基于3D超導(dǎo)調(diào)相機(jī)模型的不同阻尼屏蔽結(jié)構(gòu)的性能分析和對(duì)比

壽佳波,張建承,馬吉恩,方攸同

(1.浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院,杭州 310027;2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院,杭州 310011)

0 引 言

隨著近幾年新能源占比的增大,電力系統(tǒng)對(duì)無功補(bǔ)償?shù)男枨箅S之增大[1]。我國(guó)新能源的分布呈現(xiàn)集中式的地域特征,且新能源資源豐富的地區(qū)往往距離國(guó)內(nèi)主要電力負(fù)荷區(qū)較遠(yuǎn),因此特高壓直流輸電在電力行業(yè)中被廣泛應(yīng)用[2]。但輸電線路動(dòng)態(tài)無功不足的問題也逐漸嚴(yán)重,為此需要建立大量的無功補(bǔ)償設(shè)備給電網(wǎng)輸入快速、大量的動(dòng)態(tài)無功[3]。

在大力開發(fā)新能源之前,大量的火電機(jī)組保證了電力系統(tǒng)的慣性支撐,電力電子器件無功補(bǔ)償設(shè)備由于響應(yīng)速度更快和占用空間更小而取代了傳統(tǒng)的同步調(diào)相機(jī)[4]。但在新能源占比不斷提高的前提下,原來被基本淘汰的同步調(diào)相機(jī)無功補(bǔ)償設(shè)備因?yàn)榫哂刑峁T性支撐的能力而重新進(jìn)入了電網(wǎng)系統(tǒng)中。相比傳統(tǒng)的同步調(diào)相機(jī),超導(dǎo)同步調(diào)相機(jī)具有更快的響應(yīng)速度、更高的過載能力、更大的短路電流容量、更低的損耗以及更強(qiáng)的無功補(bǔ)償性能[5]。

不同于傳統(tǒng)同步調(diào)相機(jī),高溫超導(dǎo)調(diào)相機(jī)的超導(dǎo)繞組會(huì)在異步磁場(chǎng)中產(chǎn)生局部渦流和發(fā)熱而導(dǎo)致失超問題,因此需要相應(yīng)的阻尼屏蔽結(jié)構(gòu)來保護(hù)超導(dǎo)繞組[6-7]。類似的情況也出現(xiàn)在一些超導(dǎo)風(fēng)力發(fā)電同步發(fā)電機(jī)上,很多采用超導(dǎo)電樞繞組的海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)會(huì)在每個(gè)槽內(nèi)的超導(dǎo)電樞繞組和轉(zhuǎn)子永磁體之間加一塊銅板以實(shí)現(xiàn)異步磁場(chǎng)的屏蔽[8-9]。也有一些采用超導(dǎo)勵(lì)磁繞組的高溫超導(dǎo)發(fā)電機(jī)保留了定轉(zhuǎn)子鐵磁齒而使用單極全包圍的阻尼屏蔽結(jié)構(gòu)[10],但更多的超導(dǎo)發(fā)電機(jī)采用銅套阻尼屏蔽結(jié)構(gòu)和鼠籠式阻尼屏蔽結(jié)構(gòu)[11-13]。有時(shí)為了提高異步磁場(chǎng)的屏蔽效果也會(huì)采用多層的阻尼屏蔽結(jié)構(gòu)[14]或者多種阻尼屏蔽結(jié)構(gòu)結(jié)合使用[15]。文獻(xiàn)[16]采用有限元方法發(fā)現(xiàn)有鐵心超導(dǎo)發(fā)電機(jī)阻尼屏蔽層的材料電導(dǎo)率越高,軸向上的厚度越大,則阻尼屏蔽層對(duì)異步磁場(chǎng)的屏蔽效果越好。

超導(dǎo)發(fā)電機(jī)中的阻尼屏蔽結(jié)構(gòu)除了能為超導(dǎo)繞組提供磁屏蔽保護(hù)外,同樣也影響著超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的暫態(tài)運(yùn)行。比如在超導(dǎo)發(fā)電機(jī)起勵(lì)的過程中,阻尼屏蔽結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的屏蔽電流會(huì)使得超導(dǎo)磁體無法達(dá)到設(shè)計(jì)要求,這就使得超導(dǎo)發(fā)電機(jī)需要更長(zhǎng)的時(shí)間使發(fā)電機(jī)進(jìn)入到穩(wěn)定工作狀態(tài)[17]。

