1、本科毕业论文（20 届）超导变压器的发展与现状所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 哈尔滨理工大学学士学位论文- I -超导变压器的发展与现状摘 要电力变压器是发、输、变、配电系统中的重要设备之一，它的性能、质量直接关系到电力系统运行的可靠性和运营效益，因此变压器的优化成为了一个重要课题。随着科学技术的发展，超导变压器的研究被各个国家所重视。本文介绍了超导的研究简史，超导变压器的分类，空心超导变压器理论研究的最新成果，高温超导变压器的典型结构，超导变压器的特点，超导变压器的试验、检测项目，超导变压器性能检测方法及主要设备。最后，本文对我国超导
2、技术的研究进行了展望，介绍了超导变压器的应用与今后超导变压器的发展方向，得出了一系列结论。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。国内外已经有高温超导材料制成的超导变压器，但仍有许多问题需要解决。关键词: 超导；超导变压器；高温超导哈尔滨理工大学学士学位论文- II -The development and status of the superconducting transformerAbstractPower transformer is one of the important equipment at generate electricity
3、, transmission and substation in distribution system. Its performance, quality directly related to the reliability and operational efficiency of power system. Transformer optimization has become an important topic. With the development of science and technology, superconducting transformer is valued
4、 by all countries. This article describes the brief history of the superconducting characteristics, the classification of the superconducting transformer, the latest research results of hollow superconducting transformer theory, the typical structure of the high-temperature superconducting transform
5、er, the characteristics of the superconducting transformer test, test items of the superconducting transformer, superconducting transformer performance testing methods and the main equipment. Finally, this article outlooks the study of superconductivity technology in, introducing superconducting tra
6、nsformer applications and future direction of development of superconducting transformers, coming to a series of conclusions. Although some studies consider eliminating the core the superconducting transformer, but this doesnt become superconducting transformer mainstream as the large reactance. Abr
7、oad has been had useful in high-temperature superconducting materials and superconducting transformer to complete the design to be manufactured. But there are still many technical problems need to be solved. Keywords: Superconducting; Superconducting transformer; High-temperature superconducting哈尔滨理
8、工大学学士学位论文- III -目 录摘要 .IAbstract.II第 1 章 绪论 .11.1 课题背景 .11.2 超导研究的发展简史 .21.2.1 发现超导的具体过程 .21.2.2 超导发展经历的三个阶段 .31.3 本文内容 .4第 2 章 超导变压器的基本研究 .52.1 超导变压器的分类 .52.1.1 铁心式超导变压器 .52.1.2 空心式超导变压器 .62.1.3 混合型超导变压器 .82.2 空心超导变压器理论研究的最新成果 .92.2.1 空心超导变压器的等效电路 .92.2.2 空心超导变压器的损耗 .102.2.3 空心超导变压器的磁场分析 .112.3 高温超
