高溫超導(dǎo)可控電抗器研究進展

王作帥， 任 麗， 嚴(yán)思念， 唐躍進

(強電磁工程與新技術(shù)國家重點實驗室， 華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院， 湖北 武漢 430074)

高溫超導(dǎo)可控電抗器研究進展

王作帥， 任 麗， 嚴(yán)思念， 唐躍進

(強電磁工程與新技術(shù)國家重點實驗室， 華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院， 湖北 武漢 430074)

電抗器是重要的無功補償裝置，在電力系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用?？煽仉娍蛊骺筛鶕?jù)運行工況調(diào)節(jié)輸出容量，以穩(wěn)定系統(tǒng)電壓，控制補償無功功率，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。將超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用于可控電抗器，利用其零電阻、高通流密度特性，可減小電抗器體積，降低損耗，提高可控電抗器利用效率。目前，高漏抗式高溫超導(dǎo)可控電抗器和正交耦合型高溫超導(dǎo)可控電抗器已先后研發(fā)成功，本文對兩類高溫超導(dǎo)可控電抗器的樣機研制、電抗特性、關(guān)鍵技術(shù)問題進行了歸納與總結(jié)，對其性能特點進行了分析。

高溫超導(dǎo)； 可控電抗器； 高漏抗式； 正交耦合型

1 引言

國民經(jīng)濟的快速發(fā)展使得能源與負荷中心分布不均衡的矛盾日益突出，建設(shè)特高壓、超高壓遠距離輸電系統(tǒng)成為重要的解決手段。隨著特高壓交直流輸電技術(shù)及其工程應(yīng)用不斷突破，系統(tǒng)對無功平衡的要求日益緊迫。固定電容、機械旋轉(zhuǎn)類無功補償器、靜止類無功補償器以及復(fù)合類無功補償器等無功補償裝置相繼產(chǎn)生[1]。其中，作為單一補償模塊或復(fù)合補償裝置構(gòu)成單元的可控電抗器是性能相對較優(yōu)的選擇，在整體損耗、器件成本以及注入諧波方面均有一定優(yōu)勢。

可控電抗器可根據(jù)運行工況實時調(diào)節(jié)自身容量，以穩(wěn)定系統(tǒng)電壓，控制無功功率，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。根據(jù)結(jié)構(gòu)和原理的不同，傳統(tǒng)可控電抗器可大致分為四類：機械式可控電抗器、晶閘管(TCR)可控電抗器、分級式可控電抗器、磁控式可控電抗器[2,3]。

機械式可控電抗器結(jié)構(gòu)簡單，沒有諧波，但控制精度低，響應(yīng)速度較慢；TCR式可控電抗器控制靈活，但器件與系統(tǒng)電壓等級相同，成本高昂，且易產(chǎn)生諧波；分級式可控電抗器可根據(jù)實際需要進行電抗值的逐級調(diào)節(jié)，但仍存在無法連續(xù)調(diào)節(jié)的缺陷[4]。

相較而言，磁控式可控電抗器受到越來越多的關(guān)注，且種類較多。在電網(wǎng)中應(yīng)用的磁控式可控電抗器以磁閥式可控電抗器為主，是目前實現(xiàn)簡單性能相對優(yōu)良的類型。

傳統(tǒng)磁控式電抗器有兩種典型類型：平行磁通控制的磁控式[5]和垂直磁通控制的正交磁通式，圖1為兩種典型磁控電抗器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 兩種典型磁控式電抗器Fig.1 Two typical structures of saturation reactor

平行磁控式交流磁通與直流磁通平行，在心柱中疊加，使得直流繞組感應(yīng)電壓較大，此外閉合鐵心導(dǎo)致輸出穩(wěn)定、諧波含量低的調(diào)節(jié)范圍相對狹?。淮怪贝趴厥娇捎行б种浦绷骼@組感應(yīng)電壓，但磁路分離導(dǎo)致調(diào)節(jié)范圍受限。此外，兩者均需深度勵磁以增大調(diào)節(jié)范圍，繞組損耗大[6]。

總的來說，磁控式電抗器存在諧波含量高、損耗大等問題，將超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用于磁控式電抗器控制繞組，利用其零電阻、高通流密度特性，可以減小可控電抗器的體積，降低控制繞組損耗，提高可控電抗器的利用效率[7]。