考慮到大多數(shù)針對(duì)超導(dǎo)調(diào)相機(jī)的電磁阻尼屏蔽結(jié)構(gòu)的研究基于二維仿真,并沒有考慮到更為復(fù)雜的端部的屏蔽效果。而且采用跑道型超導(dǎo)勵(lì)磁繞組的超導(dǎo)調(diào)相機(jī)具有較大的半圓形勵(lì)磁繞組端部,這使得端部區(qū)域的電磁阻尼屏蔽結(jié)構(gòu)的屏蔽效果值得探究。本文采用三維有限元仿真分析兩種常用的超導(dǎo)發(fā)電機(jī)電磁阻尼屏蔽結(jié)構(gòu)在不同的軸向位置上的異步磁場(chǎng)屏蔽效果,證明了銅套阻尼屏蔽結(jié)構(gòu)更加適合高溫超導(dǎo)調(diào)相機(jī)。同時(shí)考慮到電磁阻尼屏蔽結(jié)構(gòu)對(duì)超導(dǎo)調(diào)相機(jī)的暫態(tài)性能的影響,對(duì)不同阻尼屏蔽結(jié)構(gòu)下超導(dǎo)調(diào)相機(jī)的暫態(tài)性能進(jìn)行了簡(jiǎn)要的計(jì)算分析和對(duì)比。

1 阻尼屏蔽層的磁場(chǎng)阻尼作用分析

1.1 阻尼層作用

超導(dǎo)勵(lì)磁同步電機(jī)的超導(dǎo)勵(lì)磁繞組浸泡在杜瓦當(dāng)中,極低溫環(huán)境并不適合使用易受到溫度變化而大幅形變的硅鋼材料,且硅鋼的使用也必然影響到杜瓦對(duì)超導(dǎo)勵(lì)磁繞組的低溫控制效果,因此跑道型超導(dǎo)勵(lì)磁繞組周圍一般不會(huì)添加硅鋼等導(dǎo)磁材料。

但在失去硅鋼的保護(hù)后,超導(dǎo)勵(lì)磁繞組直接暴露在電樞磁場(chǎng)當(dāng)中。超導(dǎo)勵(lì)磁繞組隨著轉(zhuǎn)子按同步速旋轉(zhuǎn),其本身產(chǎn)生的勵(lì)磁磁場(chǎng)必然按同步速旋轉(zhuǎn),但電樞繞組產(chǎn)生的電樞磁場(chǎng)存在很多諧波,產(chǎn)生異步磁場(chǎng),而異步磁場(chǎng)會(huì)在超導(dǎo)勵(lì)磁繞組上感生出諧波反電動(dòng)勢(shì)。由于超導(dǎo)勵(lì)磁繞組具有小電阻大電感的特性,諧波反電動(dòng)勢(shì)會(huì)在超導(dǎo)勵(lì)磁繞組上產(chǎn)生局部的大電流和由其造成的局部發(fā)熱,一旦局部發(fā)熱超過了杜瓦的冷卻能力,則意味著超導(dǎo)勵(lì)磁繞組會(huì)產(chǎn)生局部的失超問題,進(jìn)而影響整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

為了減小超導(dǎo)勵(lì)磁繞組發(fā)生失超故障的可能性,甚至完全解決這類故障,一般會(huì)在超導(dǎo)勵(lì)磁繞組與電樞繞組之間加一層阻尼屏蔽層,對(duì)電樞磁場(chǎng)中的異步磁場(chǎng)進(jìn)行限制。阻尼屏蔽層對(duì)異步磁場(chǎng)的削弱越大,即對(duì)相應(yīng)的電樞諧波磁場(chǎng)的削弱越大,則超導(dǎo)勵(lì)磁繞組產(chǎn)生失超故障的可能性越低。

1.2 阻尼屏蔽層對(duì)電樞磁場(chǎng)的影響

當(dāng)電樞繞組中通三相電流時(shí),三相合成磁動(dòng)勢(shì)可以表示:

F(θ,t)=∑Fμηcos(μωt-ηpθ+φ)

(1)

式中:ω為超導(dǎo)調(diào)相機(jī)的電角速度;μ為電樞磁動(dòng)勢(shì)的時(shí)間諧波次數(shù);η為電樞磁動(dòng)勢(shì)的空間諧波次數(shù);p為超導(dǎo)調(diào)相機(jī)的極對(duì)數(shù)。

由于超導(dǎo)勵(lì)磁繞組產(chǎn)生很大的磁場(chǎng),為了避免鐵磁材料對(duì)磁通密度的限制,超導(dǎo)調(diào)相機(jī)采用非鐵磁材料來固定定子電樞繞組和轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組,只采用定子背鐵來約束磁場(chǎng)范圍。這種氣隙電樞的結(jié)構(gòu)使得氣隙的磁導(dǎo)率在圓周上保持不變,因此在氣隙中的電樞磁場(chǎng)磁通密度可以表示:

B(θ,t)=F(θ,t)×Λ0=∑FμηΛ0cos(μωt-ηpθ+φ)

(2)

根據(jù)磁通密度的公式,任意時(shí)間和空間諧波次數(shù)的磁通密度的旋轉(zhuǎn)速度可以表示:

