邱永志（哈爾濱變壓器有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150078）

300kVA高溫超導(dǎo)變壓器電流引線漏熱損耗的測量分析

邱永志
（哈爾濱變壓器有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150078）

摘要：高溫超導(dǎo)變壓器是利用高溫超導(dǎo)材料替換銅線制作導(dǎo)線圈，用液氨替換變壓器油當(dāng)做超導(dǎo)線圈的冷卻介質(zhì)。相對于傳統(tǒng)的變壓器和低溫超導(dǎo)變壓器在性能上具有很大優(yōu)勢。電流引線是高溫超導(dǎo)變壓器的主要漏熱源，其漏熱大小能夠直接對超導(dǎo)設(shè)備運行的穩(wěn)定性以及經(jīng)濟性造成影響。因此，電流引線的設(shè)計和漏熱測量對高溫超導(dǎo)變壓器的生產(chǎn)和使用均具有很大意義，也一直是變壓器方面研究的重點。本文主要以300kVA高溫超導(dǎo)變壓器為例，采用量熱法對其不同電流下的漏熱損耗進行了簡介測量，分析和探討了電流導(dǎo)線漏熱損耗的測量方法和相關(guān)因素。

關(guān)鍵詞：300kVA高溫超導(dǎo)變壓器；電流引線；漏熱損耗

高溫超導(dǎo)變壓器相對于傳統(tǒng)變壓器存在體積較小、質(zhì)量較輕、運行無污染等優(yōu)點，能夠以一定程度上促進運機車電氣化和電力機車輕型化。電流引線對高溫超導(dǎo)變壓器的性能和運行成本有很大影響，其設(shè)計對超導(dǎo)變壓器至關(guān)重要。目前，世界對不同金屬在不同溫度中所具有的電阻和導(dǎo)熱性能研究尚未深入，對電流引線設(shè)計的精確性形成極大的阻礙。因此，在對電流引線進行設(shè)計是需要先對其進行數(shù)值設(shè)計，再采用數(shù)字仿真技術(shù)，對其進行實驗?zāi)M，檢驗其設(shè)計理論的準(zhǔn)確性。

一、建立實驗系統(tǒng)

本文采取量熱法對電流引線的漏熱量進行簡介測量，有三個測量步驟：首先對不同電流下兩根輔助直銅導(dǎo)線的總漏熱量進行測量；然后，在不同電流下對一根輔助直銅導(dǎo)線和一根低壓電流引線的總漏熱量進行測量；最后，對沒有電流引線情況下的背景漏熱量進行測量。

實驗需要準(zhǔn)備的器材有：兩根規(guī)格相同且在APG環(huán)氧狀態(tài)下的輔助直銅導(dǎo)線（分別為A1和A2），一根在APG環(huán)氧狀態(tài)下的低壓引線B，長度均為4.65dm；一個連接子銅片，一段引流銅管，一段乳膠管；一個3-30L/min和一個1-10L/min的流量計；一個里邊直流恒流電源，規(guī)格為100A，一個電阻，一個開關(guān)，一個引線固定架，一塊環(huán)氧板；一個低溫容器，規(guī)格為（Φ260×450mm）。

實驗原理為電流引線的漏熱會導(dǎo)致液氨出現(xiàn)蒸發(fā)，被蒸發(fā)出來的氨氣會隨著引線向上流動，通過引流管將所有冷量放出，然后恢復(fù)到常溫。以量熱法，根據(jù)因漏熱產(chǎn)生氨氣體積對漏熱損耗進行計算（已知大氣壓下，液氮蒸發(fā)的潛熱為198.3kJ/kg，氮氣密度在常溫常壓時為1.2505kgm3）。在20℃下在77K時，1W的熱功率會產(chǎn)生氨氣流量0.2598L/min，在能夠?qū)Π睔饬髁窟M行測量的情況下，根據(jù)其流量值和引線漏熱之間的聯(lián)系，能夠間接得引線的總漏熱量。直銅導(dǎo)線A1和A2完全相同，可將其漏熱量看做相同。設(shè)單一直銅導(dǎo)線的漏熱量為Q1，低壓引線的漏熱量為Q2，低溫容器的背景漏熱量為Q3，在知道2Q1+Q3，Q1+Q2+Q3以及Q3的值時，低壓引線的漏熱量Q2值就能夠被計算出來，將由實驗得到的低壓引線的漏熱測量值和理論值進行對比。

