文摘
高温超导变压器超导技术在电力应用的一个重要研究课题,和电磁场分析和优化是高温超导变压器的设计和应用的基础。高温超导变压器的电磁场分析应该考虑超导材料的性质,即临界电流和磁场的性质。本文旨在研究电磁场的分析和优化方法高温超导变压器的影响下异常电压。由于高温超导变压器的能量损失,为了研究高温超导变压器的经济和可靠性,本文核心损失,绕组交流损耗,和线圈功耗分析了高温超导变压器在正常运行和短路故障情况下,分别。绕组的功率和压力进行了分析。为了考虑到载流能力,短路损失,和超导绕组短路电动势在正常操作中,选择同心地把double-cake线圈结构,根据不同的优化目标,全局优化方法用于评估线圈的结构。高温超导变压器的结构参数进行了优化,包括磁导电环的结构参数。发现,异常电压会影响高温超导变压器的电磁场,包括循环电流、绕组漏磁场和电流分布。
1。介绍
现代电力变压器是一种高度可靠的、高效的电力设备。与中国电力工业的快速发展和城市建设,国家正在实施的重建和扩大城市电网和农村电网,并相应地变压器行业发展迅速。由于产能的增加一个单元,变压器用户越来越高的要求。除了满足电力的技术规格,磁性,力量,热量和效率高、电源变压器也应该满足小型无油和低噪声的要求电力变压器和需求,以减少排放和减少环境污染。由于其固有的缺陷,不断传导变压器很难满足现代电力工业的发展。研究和开发新的超导变压器、从而提高电力变压器的性能,具有重要的理论研究意义和实际应用价值1,2]。《变形金刚》的核心结构的选择将影响变压器的性能。根据铁芯和线圈的相对位置,铁芯可分为两个主要结构类型:核心铁芯和壳牌铁芯。
从经济角度来看,超导材料的低阻抗特性有助于减少变压器的全损,和高电流密度可以提高电力系统的效率。超导变压器的使用将大大节省能源和减少运营成本。从绝缘操作的角度生活,超导变压器的绕组和固体绝缘材料在深低温操作,而且没有绝缘老化问题。(3,4]。在紧急情况下,超导变压器可以携带负载最初由两个变形金刚,这提高了系统的安全性。从它的角度对电力系统的贡献,超导变压器的内部阻力很低在正常操作期间,和增加更大的电压调节范围是有助于改善电力系统的性能。短路contidion时,超导体淬灭电阻状态,这可能限制了电流峰值。这种潜在的故障电流限制功能分离变压器阻抗要求短路电流的要求,和相应的电力系统组件的设计是根据有限的电流,从而降低整个系统的投资。从环境保护的角度来看,超导变压器采用液氮冷却,它取代了强迫油循环冷却或正常传导变压器中使用空气冷却,从而降低噪音,避免了可能的火灾造成的变压器和磁漏引起的环境污染。总的来说,超导变压器体积小和重量轻的优点,并将成为本世纪最理想的节能变压器,与巨大的潜力发展前景(5,6]。
超导电力装置的超导磁带,和它的主体是一个超导线圈。从外部几何,有许多种类的线圈,如圆形线圈,阴阳线圈、环形线圈,鞍形线圈等。7]。超导轴对称线圈是基本的线圈结构,广泛的应用于超导工程技术。它有许多优点,包括容易制造,容易风和磁场力的支持。产生的磁场绕组是最大的。通过几个线圈的组合,一个高度均匀磁场或磁场均匀梯度沿一定方向在太空可以获得8,9]。高温超导变压器的电磁问题包括磁导电环在线圈端变压器漏磁场的分布,平行的超导带之间的电流分布和对变压器漏磁场分布的影响。