(3)

式中:n0為超導(dǎo)調(diào)相機(jī)的同步轉(zhuǎn)速。

當(dāng)電樞磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度為同步轉(zhuǎn)速時(shí),即該電樞磁場(chǎng)成分與轉(zhuǎn)子保持相對(duì)靜止時(shí),阻尼屏蔽層并不會(huì)產(chǎn)生渦流來削弱該電樞磁場(chǎng)成分。僅當(dāng)μ≠η時(shí),對(duì)應(yīng)的電樞磁場(chǎng)諧波成分才會(huì)在阻尼屏蔽層上感生出渦流。為此,需要通過仿真分析確定電樞磁場(chǎng)的諧波成分的時(shí)間和空間分布。

1.3 電樞磁場(chǎng)的仿真分析

電樞磁場(chǎng)的時(shí)間諧波μ與超導(dǎo)調(diào)相機(jī)不同運(yùn)行工況下的諧波電流分布相關(guān),而電樞磁場(chǎng)的空間諧波η只和超導(dǎo)調(diào)相機(jī)本身的電磁結(jié)構(gòu)相關(guān),因此首先仿真分析和確定超導(dǎo)調(diào)相機(jī)電磁結(jié)構(gòu)所帶來的電樞磁場(chǎng)空間諧波分布特征。由于電樞中的諧波電流并不影響電樞磁場(chǎng)的空間諧波分布,故電樞中通三相正弦電流。相應(yīng)的超導(dǎo)調(diào)相機(jī)仿真模型如圖1所示,為了方便分析,該模型中并沒有加入阻尼屏蔽層,且超導(dǎo)勵(lì)磁繞組設(shè)置為0A電流源以模擬開路狀態(tài)。

圖1 超導(dǎo)調(diào)相機(jī)的二維仿真模型

仿真得到軸向中央轉(zhuǎn)子超導(dǎo)勵(lì)磁繞組旁圓周上的電樞磁場(chǎng)磁通密度空間分布,如圖2所示,圖2中橫坐標(biāo)θ為機(jī)械角度。由圖2可見,電樞磁場(chǎng)磁通密度的空間分布具有良好的正弦性,這意味著可以將電樞磁場(chǎng)在空間上的分布視為正弦,即η=1。

圖2 電樞磁場(chǎng)磁通密度的空間分布

為了仿真分析和驗(yàn)證諧波電流對(duì)電樞磁場(chǎng)的時(shí)間諧波的影響,除了在電樞繞組中通三相正弦電流外,再通一定的5次諧波和7次諧波,3個(gè)電流的幅值大小如表1所示。

表1 電樞諧波電流幅值

仿真計(jì)算得到軸向中央和端部區(qū)域上轉(zhuǎn)子超導(dǎo)勵(lì)磁繞組旁某一點(diǎn)上的電樞磁場(chǎng)磁通密度時(shí)間分布和其傅里葉分解結(jié)果,如圖3和圖4所示。由磁通密度的時(shí)間分布和時(shí)間頻譜可以確定,不管是在軸向中央的直線段區(qū)間還是在端部區(qū)間,電樞中的任意諧波電流都將產(chǎn)生對(duì)應(yīng)時(shí)間諧波次數(shù)的電樞磁場(chǎng),且這些電樞磁場(chǎng)諧波成分的大小與電樞中的諧波電流大小成正比關(guān)系。

圖3 電樞磁場(chǎng)磁通密度的時(shí)間分布

圖4 電樞磁場(chǎng)磁通密度的時(shí)間頻譜

根據(jù)以上結(jié)論,只有當(dāng)電樞繞組中通三相正弦電流時(shí),即時(shí)間諧波μ=1時(shí),電樞電流所產(chǎn)生的電樞磁場(chǎng)才不會(huì)在阻尼屏蔽層中感生出渦流。換而言之,阻尼屏蔽層會(huì)對(duì)除基波電流以外的所有諧波電流產(chǎn)生的異步磁場(chǎng)產(chǎn)生阻尼抑制作用。

2 基于3D仿真模型的不同阻尼屏蔽結(jié)構(gòu)仿真分析

2.1 鼠籠式阻尼屏蔽

首先對(duì)一個(gè)具有鼠籠式銅條結(jié)構(gòu)阻尼屏蔽層的超導(dǎo)調(diào)相機(jī)進(jìn)行仿真分析。由于二維仿真只能得到一個(gè)軸向截面上的電流密度分布結(jié)果,且截面只能是超導(dǎo)調(diào)相機(jī)的非端部區(qū)間;同時(shí)超導(dǎo)調(diào)相機(jī)不僅具有較大的電樞端部繞組,還具有較大的半圓形超導(dǎo)勵(lì)磁端部繞組,因此二維仿真并不適合用來分析阻尼屏蔽層在超導(dǎo)調(diào)相機(jī)上的作用。與二維仿真相比,三維仿真能更好地反映阻尼屏蔽層上的電流密度分布,同時(shí)也能計(jì)算得到更加準(zhǔn)確的次暫態(tài)電抗參數(shù)。本文采用三維仿真來分析超導(dǎo)調(diào)相機(jī)中的阻尼屏蔽層。圖5為采用鼠籠式銅條阻尼屏蔽層的超導(dǎo)調(diào)相機(jī)三維模型。

