高温超导变压器磁体参数及等效电路模型

作者： 国自电气 时间：2024-10-08 09:31:38 阅读：15

１,磁体参数

整个高温超导变压器的高压绕组分为4个，其空间结构布置如图1 所示。高压磁体的4个绕组并联，每一个高压绕组对应1 个牵引绕组，4个牵引绕组分别独立工作。每一个牵引绕组由2个结构相同的绕组并联而成，这2个相同的绕组的每一个线饼由两根牵引超导带并绕而成，其电气

原理如图所示。同一侧高压磁体两个绕组之间由20ｍｍ 环氧树脂绝缘。

图1

变压器绕组采用多线饼轴向叠加串联而成，高压磁体和低压磁体匝间绝缘采用聚酰亚胺（ＰＩ）以双1/2 叠包的方式包绕而成，耐电晕聚酰亚胺（带胶）的厚度为25μｍ，高压绕组的骨架和层间挡板采用环氧板G10 一体成型。高压绕组和低压绕组之间充满液氮；高压绕组外侧是不锈钢材质的换热器（换热器接地），两者之间充满液氮，距离为50ｍｍ。

图2

2，等效电路模型

变压器遭受雷电过电压时，从电路角度出发，雷电全波、雷电截波等具有陡度大、频率高的特点，而冲击波长与频率成反比，需要建立高频等效模型来研究雷电冲击下磁体的电压分布。由于左右磁体对称，同侧磁体的上下两个绕组并联，雷电冲击波侵入时，上下两个绕组同时进波，故选取其中一个高压绕组建立等效电路模型。在模型中，每一匝线圈看成一条传输线 ，这些传输线首尾相连，第ｉ 根导体末端的电位和电流是第ｉ +1根导体首端电位和电流，如果共有Ｎ根传输线，则边界条件为2Ｎ。

3，电感参数

考虑到匝间杂散电感，高压单侧磁体的整体模型由所有的单匝子线圈自感及单匝子线圈之间的互感组合而成 。高压绕组的物理连接示意图。线圈的自感计算可采用公式（略）。线圈间的互感计算时， 采用莱尔方法计算互感。

4，电容参数

本文计算等效电容采用有限元软件ＡＮＳＹＳ，有限元软件内部对等效电容的求解采用能量法，如公式（略）所示。在二维轴对称静电场模型中关于材料设置，匝间绝缘聚酰亚胺相对介电常数设为3.１，液氮的相对介电常数设为1.43，环氧板G10设为5.5。由于整个高压磁体匝数近2000，对整个绕组施加激励求解电容参数耗时过长，且相距较远的导体之间互容数值过小完全可以忽略，所以本模型选用4个双饼（8个单饼）计算等效电容参数.

结论

本文为高温超导变压器高压绕组在雷电过电压下的暂态响应，对高压绕组建立了高频等效电路模型，推导了状态方程，求解了分布参数，最后仿真得到各匝在雷电过电压下的暂态响应。整体来看，三种雷电冲击波下，绕组首端的匝间电压始终比较大。雷电冲击波无论在波前还是波尾发生截断，都可大幅降低绕组各匝最大对地电位、绕组末端的层间电压；在波尾发生截断会抬高绕组第一层和第二层之间的层间电压以及前三个单线饼之间的匝间电压；而波前发生截断可显著降低各匝最大对地电位、各层间最大电压、各匝间最大电压。因此，选择响应快、动作迅速的避雷器对绝缘至关重要。根据相关文献，对三角平面电极施加雷电冲击全波，40ｍｍ液氮可耐受130kV以上的电压，高压绕组与地之间液氮达50ｍｍ，最外匝包绕的绝缘可耐受128kV 的雷电冲击电压，而本文中雷电冲击全波下高压绕组最大对地电位达298kV。因此，关于主绝缘，建议在高压绕组和换热器之间加入一定厚度的环氧树脂材料加强防护。