300kVA高温超导变压器电流引线漏热损耗的测量分析

2015-07-13邱永志哈尔滨变压器有限责任公司黑龙江哈尔滨150078

中国新技术新产品 2015年11期

邱永志（哈尔滨变压器有限责任公司，黑龙江哈尔滨 150078）

邱永志
（哈尔滨变压器有限责任公司，黑龙江哈尔滨 150078）

摘要：高温超导变压器是利用高温超导材料替换铜线制作导线圈，用液氨替换变压器油当做超导线圈的冷却介质。相对于传统的变压器和低温超导变压器在性能上具有很大优势。电流引线是高温超导变压器的主要漏热源，其漏热大小能够直接对超导设备运行的稳定性以及经济性造成影响。因此，电流引线的设计和漏热测量对高温超导变压器的生产和使用均具有很大意义，也一直是变压器方面研究的重点。本文主要以300kVA高温超导变压器为例，采用量热法对其不同电流下的漏热损耗进行了简介测量，分析和探讨了电流导线漏热损耗的测量方法和相关因素。

关键词：300kVA高温超导变压器；电流引线；漏热损耗

高温超导变压器相对于传统变压器存在体积较小、质量较轻、运行无污染等优点，能够以一定程度上促进运机车电气化和电力机车轻型化。电流引线对高温超导变压器的性能和运行成本有很大影响，其设计对超导变压器至关重要。目前，世界对不同金属在不同温度中所具有的电阻和导热性能研究尚未深入，对电流引线设计的精确性形成极大的阻碍。因此，在对电流引线进行设计是需要先对其进行数值设计，再采用数字仿真技术，对其进行实验模拟，检验其设计理论的准确性。

一、建立实验系统

本文采取量热法对电流引线的漏热量进行简介测量，有三个测量步骤：首先对不同电流下两根辅助直铜导线的总漏热量进行测量；然后，在不同电流下对一根辅助直铜导线和一根低压电流引线的总漏热量进行测量；最后，对没有电流引线情况下的背景漏热量进行测量。

实验需要准备的器材有：两根规格相同且在APG环氧状态下的辅助直铜导线（分别为A1和A2），一根在APG环氧状态下的低压引线B，长度均为4.65dm；一个连接子铜片，一段引流铜管，一段乳胶管；一个3-30L/min和一个1-10L/min的流量计；一个里边直流恒流电源，规格为100A，一个电阻，一个开关，一个引线固定架，一块环氧板；一个低温容器，规格为（Φ260×450mm）。

实验原理为电流引线的漏热会导致液氨出现蒸发，被蒸发出来的氨气会随着引线向上流动，通过引流管将所有冷量放出，然后恢复到常温。以量热法，根据因漏热产生氨气体积对漏热损耗进行计算（已知大气压下，液氮蒸发的潜热为198.3kJ/kg，氮气密度在常温常压时为1.2505kgm³）。在20℃下在77K时，1W的热功率会产生氨气流量0.2598L/min，在能够对氨气流量进行测量的情况下，根据其流量值和引线漏热之间的联系，能够间接得引线的总漏热量。直铜导线A1和A2完全相同，可将其漏热量看做相同。设单一直铜导线的漏热量为Q1，低压引线的漏热量为Q2，低温容器的背景漏热量为Q3，在知道2Q1+Q3，Q1+Q2+Q3以及Q3的值时，低压引线的漏热量Q2值就能够被计算出来，将由实验得到的低压引线的漏热测量值和理论值进行对比。

将实验材料准备齐全之后进行试验。实验具体步骤为：①按照设计好的实验结构和电路图将电路进行连接，将两根辅助直铜导线连接起来，放在一个密闭的容器内，容器顶端钻有四个小孔，用于引线穿出和氨气的流通和液氨的注入，用密封胶将四个小孔堵住。②向容器内注入液氨，液氨量需要淹没引线绝缘下端3cm，在浸泡大约5min后接上流量计，开始进行实验。对电流为0A、20A、100A、400A情况下的氨气流量进行统计（V1），每组测量至少进行8次，取其平均值为实验数据。③将A2换为B，再次重复步骤②的情况，将氨气的流量记录下来（V2）。④将引线都拿出来，将四个小孔都堵住，对氨气的流量进行测量（V3）。其中需要注意试验中需要各部位的接口密闭性良好；选择适合氨气流量测量的玻璃转子流量计，并持续实用到实验结束，依次减少容器的气压波动，让实验结果准确性和有效性更高；电流变动需要等流量计读数温稳定，并对电流上升和下降到一个电流值时的氨气流量各读一次。

二、对实验结果进行分析

根据实验检测到的氨气流量对引线的漏热损耗进行计算，在试验过程中发现：①辅助直铜导线在液氨注入后10min开始出现结霜现象，低压引线在液氨注入后20min开始出现结霜现象，这一现象证明，低压引线的延伸路径能够有效阻止室温热量被引线带入低温容器。②当电流为20A时，辅助直铜导线和低压引线的漏热量开始大于其理论最小漏热值，此时，低压引线的漏热量比辅助直铜导线的漏热量更加接近最佳漏热；当电流达到400A时，低压引线的漏热量已经远远小于引线漏热值，已经近似于其理论漏热值。

根据这些结论可以证明：①不同电流均具有此阶段电流应具有的一个最小漏热量。②在引线横截面一定时，电流最小漏热和引线长度有关，试验中引线A和引线B均不是20A电流下最小漏热所对应的最佳长度和横截面积，但引线B相较于引线A，其横截面积和长度更加接近20A电流下的引线最佳长度和横截面积；③当试验中低压引线漏热量的实际测得值和仿真计算值存在一定的误差，但其误差均不大，且随着电流的的升高，误差值逐渐减小。