圖5 采用銅條阻尼屏蔽的超導(dǎo)調(diào)相機(jī)

通過三維仿真得到鼠籠式銅條阻尼屏蔽層上的電流密度的大小分布和矢量分布結(jié)果,如圖6和圖7所示。從結(jié)果中可以看出:

圖6 銅導(dǎo)條阻尼屏蔽層上的電流密度大小分布

圖7 銅導(dǎo)條阻尼屏蔽層上的電流密度矢量分布

1)電樞磁場(chǎng)在鼠籠式銅條阻尼屏蔽層上感生出的渦流分布具有和磁通密度相同的空間分布特征,即周向空間2階分布,在屏蔽層上的表現(xiàn)為4個(gè)主要的電流環(huán)路,且相鄰的2個(gè)電流環(huán)路的電流方向相反。這一點(diǎn)證明了任意諧波電流產(chǎn)生的異步磁場(chǎng)都具有相同的空間分布特征,且該空間分布特征由超導(dǎo)調(diào)相機(jī)的電磁結(jié)構(gòu)決定,尤其是電樞繞組的分布結(jié)構(gòu)。

2)單根導(dǎo)條軸向截面上的電流密度分布并不均勻,銅導(dǎo)條靠近定子電樞繞組的一側(cè)具有更大的電流密度。各個(gè)銅導(dǎo)條上的綜合電流密度大小則接近正弦變化的規(guī)律,由此導(dǎo)致端環(huán)上的電流密度大小分布也呈現(xiàn)正弦變化的規(guī)律。

3)由于端環(huán)連接一個(gè)電流環(huán)路中的多根銅導(dǎo)條,其上電流密度是整個(gè)銅導(dǎo)條屏蔽層上最大的。由于端環(huán)截面積與導(dǎo)條的截面積相近,端環(huán)上的最大電流密度大小是導(dǎo)條上的最大電流密度的近2倍。因此可以考慮增大端環(huán)的截面積來縮小端環(huán)上的最大電流密度。

為了觀察和分析鼠籠式銅導(dǎo)條阻尼屏蔽層上的渦流對(duì)電樞磁場(chǎng)的影響,分別仿真了超導(dǎo)調(diào)相機(jī)軸向中央和端部區(qū)域上轉(zhuǎn)子超導(dǎo)勵(lì)磁繞組旁某一點(diǎn)上的電樞磁場(chǎng)磁通密度時(shí)間分布,并對(duì)其進(jìn)行了快速傅里葉分解計(jì)算,得到時(shí)間波形的頻譜,如圖8和圖9所示。

圖8 銅導(dǎo)條屏蔽作用下的電樞磁場(chǎng)磁通密度時(shí)間分布

圖9 銅導(dǎo)條屏蔽作用下的電樞磁場(chǎng)磁通密度頻譜分布

相比于沒有使用阻尼屏蔽層前的電樞磁場(chǎng),采用鼠籠式銅導(dǎo)條進(jìn)行阻尼屏蔽后的電樞磁場(chǎng)具有更小的5次諧波和7次諧波,這說明了鼠籠式銅導(dǎo)條阻尼屏蔽結(jié)構(gòu)確實(shí)擁有異步磁場(chǎng)抑制作用。但銅導(dǎo)條的應(yīng)用也為電樞磁場(chǎng)帶來了更高次數(shù)的諧波磁場(chǎng)。和鼠籠式異步電機(jī)相似,采用斜槽的方式來安排銅導(dǎo)條可能可以抑制這種高次諧波的產(chǎn)生。

同時(shí),雖然銅導(dǎo)條阻尼屏蔽層對(duì)端部區(qū)域上的電樞磁場(chǎng)的5次諧波和7次諧波的抑制能力與對(duì)軸向中央位置的電樞磁場(chǎng)的5次諧波和7次諧波的抑制能力相似,但端部區(qū)域的高次諧波電樞磁場(chǎng)的含量明顯更大。

2.2 銅套阻尼屏蔽

對(duì)一個(gè)具有銅套結(jié)構(gòu)阻尼屏蔽層的超導(dǎo)調(diào)相機(jī)進(jìn)行仿真分析。同樣采用三維仿真,圖10為采用銅套阻尼屏蔽層的超導(dǎo)調(diào)相機(jī)三維模型。