2 高漏抗式高溫超導(dǎo)可控電抗器

2.1基本結(jié)構(gòu)和原理

若通過調(diào)節(jié)鐵心飽和程度的方式實現(xiàn)電抗輸出的調(diào)節(jié)，則在進入飽和區(qū)時鐵心磁導(dǎo)率出現(xiàn)高度非線性，必然導(dǎo)致諧波含量增加。因此，采用新型原理的可控電抗器使得調(diào)節(jié)磁路磁阻的過程中鐵心區(qū)域始終處于線性區(qū)，則可以有效解決電抗器的諧波注入問題。

高漏抗式可控電抗器基本原理為通過控制主磁通的密度和磁路的長度來實現(xiàn)電抗輸出的可控調(diào)節(jié)[8]。其基本結(jié)構(gòu)主要包括鐵心、工作繞組和超導(dǎo)控制繞組，如圖2所示。其中鐵心為殼式結(jié)構(gòu)，采用冷軋取向硅鋼片疊壓而成，中間心柱可根據(jù)電抗容量要求填充部分氣隙。工作繞組與系統(tǒng)連接，由常規(guī)導(dǎo)線繞制而成。所有繞組均套于中間鐵心柱上，超導(dǎo)控制繞組浸泡于低溫杜瓦內(nèi)，超導(dǎo)控制繞組由高溫超導(dǎo)帶材繞制，其數(shù)量根據(jù)電抗調(diào)節(jié)檔位數(shù)的要求而進行設(shè)計。

1—鐵心，2—杜瓦，3—工作繞組，4、5—超導(dǎo)線圈1、2圖2 高漏抗式超導(dǎo)可控電抗器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Diagram of high leakage type HTS reactor

高漏抗式電抗器主要通過對超導(dǎo)控制繞組進行開路和短路的操作，來實現(xiàn)電抗的可控分檔調(diào)節(jié)。當(dāng)改變超導(dǎo)控制工作狀態(tài)時，超導(dǎo)可控電抗器主磁通的路徑發(fā)生改變，從而引起電抗值的改變。對于含有兩個超導(dǎo)控制繞組的電抗器而言，最多可以實現(xiàn)四種不同的調(diào)節(jié)檔位。表1為各檔位對應(yīng)的超導(dǎo)控制繞組工作狀態(tài)。

表1 各檔位下控制繞組工作狀態(tài)Tab.1 Operation modes of HTS control windings

當(dāng)超導(dǎo)控制繞組全部開路時(檔位1)，磁通全部集中于鐵心內(nèi)，中心柱的飽和程度決定了電抗值的穩(wěn)定性，其余各檔位下磁通路徑如圖3所示。檔位2下超導(dǎo)控制繞組1中產(chǎn)生感應(yīng)電流，使得中心柱中部分磁通抵消；檔位3、4磁路調(diào)節(jié)原理與檔位2類似，隨著超導(dǎo)控制繞組與工作繞組間距離的變化，使得主磁通磁路中氣隙占比產(chǎn)生不同，從而實現(xiàn)電抗的可控調(diào)節(jié)。

圖3 不同工作檔位下磁通路徑示意圖Fig.3 Schematic of magnetic flux path in different modes

2.2380V樣機研制及性能驗證

為充分驗證高漏抗式高溫超導(dǎo)可控電抗器在抑制諧波降低損耗方面的優(yōu)勢，已研制完成一臺380V超導(dǎo)可控電抗器樣機[9]，圖4為樣機實物圖。其鐵心為殼式結(jié)構(gòu)，兩個超導(dǎo)控制繞組1和2依次位于杜瓦的內(nèi)部，杜瓦位于中間鐵心柱和工作繞組之間，工作繞組位于杜瓦的外側(cè)。超導(dǎo)樣機工作繞組的導(dǎo)線型號為SBECLB-0.45，其尺寸為3.35mm×10mm，采用兩根導(dǎo)線并繞，匝間采用密繞方式，層間保留兩個12mm的氣道用于散熱。

圖4 380V高漏抗式電抗器實物圖Fig.4 Diagram of 380V high leakage HTS controllable reactor prototype

樣機超導(dǎo)控制繞組采用層繞法繞制，骨架為環(huán)氧圓筒形結(jié)構(gòu)，層間、匝間均鋪設(shè)有聚酰亞胺薄膜絕緣，整體用玻璃絲帶固定后浸漬，以提高結(jié)構(gòu)強度。超導(dǎo)控制繞組采用住友公司HT1-CA型BSCCO帶材，77K下自場臨界電流可達189A。表2為樣機各項關(guān)鍵參數(shù)。

