高温超导变压器原理与装置

第1章 超导变压器的研究和发展背景 1.1 变压器的出现及发展简史 许多重要的发明创造*初都来源于对偶然现象的发现，变压器也是如此。1831年8月29日，法拉第（Faraday）采用图1-1（a）所示的两个线圈A和B分别绕制在7/8英寸（in，1in=2.54（m）粗的圆铁棒制成的圆环上。线圈A是由三段各长24英寸的铜线圈组成，三段铜线圈可以根据需要进行串联。线圈B是由总长为60英寸的铜线绕制而成的两段铜线圈，两段铜线圈根据需要也可以串联连接。在实验中将线圈B首尾连接一个检流计电流表。当用电池给线圈A通电时，发现检流计指针摆动，即说明线圈B和检流计中有电流通过。后来这个线圈被称为法拉第感应线圈，实际上这就是**只变压器的雏形。同年11月24日，法拉第向英国皇家学会报告了他的实验及其发现，因此，他被公认为电磁感应现象的发现者。 图1-1 变压器原理与实验装置 1830年8月，纽约奥尔巴尼学院（Albany Academy）教授亨利（Henry）采用图1-1（b）所示的实验装置进行了磁生电实验。他在实验中发现，当合上开关K时，检流计P的指针摆动；当打开开关K时，检流计P的指针向相反的方向摆动，而且在线圈B的两端间存在火花现象；当改变线圈A和B的匣数，可以将大电流变为小电流，也可以将小电流变为大电流。这个实验是观察电磁感应现象非常直观的关键性实验，这个实验装置实际上也是一台变压器的雏形。因此，亨利被认为是实际上*早发现电磁感应现象的人。 但由于当时没有交流电源，所以不管是法拉第磁感应线圈，还是亨利实验装置，都只能算是一个双绕组脉冲变压器，没有实际应用价值。它们的区别只在于：法拉第电磁感应线圈是闭合磁路结构，亨利实验装置是双芯开路磁路结构。 1950年，德国技师Ruhmkorff在Masson和Brequent的指导下，制造出**只感应火花线圈。由于线圆的原边绕组采用酒精开关，可实现反复连续开舍，故而可以使副边线圈产生连续的交流电；同时线圈用涂漆铜线绕成，线圈层间用纸或稠潦绝缘，副边线圈与原边线圈之间用一只玻璃管隔开，达到了良好的整体绝缘效果，所以Ruhmkorff线圈可以大功率连续供电，不仅可以用于实验，还可以用于放电治疗。因此，可以说Ruhmkorff感应线圈是**台有实用价值的变压器。 19世纪80年代，交流电进人人类社会生活，变压器（感应线圈）的原理也被许多人所了解，人们自然而然想到将变压器用于实际交流电路中。 在这方面迈出**步并作出重大贡献，同时被称为现代变压器的鼻祖的是法国学者Gauland和英国人Gibbs。他们发明了一只被称为“secondary generator”（二次发电机）的感应线圃，也就是一台靠推进、拉出铁芯来控制电压的开路铁芯变压器。 **台闭合铁芯，且在铁芯柱外有绕组的变压器，是1884年9月16日由Dery、Blathy和Zipernovsky在匈牙利的Ganz工厂制造出来的，这台变压器是单相变压器，容量为1400VA，电压比为120V/72V，频率为40Hz。他们在其专利申请中首次使用“transformer”（变压器）这一术语。1885年，匈牙利布达佩斯博览会上展出了这种设备。博览会开幕时，由一台150V、70Hz单相交流发电机发出的电流，经过75台5kVA变压器降压，点燃了博览会会场的1067只爱迪生灯泡，其光耀夺目的壮观场面轰动了世界。所以，人们把1885年5月1日作为现代实用变压器的诞生日。 当欧洲人正致力于改进变压器、探索隔离变压器应用领域的时候，因火车空气制动器起家的美国人Westinghouse正想涉足交流电领域，于是他购买了几台Gauland和Gibbs的交流电压变换设备及其专利，并重新进行机械和电气设计。1886年，**台用于交流照明系统的变压器投人使用并获得成功，随后这一项技术得到迅速发展。 1890年，原德国通用电气公司（AEG）工厂的俄国科学家Dolivo-Do-browsky发明了三相变压器。由此，他被称为“三相交流电之父”。1888年，他提出三相电流可以产生旋转磁场，并发明三相同步发电机和三相鼠笼式电动机。1889年，他为解决三相电流的传输及供电问题开始研究三相变压器。他研制的三相变压器的原边、副边线圈与当时的单相变压器相比并无太大差别，主要区别在于其铁芯布置方面：三个芯柱在周向垂直对称布置，上、下与两个辄环相连，结构类似于欧洲中世纪的修道院，故被称为“temple type”结构。这种结构和今天我们熟知的兰相卷铁芯变压器铁芯结构有一点类似。 1.2 现代电力系统的发展趋势 能源是人类发展的基本条件。电能作为现代社会*主要的二次能源，在生产和生活中有着极广泛的应用，在人类社会的现代化进程中扮演着极其重要的角色。自20世纪中叶以来出现的大电力系统，是一切工业系统中规模*大、层次复杂、资金和技术密集的复合系统，是人类工程科学上*重要的成就之一。尤其是在现代社会，科技水平的提高以及经济的发展，使得人类对电能的需求和依赖越来越高。 *早将发电、送电、用电完成实际应用的是在19世纪上半叶。1882年，德国慕尼黑国际博览会向世人展示了从57km外的密示巴赫小水电站直流发电机发出的1kV左右的直流电如何输送到现场并驱动一台水泵运转的过程，因此*初的电力输送是直流系统。