300kVA高溫超導(dǎo)變壓器電流引線漏熱損耗的測(cè)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）

300kVA高溫超導(dǎo)變壓器電流引線漏熱損耗的測(cè)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(duì)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(shì)。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(duì)超導(dǎo)設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性以及經(jīng)濟(jì)性造成影響。因此，電流引線的設(shè)計(jì)和漏熱測(cè)量對(duì)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(diǎn)。本文主要以300kVA高溫超導(dǎo)變壓器為例，采用量熱法對(duì)其不同電流下的漏熱損耗進(jìn)行了簡(jiǎn)介測(cè)量，分析和探討了電流導(dǎo)線漏熱損耗的測(cè)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(duì)于傳統(tǒng)變壓器存在體積較小、質(zhì)量較輕、運(yùn)行無污染等優(yōu)點(diǎn)，能夠以一定程度上促進(jìn)運(yùn)機(jī)車電氣化和電力機(jī)車輕型化。電流引線對(duì)高溫超導(dǎo)變壓器的性能和運(yùn)行成本有很大影響，其設(shè)計(jì)對(duì)超導(dǎo)變壓器至關(guān)重要。目前，世界對(duì)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(duì)電流引線設(shè)計(jì)的精確性形成極大的阻礙。因此，在對(duì)電流引線進(jìn)行設(shè)計(jì)是需要先對(duì)其進(jìn)行數(shù)值設(shè)計(jì)，再采用數(shù)字仿真技術(shù)，對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M，檢驗(yàn)其設(shè)計(jì)理論的準(zhǔn)確性。

一、建立實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本文采取量熱法對(duì)電流引線的漏熱量進(jìn)行簡(jiǎn)介測(cè)量，有三個(gè)測(cè)量步驟：首先對(duì)不同電流下兩根輔助直銅導(dǎo)線的總漏熱量進(jìn)行測(cè)量；然后，在不同電流下對(duì)一根輔助直銅導(dǎo)線和一根低壓電流引線的總漏熱量進(jìn)行測(cè)量；最后，對(duì)沒有電流引線情況下的背景漏熱量進(jìn)行測(cè)量。

實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)度均為4.65dm；一個(gè)連接子銅片，一段引流銅管，一段乳膠管；一個(gè)3-30L/min和一個(gè)1-10L/min的流量計(jì)；一個(gè)里邊直流恒流電源，規(guī)格為100A，一個(gè)電阻，一個(gè)開關(guān)，一個(gè)引線固定架，一塊環(huán)氧板；一個(gè)低溫容器，規(guī)格為（Φ260×450mm）。

實(shí)驗(yàn)原理為電流引線的漏熱會(huì)導(dǎo)致液氨出現(xiàn)蒸發(fā)，被蒸發(fā)出來的氨氣會(huì)隨著引線向上流動(dòng)，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(duì)漏熱損耗進(jìn)行計(jì)算（已知大氣壓下，液氮蒸發(fā)的潛熱為198.3kJ/kg，氮?dú)饷芏仍诔爻簳r(shí)為1.2505kgm3）。在20℃下在77K時(shí)，1W的熱功率會(huì)產(chǎn)生氨氣流量0.2598L/min，在能夠?qū)Π睔饬髁窟M(jìn)行測(cè)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(shí)，低壓引線的漏熱量Q2值就能夠被計(jì)算出來，將由實(shí)驗(yàn)得到的低壓引線的漏熱測(cè)量值和理論值進(jìn)行對(duì)比。

將實(shí)驗(yàn)材料準(zhǔn)備齊全之后進(jìn)行試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)具體步驟為：①按照設(shè)計(jì)好的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)和電路圖將電路進(jìn)行連接，將兩根輔助直銅導(dǎo)線連接起來，放在一個(gè)密閉的容器內(nèi)，容器頂端鉆有四個(gè)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(gè)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(jì)，開始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。對(duì)電流為0A、20A、100A、400A情況下的氨氣流量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（V1），每組測(cè)量至少進(jìn)行8次，取其平均值為實(shí)驗(yàn)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(gè)小孔都堵住，對(duì)氨氣的流量進(jìn)行測(cè)量（V3）。其中需要注意試驗(yàn)中需要各部位的接口密閉性良好；選擇適合氨氣流量測(cè)量的玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)，并持續(xù)實(shí)用到實(shí)驗(yàn)結(jié)束，依次減少容器的氣壓波動(dòng)，讓實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性和有效性更高；電流變動(dòng)需要等流量計(jì)讀數(shù)溫穩(wěn)定，并對(duì)電流上升和下降到一個(gè)電流值時(shí)的氨氣流量各讀一次。

二、對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)到的氨氣流量對(duì)引線的漏熱損耗進(jìn)行計(jì)算，在試驗(yàn)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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(gè)最小漏熱量。②在引線橫截面一定時(shí)，電流最小漏熱和引線長(zhǎng)度有關(guān)，試驗(yàn)中引線A和引線B均不是20A電流下最小漏熱所對(duì)應(yīng)的最佳長(zhǎng)度和橫截面積，但引線B相較于引線A，其橫截面積和長(zhǎng)度更加接近20A電流下的引線最佳長(zhǎng)度和橫截面積；③當(dāng)試驗(yàn)中低壓引線漏熱量的實(shí)際測(cè)得值和仿真計(jì)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(duì)高溫超導(dǎo)變壓器運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性均有很大影響，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)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(duì)其數(shù)字仿真漏熱損耗的準(zhǔn)確性進(jìn)行了研究，對(duì)電流引線延長(zhǎng)路徑在實(shí)際情況下的有效性進(jìn)行了證實(shí)。

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