（电力系统及其自动化专业论文）绕组失超电阻对超导变压器特性影响的研究.pdf

a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to f h i g ht e m p e r a t u r e s u p e r c o n d u c t i n g( h t s ) t r a n s f o r m e r s u p e r c o n d u c t i n gm a t e r i a l sa r ef i r s tn a r r a t e di nt h ea i r t i c l e ，a n dt h ed i f f e r e n t sb e t w e e na h t st r a n s f o r m e ra n da no r d i n a r yp o w e rt r a n s f o r m e ri sa l s o d e s c r i b e d 。 s o m ee l e c t r i c c h a r a c t e r i s t i c sa r ea n a l y z e da n ds i m u l a t e db ys o f t w a r em a t l a b s i m u l i n ks u c ha st h a ti m p a c t c u l l r e n to f s u p e r c o n d u c t i n gt r a n s f 6 r m e ru n d e rn o 1 0 a dc l o s i n g ，a n ds u d d e ns h o r t c u r r e n ta n dc i r c u l a t i n gc u r r e n ta m o n gt h em u l t i p a r a l l e l e db r a n c h e s 。 t h e r em a yb eab i ti n r u s hc u r r e n tw h e nt r a n s f b r m e ri so nn o l o a dc l o s i n g ， a n d b e c a u s et h ew i n d i n gr e s i s t a n c ei sm o r el i t t l et h a nt h el o s sr e s i s t a n c eo ft h ec o r e s ot h e a n a l y s i su n d e rn o l o a dc l o s i n ga b o u ts u p e r c o n d u c t i n gt r a n s f b r m e ri sa sl i k ea st h a t0 f c o m m o n l t r a n s f o r m e r 。w h e nt h es u p e r c o n d u c t i n gt r a n s f o r m e ri si nt h es t a t e0 fs u d d e n s h o r t ，t h ew i n d i n gq u e n c h e sa n dt h er e s i s t a n c ew i l lb ei n c r e a s e da n d c h a n g e dd u r i n g t h es u d d e ns h o r t 。s 0i t sd i f f i c u l tt oe x a c t l ya n a l y s i st h e p r o c e s so fs u d d e ns h o r to ft h e s u p e r c o n d u c t i n gt r a n s f o r m e r 。 i nt h ep a p e ro n l yt w 0c a s e sa b o u tt h et r a n s f o r m e r ，s s u d d e ns h o r ta r ea n a l y z e dt h a tt h er e s i s t a n c eo fw i n d i n gi s i g n o r e e do ra s s u m p t e da g i v e nv a l u ec o r r e s p o n d i n gt h es q u e n c hs t a t eo fas u p e r c o n d u c t i n gs t r i pm a t e r i a l 。 a t l a s t ，t h ec i r c u l a t i n gc u r r e n ta m o n gt h ep a r a l l e db r a n c h e si sc a l c u l a t e da n d i n f l u e n c eo f r e s i s t a n c eo nt h ec i r c u l a t i n gi ss t u d i e d 。 