圖10 采用銅套阻尼屏蔽的超導(dǎo)調(diào)相機(jī)

通過三維仿真得到銅套阻尼屏蔽層上的電流密度的大小分布和矢量分布結(jié)果,如圖11和圖12所示。

圖11 銅套阻尼屏蔽層上的電流密度大小分布

圖12 銅套阻尼屏蔽層上的電流密度矢量分布

從結(jié)果中可以看出:

1)電樞磁場(chǎng)在銅套阻尼屏蔽層上感生出的渦流分布也具有和銅導(dǎo)條阻尼屏蔽層上感生出的渦流分布相同的空間分布特征,即周向空間2階分布,在屏蔽層上的表現(xiàn)為4個(gè)電流環(huán)路,且相鄰的2個(gè)電流環(huán)路的電流方向相反。

2)與銅導(dǎo)條阻尼屏蔽結(jié)構(gòu)相同,銅套靠近定子電樞繞組的一側(cè)的電流密度更大。且非端部部分的電流密度在圓周上分布滿足正弦變化的規(guī)律。但不同于銅導(dǎo)線阻尼屏蔽結(jié)構(gòu),銅套阻尼屏蔽結(jié)構(gòu)的端部區(qū)域很大,且受定子電樞繞組的端部影響而不存在正弦變化的規(guī)律。

3)電樞繞組電流在繞組端部產(chǎn)生的磁場(chǎng)同樣也會(huì)在銅套阻尼屏蔽層上感生出渦流,且渦流的分布主要集中在距離電樞端部繞組更近的區(qū)域,因此也形成了類似于斜槽的分布特征。同時(shí),由于銅套阻尼屏蔽層的最外層上分布的渦流很小,因此可以考慮縮小銅套的軸向長(zhǎng)度,在保證銅套阻尼屏蔽效果的基礎(chǔ)上減少銅的使用量。

為了觀察和分析銅套阻尼屏蔽層上的渦流對(duì)電樞磁場(chǎng)的影響,分別仿真了超導(dǎo)調(diào)相機(jī)軸向中央和端部區(qū)域上轉(zhuǎn)子超導(dǎo)勵(lì)磁繞組旁某一點(diǎn)上的電樞磁場(chǎng)磁通密度時(shí)間分布,并對(duì)其進(jìn)行了快速傅里葉分解計(jì)算,得到時(shí)間波形的頻譜,如圖13和圖14所示。

圖13 銅套屏蔽作用下的電樞磁場(chǎng)磁通密度時(shí)間分布

圖14 銅套屏蔽作用下的電樞磁場(chǎng)磁通密度頻譜分布

由仿真結(jié)果可知,采用銅套進(jìn)行阻尼屏蔽基本抑制了電樞磁場(chǎng)的7次諧波,且電樞磁場(chǎng)的5次諧波也被抑制到一個(gè)很小的水平,這說明了銅套阻尼屏蔽結(jié)構(gòu)擁有很強(qiáng)的異步磁場(chǎng)抑制作用。同時(shí),銅套阻尼屏蔽層對(duì)端部區(qū)域上的電樞磁場(chǎng)的5次諧波的抑制能力比對(duì)軸向中央位置的電樞磁場(chǎng)的5次諧波的抑制能力要弱。

3 不同阻尼屏蔽結(jié)構(gòu)的性能對(duì)比

3.1 電樞磁場(chǎng)諧波成分抑制能力

首先對(duì)比鼠籠式銅導(dǎo)條阻尼屏蔽結(jié)構(gòu)和銅套阻尼屏蔽結(jié)構(gòu)的異步磁場(chǎng)抑制能力。由于只通過波形和頻譜難以直接表達(dá)電樞磁場(chǎng)的諧波相對(duì)含量,因此通過計(jì)算總諧波失真率THD來對(duì)比兩種結(jié)構(gòu)的電樞磁場(chǎng)諧波抑制能力。

表2為無阻尼屏蔽結(jié)構(gòu)、鼠籠式銅導(dǎo)條阻尼屏蔽結(jié)構(gòu)和銅套阻尼屏蔽結(jié)構(gòu)下超導(dǎo)調(diào)相機(jī)不同軸向位置的電樞磁場(chǎng)磁通密度的THD計(jì)算結(jié)果。

表2 電樞磁場(chǎng)磁通密度的總諧波失真率

由計(jì)算結(jié)果可以得出以下結(jié)論:

1)不管是在軸向直線段區(qū)間還是在端部區(qū)間,銅套阻尼屏蔽結(jié)構(gòu)對(duì)異步電樞磁場(chǎng)的抑制作用均比鼠籠式銅導(dǎo)條阻尼屏蔽結(jié)構(gòu)強(qiáng)。