连续的高温超导材料的发现,临界电流继续增加。相信随着科学技术的不断发展,实际超导材料的出现在液氮温度区域肯定会让轴对称线圈的应用更广泛的(10,11]。然而,实际超导轴对称线圈都是由超导电线,所以每个螺旋性。因为外面有一层绝缘材料,超导线,平方线或圆线是否使用,线圈的电流密度不均匀分布。在分析超导轴对称线圈的磁场,磁场的计算将会极其复杂是否考虑螺旋性和不均匀性。然而,在超导电力设备的工程应用,与超导电力设备螺旋线圈为主体出现,如螺旋绕组结构的高温超导变压器、分层的螺旋结构的高温超导电力电缆。在这个时候,有必要分析一般螺旋线圈。的磁场结构和超导材料的性质的约束必须考虑,这将有重要意义的设计超导电力装置的电磁参数(12,13]。高温超导磁带没有低温超导线的优异的力学性能。弯曲、扭转和暴露在较小的拉应力将降低其载流量。
根据不同的超导线圈的材料,高温超导变压器可分为混合超导变压器和高温超导变压器。混合动力变压器的低压大电流绕组采用高温超导绕组和运作在液氮的温度,而低损耗的高压绕组由铜线圈由于低电流。高压侧铜绕组可以承受更大的故障电流比正常温度、和铜绕组的使用也可以保存一定数量的超导线成本(14,15]。然而,所需的低温容器的结构是复杂的,高压绕组的径向尺寸不能减少,和铜绕组的电阻损耗影响变压器的效率。这是一个过渡类型的超导变压器、而高温超导变压器运行在液氮的温度,和高,低压绕组使用高温超导线圈。根据是否有一个铁芯,高温超导变压器可分为铁芯变压器和空心变压器。的损失,变压器有一个最佳的核心部分。核心部分是增加的,增加损失将超过绕组损耗的降低和冷却损失。相反,绕组损耗的增加和减少冷却损失将超过核心损失(16,17]。因此,铁心变压器通常用于大型电力变压器,和空心变压器只是有特殊要求时使用的重量和结构简单。核心变压器、超导材料的使用可以减少最优核心部分约4倍,从而减少变压器和核心的重量损失。对空心变压器、超导材料的低损耗特性可以大大增加励磁电流,从而使生产大型空心电力变压器。由于铁芯的取消,空心变压器具有重量轻、体积小,而且没有空载损失的问题,电气绝缘绕组和铁芯,侵入电流引起的磁饱和,励磁电流的高次谐波。高温超导变压器固有的低阻抗特性,和绕组的交流损耗要小得多比铁核心。传统变压器的最佳容量的经验公式不适合高温超导变压器。
具体来说,临界电流和外部磁场高温超导带的各向异性的特点,以及临界电流将在一定程度上减少外部磁场的影响下。超导变压器的载流容量设备的绕组必须减毒的绕组内的漏磁场的影响。因此,高温超导载流容量的磁带在设计中发挥着极其重要的作用,经济性能、高温超导电力设备和操作稳定。研究超导电力装置的电磁特性必须基于各向异性的高温超导临界电流和磁场的磁带,并分析高温超导电力装置的磁场分布的基础分析和设计的电磁性质的高温超导电力设备(18,19]。
2。电磁场有限元分析高温超导变压器的漏磁场
高温超导体是不理想的二等超导体,他们都是在激励过程中改变磁体的应用程序或超导电力应用,如超导传输电缆、超导电流限制器、超导变压器、超导电机、和其他电力设备。在磁场。与传统变压器、超导变压器固有的低阻抗特性,和他们交流的损失也远小于传统变压器的铜损,因此绕组的匝数可以增加,从而减少横截面积和体积的核心。和空载损失。超导变压器也有操作电流密度远高于传统的变压器,大大增加了变压器绕组的安匝,从而增加变压器的电力负荷。广场,比例变压器发生故障时,短路力和热稳定性问题将更加突出。与此同时,由于绕组的平均半径与铁芯的横截面积减少,绕组的宽度减少由于超导带的高电流密度。高温超导变压器的电磁问题包括核心操作温度的影响,核心类型,线圈类型,以及其他如磁场、电场等。
