DI-BSCCO，交流損耗

I.簡(jiǎn)  介

   電抗器如今被廣泛地運(yùn)用在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中。它為現(xiàn)代電力系統(tǒng)提供了如限流、補(bǔ)償電能、感應(yīng)接地等功能性服務(wù)。其在電力系統(tǒng)本身出現(xiàn)短路故障，或者系統(tǒng)中較大的電力設(shè)備故障運(yùn)行時(shí)都會(huì)不可避免地出現(xiàn)電能質(zhì)量和供電可靠性問題時(shí)發(fā)揮著重要的作用。通過高溫超導(dǎo)限流器對(duì)故障電流的限制作用對(duì)故障電流進(jìn)行有效地控制故障電流水平。現(xiàn)已有一些單位及電氣公司不斷地推動(dòng)者超導(dǎo)故障限流器的發(fā)展。全球已有很多超導(dǎo)故障限流器的設(shè)計(jì)范例。大體上來說，大部分高溫超導(dǎo)故障電流限流器包括感應(yīng)型高溫超導(dǎo)限流器，鐵心磁飽和型高溫超導(dǎo)限流器[1]、[2]，變壓器型高溫超導(dǎo)限流器[3]、[4]、[5]、 [6]，無感型高溫超導(dǎo)限流器[7]。它們都在輸電網(wǎng)和配電網(wǎng)中對(duì)故障電流的限制發(fā)揮著重要的作用。
電力系統(tǒng)的故障主要包括三相短路，兩相短路，兩相接地短路和單相接地短路。據(jù)2008年國家電網(wǎng)公司對(duì)220kV電網(wǎng)，共6434條輸電線路發(fā)生的2407次故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，單相接地短路故障占總故障次數(shù)的91.23%。由此可以看出單相接地短路故障已是提高電能質(zhì)量和供電可靠性必須解決的問題。
在中性點(diǎn)非直接接地系統(tǒng)中發(fā)生單相接地短路時(shí)，由于故障電流比較小，而且三相之間的線電壓仍然保持對(duì)稱，對(duì)負(fù)荷的供電沒有影響，因此，在一般情況下都允許再繼續(xù)運(yùn)行1～2h。在此期間，工作人員可及時(shí)排除故障，以使其它兩相線路不間斷供電。為了達(dá)到這樣的連續(xù)運(yùn)行效果常常在變壓器中性點(diǎn)經(jīng)一個(gè)限流電抗器接地以配合對(duì)電網(wǎng)中單相接地短路故障的保護(hù)。
這篇文章是對(duì)基于DI-BSCCO超導(dǎo)帶材100A級(jí)與1kVA級(jí)電抗器設(shè)計(jì)的一個(gè)概述。其內(nèi)容包括：第二部分中高溫超導(dǎo)電抗器的設(shè)計(jì)；第三部分中對(duì)超導(dǎo)電抗器在系統(tǒng)中出現(xiàn)單相接地短路故障下的性能評(píng)估；第四部分中將對(duì)1kA級(jí)高溫超導(dǎo)電抗器在線路中出現(xiàn)諸如沖擊電流和故障電流情況下的磁滯損耗和磁化損耗做出對(duì)應(yīng)的計(jì)算和分析。

II.高溫超導(dǎo)電抗器的設(shè)計(jì)

   表1和圖1展示列出了100A級(jí)和1kA級(jí)超溫超導(dǎo)電抗器主要的性能參數(shù)。采用單相三柱式鐵心結(jié)構(gòu)，以此可節(jié)約一定的成本（從非導(dǎo)磁性恒溫器和制冷器）。鐵心采用牌號(hào)為30Q130高導(dǎo)磁冷軋硅鋼片疊制而成，其直徑為100mm，有效橫截面積為66.595cm2。鐵窗的高度和寬度分別為430mm和120mm。兩柱高溫超導(dǎo)線圈由34層線圈組成，每一層線圈由5匝線圈構(gòu)成。100A級(jí)高溫超導(dǎo)電抗器的繞組由在77K溫度環(huán)境下工作的DI-BSCCO帶材單層散繞而成。在表2中列出了DI-BSCCO帶材的主要特性參數(shù)。對(duì)于1kA級(jí)高溫超導(dǎo)電抗器，3根DI-BSCCO帶材并繞制作中間的30匝線圈，然而在最后四層線圈的時(shí)候用4根DI-BSCCO帶材并繞。這樣布置是考慮到布置在繞組兩端的線圈的臨界電流要比中部的臨界電流小得多。30匝中層線圈構(gòu)成了一個(gè)完整的螺線管線圈。4層末端線圈構(gòu)成兩個(gè)雙餅式線圈。整個(gè)電抗器采用一臺(tái)20W/20K常規(guī)型制冷設(shè)備對(duì)高溫超導(dǎo)繞組進(jìn)行冷卻。

