RBF-PID算法对超导变压器励磁电源进行控制.在MATLAB/Simulink中搭建超导变压器控制系统仿真模型,结果表明,与传统PID控制系统相比,RBF-PID控制系统的响应速度更快,超调量更小,鲁棒性能更好.     

脉冲变压器锥形绕组感应系数矩阵简化计算方法

 在进行脉冲变压器多匝数（实际变压器绕组匝数多达4000以上）锥形绕组电压分布仿真时,绕组感应系数矩阵巨大的计算量是制约其实现的瓶颈之一。为了克服此瓶颈,研究了绕组感应系数矩阵的规律性,指出感应系数存在端部效应,且线圈间的互有感应系数随间距衰减很快。在此基础上提出了脉冲变压器锥形绕组感应系数矩阵的简化计算方法,对多匝数绕组,该方法能传统方法所需的n(n+1)/2步减少至2n+25（n为绕组匝数）,大大减少了计算量,使多匝数绕组的仿真计算成为可能。     

80kA超导变压器绕组的电磁分析与实验研究

为了满足未来聚变堆用CICC导体的测试需要,中国科学院强磁场科学中心正在研制一套大型的CICC导体测试系统。80k A超导变压器作为导体样品的电流源,是测试系统的关键部件。其绕组由单根Nb Ti股线密绕的初级绕组和采用ITER CC导体绕制的次级绕组组成。首先详细介绍了80k A超导变压器绕组的设计参数和研制过程,然后采用数值方法对其电磁特性进行了仿真分析。最后,采用低温液氦实验和自动电桥平衡测试方法分别对变压器初级绕组和次级绕组进行了详细的研究,从而对超导变压器绕组的电感和磁场分布等电磁特性进行了的准确评估。     

并绕铜带对高温超导绕组交流损耗影响实验研究

在许多超导电力设备的应用中,超导绕组的机械性能和电流过载能力是关乎设备运行安全性和可靠性的重要现实问题。利用铜线(或铜带)与高温超导带材平行绕制的方法是解决这一问题的可行方案之一。但这种方案有可能带来额外的交流损耗。为了研究这一问题,制作了两个尺寸相同的超导绕组,绕组内径70mm,外径90mm,高45mm,其中一个绕组由超导带与铜带并绕而成,另一个则由超导带材单独绕制而成。两个样品使用的超导带材均为一代Bi-2223/Ag高温超导带,宽4.6mm,厚0.22mm;铜加强带宽5mm,厚0.1mm。采用了卡路里法对比研究了两个样品的交流损耗。实验结果显示加入铜带没有明显增加超导绕组的交流损耗。因此,超导绕组中并绕铜带不失为一种有效提高超导绕组机械性能和过载能力的方法,在超导电力设备中有一定的应用价值。     

用于超导脉冲变压器的双饼线圈交流损耗优化

基于二维轴对称H方程法对用于高温超导脉冲变压器的YBCO双饼线圈进行了有限元建模与仿真,研究了分磁环参数和开槽数对YBCO双饼线圈传输原边电流时的磁场特性和交流损耗的影响.仿真结果表明,分磁环能够显著减弱双饼线圈的径向磁场,降低其交流损耗.对分磁环开槽后,径向磁场主要分布在开槽处.当分磁环相对磁导率为100,与线圈间距...     

基于ANSOFT的三相高温超导变压器漏磁场及电磁力分析

高温超导变压器漏磁场的存在会降低超导带材的临界电流值,增加交流损耗,还与不同运行状态下作用在绕组上的电磁力有着密切的关系.由此,以1250kVA高温超导变压器为例,利用ANSOFT MAXWELL有限元软件,对其开路状态和短路状态进行暂态漏磁场分析,在其基础之上,再对短路状态下作用在绕组上的电磁力进行分析,为设计人员提供依据.     

100kA超导变压器的电磁分析

为测试与认证CFETR和未来聚变堆用高性能、大电流的大型超导导体,设计了一套超导导体测试装置所需100k A级超导变压器。变压器的初级绕组采用直径为0.87mm的单根Nb Ti股线绕制,总匝数为4,290匝;而次级绕组采用ITER校正场CICC导体同轴绕制于初级绕组外部,总匝数为4匝。详细介绍了超导变压器的主要设计参数;并通过有限元软件完成了电磁回路耦合、电磁场、电磁应力等相关电磁分析。结果表明:参数设计符合要求、超导变压器能安全稳定地运行。     

35kJ直接冷却高温超导储能磁体

介绍了直接冷却高温超导储能磁体的基本结构,分析了磁体的电磁特性,分析结果表明,磁体电磁设计中采用端部两对饼并联的方式,削弱了磁体端部磁场径向分量,提高临界电流,磁体表现了较好的电磁特性;仿真了磁体与电力系统进行功率交换时的热特性,仿真结果与实验结果两者温度变化总体趋势是一致的;介绍了磁体的冷却实验和磁体系统的动态模拟实验结果.实验结果表明磁体的冷却措施和低温系统的冷却方案是可行的,磁体具有较好的热稳定性.     

准各向同性高温超导股线交流损耗的实验研究

高温超导体的交流损耗直接影响超导电力装置的运行成本和稳定性,是判断超导电力设备设计是否合理的重要特性之一.在阐述准各向同性高温超导股线结构特点的基础上,首先对准各向同性高温超导股线的交流损耗和磁滞损耗进行仿真研究,利用有限元软件Comsol Multiphysics分析了交流背景磁场下的损耗,然后在对光纤布拉格光栅(optical fiber Bragg grating,简称FBG)波长与损耗关系标定的基础上,使用光纤布拉格光栅测量交流背景磁场下的交流损耗.理论计算与实验结果相吻合,表明在工频和液氮温度下股线的交流损耗以磁滞损耗为主.