电磁场优化电磁工程技术人员努力追求的目标。在会议的前提下电磁特性的要求,我们的设计目标是减小设备的体积,减少损失,减少材料的数量,或使设备经济和技术优势。高温超导设备有独特的电磁特性,也就是说,高温超导的临界电流和磁场线是各向异性的,分析时必须考虑高温超导装置的电磁特性。目前,高温超导装置主要由高温超导线圈,和他们的结构可能是非常复杂的,如混合螺旋线圈,它充分利用各种线圈的不同的优势和特点来满足工程电磁场的特殊要求。根据最新优化技术的电磁场,电磁场优化技术在电磁工程设计有着非常重要的地位。(1)根据力学定律,它是扩展到电磁场领域的,混合线圈和应力分布优化技术,提出了电磁场的维里定理。(2)利用Matlab遗传算法工具箱,可以实现相应的方法。
高温超导变压器的漏磁场由麦克斯韦方程可以表示: B是通量密度,E电场,H磁场强度,J是电流密度。
在一个各向同性电磁介质场量之间的关系E和D,B和H,J和E电磁场是由电磁场的辅助方程表示。的关系是 在哪里μ磁导率,ε电导率。
高温超导带的等效电导率可以表示为
其中,λ是silver-to-super比率,σ导电性。在实际工程的计算,相当于导电性的高温超导带通常是由高温超导带的E-J特性曲线测量实验:
在正常工作条件下,即在当前高温超导线圈满足J<Jc,然后
通过这种方式,高温超导带的等效电导率在正常工作条件可以表示为 在哪里Jc是高温超导的临界电流密度磁带。为了描述基本性质如高温超导体的磁化特性,一些学者提出了不同的临界状态模型。最常用的是临界状态模型提出的(7),它假定超导体的电流密度是独立于应用的外部领域,即
提出了临界状态的模型,认为临界电流随外磁场,即
计算电磁力的高温超导变压器绕组设计有指导作用,变压器的修复。它被认为是高温超导变压器保护装置设计的先决条件。
3所示。电压异常分析
电力变压器,线圈完成电能的传输和转换一个电磁场。系统的电能引入到变压器的初级线圈和次级线圈的传播。常见的线圈形式是连续的,纠结的,螺旋。线间的缝隙蛋糕直接导致附近的磁场不均匀分布的内径线蛋糕。为了研究影响气隙磁场分布,我们比较它与螺旋绕组产生的磁场。
3.1。连续的线圈
连续的线圈是由几个连续的伤口线蛋糕沿轴向分布。这种结构能够适应各种电压的需求广泛的水平和能力。它具有较高的机械强度和良好的工艺性,但冲击电压分布是不好的。
3.2。纠结的线圈
复杂的变压器线圈主要用于高压线圈220 kV及以上。至于纠结的连续线圈,通常分为几个方面,一些地区采用的结构,和一些地区采用连续结构。这种线圈称为复杂连续的线圈。
3.3。螺旋线圈
螺旋线圈的线圈结构的最简单的形式。它是由绕组形式的一个或多个连接电磁阀,通常在并行多个电线伤口。
3.4。双层螺旋线圈
也被称为u形线圈,它结合了螺旋线圈和分层线圈的特点。每一层的螺旋型采用multi-helix,第二层是伤口通过提升过程。既有石油缺口轴向和径向石油缺口;头部位置都是在同一边。
交变磁场或传输电流造成能量损失在第二类超导体,称为交流电的损失。应该注意的是,交流损耗是与众不同,因为它是受频率的影响。线圈的高度是指维度的线圈轴向方向。此外,电子高度是一个概念,指的是纯铜线的高度后去除上下端环或静电环。径向尺寸也被称为宽度维度,指宽度的线蛋糕在飞机上垂直于轴沿径向圆的中心。钢丝缠绕模具为一个,叫做。纠结的或连续的线圈,有整数和分数,完整的和令人不满意的。线圈的绕线方向指的推进方向在绕组,它分为左圈方向,右绕线方向。
有许多因素导致异常电压,常见的原因如下:
3.5。绕组短路点
实际上有许多方法来风多个并行扁铜线。最常见的方法是扁铜线制作成复合线,圈一个复合线或绕组多个并行复合导线。这属于一类并行多个扁铜线绕组。我们可以使用一个500 V兆欧计检查平行导线的短裤。如果有导线之间的短路,兆欧计的指针将指示很少或零。的方法确定短路点与多个导线平行:如果不是在即将离任的位置,我们可以计算和分析内部线段上的短路点的位置。
3.6。的匝数