表2 樣機參數(shù)表Tab.2 Parameters of prototype

測試超導(dǎo)樣機穩(wěn)態(tài)工作時各繞組的電流波形，可獲得超導(dǎo)可控電抗器的電抗特性、諧波特性和損耗特性等電磁特性。實驗方法為對工作繞組分別加載不同電壓激勵，同時切換超導(dǎo)控制繞組的工作狀態(tài)，對各檔位下繞組的電壓電流進行測量。

實驗中通過交流調(diào)壓器控制工作繞組電壓，兩超導(dǎo)控制繞組分別并聯(lián)12Ω保護電阻，超導(dǎo)控制繞組的狀態(tài)切換及失超保護均由控制模塊實現(xiàn)，圖5為實驗接線圖。其中，S1為交流調(diào)壓器的控制開關(guān)，A1和V1分別測量工作線圈的電流和電壓，A2和V2分別測量超導(dǎo)控制繞組1的電流和電壓，A3和V3分別測量超導(dǎo)控制繞組2的電流和電壓，R1和R2為釋能保護電阻，分別與兩個超導(dǎo)控制繞組并聯(lián)。S2和S3分別控制保護電阻R1和R2的開斷，KA1和KA2為失超保護電路的兩個電流繼電器，用于超導(dǎo)控制繞組的失超保護以及控制超導(dǎo)回路的開斷。

圖5 實驗接線圖Fig.5 Experimental wiring circuit diagram

從電抗調(diào)節(jié)原理分析可知，當(dāng)可控電抗器工作于檔位2、3、4時，電抗大小主要由漏抗決定，整個磁路磁阻由穩(wěn)定的空氣磁阻決定，因此電抗輸出穩(wěn)定，諧波含量低。隨著工作繞組電壓的變化，工作繞組電流及超導(dǎo)控制繞組感應(yīng)電流隨之變化，磁路中鐵心區(qū)域的飽和程度有所變化，導(dǎo)致電抗器電感有所不同，但固定激勵時輸出穩(wěn)定，圖6為樣機電感特性。

圖6 樣機電感特性Fig.6 Inductance characteristic of prototype

當(dāng)電抗器工作于檔位3、4時，相較于380V設(shè)計值電感分別下降1.2%和1.43%，檔位2電感下降達到3.86%，整體電感值穩(wěn)定性較高。

諧波含量是衡量可控電抗器性能的重要指標(biāo)，通過對工作繞組電流波形進行諧波含量分析，計算得出380V時最大諧波畸變率為0.268%，符合電力系統(tǒng)運行的諧波含量標(biāo)準(zhǔn)。

對整個電抗器系統(tǒng)而言，損耗主要包含鐵心損耗、工作繞組阻性損耗、超導(dǎo)控制繞組交流損耗以及外部線路損耗，當(dāng)在額定運行工況時，各類損耗計算公式為：

Q=UNIN=380×80=30400Var

(1)

Pi=UNIicosφi

(2)

(3)

(4)

PFe_i=Pi-Pext_i-PAl_i-Phts_i

(5)

(6)

式中，i=2,3,4；Q為總?cè)萘?；UN為額定電壓；IN為額定電流；Pi為有功損耗；Pext為外電路損耗；Ihts為超導(dǎo)控制繞組電流；Rext為外電路等效總電阻；PAl為常導(dǎo)工作繞組損耗；RAl為常導(dǎo)繞組電阻；PFe為鐵心損耗；δ為損耗率。

超導(dǎo)控制繞組交流損耗由有限元計算，考慮到鐵心處于線性區(qū)，采用二維軸對稱模型進行計算，控制方程為H方程[10]，隨著超導(dǎo)繞組電流的增大，漏磁場也隨著之增大，受超導(dǎo)體E-J特性的影響，超導(dǎo)繞組損耗呈明顯非線性，在額定工況下臨界電流裕度大，損耗相對常導(dǎo)繞組有大幅度降低。表3為各檔位下電抗器損耗。

表3 不同檔位下樣機損耗Tab.3 Losses under different conditions

380V高漏抗式可控電抗器樣機性能測試表明，該型電抗器在抑制諧波含量及繞組損耗方面具有明顯優(yōu)勢，但無法實現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)，超導(dǎo)控制繞組利用率不高，不同檔位出現(xiàn)閑置情況。

