黑土 - 2008-7-18 15:06:00
21世纪的节能变压器——超导电力变压器
应百川
摘 要 对21世纪节能变压器的发展趋势进行了预测，认为随着超导技术的发展，超导变压器将在21世纪实用化，从而成为21世纪节能效果最显著的变压器。文中对超导变压器的结构、类型作了简要介绍，并分析了其可行性及发展前景。
关键词 节能 超导变压器 趋势
Energy-Saving Transformer in 21th Century:Superconducting Transformer
Ying Baichuan
(Shenyang Transformer Research Institute 110025 China)
Abstract The development trend of energy-saving transformer in 21th century is predicted.The auther thinks that with advance of superconducting technique,superconducting transformer will be prag-matized in 21th century,and will become 21th century transformer which has the most remarkable effect of energy-saving.The structure and kinds of superconducting transformer are introduced briefly.The feasibility of superconducting transformer and its developing foreground are analysed.
Keywords energy-saving superconducting transformer trend
1 前言
近年来，随着铁损可降低2/3的非晶合金铁心片和超导材料(尤其是高临界温度超导体)的出现，大幅度降低变压器单位损耗已成为可能。可以断言，新一代的节能变压器——超导电力变压器将于21世纪实用化。正如国际大电网会议第12组(变压器)学术委员会主席D.J.Allan先生在纪念变压器诞生100周年时所预言的那样：“在变压器制造业的第二个百年期间，变压器结构将发生重大变化，开发的高临界温度超导体可能用到电力变压器制造中……，未来的变压器可能开发成小铁心带大的超导绕组，或大的非晶铁心带小绕组。”21世纪的节能变压器，很可能是采用非晶合金和高临界温度超导材料的铁心式超导变压器和空心式超导变压器。
几十年来，各国变压器专家对超导变压器进行了相当深入的研究，并研制出很多超导变压器样机，其中有的已投入电网试运行。据不完全统计，日本、法国、美国、瑞典、瑞士等很多国家分别研制出40kVA、72kVA、80kVA、100kVA、200kVA、220kVA、 330kVA、500kVA、630kVA、667kVA、800kVA、1000kVA等各种容量超导变压器样机20多台，还有5000kVA的样机正在试制中。
2 铁心式超导变压器
这种变压器和传统的变压器一样，器身主要由铁心和绕组两部分组成，铁心可以用传统的高导磁硅钢片制成，也可以采用非晶合金片。由于硅钢片的铁损比起非晶合金来要大得多，因此，要想尽可能降低空载损耗，就必须尽可能降低硅钢片的用量，即制成“小铁心”。如果是采用非晶合金，由于其铁损只有硅钢片的1/3，因此，铁心可以做得大一些，即所谓“大铁心”。至于绕组则一律采用超导绕组。由于超导绕组在超导状态下流经导线的电阻几乎为零，因此，其负载损耗极小，节能效果极为明显。