当半成品的测试结果变压器匝数是错误的,不可能准确地确定哪些线段有错,但只有确定有一个错误在某种绕组抽头。许多转过身,几把可能在正常线段或特殊线段,而是来自经验,有多少的情况可能发生在特殊的线段,它很有可能发生在特殊线段的前几行。
3.7。可怜的绕组绝缘状况
当水分在变压器绕组或异常变化在温度和电场环境中,变压器绕组的绝缘性能将会降低。由于绕组的绝缘性能大大降低后潮湿,水分是最重要的因素影响变压器绕组的绝缘性能。当变压器不是紧紧密封的,很容易引起水分进入变压器和影响绕组绝缘。
3.8。变压器绕组变形的短路电动势
变压器绕组的短路电流流过,行为与漏磁场使绕组短路电动势。以双绕组变压器为例,当amplitude-direction电动势作用于高压绕组,高压绕组受到外在拉力,和变形趋势是向外扩张。当amplitude-direction电动势作用于低压绕组,低压绕组受到内在的张力,和变形趋势是凹变形。异常电压和电流数据所示1和2。
4所示。电磁场的分析和优化方法高温超导变压器的影响下异常电压
一般来说,电磁场问题是求解麦克斯韦方程的问题。通常有两种方法:一种是直接法,即直接从麦克斯韦方程解决;另一种是间接法,解决了潜在的功能。
4.1。绕组环流
与正常传导变压器相比,超导变压器绕组设计有两个明显的特点:一是减少绕组的漏磁场区域,特别是它的径向分量,以便提高临界电流,减少交流损失;另一种方法是减少漏磁场。一个小分支之间的不平衡的漏电抗绕组可能会导致相当大的环状电流。近年来,研究超导变压器、如绕组形式对漏磁场的影响,交流损耗计算,淬火测试和保护、绝缘性能和核心材料在较低温度下,优化设计和空心超导变压器、等等,相当普遍。大部分文献发表但相对较少的研究已经完成循环。
数据3和4列表循环电流的计算结果在各种情况下,即有或没有异常电压。我们可以看到以下几点:①循环电流的差异是很明显的在各种情况下,导线是否调换或不会对循环电流有很大的影响。②的循环电流分布,在绕组的三种类型,分层的绕组是最适合并行多个电线伤口的情况,螺旋绕组是第二,派绕组是最差的。可以看出,从减少环状电流的角度来看,分层绕组最适合并行多个电线伤口的情况,因为它可以更好的平衡每个分支的电抗更换绕组之间的连接层。然而,考虑到循环电流和制造过程中,应该使用螺旋绕组,因为如果导体适当调换,可以控制螺旋绕组的环状电流小。同样重要的是,所需的焊接点螺旋绕组更比多层绕组。绕组是更少。同时,证明了从循环电流分布的考虑,不可能短路的两端一层一层的二次侧绕组,然后使用铜线过渡到相邻层替代之间的换位的超导线层。
4.2。非线性谐波分析高温超导变压器的漏磁场
超导电流导体的磁场问题是一个边值问题,可以归结为三类:分析方法、数值方法和半解析数值方法。高温超导变压器的磁场变化的正弦电流在正常工作条件下,变压器的铁芯处于饱和状态。由于变压器的铁芯和绕组轴对称结构,三维模型可以简化为二维模型计算。计算过程基本上是相似的,与以下差异:1。由于铁轭,不再需要将远场区域。2。与饱和的核心,分析成为非线性磁化曲线的核心需要定义材料属性。3所示。由于绕组是由一个线蛋糕,蛋糕,每个线有一个小的横截面,应该尽可能仔细划分网格。4所示。 Since the high-temperature superconducting tape is in the superconducting state, the voltage is very small, but the current is very large, so we choose the current density as the excitation.