2)不管是鼠籠式銅導(dǎo)條阻尼屏蔽結(jié)構(gòu)還是銅套阻尼屏蔽結(jié)構(gòu),對(duì)軸向直線段區(qū)間的異步電樞磁場(chǎng)的抑制效果都比端部區(qū)間的異步電樞磁場(chǎng)的抑制效果更好。

3)對(duì)于鼠籠式銅導(dǎo)條阻尼屏蔽結(jié)構(gòu),其在直線段上對(duì)切向異步電樞磁場(chǎng)的抑制作用比徑向異步電樞磁場(chǎng)的抑制作用更好,但在端部區(qū)間對(duì)徑向異步電樞磁場(chǎng)的抑制作用比切向異步電樞磁場(chǎng)的抑制作用更好。而銅套阻尼屏蔽結(jié)構(gòu)的規(guī)律則剛好相反。

整體而言,雖然銅套阻尼屏蔽結(jié)構(gòu)的銅材料使用量比鼠籠式銅導(dǎo)條阻尼屏蔽結(jié)構(gòu)多很多,但銅套阻尼屏蔽結(jié)構(gòu)的異步電樞磁場(chǎng)抑制能力要好很多。在采用了銅套阻尼屏蔽結(jié)構(gòu)后,電樞磁場(chǎng)的異步成分被限制在了1%左右,這意味著超導(dǎo)勵(lì)磁繞組發(fā)生失超故障的可能性非常低。由于超導(dǎo)調(diào)相機(jī)的成本基本集中在轉(zhuǎn)子超導(dǎo)勵(lì)磁繞組上,阻尼屏蔽結(jié)構(gòu)的調(diào)整對(duì)整機(jī)的成本變化微乎其微,因此在超導(dǎo)調(diào)相機(jī)中采用銅套阻尼屏蔽結(jié)構(gòu)更加合適,且可以通過調(diào)整銅套的厚度和層數(shù)來進(jìn)一步改善銅套的電磁阻尼作用。

3.2 阻尼屏蔽層的穩(wěn)態(tài)渦流損耗

阻尼屏蔽層是通過感生出局部渦流來抑制超導(dǎo)勵(lì)磁繞組周圍的氣隙磁場(chǎng)的,因此在阻尼屏蔽層上也會(huì)產(chǎn)生由渦流引發(fā)的損耗發(fā)熱。考慮到部分超導(dǎo)勵(lì)磁同步電機(jī)會(huì)將阻尼屏蔽層放置在杜瓦內(nèi)部,阻尼屏蔽層上產(chǎn)生的渦流發(fā)熱會(huì)影響到杜瓦內(nèi)液氮或氦氣的冷卻效果,進(jìn)而影響超導(dǎo)勵(lì)磁繞組的穩(wěn)定運(yùn)行。本文仿真計(jì)算了兩種不同阻尼屏蔽層的渦流損耗,相應(yīng)的結(jié)果如表3所示。

表3 不同阻尼屏蔽結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行損耗

由計(jì)算結(jié)果可得到以下結(jié)論:

1)由于鼠籠式銅導(dǎo)條阻尼屏蔽結(jié)構(gòu)的電流環(huán)路截面很小,使得其電流密度更高,進(jìn)而導(dǎo)致其渦流損耗密度比銅套阻尼屏蔽結(jié)構(gòu)高出很多。由于鼠籠式銅導(dǎo)條阻尼屏蔽結(jié)構(gòu)的體積較小,其整體的渦流損耗與銅套阻尼屏蔽結(jié)構(gòu)的渦流損耗處于同一量級(jí),但依舊是銅套阻尼屏蔽結(jié)構(gòu)的渦流損耗的2倍多。

2)根據(jù)仿真計(jì)算得到的銅套阻尼屏蔽層電流密度分布情況,可知其損耗在銅套上會(huì)出現(xiàn)集中分布。如果將阻尼屏蔽層放置在杜瓦內(nèi)部,總共1 kW的渦流發(fā)熱損耗會(huì)給冷卻系統(tǒng)帶來一定的負(fù)擔(dān)。但對(duì)于大容量同步電機(jī)所采用的冷卻系統(tǒng)來說,銅套阻尼屏蔽的渦流損耗并不會(huì)影響到冷卻系統(tǒng)對(duì)超導(dǎo)勵(lì)磁繞組的冷卻效果。

經(jīng)過仿真計(jì)算和對(duì)比,可以確定在渦流損耗方面,銅套阻尼屏蔽結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的渦流損耗比鼠籠式銅導(dǎo)條阻尼屏蔽結(jié)構(gòu)的渦流損耗更小,更適合應(yīng)用于超導(dǎo)勵(lì)磁同步調(diào)相機(jī)中。同時(shí)銅套阻尼屏蔽層的總損耗對(duì)于冷卻系統(tǒng)而言處于可控范圍內(nèi),不會(huì)在熱方面影響到超導(dǎo)勵(lì)磁繞組的正常運(yùn)行。