法国、日本等国都用低温超导材料制成了铁心式超导变压器的样机。法国采用超细铌钛超导导线，研制了80kVA和200kVA 超导电力变压器各一台，其铁心采用0.3mm厚的硅钢片制造，其超导绕组置于低温容器内，在4.21K的液氦中冷却。以200kVA超导变压器为例，其负载损耗仅为0.4W。与传统的相同规格的变压器相比，总损耗由2400W降至1300W，总重由1000kg降至100kg。
日本曾研制了一台100kVA超导变压器，该变压器的低压绕组采用超导导线，用液氦冷却。为节省冷却成本，其高压绕组采用由液氮冷却的低损耗铜线。因此，所开发的变压器称为混合型超导变压器。
当然，由于超导变压器冷却系统比较复杂，最能发挥其作用的显然是在高电压、大容量领域。有位专家按目前所能达到的制冷技术、低临界温度超导技术和变压器制造水平，对铁心式超导变压器与传统的变压器进行了比较。得出的结论是，当变压器单台容量大于300MVA时，超导变压器有较大的经济性，而且随着容量的加大，经济性越来越明显。日本曾对一台1100kV、1750/3MVA的单相自耦超导变压器进行了概念设计。为降低空载损耗，该变压器铁心采用非晶合金，绝缘材料采用超临界氦和G-10塑料，超导材料采用超细铌钛超导导线。其损耗指标为：致冷机输入功率100kW,杂散损耗150kW，铁心损耗 50kW，绕组的交流损耗0.1kW，热泄漏和绝缘损耗0.1kW，总损耗为300.2kW。而同样规格的传统结构变压器，其总损耗高达 1200～1500kW，前者的总损耗仅为后者的1/4～1/5。
3 空心式超导变压器
为提高输电效率，必须在超高压电缆输电或架空线输电线路中，安装大容量并联电抗器，以补偿其无功功率。如果将超导变压器设计成空心式，由于其励磁电流很大，可用作并联电抗器，补偿流经输电系统的很大的容性电流。因此，近年来一些专家建议，与超导发电机、超导电缆输电线路配合使用的超导变压器最好设计成空心式。
在超导绕组出现之前，制造这样大的空心式电力变压器是不可能的。由于超导变压器的交流损耗几乎为零，因此大幅度增加励磁电流成为可能，也使得大型电力变压器可以取消铁心。由于取消了铁心，也就不存在空载损耗和磁饱和的问题，而且变压器兼有了并联电抗器的功能，做到了一机两用，从而提高了设备的利用率。
然而，由于空心式超导变压器没有流通磁路的专门路径，由绕组产生的磁通，直接作用在超导绕组的每一匝上。因此，其磁场的分布是不均匀的，而且负载时的磁场具有旋转分量。这意味着交流损耗的分布是不均匀的，并对绕组的稳定性也有影响。对此，在结构设计时应加以充分考虑。
日本专家已对用于500kV电缆输电系统的单相空心超导电力变压器进行了概念设计。该变压器的额定电压为(500／f-11.gif (151 bytes))／(66／f-11.gif (151 bytes))kV，额定容量300MVA，并可提供100Mvar的无功功率，此即为并联电抗器的容量。其高、低压绕组均采用超细铌钛超导导线，绕制在用FRP材料制成的骨架上，整个绕组均放在真空密封、双层结构的恒温器内，恒温器用超临界氦加以冷却。
虽然该变压器兼有并联电抗器的功能，但它仍比传统的变压器重量要轻得多，尺寸也小得多。其总重(含磁屏蔽)约为43t，而传统变压器总重为130t，仅为其1/3。
4 高临界温度超导变压器
高临界温度超导体问世以来的10多年间，专家们已取得了骄人的成果，目前该材料已接近达到实用化的程度。
由于超导临界温度由4.2K的液氦温度一下子提高到77K的液氮温度，为维持超导所需的致冷机能耗大大降低。液氮致冷机的效率可达到液氦致冷机效率的 50倍，而且液氮的汽化热又比液氦的汽化热大10倍左右，因此，超导变压器采用高临界温度的超导材料后，其经济性明显提高，变压器的最低经济容量可由原来的300MVA降至100MVA以下。
早在1989年，一位德国专家就对三相1000MVA的高临界温度超导变压器与传统变压器作了比较。从中可以看出，前者总重为后者的18%，导线重为后者的0.5%，总成本为后者的66%。近年来，随着冷却技术和超导技术进一步发展，高临界温度超导变压器的成本还可望大幅度降低。
