高溫超導可控電抗器的研究

2022-01-18 06:25:20黑穎頓周興梅陳偉

云南電力技術 2021年6期

黑穎頓，周興梅，陳偉

（云南電網有限責任公司電力科學研究院，云南昆明 650217）

0 前言

在高壓和超高壓電力系統中，電抗器被廣泛用于穩定電力系統電壓、補償無功功率、提高電力系統穩定性和電能質量。然而，傳統可控電抗器存在著諧波干擾不可忽略、電抗不穩定、損耗高等固有的局限性和缺點，因此隨著電力系統的發展，傳統可控電抗器的應用范圍受到限制。與傳統的銅等金屬材料相比，超導材料具有零電阻、高載流密度等優點，用高溫超導材料制成的控制繞組可以顯著提高可控電抗器的工作效率。

1 高溫超導可控電抗器的結構

如圖1所示，高溫超導可控電抗器主要由硅鋼片磁軛、常規金屬繞組、高溫超導繞組1和2、玻璃纖維增強塑料低溫恒溫器、接地屏蔽、高溫超導繞組支架、冷卻管、電流引線和冷卻管的通道組成。磁軛用于提高磁導率。為了減少漏熱，采用雙層結構實現低溫恒溫器的真空化。常規金屬繞組由絕緣銅線制成，并與高壓線直接連接。高溫超導可控電抗器的電抗值可以通過關閉或打開高溫超導繞組1和2來調節。共有3組調節，包括打開高溫超導繞組1和2、打開高溫超導繞組1+關閉高溫超導繞組2以及打開高溫超導繞組2+關閉高溫超導繞組1，它們分別對應3個電抗值。

圖1 高溫超導可控電抗器的三維模型

設計高溫超導可控電抗器時需要解決的問題如下：

1）高溫超導帶材的臨界電流；

2）高溫超導繞組的交流損耗；

3）金屬構件的渦流損耗；

4）玻璃纖維增強塑料低溫恒溫器的結構設計和制造；

5）通過低溫恒溫器到液氮的漏熱量；

6）高溫超導繞組和電流引線的低溫絕緣；

7）高溫超導繞組的失超保護。

高溫超導可控電抗器的參數如表1所示。高溫超導繞組1和高溫超導繞組2的形狀為圓柱形，并被一些高溫超導雙餅線圈纏繞。為消除渦流損耗，采用玻璃纖維增強環氧樹脂復合材料制作線圈骨架。接地屏蔽位于常規金屬繞組和玻璃纖維增強塑料低溫恒溫器之間的間隙中。由于玻璃纖維增強塑料低溫恒溫器浸沒在絕緣油中，絕緣油的溫度越高，對液氮的漏熱量越大，因此預期絕緣油的溫度不超過313K。由于溫度對高溫超導帶材的載流密度有很大的影響，故采用68K液氮來冷卻高溫超導繞組1和高溫超導繞組2。

表1 高溫超導可控電容器參數

2 高溫超導材料選擇

隨著高溫超導帶材制造技術的飛速發展，第一代（1G）BSCCO超導帶材和第二代（2G）YBCO超導帶材在電氣領域得到了廣泛的應用。Bi2223/Ag帶材與YBCO帶材的比較如表2所示。住友公司制備的Bi2223/Ag帶材的臨界電流與外部垂直磁場的關系如圖2所示，這表明降低工作溫度或降低外部垂直磁場可以獲得較高的臨界電流。雖然Bi2223/Ag帶材在液氮溫度下和自場條件下的臨界電流較高，但是垂直磁場對Bi2223/Ag帶材的臨界電流影響很大，較低的溫度和較低的外部垂直磁場對應Bi2223/Ag帶材較高的臨界電流。液氮溫度下3種1G高溫超導帶材在不同垂直磁場下的載流密度如圖3所示，這表明磁通密度為0.1T的外磁場會導致臨界電流約40%的衰減。當然，使用溫度為68K的液氮冷卻高溫超導繞組是有用的。