2.335kV/3.5MV·A樣機設(shè)計

為驗證高漏抗式超導(dǎo)可控電抗器在高壓大容量輸電系統(tǒng)應(yīng)用中的可行性，依據(jù)其工作原理及樣機測試結(jié)果，完成了35kV/3.5MV·A樣機設(shè)計[11,12]。其基本結(jié)構(gòu)與380V樣機類似，鐵心柱中增加氣隙，設(shè)置兩個超導(dǎo)控制繞組，當(dāng)超導(dǎo)控制繞組全部開路時為50%容量輸出，當(dāng)超導(dǎo)控制繞組1閉合時為75%容量輸出，超導(dǎo)控制繞組2閉合時為100%容量輸出。圖7為35kV樣機系統(tǒng)示意圖。

圖7 35kV樣機系統(tǒng)Fig.7 Schematic diagram of 35kV prototype system

樣機工作繞組總匝數(shù)為745，線圈高950mm，距上下鐵軛分別為100mm和90mm。超導(dǎo)控制繞組選用SCS40100CF超導(dǎo)帶材，77K下自場臨界電流為192A，超導(dǎo)控制繞組1匝數(shù)為384匝，額定運行時安匝數(shù)為55035，最大漏磁密為0.135T；超導(dǎo)控制繞組2匝數(shù)為512匝，額定運行時安匝數(shù)為95734，最大漏磁密達0.171T；超導(dǎo)控制繞組均采用雙餅結(jié)構(gòu)，總繞組高度750mm，距上下鐵軛間距分別為215mm和175mm。

工作繞組與超導(dǎo)控制繞組磁通平行，必然導(dǎo)致超導(dǎo)控制繞組中產(chǎn)生很高的感應(yīng)電壓，在各檔位下，超導(dǎo)控制繞組1的最大感應(yīng)電壓為9.94kV，超導(dǎo)控制繞組2的最大感應(yīng)電壓為18.55kV，這給失超檢測系統(tǒng)帶來很大壓力。

在額定工況下，超導(dǎo)控制繞組電流幅值分別為188.56A和183.69A，均超過在最大漏磁下的臨界電流值，為保證安全穩(wěn)定運行，采用4根窄帶并繞的方式。圖8為超導(dǎo)控制繞組在額定工況下的交流損耗分布[13]。

圖8 交流損耗分布Fig.8 AC losses distribution of 35kV prototype

超導(dǎo)控制繞組2距離中心柱較遠，漏磁場較大，尤其是繞組端部，因此損耗超過50%集中于上下兩端。由于杜瓦結(jié)構(gòu)的限制，繞組距上鐵軛距離大于距下鐵軛距離，導(dǎo)致上端部損耗更為集中。

由此可見，當(dāng)高漏抗式可控電抗器應(yīng)用于高電壓等級網(wǎng)絡(luò)時，超導(dǎo)控制繞組面臨的感應(yīng)電壓及交流損耗問題較為突出，感應(yīng)電壓使得失超檢測和保護系統(tǒng)承受巨大壓力，而損耗分布的不均勻性導(dǎo)致制冷負荷加劇。

3 正交耦合型高溫超導(dǎo)可控電抗器

將超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用于可控電抗器控制繞組中，必須綜合考慮超導(dǎo)材料的特殊電磁性能，其失超檢測及保護系統(tǒng)要求超導(dǎo)控制繞組不能承受過高的感應(yīng)電壓，同時必須抑制漏磁場的大小以及電流的變化率，這兩者會導(dǎo)致超導(dǎo)材料的交流損耗較為嚴(yán)重，對繞組的安全穩(wěn)定運行帶來一定的隱患。

3.1基本結(jié)構(gòu)和原理

綜合兩種典型磁控電抗器的基本原理與其各自優(yōu)勢與弊端，本文介紹一種正交耦合型高溫超導(dǎo)可控電抗器，其基本結(jié)構(gòu)如圖9所示。主磁路鐵心分為兩部分：工作段鐵心和控制段鐵心。控制段鐵心由兩平行磁軛構(gòu)成；勵磁心柱分為四段，位于控制段鐵心中，與控制段鐵心相互垂直；相鄰兩勵磁心柱與其中間部分控制段鐵心構(gòu)成閉合勵磁回路。工作繞組由常規(guī)銅導(dǎo)線繞制而成，勵磁繞組由高溫超導(dǎo)帶材繞制而成，為穩(wěn)定工作磁路磁阻，在控制段鐵心中增加小段氣隙[14]。