將實驗材料準(zhǔn)備齊全之后進行試驗。實驗具體步驟為：①按照設(shè)計好的實驗結(jié)構(gòu)和電路圖將電路進行連接，將兩根輔助直銅導(dǎo)線連接起來，放在一個密閉的容器內(nèi)，容器頂端鉆有四個小孔，用于引線穿出和氨氣的流通和液氨的注入，用密封膠將四個小孔堵住。②向容器內(nèi)注入液氨，液氨量需要淹沒引線絕緣下端3cm，在浸泡大約5min后接上流量計，開始進行實驗。對電流為0A、20A、100A、400A情況下的氨氣流量進行統(tǒng)計（V1），每組測量至少進行8次，取其平均值為實驗數(shù)據(jù)。③將A2換為B，再次重復(fù)步驟②的情況，將氨氣的流量記錄下來（V2）。④將引線都拿出來，將四個小孔都堵住，對氨氣的流量進行測量（V3）。其中需要注意試驗中需要各部位的接口密閉性良好；選擇適合氨氣流量測量的玻璃轉(zhuǎn)子流量計，并持續(xù)實用到實驗結(jié)束，依次減少容器的氣壓波動，讓實驗結(jié)果準(zhǔn)確性和有效性更高；電流變動需要等流量計讀數(shù)溫穩(wěn)定，并對電流上升和下降到一個電流值時的氨氣流量各讀一次。

二、對實驗結(jié)果進行分析

根據(jù)實驗檢測到的氨氣流量對引線的漏熱損耗進行計算，在試驗過程中發(fā)現(xiàn)：①輔助直銅導(dǎo)線在液氨注入后10min開始出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象，低壓引線在液氨注入后20min開始出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象，這一現(xiàn)象證明，低壓引線的延伸路徑能夠有效阻止室溫?zé)崃勘灰€帶入低溫容器。②當(dāng)電流為20A時，輔助直銅導(dǎo)線和低壓引線的漏熱量開始大于其理論最小漏熱值，此時，低壓引線的漏熱量比輔助直銅導(dǎo)線的漏熱量更加接近最佳漏熱；當(dāng)電流達(dá)到400A時，低壓引線的漏熱量已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于引線漏熱值，已經(jīng)近似于其理論漏熱值。

根據(jù)這些結(jié)論可以證明：①不同電流均具有此階段電流應(yīng)具有的一個最小漏熱量。②在引線橫截面一定時，電流最小漏熱和引線長度有關(guān)，試驗中引線A和引線B均不是20A電流下最小漏熱所對應(yīng)的最佳長度和橫截面積，但引線B相較于引線A，其橫截面積和長度更加接近20A電流下的引線最佳長度和橫截面積；③當(dāng)試驗中低壓引線漏熱量的實際測得值和仿真計算值存在一定的誤差，但其誤差均不大，且隨著電流的的升高，誤差值逐漸減小。

結(jié)語

電流引線漏熱損耗對高溫超導(dǎo)變壓器運行的經(jīng)濟性和穩(wěn)定性均有很大影響，在進行設(shè)計時需要格外注意。本文主要分析了在300kVA高溫超導(dǎo)變壓器的低壓引線和輔助直銅導(dǎo)線在通入不同階段電流情況下漏熱損耗的變化，對其數(shù)字仿真漏熱損耗的準(zhǔn)確性進行了研究，對電流引線延長路徑在實際情況下的有效性進行了證實。

參考文獻(xiàn)

[1]任麗，唐躍進，司漢松，等.300kVA高溫超導(dǎo)變壓器電流引線漏熱損耗的測量[J].低溫與超導(dǎo)，2006，13（02）：114-117.

[2]任麗，司漢松，唐躍進，等.300kVA電動車組高溫超導(dǎo)變壓器電流引線與套管的結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].低溫與超導(dǎo)，2005，18（04）：52-55+68.

[3]金翀.超導(dǎo)布線系統(tǒng)中電流引線漏熱及損耗研究[D].北京交通大學(xué)，2011.

[4]彭晉卿，劉華軍，陳敬林，等.50kA超導(dǎo)變壓器杜瓦及高溫超導(dǎo)電流引線的設(shè)計與優(yōu)化[J].低溫工程，2009，24（04）：6-10.

[5]田軍濤，諸嘉慧，李衛(wèi)國，等.變截面電流引線的漏熱分析與優(yōu)化設(shè)計[J].低溫與超導(dǎo)，2008，15（05）：47-51.

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