文档介绍：华中科技大学
博士学位论文
单相300KVA/25000V/860V高温超导变压器电磁设计及特性研究
姓名:李晓松
申请学位级别:博士
专业:电机与电器
指导教师:陈乔夫
20051026
摘要
本文简要介绍了高温超导变压器的特点较详细综述了国内外高温超导变压器的
研究现状比较深入地研究了超导变压器的一些电磁特性如临界电流漏磁场环流
短路阻抗及突然短路空载合闸和过电压过程等主要内容有
1 临界电流临界电流受漏磁场和温度影响较大在一定温度下与自场条件
下的临界电流比较实际超导装置的临界电流将减小 40 60% 多根高温超导带材迭
合使用时每根带材的平均临界电流较单根使用时为小另外漏磁场径向分量对临
界电流的影响较轴向分量大得多
2 磁场与环流与常导变压器比较漏磁场和环流是超导变压器设计中需要特
别引起重视的两个问题漏磁场尤其是径向分量减小绕组的临界电流增加交流损耗
超导材料由于没有电阻绕组各并联支路电抗微小的不平衡可能引起很大环流
A. 较全面地研究了不同铁心结构和多种绕组形式对漏磁场分布的影响用场
路耦合的方法具体计算了 2 种铁心结构 7 种绕组形式的漏磁场分布研究了减小
漏磁场径向分量的一些措施提出了在二次侧绕组饼间或匝间采用不均匀气隙来削弱
漏磁场径向分量的方法结果表明三柱外铁式结构的漏磁场径向分量较两柱窗式结
构小绕组饼间或匝间采用不均匀气隙可减小漏磁场径向分量以上另外验证
了在本设计中采用分磁环来减小漏磁场径向分量是不可取的
B. 首次较深入地研究了超导变压器绕组的环流问题, 填补了高温超导变压器在
环流研究方面的空白用场路结合的方法具体计算了铁心为三柱外铁式时一
次绕组为饼式二次侧绕组分别为层式螺旋式和饼式等 3 种形式 8 种情况的环流分
布并分析了支路电阻对环流的影响结果表明就环流分布来说层式绕组的环流
最小螺旋式绕组次之饼式绕组较差对于双螺旋式绕组两个串联连接的线圈采
用不同导线换位方式时其环流差别相当大另外对于层式绕组不能将各层线圈两
端短接用铜线串联各层绕组以代替并绕导线在层间的换位
3 漏抗是变压器的一个重要参数本课题研究中从电气绝缘和减小环流考虑,
高低压绕组采用了不同形式为了减小漏磁场绕组安匝分布较为稀疏因此绕
组磁势沿轴向分布是不均匀的漏抗计算必须计入由此而产生的横向漏磁的影响本
I
文应用磁势等效变换原理首次推导了高低压绕组取不同形式且沿径向呈 HV
LV HV 排列的绕组的漏抗计算公式结果表明横向漏磁场对漏抗的影响与绕
组沿轴向的分段数及段间气隙的大小有很大的关系在用 ANSYS 软件分析漏磁场的
基础上计算的电抗值对本方法给予了验证
4 短路电磁力在分析漏磁场的基础上计算了超导变压器的短路电磁力并推
导了电磁力密度的解析表达式在超导态考虑短路时短路电流最大值较常导变压器
大与常导变压器的稳态短路比较超导变压器的短路电磁力密度至少多一个基
频分量此外由于超导态时超导材料的电阻为零及绕组失超后电阻发生变化超导
变压器的空载合闸及过电压过程具有不同于常导变压器的特性
交流损耗是超导变压器的一个重要指标也是研究高温超导变压器的难点之
一由于高温超导材料的各向异性漏磁场径向分量对交流损耗的影响较轴向分量大
得多本文根据有关文献介绍的计算方法在漏磁场分析结果的基础上用软
件的语言编程计算了交流损耗结果表明尽管漏磁场轴向分量最大值约为径
向分量的两倍但由磁场径向分量引起的损耗较由轴向分量引起的损耗
关键词: HTS 变压器绕组形式漏磁场环流不均布磁势
漏抗突然短路空载合闸交流损耗 ANSYS 软件
II
Abstract
The characteristics of HTS (High Temperature Superconducting) transformers are
first presented in this paper, and the development of HTS transformers now at home and
broad is described in detail, then, the ic characteristics are analyzed which are
critical current, ic field distribution, circulating current, leakage impedance, AC loss,
and short circuit current and close circuit current at no load, etc..
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