19世纪下半叶，相继研究出三相电机、三相变压器和三相交流输电系统。1891年，德国建立了*早的三相交流输电系统（从鲁劳镇输电到法兰克福），如图1-2所示。图中三相输电线用单线表示，发电厂的升压变压器将水轮发电机送出的95V三相交流电提高到15kV，然后经三相架空输电线路送至170km外的法兰克福，再经降压变压器降到110V，供给灯泡照明，并由三相异步电动机驱动水泵。 图1-2 *早的三相交流输电系统示意图 随着国民经济的发展，社会对电能的需要越来越大，早期的一个发电厂孤立运行供电的方式已不再适用。我国从20世纪50年代就开始了城市电网的建设，就是将各个电厂包括水电厂、火电厂通过传输线互联在电力网上组成城市电力系统。20世纪60年代我国逐渐形成了省网，70～90年代发展成区域电网。现在我国有东北电网、华北电网、华东电网、华中电网、西北电网和南方电网六大区域电网。区域电网的互联是现代电力系统发展的一大趋势。 1.3电力变压器在电力电网中的应用 随着我国经济的不断发展，对能源的需求量也越来越大，然而能源的不足与需求之间的矛盾在近几年不断加深。电力作为一种特殊的能源，可以从能源产地由煤炭、石油、天然气或核能等转化成电能后，很方便地通过变压器经输电线路将电能输送到需要动力源的地方。电力输送比其他形式的能源输送都更简单、方便。同时在下大力气狠抓环境治理的国际大环境中，电能更是以一种可再生的绿色能源成为为各国经济发展提供保障的能源突破口。 作为一种特殊形式能量的电能，其在输送上与其他形式能量有不同的要求。在电力工业中，不管是向军队、国防、市政办公输送电能，还是向生产车间、城镇居民、商贸货运输送电能，变压器都是整个庞大能量传输网络中必不可少的枢纽性关键电气设备，因此变压器的整体运行性能无疑直接影响用电的安全性、可靠性以及电能传输的效率问题。它分布于电力系统的发、输、配、用各个环节。通常情况下，电能从发电到用电要使用变压器经过5～10次的电压等级变换。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电、磁、力、热及高效率等技术规范，还要满足小型、无油、低噪声的要求，以减小占地面积和减少环境污染。 图1-3为一电力系统实例示意图。 图1-3 电力系统实例示意图 从图1-3中可以看出，在发输电和供配电过程中，都需要用到变压器。在电力系统中，变压器是主要构成装置，因此变压器的效率问题直接关系到电力系统的效率问题。变压器在传递功率的过程中，自身不仅要产生有功损耗，而且要产生无功损耗。在电力系统中，变压器总的电能损耗约占发电量的10%，约占电力系统线损的50%，而变压器在农电系统中的突出特点是季节性强、峰谷差大，再加上其全年空载和轻载运行时间较长，结果导致其损耗占电量损耗的60%～70%。因此，各变压器制造厂商和发、供、用电部门正在研究降低变压器损耗的实用化策略，同时这已成为他们共同关注的重要课题。 自1886年变压器于照明领域中得到实际使用以来，交流输电电压和容量增长很快。1949年以后，随着国民经济的快速发展，电力工业也同样得到了快速发展，特别是改革开放以来，随着我国经济的快速发展，与工业生产相关联的电力消耗量大幅增加（表1-1）。 表1-1新中国电力工业和变压器工业的发展 据中商情报网报道，2014年全国年发电量为54638亿kWh，变压器产量高达170076万kVA。图1-4是2005～2014年的全国年发电量。图1-5是2008～2014年全国变压器的生产量。 图1-4 2005～2014年的全国年发电量 图1-5 2008～2014年全国变压器的生产量 变压器在新能源电动汽车领域有广泛的应用和巨大的市场。经济的稳定增长和快速城市化使汽车拥有量快速增加，但用油驱动的汽车会带来石油等化石燃料消耗的大量增加，同时，伴随着化石能源的消耗，二氧化碳及其他污染物的排放造成了环境的进一步破坏。电动汽车作为一种高节能、低污染的交通工具，是缓解全球能源危机和环境危机的重要突破口，也是发展低碳经济、落实节能减排政策的重要途径。据中商情报网报道，经过2012年和2013年的缓慢起步，全球电动汽车销量终于在2014年下半年爆发，6月和9月两个月的销量均突破30000辆，全年销量已超过30万辆大关，远远高于2012年的14万辆和2013年的20万辆，2015年电动车销量达到54.9万辆新高。电动汽车的产业化带动了电动汽车充电站的建设和发展，电动汽车充电机作为电动汽车充电站的关键设备之一，其快速、高效、智能充电技术对电动汽车续航能力及其普遍推广起着关键作用。充电机输出的电压一般在几十伏特到700伏特之间，输出功率可达到几百千瓦，因此加速了充电站对小体积、大功率、大容量裕度变压器方面的需求。图1-6是高频开关充电机原理框图。 另一个发展比较快的新能源产业是光伏产业。近年来，我国光伏产业发展迅速，光伏电池产量位居世界**。表1-2为近年来我国光伏电池产量增长态势及与全球产量的比较。光伏发电系统需要有配套的且含有变压器的控制站或逆变柜。光伏电池和光伏电力系统的快速增加，加速了光伏产业对变压器的需求量。