圖9 正交耦合型電抗器結(jié)構(gòu)Fig.9 Basic structure of reactor

在該結(jié)構(gòu)中，工作繞組磁通與勵磁磁通在控制段鐵心中平行疊加，在鐵心相交處相互垂直。利用平行磁通可有效增大調(diào)節(jié)范圍，而垂直鐵心結(jié)構(gòu)則能有效抑制勵磁繞組感應(yīng)電壓。勵磁磁路與工作磁路在除重合部分控制段鐵心外實現(xiàn)了分離，可進一步降低工作繞組交流磁通對勵磁繞組的影響。與傳統(tǒng)磁控電抗器類似，勵磁繞組由直流激勵，穩(wěn)態(tài)運行時損耗可忽略不計。

該電抗器主體鐵心由工作段鐵心、控制段鐵軛和勵磁心柱組組成，工作繞組和勵磁控制繞組分別固定在工作段鐵心和勵磁心柱上，勵磁繞組分為四組，分別為①、②、③、④號，各勵磁線圈結(jié)構(gòu)相同，串聯(lián)構(gòu)成勵磁線圈組，所有相鄰的兩個超導(dǎo)勵磁線圈均是按同名端和異名端輪流依次連接，其工作原理如圖10所示。

圖10 正交耦合型電抗器工作原理Fig.10 Operating principle of orthogonal coupled type reactor

利用超導(dǎo)線圈電流密度高、磁場穩(wěn)定性強等特點，可實現(xiàn)對電抗器的部分鐵心飽和程度進行調(diào)節(jié)，以及工作繞組磁路磁阻的連續(xù)可變，進而達到改變電抗輸出的目的。

由于結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，解析計算其電抗特性難以實現(xiàn)，采用等效磁路法則可快速求解。將電抗器結(jié)構(gòu)按照鐵心分段劃分，其磁路網(wǎng)孔劃分如圖11所示。

圖11 等效磁路示意圖Fig.11 Equivalent magnetic circuit

圖11中，Φa為交流磁通量，由工作繞組電流建立；Fd為直流磁動勢，由勵磁繞組電流建立；Rw為工作段鐵心磁阻，R1～R12為控制段鐵心磁阻，Ra、Rb為氣隙磁阻。按照磁路基爾霍夫定律可列寫網(wǎng)孔方程組，其中交流磁通由工作繞組電壓決定，直流磁動勢由勵磁繞組安匝數(shù)決定。因此，當(dāng)結(jié)構(gòu)參數(shù)、硅鋼片磁化曲線以及激勵給定時，可對任意網(wǎng)孔磁通定解。

3.2樣機研制及性能測試

為研究正交耦合型高溫超導(dǎo)可控電抗器的輸出性能，進行了小型樣機研制與測試。樣機設(shè)計容量為380V/7.6kVar，由于氣隙的存在，當(dāng)沒有勵磁時電抗器電感值相對穩(wěn)定且電抗容量輸出最?。浑S著勵磁的增大，磁體電感逐漸降低，電抗輸出逐漸增大。取無勵磁時電感值120mH為設(shè)計目標(biāo)，采用遺傳算法基于頻域計算獲得最優(yōu)鐵心結(jié)構(gòu)[15]。約束條件為已有超導(dǎo)線圈尺寸引入的尺寸邊界：

(7)

式中，Wcore為工作段鐵心寬度；Tcore為控制段鐵心厚度；100mm為預(yù)留超導(dǎo)繞組軸向安裝空間；Hcore為工作段鐵心高度；Wccore為控制段鐵心寬度；1.25×160mm為預(yù)留超導(dǎo)繞組徑向安裝空間。表4為最終設(shè)計的鐵心結(jié)構(gòu)參數(shù)。

表4 電抗器結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.4 Structural parameters of reactor

已有超導(dǎo)線圈的臨界電流為35A，為保證足夠勵磁，采用5個超導(dǎo)線圈為一組構(gòu)成一個勵磁繞組，最大通流為18.5A，臨界電流裕度為25%。