  設(shè)計(jì)以上所述的兩個(gè)高溫超導(dǎo)電抗器來替代一個(gè)傳統(tǒng)型的銅線繞制的電抗器。在銅導(dǎo)線電抗器中，單相兩柱式鐵心結(jié)構(gòu)適用于保持內(nèi)部磁平衡和提高整體的機(jī)械穩(wěn)定性。兩個(gè)銅線繞組以相反的繞制方式繞制并安裝在兩個(gè)鐵心柱上。每一個(gè)銅繞組由兩個(gè)串繞的同軸線圈單元，以此從周圍的冷卻油中獲得更好的冷卻效果（如圖1c）。兩個(gè)線圈單元的高度為292mm。內(nèi)部線圈單元的內(nèi)徑和外徑分別為150mm和166mm。外部線圈單元的內(nèi)徑和外徑分別為178mm和194mm。線圈中的額定均方根電流為52A。

I. 單相接地故障下超導(dǎo)與銅導(dǎo)線電抗器的性能評(píng)估和比較

A. 交流損耗計(jì)算

   在100A級(jí)和1kA級(jí)高溫超導(dǎo)變壓器中，交流損耗只要由磁滯損耗和磁化損耗組成?？梢源_定一個(gè)在峰值電流Im和臨界電流Ic之間的比例因素i，這樣單位長(zhǎng)度的磁滯損耗Phys和磁化損耗Pmag可估算為[8]。

Ec為臨界電場(chǎng)，單位10-4V/m。臨界電流Ic 和指數(shù)n 可估算為[10]：

A. 性能評(píng)估和比較

    用多物理場(chǎng)耦合軟件來對(duì)100A級(jí)和1kA級(jí)高溫超導(dǎo)電抗器建立一個(gè)二元模型。兩組電抗器在出現(xiàn)單相接地短路故障時(shí)的運(yùn)行電流有效值為52A。不同相位下的磁場(chǎng)分布如圖2和圖3所示。當(dāng)相位角等于30°，60°，90°時(shí)，在氣隙中所對(duì)應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度分別為0.65T，1.13T和1.31T。為了得到明顯的對(duì)比效果，我們以上的數(shù)值長(zhǎng)度限制在0.05T?？梢钥闯鰞山M電抗器的磁場(chǎng)分布非常相似。

  圖4 展示了在100A級(jí)高溫超導(dǎo)電抗器在不同線圈層上的最小臨界電流分布情況。從34層線圈的頂層到底層線圈以此定義為Nlayer=1，Nlayer=2，•••，Nlayer=34。每層線圈的最小臨界電流定義為Icmin。由于磁場(chǎng)的不均勻分布，在中間兩層（Nlayer=17，Nlayer=18）與磁力線平行，其Icmin值也最大。當(dāng)整個(gè)線圈運(yùn)行在超導(dǎo)環(huán)境中時(shí)，整個(gè)高溫超導(dǎo)繞組的臨界電流為132A。圖5展示了不同線圈層所對(duì)應(yīng)的磁化損耗。大磁化損耗值出現(xiàn)在線圈的第13和22層，其值為14mW/m。對(duì)于1kA級(jí)高溫超導(dǎo)電抗器，可獲得最大的臨界電流2.78kA。

    表格3展示了100A級(jí)與1kA級(jí)高溫超導(dǎo)電抗器的性能對(duì)比。100A級(jí)電抗器的整個(gè)高溫超導(dǎo)線圈總共的磁化損耗Pmagt磁滯損耗Physt分別約為0.14W和1.51W?？紤]到現(xiàn)實(shí)的情況[10]，當(dāng)采用常規(guī)型制冷機(jī)時(shí)，要求制冷功率大約為2.8W。在一個(gè)大氣壓下，液氮中儲(chǔ)存的熱量為161kJ/L，且每公升液氮需要大約16個(gè)小時(shí)才能消耗完。 

    假設(shè)扁平銅導(dǎo)線的電阻率是0.0175Ω•mm2/m，銅繞組的總電阻約為0.0535Ω，因此電阻的功率損耗是144.6 W和對(duì)應(yīng)比值Kp [= Pcopper / PGM]是0.0194。對(duì)于繞組體積來說，銅繞組體積Vcopper約為11380立方厘米，對(duì)應(yīng)比例Kv [= VHTS /Vcopper]是0.0178。圖6展示了100A級(jí)和1kA級(jí)超導(dǎo)電抗器的比例系數(shù)。

I. 沖擊電流下超導(dǎo)與銅導(dǎo)線電抗器的性能評(píng)估和比較

    在實(shí)際運(yùn)行中，不管是超導(dǎo)電抗器還是銅線圈電抗器都可能遭受到很大的沖擊電流。對(duì)國家電網(wǎng)安裝在在四川的一臺(tái)110kV的變壓器中性點(diǎn)電抗器的計(jì)算得出其中心點(diǎn)電抗器的熱穩(wěn)定電流為1.52kA，整定持續(xù)時(shí)間為10s。1kA級(jí)電抗器此時(shí)的垂直磁場(chǎng)分布如圖7。其平行磁場(chǎng)分量大部分出現(xiàn)在線圈層的中部。然而，在接近線圈的兩端，垂直磁場(chǎng)分量會(huì)變得更大。

由于磁場(chǎng)的不均勻分布，在位于兩個(gè)線圈兩端的地方，臨界電流的值要比位于中間部分的低得多。在制作中，分別用3根帶材并繞和4根帶材并繞成中間的30層線圈和末端的4層線圈。對(duì)應(yīng)的臨界電流分布如圖8。最大臨界電流出現(xiàn)在第3層和第32層，其值為1.51kA。這個(gè)值近似等于熱穩(wěn)定電流1.52kA。