i tc a nc o n c l u d e st h a ts o m et y p e so fw i n d i n g s m a yb es u i t a b i ef o rc o m m o nt r a n s f o r m e rb u tn o tf o rs u p e r c o n d u c t i n gt r a n s f o r m e r 。 b e c a u s et h ec h a r a c t e r i s t i co fz e r or e s i s t a n c eo fs u p e r c o n d u c t i n gl a r g e l yc u t sd o w nt h e a b i l i t yt os u p p r e s st h ec i r c u l a t i n g 。 k e yw o r d s ：s u p e r c o n d u c t i n gt r a n s i 0 r m e r ；n o l o a dc l o s i n g ；s u d d e ns h o r t ；m u l t i p a r a u e l e db r a n c h e s ； s i m u l a t i n gb ym a t l a b 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：尹呼和 日期：歹，7 年旷月) 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囹。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名。歹呼和 日期：如7 年岁月3j 日 新虢舢嗍少产厂月日 1 1 引言 第一章绪论 电力变压器是电力系统中极其重要的电气设备，它对电能的可靠运输、灵活 分配和安全使用具有极其重要的意义。其运行安全与否直接关系到电力系统能否 连续、可靠和稳定地工作。电力变压器发生故障，不仅会使系统供电中断，而且 将极大的影响工农业生产和人民的正常生活，甚至会危及人身和设备安全。特别 是由于变压器本身造价昂贵，结构复杂，一旦因故障而损坏，其检修难度大，时 间长，会给国民经济带来巨大的损失i l 】。 现代电力变压器是一种具有高度可靠性、高效率的电力设备。随着我国电力 工业和城市建设的迅速发展，国家正在实施城网、农网改造，变压器行业相应地 得到了飞速发展。随着单机容量的日益增大，用户对变压器的要求越来越高，电 力变压器除了要满足电、磁、力、热等技术规范外，还要满足小型、无油、低噪 音的要求，以减小占地面积和减少环境污染。常规变压器由于其固有缺陷难以满 足现代电力工业发展的需要。研究和发展新型超导变压器，从而提高电力变压器 的性能，具有巨大的理论研究意义和实际应用价值。 从经济上看，超导材料的低阻抗特性有利于减小变压器的总损耗，高电流密 度可以提高电力系统的效率，采用超导变压器将会大大节约能源，减少其运行费 用；从绝缘运行寿命上看，超导变压器的绕组和固体绝缘材料都运行于深度低温 下，不存在绝缘老化问题，即使在两倍于额定功率下运行也不会影响运行寿命。 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，提高了 系统的安全性；从对电力系统的贡献来看，正常工作时超导变压器的内阻很低， 增大了电压调节范围，有利于提高电力系统的性能；当电路发生短路时，超导体 失超进入有阻状态，限制了电流尖峰。这种潜在的故障电流限制能力使得变压器 阻抗要求与短路电流要求得以分离，相应的电力系统元件按限制后的电流来设计， 减小了整个系统的投资：从环保角度看，超导变压器采用液氮进行冷却，取代了 常规变压器所用的强迫油循环冷却或空冷，降低了噪声，避免了变压器可能引起 的火灾危险和由于泄漏造成的环境污染。总体来看，超导变压器具有体积小、重 量轻等优点，将成为2 l 世纪最理想的节能变压器，极具潜在的开发前景【z 】- 【引。 1 2 国内外研究现状 电力变压器是电力电网中的主要电气设备，其制造工业随着电力工业的大规 模发展而不断发展，以达到可靠性高、效率高、制造工艺成熟等目标。电力变压 器的进一步发展趋势是：降低损耗水平，提高单机容量，减小单机体积，加强环保 功能，电压等级向7 5 0 一1 0 0 0 k y 超高压方向发展。现在，变压器正处于一个成熟 的发展阶段，仅仅采用常规方法已经难以满足现代电力工业发展的需求。提高电 力变压器的性能，有赖于新材料、新工艺的采用和新型电力变压器的研究与发展。 超导材料在减小变压器的体积和总损耗，以及提高单机容量等方面具有巨大的潜 力，非常符合电力工业发展的需要1 6 j 。 早在2 0 世纪6 0 年代实用超导材料出现后，国际上就开展了对超导变压器的 研究。由于当时超导线是单芯线，交流损耗较大，超导变压器的研究没有什么进 展。8 0 年代初，法国首先研制出低交流损耗的极细丝复合多芯超导线，加上低温 冷却技术的成熟，促进了低温超导变压器的发展【7 】。