為形成閉合磁路，降低勵磁磁路磁阻，選用無取向硅鋼片30DW250。受超導(dǎo)雙餅內(nèi)徑尺寸的限制，無法對超導(dǎo)雙餅單獨冷卻，因此，選擇將超導(dǎo)餅及部分鐵心一起浸泡的方式。結(jié)合現(xiàn)有電抗器結(jié)構(gòu)，為盡可能減小冷卻介質(zhì)用量，縮小整個裝置體積，將氣隙處勵磁繞組一側(cè)向下放置，外層增加低溫杜瓦。鐵心整體采用吊裝方式，采用6mm厚不銹鋼作為支架材料，其抗拉強度σb≥520MPa，屈服強度σ2.0≥205MPa，伸長率δ5≥40%，足以承受運行過程中的各種應(yīng)力沖擊[16]。圖12為實驗接線圖。

圖12 實驗接線圖Fig.12 Experimental circuit diagram

圖13為電抗器性能測試結(jié)果，隨著勵磁安匝數(shù)的增大，電抗器等效電感逐漸降低，輸出容量增大，電感值變化范圍為62.5～113mH，整個調(diào)節(jié)過程中諧波含量均低于2%，氣隙對穩(wěn)定電抗輸出有明顯作用，但調(diào)節(jié)范圍受到一定限制。

圖13 樣機輸出特性Fig.13 Outputs characteristic of reactor

勵磁為零時，工作繞組交流磁通大部分集中在兩平行控制段鐵心中，只有少量進入勵磁心柱，因此超導(dǎo)控制繞組每匝感應(yīng)電壓很低。圖14(a)為無勵磁工況各勵磁繞組電壓變化。最大電壓不超過4mV。靠近氣隙處繞組(2#、3#)感應(yīng)電壓要低于遠離氣隙繞組(1#、4#)感應(yīng)電壓。

圖14 勵磁繞組感應(yīng)電壓分布Fig.14 Induced voltage distribution of control windings

隨著勵磁的增大，處于對稱位置處的控制段鐵心中磁通為變化的交流磁通與定向直流磁通的疊加，由于直流磁通在控制段鐵心中方向相反，導(dǎo)致控制段鐵心磁密分布不再對稱，會有部分交流磁通進入勵磁心柱。實驗結(jié)果表明，當(dāng)勵磁安匝數(shù)為3000時感應(yīng)電壓達到最大值，其分布如圖14(b)所示。最大感應(yīng)電壓不足10mV，比無勵磁時增大2.5倍，但遠小于工作繞組0.97V/匝的電壓，表明垂直鐵心結(jié)構(gòu)對抑制超導(dǎo)控制繞組感應(yīng)電壓有明顯效果[17]。

正交耦合型可控電抗器穩(wěn)態(tài)運行時超導(dǎo)控制繞組為恒定直流激勵，損耗可忽略不計。當(dāng)輸出指令發(fā)生變化時由于電流的變化將產(chǎn)生一定的交流損耗，但調(diào)節(jié)過程持續(xù)時間短，加之鐵心的存在使超導(dǎo)控制繞組漏磁很低，損耗最大值不超過20W，僅持續(xù)兩個周期左右，浸泡式冷卻足夠承受短時的熱負荷沖擊。與高漏抗式不同，正交耦合型電抗器為非對稱結(jié)構(gòu)，交流損耗計算時采用A方程與H方程耦合計算方法，在A方程中計算得到超導(dǎo)區(qū)域磁場邊界條件，該條件作為邊界載荷在H方程中求解繞組交流損耗。由于穩(wěn)定運行時為直流，且超導(dǎo)繞組由鐵心包圍，工作繞組產(chǎn)生的交流磁場在超導(dǎo)繞組上的漏磁較低，整體損耗相較于高漏抗式有明顯降低。

4 結(jié)論

傳統(tǒng)可控電抗器存在的損耗大、諧波含量高、控制繞組感應(yīng)電壓大等問題，可部分由超導(dǎo)技術(shù)改進。由于電抗器種類繁多，各類型應(yīng)用場合不同，性能優(yōu)勢各有側(cè)重。與常導(dǎo)相比，在相同工況下采用超導(dǎo)技術(shù)可有效減小磁體體積以及繞組損耗。

本文對已經(jīng)完成樣機實驗的高溫超導(dǎo)可控電抗器方案進行了詳細介紹和性能分析，通過樣機測試結(jié)果對比了各類型可控電抗器在系統(tǒng)復(fù)雜程度、工作繞組諧波含量、損耗特性等方面的優(yōu)缺點。由于電抗器運行于交流激勵下，超導(dǎo)控制繞組低溫容器應(yīng)采用非導(dǎo)磁材料，通常用環(huán)氧樹脂澆筑成型，如玻璃纖維帶增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料G10[18]。為降低低溫容器漏熱，將杜瓦設(shè)計為雙層結(jié)構(gòu)，雙層結(jié)構(gòu)中增設(shè)鋁箔降低熱輻射，同時抽真空減小熱傳遞。