3.3 阻尼屏蔽層對(duì)超導(dǎo)調(diào)相機(jī)暫態(tài)性能的影響

雖然在超導(dǎo)調(diào)相機(jī)中采用阻尼屏蔽層的初衷是為了減小電樞電流在轉(zhuǎn)子超導(dǎo)勵(lì)磁繞組上產(chǎn)生的交變磁場(chǎng),以保護(hù)轉(zhuǎn)子超導(dǎo)勵(lì)磁繞組不會(huì)在交變磁場(chǎng)下產(chǎn)生過大的局部渦流發(fā)熱,減小其失超的可能性。但由于阻尼屏蔽結(jié)構(gòu)采用導(dǎo)電的銅等材料,這些導(dǎo)電結(jié)構(gòu)必然會(huì)和其他導(dǎo)電結(jié)構(gòu)如轉(zhuǎn)子超導(dǎo)勵(lì)磁繞組和定子電樞繞組產(chǎn)生互感,進(jìn)而影響超導(dǎo)調(diào)相機(jī)的運(yùn)行特性。

當(dāng)超導(dǎo)調(diào)相機(jī)運(yùn)行在穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí),阻尼屏蔽結(jié)構(gòu)只產(chǎn)生針對(duì)異步電樞磁場(chǎng)的渦流,并不影響超導(dǎo)調(diào)相機(jī)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。但在非穩(wěn)定工作狀態(tài)下,比如起動(dòng)、升速、降速以及一些短路故障狀態(tài)下,阻尼屏蔽結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)超導(dǎo)調(diào)相機(jī)的暫態(tài)性能產(chǎn)生影響,這種影響也被歸結(jié)為次暫態(tài)同步電抗。本文分別對(duì)采用了鼠籠式銅導(dǎo)條阻尼屏蔽結(jié)構(gòu)和銅套阻尼屏蔽結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)調(diào)相機(jī)的次暫態(tài)電抗進(jìn)行了分析和計(jì)算,相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 不同阻尼屏蔽結(jié)構(gòu)下超導(dǎo)調(diào)相機(jī)的次暫態(tài)電抗

計(jì)算結(jié)果表明,采用銅套阻尼屏蔽結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)調(diào)相機(jī)具有更小的次暫態(tài)電抗,這意味著采用銅套阻尼屏蔽結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)調(diào)相機(jī)具有更好的靜態(tài)穩(wěn)定能力,能夠更好地應(yīng)對(duì)電力系統(tǒng)中的小擾動(dòng)。

為了對(duì)比兩種結(jié)構(gòu)的暫態(tài)穩(wěn)定能力,分別仿真計(jì)算并對(duì)比采用兩種不同阻尼屏蔽結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)調(diào)相機(jī)在短路故障工況下的相電流波形?？紤]到在電力系統(tǒng)的短路故障中單相接地短路較為常見,因此仿真計(jì)算三相Y連接且中性點(diǎn)不接地的超導(dǎo)調(diào)相機(jī)在恒轉(zhuǎn)速下的單相接地短路故障電流波形。仿真計(jì)算結(jié)果如圖15和圖16所示。

圖15 銅套阻尼屏蔽結(jié)構(gòu)下的短路故障電流

圖16 銅導(dǎo)條阻尼屏蔽結(jié)構(gòu)下的短路故障電流

比較兩種阻尼屏蔽結(jié)構(gòu)下超導(dǎo)調(diào)相機(jī)的單相接地短路三相電流波形,可以發(fā)現(xiàn),采用銅套阻尼屏蔽結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)調(diào)相機(jī)在單相接地短路故障過程中具有更大的短路電流,而兩種阻尼屏蔽結(jié)構(gòu)下的三相短路電流進(jìn)入穩(wěn)態(tài)所需的時(shí)間基本相同。該結(jié)果表明,阻尼屏蔽結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的次暫態(tài)電抗對(duì)短路故障下的電流大小影響較大,次暫態(tài)電抗越小,短路電流則越大。但不同阻尼屏蔽結(jié)構(gòu)對(duì)短路電流進(jìn)入穩(wěn)態(tài)的時(shí)間影響較小,也可以認(rèn)為是對(duì)各項(xiàng)次暫態(tài)時(shí)間常數(shù)的影響較小。

綜上所述,采用銅套阻尼屏蔽結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)調(diào)相機(jī)具有更好的異步電樞磁場(chǎng)抑制能力,能更好地保護(hù)轉(zhuǎn)子超導(dǎo)勵(lì)磁繞組。同時(shí)其具有更小的次暫態(tài)電抗,具有更好的靜態(tài)穩(wěn)定能力,但也導(dǎo)致其短路故障下的短路電流更大。