日、法等国对低温超导变压 器进行了概念设计【8 】【1 0 】，提出了适用于输入、输出特性分析和损耗特性分析的等 效电路【1 1 】【12 1 ，进行了变压器交流磁场分析1 3 1 【15 1 ，并对线圈稳定性、变压器暂态 过程和电力系统故障时主绕组的失超特性进行了研究1 6 】【1 扪，探讨了超导故障限 流变压器的可行性【1 9 】。几百千伏安乃至兆伏安级的低温超导变压器样机相继研制 出来。1 9 8 3 年，法国a l s t h o m 公司研制的2 2 0 k 助单相低温超导变压器是最早出 现的超导变压器。然而，由于液氮的冷却成本过高，低温超导变压器不能达到实 用化的要求。 自从1 9 8 7 年以来，随着高温超导带材的开发研制成功，超导变压器的研究开 始转向高温超导变压器，推动了高温超导变压器的发展。液氮的冷却成本比液氦 低2 0 倍，制冷机效率却比液氮制冷机高5 0 倍，汽化热比液氮大1 0 倍左右，绝缘 强度比液氮高2 倍，高温超导变压器的稳定性和经济性比低温超导变压器均有明 显提高，最低经济容量由低温超导变压器的3 0 0 m 附降至3 0 m 附左右，更易于实 用化。 纵观国内外超导变压器的研究与开发，整体的发展趋势主要表现在两个方面： 一是大容量化，该方向的研究以美国为代表。当超导变压器容量大于其经济运行 容量时，总投资费用将会低于传统变压器，超导变压器节能等特点成为显著的优 势：二是功能化，该方向的研究以欧洲、日本为代表。基本思想是回避超导变压器 与常规变压器在总费用方面的直接比较，针对超导变压器的特点，将研究重点放 在充分发挥和利用其辅助功能上，使电力系统有所受益。比如采用空心超导变压 器充当并联电抗器，补偿流经输电系统的容性电；利用超导变压器体积小、重量 轻的特点，作为牵引变压器用于电气化铁路中。在对超导变压器进行设计时，有 必要在这两个方向上作一定的研究。超导变压器的实用化有赖于实用超导材料的 发展，只有超导材料的价格达到1 0 2 0 $ 融m 之间，交流损耗小于o 2 5 m m 值- m ， 工程电流密度为2 5 1 0 0 a m m 2 这样的标准后，超导变压器的性能才能大大改进。 2 随着冷却技术的进一步发展和超导材料的实用化，超导变压器可望在技术上和经 济上达到实用化的目标，应用于高电压、大容量的输、配电等领域，该研究已经 引起了广泛的关注2 0 1 。 1 3 超导变压器的基本构造 在原理上，超导变压器与常规技术的变压器没有本质的区别，虽然有部分研 究考虑省去超导变压器的铁心，但由于漏抗较大，没有成为超导变压器的主流。 根据大量的概念设计、成本分析以及试验样机的研制，与常规变压器相比，超导 变压器主要在以下几个方面具有较大的技术经济优势： 1 ) 体积小、重量轻。由于超导线材的通电电流密度远大于铜等常规导体，利 用超导线材制成的变压器绕组的体积和重量均将远小于常规变压器。根据概念设 计，超导变压器与常规变压器相比，体积只有后者的3 0 7 0 ，重量只有4 0 6 0 。a b b 公司研制中的l o m 附高温超导变压器，重量是同容量常规变压器的 4 5 ，体积为8 0 。由此带来的经济效益是使用原材料的减少、运输费用的降低、 安装设备的简化以及占地面积和空间的减少。当然，维持超导的低温冷却系统要 占据一定的空间，但它可以和常规变压器所需的油箱、风扇、散热器等所占空间 相抵。如果超导变压器不是单独地使用，而是和其他超导装置，如发电机、电缆 或超导储能系统相配合，冷却系统将是多个超导装置的公用设施，则可以获得更 高的效益。基于此，日本古屋大学和美国电力科学研究院( e p r i ) 分别提出了采用 全封闭型超导输电系统和全超导变电站的概念。 2 ) 效率高。维持超导所需要的冷却能量是制约变压器效率的关键因素。低温 超导只能运行在液氮温区( 4 2 k ) ，这一问题尤其显著。但是，高温超导可运行于 液氮温区( 7 7 k ) ，氮气资源丰富、成本低、氮气液化所需的能量也只有氦气的 1 2 5 。还可以使用直接冷却技术使高温超导变压器在低于7 7 k 的温区运行，这可 以获得更高的超导稳定性。由于超导线材技术和冷却技术的进步，特别是高温超 导线材技术的应用，超导变压器的效率可比常规变压器高出0 1 0 5 。虽然就 一台变压器来说，这一数值并不大，但是，如果将系统中大量的变压器的效率均 提高o 1 5 ，其经济效益仍然是相当可观的。然而，必须指出，在交流电流下， 超导线材内部会产生交流损耗，消耗冷却功率，危害超导稳定性。设计超导变压 器，要在充分考虑线材交流损耗的基础上，确定绕组导线通电电流密度的裕度和 冷却功率。交流损耗大，所用线材的截面积也要增大，消耗冷却能量也大。所以， 超导线材交流损耗指标是和变压器效率紧密相关的问题。 3 ) 阻燃。在超导变压器中，液氮或液氦既是冷却剂，又是绝缘的一部分。二 者均具有良好的绝缘性能。由于氦气和氮气都不可燃，加上温度极低，超导变压 器具有良好的阻燃特性。这一特点可以提高变电站的安全性能。 3 4 ) 特殊功能。超导装置运行在低温环境中。通过连接低温( 超导系统) 和高温 ( 常规系统) 的电流引线的热传导侵入的热量，占超导装置热损耗的绝大部分。