已完成小容量樣機驗證及高壓樣機設(shè)計的高漏抗式高溫超導(dǎo)可控電抗器，采用調(diào)節(jié)磁路的方式，通過超導(dǎo)控制繞組的工作狀態(tài)調(diào)節(jié)主磁通路徑。各檔位輸出電抗值穩(wěn)定性高，基本不含諧波，相較于常規(guī)電抗器，損耗及磁體體積降低明顯。其待解決關(guān)鍵問題主要有：

(1)無法連續(xù)調(diào)節(jié)，且超導(dǎo)控制繞組利用率有限。

(2)超導(dǎo)控制繞組感應(yīng)電壓明顯，給失超檢測和保護系統(tǒng)帶來壓力。

(3)超導(dǎo)控制繞組工作時有感應(yīng)交流電流，導(dǎo)致繞組端部交流損耗較大(遠小于常導(dǎo)繞組損耗)，給制冷系統(tǒng)造成一定負擔(dān)。

上述關(guān)鍵問題可通過優(yōu)化磁體結(jié)構(gòu)和調(diào)節(jié)方式、改進失超檢測和保護方案及完善制冷配置的方式改善。

正交耦合型高溫超導(dǎo)可控電抗器結(jié)合了兩種常見磁控電抗器的優(yōu)勢，采用直流勵磁，保證超導(dǎo)控制繞組的安全穩(wěn)定性；利用平行磁通控制增大調(diào)節(jié)范圍；垂直鐵心結(jié)構(gòu)抑制了超導(dǎo)控制繞組感應(yīng)電壓。相較于傳統(tǒng)電抗器及高漏抗式可控電抗器降低了控制繞組損耗，提高了超導(dǎo)繞組的穩(wěn)定性，同時可實現(xiàn)平滑調(diào)節(jié)。其現(xiàn)存問題主要有：

(1)結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，磁體穩(wěn)定性有所降低。

(2)響應(yīng)速度由勵磁速度決定，較高漏抗式高溫超導(dǎo)可控電抗器偏低。

上述問題可通過優(yōu)化設(shè)計超導(dǎo)控制繞組結(jié)構(gòu)及勵磁系統(tǒng)加以改善，在高壓等級的應(yīng)用中，超導(dǎo)直流勵磁型可控電抗器損耗低，穩(wěn)定性高，更有優(yōu)勢。

隨著超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展及磁體設(shè)計制作技術(shù)的進步，應(yīng)用于高壓場合的高溫超導(dǎo)可控電抗器在減小損耗、降低諧波含量及抑制控制繞組感應(yīng)電壓方面的性能會逐步提高，在高壓輸電系統(tǒng)中將有著非常廣泛的應(yīng)用前景。

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(，cont.onp.54)(，cont.fromp.45)

Researchprogressofhightemperaturesuperconductingcontrollablereactor

WANG Zuo-shuai, REN Li, YAN Si-nian, TANG Yue-jin

(State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology, School of Electrical and Electronic Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

Reactor is an important reactive power compensation device, which has been widely used in the power system. Controlled reactor can adjust the output capacity to stabilize the system voltage, control the reactive power compensation and improve system stability according to the operating conditions. Appling superconducting technology to the controllable reactor, the reactor’s volume and losses can be reduced, and the efficiency can be improved by using the zero resistance and high current density of superconductor. At present, the high leakage flux-controlled HTS controllable reactor and the orthogonal flux coupled type one have been successfully developed. In this paper, prototype development, performance characteristics, key technologies of two kinds of HTS controllable reactors are analyzed and summarized.

HTS; controllable reactor; high leakage flux-controlled; orthogonal flux coupled type

10.12067/ATEEE1707032

1003-3076(2017)10-0038-08

TM922

2017-07-10

國家自然科學(xué)基金項目(51577082)

王作帥(1990-)， 男， 山東籍， 博士研究生， 研究方向為超導(dǎo)電力裝置的研發(fā)與應(yīng)用；任 麗(1968-)， 女， 湖北籍， 副教授， 博士， 研究方向為超導(dǎo)電力裝置的研發(fā)與應(yīng)用。