9、导变压器的典型结构 .112.4 超导变压器的特点 .132.5 本章小结 .15第 3 章 超导变压器的性能检测方法研究 .163.1 超导变压器的试验、检测项目 .163.2 超导变压器性能检测方法及主要设备 .173.3 本章小结 .23第 4 章 超导变压器的应用与展望 .254.1 超导变压器的应用 .254.1.1 电力机车用超导变压器 .254.1.2 电磁发射用高温超导空心脉冲变压器 .274.2 今后课题 .364.3 超导变压器的展望 .384.4 本章小结 .39结 论 .40致 谢 .41哈尔滨理工大学学士学位论文- IV -参考文献 .42附 录 .45哈尔滨理工大学
10、学士学位论文- 1 -第 1 章 绪论1.1 课题背景超导技术是近 40 年发展起来的高技术，它在电工、交通、医疗、工业、国防和科学实验等高科技领域都有着重要的现实意义和巨大的发展前景，许多科学家认为超导技术将是 21 世纪具有经济战略意义的高新技术，是本世纪高新技术发展的一个重要方向，我国自 20 世纪 60 年代末即开始超导技术的研究，经过 30 多年的努力，在超导磁体技术及其应用、超导材料研究、超导电子学以及超导基础研究方面都取得很大成绩。美国人1981 年发表了 1000MVA 超导变压器的概念设计，初步指出了超导变压器的技术、经济价值，这是超导变压器研究开发的第 1 步。1982 年
11、法国的Alstom 公司开发出极细丝低温超导线材，成功地降低了超导线材在交变磁场中的交流损耗，从而提高了其超导稳定性，使超导技术在交流领域的应用成为可能，为超导变压器的开发奠定了物质基础。其后，美国、日本等工业发达国家相继开发成功了各种形式的低温超导变压器试验样机。90年代，高温超导线材技术取得了巨大进步, 使用高温超导线材的超导变压器试验样机也已经研制成功，容量为 1MVA 的高温超导变压器已经在日本和瑞士进行联网试验运行。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
12、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。应用超导技术设计的变压器具有很多优势。在紧急情况下，可由一台超导变压器承载原本由两台变
13、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 1；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哈尔滨理工大学学士学位论文- 2 -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 21 世纪最理想的节能变压器，极
14、具潜在的开发前景 2。1.2 超导研究的发展简史1.2.1 发现超导的具体过程在凝聚态物质的研究中，人们发现引进极低温、超高压、强磁场等极端条件，对研究物质的宏观性质和微观机理十分有用。其中，低温物理和技术的迅速发展并取得成果，就是由此引发的一个典型。要弄清物质在接近绝对零度的极低温范围内，将会呈现什么样的物理性质，首先必须获得这样的极低温环境。在地球表面的自然界中，可以说要数南极洲最冷了，据记载，南极洲最冷时曾打到-88。但与我们所需的那种极低温相比，可以说是“超高温”了。因此，极低温相比，可以说是“超高温”了。因此，极低温环境只有用认为的方法去获得。在历史上，低温的获得在很长时间内，是与气
15、体的液化技术密切相关的。早在 19 世纪初，人们就开始了对气体液化的研究。著名的英国物理学家法拉第是这方面工作的先驱 2。1823 年，他利用相变制冷原理，实现了氯气和其他几种气体的液化。到 1845 年，他已经液化了大多数种类的气体，但仍有几种气体不能被液化。这些不能被液化的气体是氧气、氮气、氢气、一氧化氮、一氧化碳和甲烷，还有一种是 1895 年才被发现的惰性气体氦。人们在失望之余，把它们称为“永久气体 ”。最后应该指出，早在 1905 年，热物理学家能斯托就告诫人们，每次降温只能够使整个系统的熵减少一部分，但是无论如何也不可能去掉因有极小熵的存在而对应的极低温度。因此，无论制冷设备设计多
16、么精巧，系统的熵只能减少其中的一部分，始终存在一个微笑的剩余量，因而绝对零度是不可能打到的。换言之，人们在向绝对零度进军的过程中，只能逐渐逼近绝对零度，因而，对于低温之最的探索是永无止境的。随着氦的液化而获得了低温。但金属的电阻在新的低温区域将如何变化，这是当时人们普遍关心的一个问题。在氦被液化之前，对于金属的电阻在绝对零度附近将如何变化，人们只能作出各自的猜测。昂尼斯认为，当温度降低时，纯金属的电阻应先达到一个极小值，然后随温度的进一步下降，其电阻会重新开始增加，并在绝对零度时变为无限大。他在 1911年 4 月 28 日发表论文在氦温度下纯汞的电阻 。文中提到测量的结果表明， “纯汞能够被