3.4 三相不平衡短路故障下的阻尼保護(hù)作用

對(duì)于同步調(diào)相機(jī)而言,其發(fā)生的短路故障大多為三相不平衡的短路故障,即單相短路故障和兩相短路故障。而三相不平衡的短路電流會(huì)在氣隙和超導(dǎo)勵(lì)磁繞組附近產(chǎn)生的非常大的異步電樞磁場(chǎng),此時(shí)如果沒有阻尼屏蔽層的保護(hù),則超導(dǎo)勵(lì)磁繞組會(huì)產(chǎn)生非常大的反電動(dòng)勢(shì),直接影響超導(dǎo)調(diào)相機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)的運(yùn)行安全,因此需要分析三相不平衡短路故障下的阻尼保護(hù)能力。圖17為中性點(diǎn)接地Y形連接電樞繞組單相短路故障下的超導(dǎo)勵(lì)磁繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形。

圖17 單相短路故障下的超導(dǎo)勵(lì)磁繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

由仿真計(jì)算結(jié)果可知:

1)相比于沒有阻尼屏蔽層的情況,存在阻尼屏蔽層時(shí)超導(dǎo)勵(lì)磁繞組在單相短路故障下的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)明顯小很多。由于同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁采用直流電,需要將交流電從網(wǎng)側(cè)經(jīng)變壓器和整流器轉(zhuǎn)換成直流電,過高的勵(lì)磁繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)顯然會(huì)擊穿勵(lì)磁系統(tǒng)中的電力電子器件,因此阻尼屏蔽層的保護(hù)作用是必不可少的。

2)對(duì)比兩種不同阻尼屏蔽結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)勵(lì)磁繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形,不難發(fā)現(xiàn),銅套的保護(hù)作用比鼠籠式銅導(dǎo)條的保護(hù)作用強(qiáng)很多。但銅套保護(hù)下的近8 kV的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)依舊會(huì)對(duì)超導(dǎo)勵(lì)磁系統(tǒng)的安全運(yùn)行產(chǎn)生影響,因此還需要考慮增大銅套的厚度或者增加銅套的層數(shù)。

4 結(jié) 語

本文對(duì)不同結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)調(diào)相機(jī)阻尼屏蔽層進(jìn)行了三維仿真分析,并對(duì)比了采用不同阻尼屏蔽結(jié)構(gòu)下的超導(dǎo)調(diào)相機(jī)的相關(guān)性能,最終得到以下結(jié)論:

1) 采用氣隙電樞的超導(dǎo)調(diào)相機(jī)所產(chǎn)生的電樞磁場(chǎng)在空間上具有良好的正弦性,超導(dǎo)調(diào)相機(jī)的阻尼屏蔽結(jié)構(gòu)主要針對(duì)電樞諧波電流產(chǎn)生的異步磁場(chǎng)產(chǎn)生抑制作用。

2) 根據(jù)三維仿真結(jié)果,銅套阻尼屏蔽結(jié)構(gòu)比鼠籠式銅導(dǎo)條阻尼屏蔽結(jié)構(gòu)具有更好的異步電樞磁場(chǎng)抑制能力和更小的渦流損耗。出于保護(hù)轉(zhuǎn)子超導(dǎo)勵(lì)磁繞組的目的,超導(dǎo)調(diào)相機(jī)對(duì)異步電樞磁場(chǎng)很敏感,因此在超導(dǎo)調(diào)相機(jī)中更適合采用銅套阻尼屏蔽結(jié)構(gòu)。同時(shí)還可以考慮調(diào)整銅套阻尼屏蔽層的軸向長(zhǎng)度和厚度,一方面盡量減少銅材料的使用量,另一方面盡可能減小電流密度,減小銅套上的渦流損耗。

3) 通過三維仿真計(jì)算得到兩種阻尼屏蔽結(jié)構(gòu)下超導(dǎo)調(diào)相機(jī)的次暫態(tài)電抗和單相接地短路故障下的三相電流波形,結(jié)果表明,采用銅套阻尼屏蔽結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)調(diào)相機(jī)具有更小的次暫態(tài)電抗,使其具有更好的靜態(tài)穩(wěn)定能力,但也導(dǎo)致其短路故障下的短路電流更大。同時(shí)仿真分析了單相接地短路故障下的超導(dǎo)勵(lì)磁繞組反電動(dòng)勢(shì),結(jié)果表明,阻尼屏蔽層具有很好的抑制三相不平衡短路故障下超導(dǎo)勵(lì)磁繞組反電動(dòng)勢(shì)的能力,其中銅套阻尼屏蔽層的保護(hù)效果更佳,但依舊不足以保證超導(dǎo)勵(lì)磁系統(tǒng)的安全運(yùn)行,需要考慮增加阻尼層的厚度或?qū)訑?shù)。