由于液氮冷却成本较低，对铁心式超导变压器，为简化结构，可将铁心和绕组都置于盛有液氮的容器内。
目前，高临界温度超导变压器已经研制成功。据报道，国际著名的跨国公司ABB集团公司，在法国电力公司、瑞士日内瓦发电厂及洛桑工科大学的合作下，利用美国超导体公司生产的高临界温度超导材料，开发出一台超导配电变压器。其主要技术参数为：额定容量：630kVA；额定电压：18.72/0.42kV；额定电流：11.2/866A；频率：60Hz；短路阻抗：4.6%。该变压器已于1997年3月12日起在日内瓦市正式挂网运行。
5 超导变压器的优点及尚需解决的问题
5.1 优点
(1)节能 由于超导变压器的负载损耗几乎为零，对空心式超导变压器来说，其铁心损耗也为零，能耗主要发生在维持深度低温上，而这随着高临界温度超导材料的问世，也显著降低，因此，节能效果十分明显。高临界温度超导变压器的损耗可小于传统变压器损耗的1/5。
(2)环保性能好 未来的超导变压器采用十分安全的液氮作为冷却和绝缘的介质，不会像变压器油那样可能引起火灾和污染环境。
(3)体积小，重量轻 据估算，采用闭式液氮冷却系统的超导变压器，其重量约为油浸式的1/2，而采用开式循环冷却系统时，超导变压器重量仅为油浸式的1/3。随着变压器单台容量的加大，重量减小的程度越大。
(4)寿命长，过载能力强 由于超导变压器的固体绝缘材料始终处于深度低温下，不存在传统变压器固有的绝缘热老化问题，因此，变压器的使用寿命长，过载能力强。在紧急情况下，可由一台超导变压器承载原本由两台变压器供电的负载。尽管此时效率会有所降低，但其使用寿命并不受影响。
5.2 尚需解决的问题
超导变压器作为开发中的产品，目前尚有很多技术和经济问题需要解决。
(1)确保运行可靠性问题 由于超导变压器的生命线是深低温，因此，保证超导变压器的冷却系统绝对安全可靠，是实现超导变压器实用化的前提。
更重要的是如何提高变压器承受短路能力问题。尽管超导变压器过载能力强，但当超导变压器外部短路时，流经绕组的电流增加幅度太大，以致超出了超导临界电流密度，造成超导“猝熄”，使得超导线的电阻大大增加。虽然这对短路电流能起到自我限制作用，但也会产生大量热量，将变压器烧坏。
为此，专家们研究出了很多办法，如采取加装辅助绕组、超导开关，提高超导导线的机械强度和外接电抗器等措施。但是要将这些措施付诸实际应用，做到既可靠又经济，还有大量的研究工作要做。
(2)降低成本，提高竞争力问题 尽管超导变压器节能效果十分明显，但因超导变压器需使用十分昂贵的超导材料和比较复杂的冷却系统，使得众多用户望而却步。因此，大幅度降低高临界温度超导材料的价格和冷却系统的成本，是超导变压器得以推广的关键。
(3)改进设计和工艺的问题 目前试制的超导变压器，结构比较复杂，工艺性也不好，难以实行工业化生产。因此，下一步的任务是简化结构和工艺，以便使产品既可靠，又易于生产和维护。
6 结论和建议
根据以上分析，可以归纳如下：
(1)超导变压器无疑是21世纪最理想的节能变压器。随着高临界温度超导材料的实用化，超导变压器完全有可能在几十年内实用化，并首先出现在超导发电与输电线路中，应用于高电压、大容量领域。
(2)在超导变压器得到实用之前，还有大量的研究工作要做，这其中包括高临界温度交流超导线的研制，深低温致冷技术的改进，超导变压器结构、抗短路能力及磁场的理论研究等。
(3)我国在高临界温度超导材料的研制方面处于世界领先地位，应该也有可能在超导变压器的研制方面占一席之地。建议由国家有关部门，组织国内各有关科研院所和变压器生产企业，投入较多的人力和物力，对超导变压器进行开发，力争赶上国外发达国家的研究水平，尽快研制出我国自己的21世纪节能变压器——超导变压器。
作者单位：应百川 沈阳变压器研究所 110025
参考文献
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