17、带到这样的一个状态，其电阻变为零，或者说至少觉察不出与零的差异。 ”昂尼斯并没有意识到这就是物质的超导电现象。哈尔滨理工大学学士学位论文- 3 -1912 年至 1913 年，昂尼斯又发现了锡和铅的超导电现象。同时还有两相重要发现，意识发现通过超导体的电流越强，超导转变温度就越低。另一发现是，对于不纯的汞来说，其电阻小时的方式和纯纯汞完全相同。从而进一步否定了他原先认为只有纯金属电阻才会在液氦温度下消失的理论。并且，在莱顿通讯第 1336 期中，第一次使用了“超导电性” 一词 3。超导电现象被发现后，昂尼斯马上意识到，这种现象可能对电工技术有重要的潜在意义，特别是可以用来制造高场强的电磁铁。但
18、结果却令人十分扫兴，当线圈内的磁场只有几百高斯时，样品就由超导态转变到了正常态。昂尼斯经进一步的实验发现，当超导体的外加磁场大于一定值时，超导态就会被破坏。直到 60 年代发现了第二类超导体后，获得高场强的磁体才成为可能。并且在当今，已成为了超导体最重要的应用领域之一。从 60 年代开始，超导技术的应用才逐步展开。但是，人们在长期的实践中认识到，超导转变温度的高低，是超导技术能否广泛应用最重要的制约因素之一。因此，人们对于高 Tc 超导体的探索从来就没有停止过。在 1986 年前，尽管具有超导特性的单质和化合物种类繁多，但超导转变温度最高的 Nb3Ge，也只有 23.2K。而其他的大多数超导体
19、则更要低得多，在实际应用中往往只能用液氦来冷却。由于氦气资源在地球上非常稀少，而且制备液氦的技术又十分复杂，因而成本很高，这对广泛应用是十分不利的。探索更高转变温度的超导体，乃至室温超导体，一直是科学家们努力追求的目标。1.2.2 超导发展经历的三个阶段超导电现象与其他物理现象一样，也有它发现的深刻背景，以及漫长的认识过程。回顾超导的发展历史，将有助于我们更深刻地认识它的现状，并以更深远的目光去展望它的未来。同时，超导物理学家们提供的正反两个方面的经验，以及他们为探索科学真理而做出的不可磨灭的功绩，也是值得我们借鉴和铭记的。超导研究的发展可以追溯到人类探索低温物性时发现的超导电性，至今已有将近
20、100年的历史，主要可分为一下几个阶段。（一）1911年到1957年，超导电性的发现阶段这一阶段是对超导现象的初步探索和认识阶段。1911年，荷兰物理学家昂纳斯发现汞在温度将至4.2K附近时电阻小到实际上测不出来，他把汞的这一新状态成为超导态。这个发现开启了超导研究的大门。在此阶段，人们发现了一些超导体奇特的物理性质并对超导的物理原理给出了一些相对简单的理论模型，对超导现象作出了一些理论解释。（二）1957年到1986年，低温超导阶段这一阶段是对超导应用技术的准备和进一步的理论探索阶段。在1986哈尔滨理工大学学士学位论文- 4 -年之前，已知的所有超导材料都要在极低温条件下才能表现出超导性质
21、，这些苛刻条件给超导技术的实际应用带来了很多限制。因此，如何提高材料的超导转变温度Tc以及寻找高Tc 材料，一直是研究的热门课题。在这一阶段，人们陆续发现了许多新型超导材料 4，为超导理论及试验的研究拓展了新的发展领域。（三）1986年至今，高温超导阶段在这一阶段，发现了很多液氮温区以上的高温超导材料，为超导材料的实际应用开辟了广阔的前景。超导的发展经历了近百年的时间，是一个漫长而又卓有成效的科研过程。1.3 本文内容查阅相关文献，深入了解超导变压器的特点和结构，以及高温超导变压器的研究、发展方向。在此基础上进行总结国内外在超导变压器所取得的技术进步。哈尔滨理工大学学士学位论文- 5 -第 2
22、 章 超导变压器的基本研究变压器是现代电力系统中的重要设备。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。由于超导变压器具有体积小、重量轻，效率高，阻燃等特点，因此受到许多电力研究人员的广泛关注。由于在稳定运行和经济性两方面，高温超导变压器比低温超导变压器都有巨大的潜在优势，因此高温超导变压器成为研究的主要对象。本章主要介绍了超导变压器的分类、特点、结构，以及空心超导变压器的最新研究成果。2.1 超导变压器的分类按照不同的用途，超导变压器可分为超导电力变压器和超导牵引变压器。随着现代工业的发展，人们对电力
23、变压器的要求越来越高。现代的电力变压器要求高效率、小型化、重量轻以及无环境污染等，常规电力变压器由于其本质缺陷，无法满足时代的要求。自从超导体出现以来，以美国、日本为代表的几个国家开始着手研制新时代的超导电力变压器，并取得了长足的发展。超导牵引变压器则是目前超导变压器的另一个主要应用方向。与电力变压器相比，牵引变压器的容量相对要小（低于 10MVA） ，而且由于应用于高速行驶的火车上，这就产生了很多与电力变压器不同的地方。目前，日本、德国和中国是研制超导牵引变压器的几个主要的国家。按照有无铁心，超导变压器的结构可以分为铁心式、空心式和混合式三大类，下面分别介绍。2.1.1 铁心式超导变压器铁心式超导变压器的结构，如图2-1所示 5。这是一台1750/3MVA，1100/ 550kV单相自耦超导变压器概念设计的结构。为了降低空载损耗，铁心用非晶合金制成，置于室温环境中。高、低压绕组采用超细Nb-Ti合金丝绞扭多股超导线绕制，置于用超临界液氦冷却的低温恒温容器中，靠对流冷却。该容器是用玻璃纤维增强塑料(FRP)制成的真空密封双层结构的绝热容器。这台超导变压器采用超临界氦和G-10塑料作为绝缘材料。推荐超临界氦的压力为300kPa, 温度为56K, 密度为50kg/m 3,这时它的绝缘强度几乎和变压器油相同。