用 超导变压器作为超导电力装置和常规电力系统的接口设备，通过电磁耦合而不是 直接接触，连接不同温度的装置，可以降低侵入超导装置的热量，提高效率。超 导线圈可以在几丁甚至到十几丁的磁场条件下运行。省略铁心的空心变压器可 在远高于铁心磁饱和磁通密度的高磁场下运行。虽然空心变压器的漏磁大，励磁 电流大，但因不要铁心，体积、重量和损耗( 铁损部分) 均将减少，并可积极利用 漏磁大的特性，得到一些附加效益，如可兼做无功电抗器。 超导体失超后会产生失超电阻。利用超导体的这一特性可以制成超导限流器。 如果超导变压器上的某绕组失超，由于常导电阻的出现，在电压、电流的电磁 特性上均将出现某种变化。超导变压器上也可以附加绕组，利用该绕组超导体的 失超特性使之具有限制短路电流、失超检测等性能。 虽然超导变压器的广泛应用还有待于超导线材价格的进一步下降以及相关超 导、低温技术的进一步发展，但是，根据上述特点，超导变压器将首先在以下场 合获得应用：供电密度高、容量大而土地价格昂贵、安装空间紧张的大城市内 部配变电站；其他超导电力装置，如超导发电机、超导电缆、超导磁储能系统 等与常规电力系统的变压器连接装置；超导装置失超检测中所需要的电磁耦合 器件、高效无功电抗等非超导技术难以实现的特殊功能需求【2 1 1 。 1 4 超导变压器分类 1 4 1 低温超导变压器 低温超导变压器则运行于液氮温度，高、低压绕组均采用低温超导绕组。 低温超导变压器以日本九州大学开发的四绕组变压器、关西电力的n b 3 s n 变 压器、大阪大学的三相变压器以及名古屋大学的用于全封闭超导输电系统的 l m v a 超导变压器的特色较为鲜明。 超导线材为日本昭和电线电缆公司生产的低温超导肋一n 的极细丝超导线。 硒一瓦超导细丝直径0 7 4 删，2 3 7 4 9 根舫一死细丝埋置于。一贼基材中，构 成直径o 1 9 3 ，l m 的超导股线，低压绕组导线由3 6 股线构成，高压侧1 8 股。 1m 附运行时的交流损耗为1 4 1 2 。如果按补充1 形的热损失消耗液氮的冷 却功率为5 0 0 缈，该变压器的交流损耗为容量的o 7 。加上铁心损耗以及杜瓦 外部侵入的热量所引起的损耗，该超导变压器的效率未能达到9 9 。该变压器和 超导限流器、超导电缆组成的全封闭超导送电模拟系统成功地通过了送电试验。 早期的低温超导变压器的研究结果表明，虽然大容量的超导变压器具有一定 的技术经济优势，但是由于液氮冷却所需要的技术要求和成本较高，使其应用受 4 到了很大的限制。随着高温超导线材技术的巨大进步，现在，超导变压器的研制 已经转向高温超导技术。 1 4 2 高温超导变压器 根据绕制线圈的超导材料的不同，高温超导变压器可以分为混合超导变压器 和高温超导变压器。混合变压器的低压大电流绕组采用高温超导绕组，运于液氮 温度，而高压绕组由于电流较低，由低损耗铜线圈组成。高压侧铜绕组在低温下 可以承受比常温更大的故障电流，铜绕组的采用还可以节约一定的超导线费用。 但所需的低温容器结构复杂，而且高压绕组径向尺寸无法减小，铜绕组的电阻损 耗对变压器的效率造成影响。这是一种过渡类型的超导变压器，而高温超导变压 器则运行于液氮温度，高、低压绕组均采用高温超导绕组。 根据有无铁心，高温超导变压器可分为铁心式变压器和空心式变压器。就损 耗而言，变压器具有最优铁心截面，若增大截面，则铁心损耗的增加将会超过绕 组损耗和冷却损耗的减小；反之，绕组损耗和冷却损耗的增加将超过铁心损耗的 减小，因此，大的电力变压器常常采用铁心式变压器，空心变压器仅用于对重量、 结构的简单性有特殊要求的情况。对铁心变压器而言，超导材料的使用大约能将 最佳铁心截面减小4 倍，从而降低了变压器重量和铁心损耗；对空心变压器，超 导材料的低损耗特性使大幅度增加励磁电流成为可能，从而有可能制造大的空心 式电力变压器。由于取消了铁心，空心变压器具有重量轻，体积小等优点，不存 在空载损耗问题、绕组与铁心间的电力绝缘问题、磁饱和引起的涌流问题和励磁 电流的高次谐波问题。由于空心式变压器兼有并联电抗器的功能，可以补偿流经 输电系统的很大的容性电流，适用于与超导发电机、超导电缆输电线路配合使用。 但没有铁心会产生比额定电流大几倍的励磁电流和较高的漏电感，也会使原边绕 组体积过大。由于没有流通磁路的专门路径，直接作用在超导绕组上的磁场的分 布不均匀，而且负载时的磁场具有旋转分量，使其交流损耗分布不均匀，并对绕 组的稳定性也有影响，因此在不需要补偿容性电流的送电端，常常采用铁心式变 压器。 h t s 变压器运行于液氮温度，与l t s 变压器相比，h t s 变压器具有几个独 特的特点： 一是高温超导材料具有各向异性，高温超导绕组所能承受的磁场径向分量远 远小于轴向分量，因此需要减小磁场的径向分量；二是由于液氮的汽化热比液氮 大1 0 倍左右，绝缘强度比液氮高2 倍，h t s 变压器热稳定性更高，但其热稳定性 同时也意味着失超时正常区的传播速度很慢，因此。h t s 变压器限流能力比lt s 变压器差，需要发展必要的限流措施；三是由于液氮冷却成本比液氮低2 0 倍。制 冷机效率比液氮制冷机高5 0 倍，h t s 变压器经济性更好，更容易实用化。 