4.3。电流分布
当高温超导电缆的电缆导体通过交流电流、导线的载流量明显减少,每一层的电流分布非常不均匀,和交流损耗的增加,进而影响电缆导线的稳定运行,或大大减少电缆导线的理想。可以推断,正弦交流电波形通过电缆导体必须扭曲。根据欧姆定律,导体的电流分布在每层是由联合抵抗,流阻,自感和互感。每一层的单位长度感抗售票员约两个数量级比联合抵抗流动阻力。因此,在交流中,每一层胶带的实际载流量主要取决于每一层的自身电感和互感。自感和互感的结构参数,由物理特征,如形状、大小、结构和绕组排列每一层胶带。
此外,接触电阻对电流分布也有一定的影响。假设高温超导电缆没有螺旋结构,但有一个n-layer平行导体结构,当前将分布在电缆的外层尽可能多。当外层电流超过其临界电流的值,电场将增加和外层将迅速饱和,导致交流损耗增加,但小电流通过内层,导致电缆非常不均匀的电流分布。外国实验表明,增加电源之间的接触电阻和超导带也可以使电流分布尽可能均匀,但它会增加当前领先的欧姆损失和增加冷却成本。因此,均匀电流分布的因素通常是分析了高温超导电缆的结构参数。
当当前我= 40应用于绕组,垂直路径上的磁场分布绕组的内径是获得如图5和6。可以看出,轴向径向磁场的最大值经历了由螺旋绕组和馅饼绕组近似相等。然而,饼线圈的磁场分布显示明显的周期性,线附近的山峰总是出现派,和低谷出现在导线之间的差距派和馅饼。虽然临界电流衰减的影响下的磁场大致相等的两个绕组方法作为一个整体,丝蛋糕位于中间的整个绕组,因为线饼的位置是在峰值部分的磁场,它们受到磁场的影响。派绕组大于螺旋绕组,相对当前利润也低。由于磁场分布的差异,还必须有区别的两个绕组交流损耗的。通过扩大高压绕组之间的气隙的长度和低压绕组,希望靠近高压绕组的漏磁场和低压绕组可以减少。膨胀,高、低压绕组之间的气隙从35毫米到70毫米和105毫米,分别,然后我们可以获得低压绕组附近的磁场分布,如图7。温暖的超导带具有各向异性,增加径向泄漏磁场由于铁芯和线圈之间的矛盾将会减少超导带的临界电流和超导线圈交流损耗的增加。
如图,增加高压绕组之间的气隙的长度和低压绕组可以减少附近漏磁场绕组,但效果不是很明显。当气隙增加到三倍原来的气隙,它占用了大量的空间,增加整个变压器的体积,但漏磁场的径向分量减少不到10%。可以看出,这种优化方法太低效和不可取的。此外,通量密度和不同的位置如图8。
5。结论
本文核心损失,绕组交流损耗,电力接收线圈,和压力下分析了高温超导变压器的绕组短路故障正常操作状态和状态,分别。为了考虑到载流能力,短路损失,和超导绕组短路电动势在正常操作中,选择同心地把double-cake线圈结构,根据不同的优化目标,全局优化方法用于评估线圈的结构。发现异常电压会影响高温超导变压器的电磁场,包括循环电流、绕组漏磁场和电流分布。
然而,本文不考虑许多方面,和工作在未来继续如下:(1)交流测量高温超导变压器的损失。(2)Electromagnetic-thermal-mechanical高温超导变压器的耦合分析。(3)高温超导变压器的整体优化设计方法。
数据可用性
使用的实验数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。
的利益冲突
作者声明,关于这项工作他们没有利益冲突。