DI-BSCCO，交流損耗

I.簡  介

   電抗器如今被廣泛地運用在現代電力系統中。它為現代電力系統提供了如限流、補償電能、感應接地等功能性服務。其在電力系統本身出現短路故障，或者系統中較大的電力設備故障運行時都會不可避免地出現電能質量和供電可靠性問題時發揮著重要的作用。通過高溫超導限流器對故障電流的限制作用對故障電流進行有效地控制故障電流水平?，F已有一些單位及電氣公司不斷地推動者超導故障限流器的發展。全球已有很多超導故障限流器的設計范例。大體上來說，大部分高溫超導故障電流限流器包括感應型高溫超導限流器，鐵心磁飽和型高溫超導限流器[1]、[2]，變壓器型高溫超導限流器[3]、[4]、[5]、 [6]，無感型高溫超導限流器[7]。它們都在輸電網和配電網中對故障電流的限制發揮著重要的作用。
電力系統的故障主要包括三相短路，兩相短路，兩相接地短路和單相接地短路。據2008年國家電網公司對220kV電網，共6434條輸電線路發生的2407次故障統計數據顯示，單相接地短路故障占總故障次數的91.23%。由此可以看出單相接地短路故障已是提高電能質量和供電可靠性必須解決的問題。
在中性點非直接接地系統中發生單相接地短路時，由于故障電流比較小，而且三相之間的線電壓仍然保持對稱，對負荷的供電沒有影響，因此，在一般情況下都允許再繼續運行1～2h。在此期間，工作人員可及時排除故障，以使其它兩相線路不間斷供電。為了達到這樣的連續運行效果常常在變壓器中性點經一個限流電抗器接地以配合對電網中單相接地短路故障的保護。
這篇文章是對基于DI-BSCCO超導帶材100A級與1kVA級電抗器設計的一個概述。其內容包括：第二部分中高溫超導電抗器的設計；第三部分中對超導電抗器在系統中出現單相接地短路故障下的性能評估；第四部分中將對1kA級高溫超導電抗器在線路中出現諸如沖擊電流和故障電流情況下的磁滯損耗和磁化損耗做出對應的計算和分析。

II.高溫超導電抗器的設計

   表1和圖1展示列出了100A級和1kA級超溫超導電抗器主要的性能參數。采用單相三柱式鐵心結構，以此可節約一定的成本（從非導磁性恒溫器和制冷器）。鐵心采用牌號為30Q130高導磁冷軋硅鋼片疊制而成，其直徑為100mm，有效橫截面積為66.595cm2。鐵窗的高度和寬度分別為430mm和120mm。兩柱高溫超導線圈由34層線圈組成，每一層線圈由5匝線圈構成。100A級高溫超導電抗器的繞組由在77K溫度環境下工作的DI-BSCCO帶材單層散繞而成。在表2中列出了DI-BSCCO帶材的主要特性參數。對于1kA級高溫超導電抗器，3根DI-BSCCO帶材并繞制作中間的30匝線圈，然而在最后四層線圈的時候用4根DI-BSCCO帶材并繞。這樣布置是考慮到布置在繞組兩端的線圈的臨界電流要比中部的臨界電流小得多。30匝中層線圈構成了一個完整的螺線管線圈。4層末端線圈構成兩個雙餅式線圈。整個電抗器采用一臺20W/20K常規型制冷設備對高溫超導繞組進行冷卻。

  設計以上所述的兩個高溫超導電抗器來替代一個傳統型的銅線繞制的電抗器。在銅導線電抗器中，單相兩柱式鐵心結構適用于保持內部磁平衡和提高整體的機械穩定性。兩個銅線繞組以相反的繞制方式繞制并安裝在兩個鐵心柱上。每一個銅繞組由兩個串繞的同軸線圈單元，以此從周圍的冷卻油中獲得更好的冷卻效果（如圖1c）。兩個線圈單元的高度為292mm。內部線圈單元的內徑和外徑分別為150mm和166mm。外部線圈單元的內徑和外徑分別為178mm和194mm。線圈中的額定均方根電流為52A。

I. 單相接地故障下超導與銅導線電抗器的性能評估和比較

A. 交流損耗計算

   在100A級和1kA級高溫超導變壓器中，交流損耗只要由磁滯損耗和磁化損耗組成。可以確定一個在峰值電流Im和臨界電流Ic之間的比例因素i，這樣單位長度的磁滯損耗Phys和磁化損耗Pmag可估算為[8]。

Ec為臨界電場，單位10-4V/m。臨界電流Ic 和指數n 可估算為[10]：

A. 性能評估和比較

    用多物理場耦合軟件來對100A級和1kA級高溫超導電抗器建立一個二元模型。兩組電抗器在出現單相接地短路故障時的運行電流有效值為52A。不同相位下的磁場分布如圖2和圖3所示。當相位角等于30°，60°，90°時，在氣隙中所對應的磁感應強度分別為0.65T，1.13T和1.31T。為了得到明顯的對比效果，我們以上的數值長度限制在0.05T?？梢钥闯鰞山M電抗器的磁場分布非常相似。

  圖4 展示了在100A級高溫超導電抗器在不同線圈層上的最小臨界電流分布情況。從34層線圈的頂層到底層線圈以此定義為Nlayer=1，Nlayer=2，•••，Nlayer=34。每層線圈的最小臨界電流定義為Icmin。由于磁場的不均勻分布，在中間兩層（Nlayer=17，Nlayer=18）與磁力線平行，其Icmin值也最大。當整個線圈運行在超導環境中時，整個高溫超導繞組的臨界電流為132A。圖5展示了不同線圈層所對應的磁化損耗。大磁化損耗值出現在線圈的第13和22層，其值為14mW/m。對于1kA級高溫超導電抗器，可獲得最大的臨界電流2.78kA。

    表格3展示了100A級與1kA級高溫超導電抗器的性能對比。100A級電抗器的整個高溫超導線圈總共的磁化損耗Pmagt磁滯損耗Physt分別約為0.14W和1.51W。考慮到現實的情況[10]，當采用常規型制冷機時，要求制冷功率大約為2.8W。在一個大氣壓下，液氮中儲存的熱量為161kJ/L，且每公升液氮需要大約16個小時才能消耗完。 

    假設扁平銅導線的電阻率是0.0175Ω•mm2/m，銅繞組的總電阻約為0.0535Ω，因此電阻的功率損耗是144.6 W和對應比值Kp [= Pcopper / PGM]是0.0194。對于繞組體積來說，銅繞組體積Vcopper約為11380立方厘米，對應比例Kv [= VHTS /Vcopper]是0.0178。圖6展示了100A級和1kA級超導電抗器的比例系數。

I. 沖擊電流下超導與銅導線電抗器的性能評估和比較

    在實際運行中，不管是超導電抗器還是銅線圈電抗器都可能遭受到很大的沖擊電流。對國家電網安裝在在四川的一臺110kV的變壓器中性點電抗器的計算得出其中心點電抗器的熱穩定電流為1.52kA，整定持續時間為10s。1kA級電抗器此時的垂直磁場分布如圖7。其平行磁場分量大部分出現在線圈層的中部。然而，在接近線圈的兩端，垂直磁場分量會變得更大。

由于磁場的不均勻分布，在位于兩個線圈兩端的地方，臨界電流的值要比位于中間部分的低得多。在制作中，分別用3根帶材并繞和4根帶材并繞成中間的30層線圈和末端的4層線圈。對應的臨界電流分布如圖8。最大臨界電流出現在第3層和第32層，其值為1.51kA。這個值近似等于熱穩定電流1.52kA。