高温超导可控电抗器的研究

黑颖顿，周兴梅，陈伟

（云南电网有限责任公司电力科学研究院，云南 昆明 650217）

0 前言

在高压和超高压电力系统中，电抗器被广泛用于稳定电力系统电压、补偿无功功率、提高电力系统稳定性和电能质量。然而，传统可控电抗器存在着谐波干扰不可忽略、电抗不稳定、损耗高等固有的局限性和缺点，因此随着电力系统的发展，传统可控电抗器的应用范围受到限制。与传统的铜等金属材料相比，超导材料具有零电阻、高载流密度等优点，用高温超导材料制成的控制绕组可以显著提高可控电抗器的工作效率。

1 高温超导可控电抗器的结构

如图1所示，高温超导可控电抗器主要由硅钢片磁轭、常规金属绕组、高温超导绕组1和2、玻璃纤维增强塑料低温恒温器、接地屏蔽、高温超导绕组支架、冷却管、电流引线和冷却管的通道组成。磁轭用于提高磁导率。为了减少漏热，采用双层结构实现低温恒温器的真空化。常规金属绕组由绝缘铜线制成，并与高压线直接连接。高温超导可控电抗器的电抗值可以通过关闭或打开高温超导绕组1和2来调节。共有3组调节，包括打开高温超导绕组1和2、打开高温超导绕组1+关闭高温超导绕组2以及打开高温超导绕组2+关闭高温超导绕组1，它们分别对应3个电抗值。

图1 高温超导可控电抗器的三维模型

设计高温超导可控电抗器时需要解决的问题如下：

1）高温超导带材的临界电流；

2）高温超导绕组的交流损耗；

3）金属构件的涡流损耗；

4）玻璃纤维增强塑料低温恒温器的结构设计和制造；

5）通过低温恒温器到液氮的漏热量；

6）高温超导绕组和电流引线的低温绝缘；

7）高温超导绕组的失超保护。

高温超导可控电抗器的参数如表1所示。高温超导绕组1和高温超导绕组2的形状为圆柱形，并被一些高温超导双饼线圈缠绕。为消除涡流损耗，采用玻璃纤维增强环氧树脂复合材料制作线圈骨架。接地屏蔽位于常规金属绕组和玻璃纤维增强塑料低温恒温器之间的间隙中。由于玻璃纤维增强塑料低温恒温器浸没在绝缘油中，绝缘油的温度越高，对液氮的漏热量越大，因此预期绝缘油的温度不超过313K。由于温度对高温超导带材的载流密度有很大的影响，故采用68K液氮来冷却高温超导绕组1和高温超导绕组2。

表1 高温超导可控电容器参数

2 高温超导材料选择

随着高温超导带材制造技术的飞速发展，第一代（1G）BSCCO超导带材和第二代（2G）YBCO超导带材在电气领域得到了广泛的应用。Bi2223/Ag带材与YBCO带材的比较如表2所示。住友公司制备的Bi2223/Ag带材的临界电流与外部垂直磁场的关系如图2所示，这表明降低工作温度或降低外部垂直磁场可以获得较高的临界电流。虽然Bi2223/Ag带材在液氮温度下和自场条件下的临界电流较高，但是垂直磁场对Bi2223/Ag带材的临界电流影响很大，较低的温度和较低的外部垂直磁场对应Bi2223/Ag带材较高的临界电流。液氮温度下3种1G高温超导带材在不同垂直磁场下的载流密度如图3所示，这表明磁通密度为0.1T的外磁场会导致临界电流约40%的衰减。当然，使用温度为68K的液氮冷却高温超导绕组是有用的。

表2 Bi2223/Ag带材与YBCO带材的比较

图2 Bi2223/Ag带材临界电流与垂直磁场的关系

图3 不同垂直磁场下3种1G高温超导带材的载流密度

3 热分析

3.1 低温恒温器的漏热

玻璃纤维增强塑料低温恒温器热传导和热辐射分析的仿真模型如图4所示。定义的参数如下：

图4 热分析仿真模型

1）分析类型：热；

2）元素类型：Solid90，Surf152；

3）元素尺寸：0.01m；

4）上盖填充材料的导热系数：

5）0.025 W/(m•K)；

6）玻尔兹曼常数：

7）5.67×10-8W/(m2•K4）；

8）玻璃纤维增强塑料材质的发射率：0.9；

9）多层绝热层的层数：50。

玻璃纤维增强塑料低温恒温器的导热系数如图5所示。温度分布如图6所示。热传导和热辐射的漏热量为158.94W。热辐射为66W。

图5 玻璃纤维增强塑料低温恒温器的导热系数

图6 温度分布

3.2 多层绝缘的涡流损耗

涡流损耗模拟模型如图7所示。涡流损耗分析的定义参数如下：

1）空气相对磁导率：1；

2）高温超导绕组与常规金属绕组相对磁导率：1；

3）多层绝缘镀层电阻率：

4）1.5E-007 Ω•m；

5）磁轭的相对磁导率：3000；

图8 荷载与边界条件

将多层绝缘材料切成4份和16份。涡流的电流密度分别如图9与图10所示。相应的涡流损耗分别为59.66W和8.76W。因此，多层隔热层隔断越多，涡流损耗越低。

图9 涡流电流密度（四分之一）

图10 涡流电流密度（十六分之一）

4 结束语

1）为了实现互感，含有高温超导绕组的低温恒温器应采用非金属材料制成。

2）为了提高高温超导带材的载流能力，必须采用过冷液氮对高温超导绕组进行冷却。

3）结构设计应以减小用于高温超导带材上的外加垂直磁场为目标。

4）对于玻璃纤维增强塑料低温恒温器，通过扭曲内容器外表面的多层绝热层可以显著降低其热辐射。

5）为了减少多层绝缘电镀金属层的涡流损耗，可以采用多隔断方式。