5 1 4 3 特殊形式超导变压器 为降低通过电流引线侵入的热量，日本名古屋大学一方面提出了全封闭超导 输电的概念，即从发电机、变压器到输电电缆均采用超导技术，尽量减少低温一 常温接口；另一方面，还提出了利用变压器的原副方之间只有电磁耦合，不需要 直接接触的特点兼做超导电力装置和常规电力系统的接口装置，以减轻热侵入， 并开发了低压绕组为超导线圈，高压绕组为常规铜线圈的混合型变压器。 另外，日本对空心变压器也进行相当多的研究，并开发了小型的试验样机。 使用空心变压器可以减小重量和体积，降低损耗，也可以突破铁心磁饱和的限制， 使之运行在较高磁通密度。空心变压器的主要不足是漏磁和励磁电流较大。但该 缺陷也可以被积极利用，如使变压器兼做无功电抗器。根据绕制线圈的超导材料 的不同，高温超导变压器可以分为混合超导变压器( h s c t ) 和高温超导变压器 ( h t s c t ) 。混合变压器的低压大电流绕组采用高温超导，运行于液氮温度，而 高压绕组由于电流较低，由低损耗铜线圈组成。高压侧铜绕组在低温下可以承受 比常温更大的故障电流，铜绕组的采用还可以节约一定的超导线费用。但所需的 低温容器结构复杂，而高压绕组径向尺寸无法减小，铜绕组的电阻损耗对变压器 的效率造成影响。这是一种过渡类型的超导变压器，而高温超导变压器则运行于 液氮温度，高、低压绕组均采用高温超导绕组。 根据有无铁心，高温超导变压器又可分为铁心式变压器和空心变压器。就损 耗而言，变压器具有最优铁心截面，若增大截面，则铁心损耗的增加将会超过绕 组损耗和冷却损耗的减小：反之，绕组损耗和冷却损耗的增加将超过铁心损耗的 减小，因此，大的电力变压器常常采用铁心式变压器，空心变压器仅用于对重量 和结构的简单性有特殊要求的情况。对铁心变压器而言，超导材料的使用大约能 将最佳铁心截面减小4 倍，从而降低了变压器重量和铁心损耗；对空心变压器， 超导材料的低损耗特性使大幅度增加励磁电流成为可能，从而有可能制造大的空 心式变压器。由于取消了铁心，空心变压器具有重量轻体积小等优点，不存在空 载损耗问题、绕组与铁心间的电力绝缘问题、磁饱和引起的涌流问题和电流的高 次谐波问题。由于空心式变压器兼有并联电抗器的功能，可以补偿流经输电系统 的很大的容性电流，适用于与超导发电机、超导电缆输电线路配合使用。但没有 铁心会产生比额定电流大几倍的励磁电流和较高的漏电感，也会使原边绕组体积 过大。由于没有流通磁路的专门路径，直接作用在超导绕组上的磁场的分布不均 匀，而且负载时的磁场有旋转分量，使其交流损耗分布不均匀，并对绕组的稳定 性也有影响，因此在不需要补偿容性电流的送电端，常常采用铁心式变压器。 6 1 5 超导材料 1 5 1 概述 一个国际科学家研究小组发现一种高温超导材料在低温下的导热性能和导电 性能没有相关性，这一研究成果对现有一些物理理论提出了挑战。将一种临界温 度较低的铜氧化物高温超导材料冷却后放入磁场，结果发现，它的超导电性消失 了。研究人员测量了这种“正常”状态下材料的热导率和电导率，结果发现二者没 有相关性，这违背了维德曼一弗兰兹定律。 这一现象表明，在铜氧化物超导材料中，电流和热可能有不同的传导机制， 它不能用“费米液体”理论加以解释。科学家说，需要在多种条件下重复这一实验 才能更好地解释这种现象。 物质的导电性能和导热性能可以分别用电导率和热导率描述。1 8 5 3 年，德国 物理学家维德曼和弗兰兹通过实验发现，在特定温度下，金属的热导率和电导率 的比值是一个常数。当温度升高或降低时，金属的电导率和热导率会成比例的改 变。这一定律被称作维德曼一弗兰兹定律，它是固态物理的基本定律之一。 在金属相对固定的原子点阵中充满了可以自由运动的电子。热导率和电导率 的这种相关性表明，在金属中，自由电子既充当了导电的载体，又充当了导热的 载体。2 0 世纪5 0 年代，苏联物理学家朗道提出了“费米液体”理论，把金属中大 量的电子视作“费米液体”，从微观角度解释了自由电子的这种行为。 1 9 1 1 年，荷兰物理学家卡麦林昂尼斯首次意外地发现了超导现象：将水银冷 却到接近绝对零度时，其电阻突然消失。后来他又发现许多金属( 例如铝、锡) 和 合金都具有与水银相类似的特性：在低温下电阻为零( 这一温度叫超导材料的临界 温度) ，由于它的特殊导电性能，昂尼斯称之为超导态。总体来说，超导材料的发 展经历了一个从简单到复杂，即由一元系到二元系、三元系以至多元系的过程， 在1 9 1 1 1 9 3 2 年间，以研究元素超导体为主，除h g 外，又发现了p d 、s n 、i n 、 t a 、n b 、t i 等众多的元素超导体。现在已知，在元素周期表中有5 0 多种元素具 有超导电性。在1 9 3 2 1 9 5 3 年间，则发现了许多具有超导电性的合金、以及过渡 金属碳化物和氮化物，临界转变温度( t c ) 得到了进一步的提高。随后，在1 9 5 3 1 9 7 3 年间，发现了一系列a 1 5 型( 如n b 3 s n ，v 3 g a ，n b 3 g e ) 超导体，使t c 值 上升到2 3 2 k 。1 9 8 6 年以后发现的多元系氧化物超导体使临界温度值在l o 年的时 间里提高到了1 6 0 k 。 在高温超导体出现以前，使用在液氦温度下的低温超导材料经过二十余年研 究与发展获得了成功。以n b t i 、n b 3 s n 为代表的实用超导材料已实现了商品化， 在核磁共振人体成像、超导磁体及大型加速器磁体等多个领域获得了应用。但是， 由于常规低温超导体的临界温度太低，必须在昂贵复杂的液氦( 4 2 k ) 系统中使 7 用，因而严重限制了低温超导应用的发展。 1 9 8 6 年高温氧化物超导体的出现，突破了温度壁垒，把超导应用的温度从液 氦提高到了液氮温区。同液氦相比，液氮是一种非常经济的冷媒，并且具有较高 的热容量，给工程应用带来了极大的方便。另外，高温超导体都具有相当高的上 临界场，能够用来产生2 0t 以上的强磁场，这正好克服了常规低温超导材料的不 足之处。正因为这些优点，吸引了大量的科学工作者采用最先进的技术装备，对 高临界温度超导机制、材料的物理特性、化学性质、合成工艺及显微组织进行了 广泛和深入的研究。高温超导研究具有广泛的应用价值与科学价值。1 9 8 6 年，i b m 研究实验室的物理学家柏诺兹和缪勒发现了临界温度为3 5 开尔文的镧钡铜氧超 导体。这一突破性发现导致了一系列铜氧化物高温超导体的发现。柏诺兹和缪勒 也因此荣获1 9 8 7 年度诺贝尔物理学奖。自那以后，铜基高温超导电性及其机理成 为凝聚态物理的研究热点，但其超导机制至今仍未解决。科学家们都希望在铜基 超导材料以外再找到新的高温超导材料，从而能够从不同的角度去研究高温超导 机制。 2 0 0 1 年4 月，3 4 0 米铋系高温超导导线近日在清华大学应用超导研究中心研 制成功。这是我国目前高温超导长导线的最新记录，标志着我国已掌握了处于世 界先进水平的超导线材产业化技术。此次研制成功的高温超导导线为3 7 芯，长 3 4 0 米，宽3 4 3 毫米，厚o 1 5 毫米，截面面积为o 5 1 平方毫米。在零外磁场下 导线的临界电流大于2 5 安培，工程临界电流密度达每平方厘米5 0 0 0 安培( 测试 温度为摄氏零下1 9 6 度) 。相比其它使用纯银包缚的导线，这种导线由于使用了银 合金，其机械强度更高。导线表面涂有绝缘物质，且均匀，无气泡等缺陷，具有 较好的使用性能。这表明此长导线的综合性能已达到世界先进水平。 2 0 0 8 年3 月2 5 日，中国科学技术大学陈仙辉教授小组在国际上最先报道了 在氟掺杂的钐氧铁砷化合物中发现高于4 0 开尔文的超导电性( 4 3 开尔文) 。该材 料为第一个临界温度超过4 0 开尔文的非铜氧化物超导体，突破了麦克米兰极限 ( 麦克米兰曾经断言，传统超导i 临界温度最高只能达到3 9 开尔文，被称为麦克米 兰极限) ，高于4 0 开尔文的临界转变温度有力地说明了该体系属于非传统高温超 导体。该工作发表在今年6 月5 日的英国自然杂志上。自然杂志审稿人对 该工作给出了高度评价这是一篇坚实可靠的论文，开辟了氟掺杂r o f e a s 化合 物的领域。这一工作表明了超导转变温度( 在常压下) 高于4 0 开尔文。这项工作 是坚实可靠的，有助于该领域基础的创建。”n a t u r e c h e m i s t r y 、n a t u r e c h i n a 和a s i a m a t e r i a l s 将这一工作作为亮点进行了介绍和报道。随后，陈仙辉教授 小组进一步发现该体系临界转变温度可达到5 4 开尔文并且提出了该体系的电子 相图。与此同时，陈仙辉教授小组还与国际上众多知名研究小组就关于铁基超导 体的机理开展了广泛的合作研究。 8 新铁基高温超导体的发现，将会给高温超导机理的研究带来新的曙光，这将激 发科学界新一轮的高温超导研究热潮。 1 5 2 高温超导材料研究 具有高临界转变温度( t c ) 能在液氮温度条件下工作的超导材料。因主要是 氧化物材料，故又称高温氧化物超导材料。高温超导材料不但超导转变温度高， 而且成分多是以铜为主要元素的多元金属氧化物，氧含量不确定，具有陶瓷性质。 氧化物中的金属元素( 如铜) 可能存在多种化合价，化合物中的大多数金属元素 在一定范围内可以全部或部分被其他金属元素所取代，但仍不失其超导电性。除 此之外，高温超导材料具有明显的层状二维结构，超导性能具有很强的各向异性。 已发现的高温超导材料按成分分为含铜的和不含铜的。含铜超导材料有镧钡 铜氧体系( z = 3 5 4 0 k ) 、钇钡铜氧体系( 按钇含量不同，t 发生复化。最低为 2 0 k ，高可超过9 0 k ) 、铋锶钙铜氧体系( z = 1 0 1 1 0 k ) 、铊钡钙铜氧体系( c = 1 2 5 k )、铅锶钇铜氧体系( z 约7 0 k )。不含铜超导体主要是钡钾铋氧体 系( z 约3 0 k )。已制备出的高温超导材料有单晶、多晶块材，金属复合材料 和薄膜。高温超导材料的上临界磁场高，具有在液氦以上温区实现强电应用的潜 力。 目前高温超导材料指的是：钇系( 9 2k ) 、铋系( 1 1 0 k ) 、铊系( 1 2 5 k ) 和汞 系( 1 3 5 k ) 以及2 0 0 1 年1 月发现的新型超导体二硼化镁( 3 9 k ) 。其中最有实用 前途的是铋系、钇系( y b c o ) 和二硼化镁( m g b 2 ) 。氧化物高温超导材料是以 铜氧化物为组分的具有钙钦矿层状结构的复杂物质，在正常态它们都是不良导体。 同低温超导体相比，高温超导材料具有明显的各向异性，在垂直和平行于铜氧结 构层方向上的物理性质差别很大。高温超导体属于非理想的第1 i 类超导体，且具 有比低温超导体更高的临界磁场和临界电流，因此是更接近于实用的超导材料， 特别是在低温下的性能比传统超导体高得多。 1 ) 高温超导线带材 高温超导体在强电方面众多的潜在应用( 如：磁体、电缆、限流器、电机等) 都需要研究和开发高性能的长线带材( 千米量级) 。所以，人们先后在y b c o 、 b s c c o 及m g b 2 线材带化实用化方面做了大量的工作。目前已在b i 系a g 基复 合带线材、铁基m g b 2 线材和柔性金属基y 系带材方面取得了很大进展。 a ) 第一代b i 系高温超导线材 b s c c o 超导体晶粒的层状化结构使得人们能够利用机械变形和热处理来获 得具有较好晶体取向的b i 系线带材，即把b i ( p b ) s r - c a c u o 粉装入金属管( a g 或a g 合金) 中进行加工和热处理的方法。经过十几年的发展，利用这种方法， 已经开发出长度为千米级的铋系多芯超导线材。美国、日本、德国、中国等国已 9 具备生产几百米到上千米的批量能力。可以说，铋系高温超导带材的临界电流密 度、长度已经基本上达到了电力应用的要求，而其价格对于限流器应用来说也基 本满足要求，从而为开展强电应用研究奠定了基础。因此，各国都已大力开展有 关超导磁体、输电电缆、超导变压器和故障限流器等方面的应用研究。 b ) 第二代y b c o 高温超导带材 由于第一代b i 系带材的高成本以及它的一些性能问题如磁场下临界电流的 急剧衰减等，使得基于它的超导技术在工业上的大规模应用前景变得渺茫。超导 界不得不将研究重点转移到开发基于y b c 0 体系的第二代高温超导带材上来，因 为y b c o 具有更为优异的磁场下性能，是真正的液氮温区下强电应用的超导材料。 与b i 系相比，y b c o 的各向异性比较弱，可以在液氮温区附近较高磁场下有较 大临界电流密度，但由于晶粒间结合较弱，难以采用装管法制备。采用沉积、喷 涂等镀膜方法制备钇系超导带材是当前高温超导强电应用材料研究的重点。近年 来，采用i b a d p l d 和r a b 汀s p l d ( m o c v d 或m o d ) 复合技术制备涂层带材已 取得重大进展。如日本i s t e c 公司已制备出2 1 2 米长，临界电流达2 4 5a 的第二 代带材。美国、德国等也已制备出百米量级的y b c o 带材。 c ) 新型m g b 2 超导线带材 2 0 0 1 年1 月，日本科学家发现了临界转变温度为3 9k 的m g b 2 超导体，引 起了全世界的广泛关注。综合制冷成本和材料成本，m g b 2 超导体在2 0 。3 0k ， 低场条件下应用具有明显的价格优势，尤其是在工作磁场r2t 的核磁共振成像 m r i 磁体领域。这也是国际m g b 2 超导体应用研究持续升温的关键原因之一。 近几年来已经用各种方法制备了m g b 2 线带材。目前的研究集中在粉末装管 技术，这是因为装管工艺能很容易推广到大规模工业生产中。美国、日本以及欧 洲在线材实用化方面，进行了大量出色的工作，已能生产百米量级的线带材。 目前国内从事m g b 2 带材研究和开发的单位主要有西北有色金属研究院和中 科院电工研究所等。特别是近年来，电工所在m g b 2 带材制备技术、掺杂及元素 替代等方面开展了大量工作，如在国际上首次报道了采用z r s i 2 、z r b 2 和w s i 2 化合物掺杂大幅度提高m g b 2 f e 线带材临界电流密度的新方法，开辟了在高磁场 中获高临界电流密度的新途径。 最近，中科院电工所在较低的制备条件要求下，通过纳米s i c 和c 掺杂制备 了临界电流密度达世界先进水平的m g b 2 线带材，并在世界上首次证明，对于 m g b 2 材料，掺杂c 可以得到和掺杂s i c 一样优异的临界电流密度。这些研究成 果标志着我国在改善m g b 2 高场超导性能领域达到了国际先进水平。另外，电工 所在国际上首次将强磁场热处理技术应用于m g b 2 超导体制备过程，并用这种方 法进行了m g b 2 超导体的掺杂和改性实验，改进了m g b 2 在强磁场下的超导性能， 同时还利用制备的m g b 2 长线材开展了线圈绕制、测试等m r i 磁体前期研究工作。 l o 2 ) 超导块材 研究y b c o 超导块材的目标之一是利用它在超导态下的迈斯纳效应及磁通钉 扎特性导致的磁悬浮力，应用于超导轴承、贮能以及磁浮列车等。经过十几年的 发展，高临界温度氧化物超导块材取得了很大的进展，主要表现在临界电流密度 的提高上。1 9 8 8 年，熔融织构工艺首先在临界电流密度提高方面取得了突破，随 后又相继发展出液相处理法、淬火熔融生长和粉末熔化处理等熔化工艺。 3 ) 薄膜 自从高温超导体发现以来，人们对高温超导薄膜的制备与研究都给予了极大 的重视，特别是液氮温度以上的高温超导体的发现，使人们看到了广泛利用超导 电子器件优良性能的可能性。想得到性能优良的高温超导器件就必须有质量很好 的薄膜，但由于种种因素使制备高质量高t c 超导薄膜具有相当大的困难。尽管如 此，通过各国科学家十几年来坚持不懈的努力，已取得了很大的进展，高质量的 外延y b c o 薄膜的t c 在9 0 k 以上，零磁场下7 7 k 时，临界电流密度已超过 l 1 0 6a 伽2 ，工艺已基本成熟，并有了一批高温超导薄膜电子器件问世 1 6 本文研究内容及章节安排 本文借助m a t l a b s i m u l i n k 仿真工具，主要针对绕组失超电阻大小对超导 变压器特性的影响进行了研究和分析。本文的主要结构如下： ( 1 )第一章介绍了国内外超导变压器的研究现状和超导材料的研究发展； ( 2 ) 第二章中给出了超导变压器等效电路并阐述了超导材料的特性； ( 3 )第三章建立了变压器空载合闸的仿真模型，分析了绕组失超电阻大小对空 载合闸过程的励磁涌流衰减速度的影响； ( 4 )第四章建立变压器突然短路的仿真模型，分析了绕组失超电阻大小对短路 过程中最大冲击电流及衰减速度的影响。 ( 5 )第五章针对多支路导线并绕的情况，分析了绕组失超电阻大小对多支路之 间或多并联导线之间环流的影响。 ( 6 ) 第六章为全文总结 第二章超导变压器及超导材料简介 2 1 变压器基本原理 变压器是现代电力系统中的重要电气设备。变压器的基本原理是电磁感应原 理，现以单相双绕组变压器为例说明其基本工作原理( 如图2 1 ) ：当一次侧绕组 上加上电压玑时，流过电流，在铁芯中就产生交变磁通办，这些磁通称为主磁 通，在它作用下，两侧绕组分别感应电势e l 、己，感应电势公式为： e = 4 4 4 丸 ( 2 1 ) 式中：e 为感应电势有效值，厂为频率，为匝数，丸为主磁通最大值 由于二次绕组与一次绕组匝数不同，感应电势e l 和e 大小也不同，当略去内 阻抗压降后，电压u 和【，大小也就不同。当变压器二次侧开路，一次侧接入交流 电压玑时，一次侧绕组中有空载电流厶流过，建立空载磁势瓦= ，f o 。在昂作用 下，在两种性质的磁路中产生两种磁通。主磁通：其磁力线沿铁心闭合，同时 与一次侧绕组，二次侧绕组相交链的磁通，亦称为互感磁通。由于铁磁材料的饱 和现象，主磁通与乇呈非线性关系。一次侧绕组的漏磁通么。：其磁力线主要沿 非铁磁材料( 油，空气) 闭合，仅为一次侧绕组相交链的磁通。珐。与i d 呈线性关 系。由于铁心的导磁率远大于空气，故主磁通远大于漏磁通。主磁通同时交链着 一次侧绕组和二次侧绕组，因此在变压器中，从一次侧到二次侧的能量传递过程 就是依靠主磁通作为媒介来实现的。 发 钶笞 图2 1 变压器基本原理图 巴旨 次 俑 侧 f i g 2 1b a s i cp r i n c i p l ec h a r to fat r a n s f o r m e r 1 2 2 2 超导变压器的基本构造 2 2 1 铁心 超导变压器的铁心结构与普通变压器无异。文献【2 9 】指出对于单相变压器， 两柱窗式与三柱外铁式对绕组区域磁场的影响差别不大，超导变压器一般不采用 无铁心结构，是因为无铁心超导变压器励磁电流太大，这样使用大大降低负载能 力。 2 2 2 绕组 超导变压器的绕组主要是从绝缘、减小磁场尤其是径向分量及抑制环流等几 个方面考虑。以机车牵引变压器为例，一次绕组的电压高，匝数多，因此通常选 择饼式绕组，因为其绝缘性能好。若绕组局部损坏，可以通过置换相应的线饼予 以更换，而二次绕组通常电流较大，需多根并绕。另外，应选取易于导线换位的 螺旋式绕组。另外，超导变压器不宜采用沿轴向交错式排列的绕组，因此按这种 方式排列的绕组磁场径向分量较大。文献【4 3 】、【4 4 】对超导变压器的多种不同形式 的绕组对磁场和环流的影响进行了较深入的研究，得到了一些非常有意义的结论。 2 3 超导变压器等效电路 超导变压器的等效电路与常规变压器在形式上很接近【2 1 ，如图2 2 所示： i li t 2 图2 2 稳态运行时超导变压器的等效电路 f i g 2 2e q u i v a l e n tc i r c u i to fh t s t f a n s f o r m e ra ts t e a d yo p e r a t i o n 将副边电压、电流等量值折合到原边，有 匕= i | | ：屹 l ：= 1 2 豫 乙2 = 七2 2 恐。= 七2 心 1 3 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) z 。= 七2 z l ( 2 6 ) 折算后变压器的电压方程式为： k = ( 匕+ 乙。) 鲁一k 等+ ( 墨+ 民) 一b ( 2 7 ) 一心，。+ ( 恐+ 屯) + ( l + 乞：。) 鲁一k 鲁= o ( 2 8 ) 其中，七为变比，ll 、工2 分别为原边的漏电感和副边折合到原边的漏电 感，l m 为励磁电感，r 朋为励磁电阻。功率，2 尺m 反映了变压器中的铁损耗，对空 心超导变压器而言，铁损为零，即：尺m = 0 。