[科普中国]-超导变压器

超导变压器是超导电力系统中的一个重要组成设备，是超导技术应用的一个重要方面。由中国科学院电工研究所和新疆特变电工股份有公司联合研究开发的我国首台高温超导变压器，于2006年1月投入配电网试验运行并获得成功。这是世界上第2台挂网运行的高温超导电力变压器，也是全球首台非晶合金铁心高温超导电力变压器。高温超导电力变压器的研制成功，标志着我国在高温超导变压器的研制、开发方面已经进入世界先进列。

结构传统的油浸变压器和高温超导变压器的基本结构的比较：传统的油浸变压器是将铜导线绕制的一、二次绕组套装在铁心柱上， 然后将器身装入钢制的油箱里， 再将油箱注满变压器油。而高温超导变压器是将铋氧化物超导线材卷制的绕组， 放入经玻璃纤维强化的玻璃钢制成的隔热圆筒内(G—FRP)，并注入77K(-196 ) ℃ 的液氮，以取代变压器油。另外，从热设计角度考虑，可以把铁心放在室温空间里与液氮加以隔绝。

（1） 铁心式超导变压器

这种变压器和传统的变压器一样，器身主要由铁心和绕组两部分组成，铁心可以用传统的高导磁硅钢片制成，也可以采用非晶合金片。由于硅钢片的铁损比起非晶合金来要大得多，因此，要想尽可能降低空载损耗，就必须尽可能降低硅钢片的用量，即制成“小铁心”。如果是采用非晶合金，由于其铁损只有硅钢片 的1/3，因此，铁心可以做得大一些，即所谓“大铁心”。至于绕组则一律采用超导绕组。由于超导绕组在超导状态下流经导线的电阻几乎为零，因此，其负载损耗极小，节能效果极为明显。

（2）空心式超导变压器

为提高输电效率，必须在超高压电缆输电或架空线输电线路中，安装大容量并联电抗器，以补偿其无功功率。如果将超导变压器设计成空心式，由于其励磁电流很大，可用作并联电抗器，补偿流经输电系统的很大的容性电流。因此，与超导发电机、超导电缆输电线路配合使用的超导变压器最好设计成空心式。

在超导绕组出现之前，制造这样大的空心式电力变压器是不可能的。由于超导变压器的交流损耗几乎为零，因此大幅度增加励磁电流成为可能，也使得大型电力变压器可以取消铁心。由于取消了铁心，也就不存在空载损耗和磁饱和的问 题，而且变压器兼有了并联电抗器的功能，做到了一机两用，从而提高了设备的利用率。1

优点与常规变压器相比，高温超导变压器采用高温超导材料取代铜线，液氮取代油作为冷却，由此而带来了许多优点。

（1） 体积小重量轻

高温超导带能够传输比常规铜线大10至100倍的电流，与同样容量的常规变压器相比，高温超导变压器的体积可以减小40%到60%。对于人口密度很高的我国各大城市来说，这一优点具有特别的意义，由此可以节省占地面积。随着城区用电量的不断增加，原来安装的变压器面临着容量更新的问题。许多设备安装于室内或靠近建筑物而限制了其进一步的改造。高温超导变压器体积小将使这一问题得 以解决。体积小重量轻，使得容许制造更大容量的整体运输产品。

（2） 节能

传统电力变压器负载损耗占总损耗的80%，主要为焦耳热损耗。超导由于其直流情况下电阻为零，不再存在焦耳热损耗，因此在减小变压器的总损耗方面具有巨大的潜力。超导体在交流状态下存在交流损耗，会带来额外的制冷成本。但是即使加上制冷消耗，40MW以上量级的高温超导变压器在效率和经济性方面都高于常规变压器。

（3）环保性能

近年来，随着我国电力事业的发展，越来越多的大型变压器需要安装在市区，这就要求降低其噪声，以达到城区环保标准。城网用变压器大部分都是采用强油 风冷却器或吹风冷却散热器，这是变压器的主要噪声源。高温超导变压器采用液氮冷却，因此由冷却系统带来的噪声不再存在。其次，液氮具有安全、不可燃、 对环境不会造成污染等优点，用它取代油作为冷却和绝缘介质，避免了爆炸和由于油泄漏造成的环境污染。无火灾隐患使得它可以安装于任何地方。

（4） 过载能力

常规变压器由纸和油提供的绝缘担心的是发热问题。根据IEEE/ ANSI 标准，当过载为200%时，只能运行30分钟。相比之下，高温超导变压器的绕组和绝缘运行于液氮或更低的温度下，绝缘不会退化。在两倍于额定功率下运行也不会影响运行寿命。

（5）内阻减小与故障限流能力

超导体在正常工作情况下呈现为零电阻，从而可以减小变压器的内阻，增大电压可调节范围。一旦发生异常的大电流时，超导体失超进入有阻状态，起到限制电流尖峰的作用。变压器在系统运行中难免要承受各种短路故障，包括三相短路、两相短路、两相接地和相对地故障。短路将引起变压器绕组中巨大的“过电流” 及数百倍的机械力。限流功能同时带来额外的经济效益，相应的电力系统元件也可以按限制后的电流来设计。这一点满足了用户对电力变压器提出的抗突发短路能力强的要求。1

应用（1）低温超导变压器

低温超导变压器以日本九州大学开发的四绕组变压器、 关西电力的 Nb3Sn 变压器、大阪大学的三相变压器以及名古屋大学的用于全封闭超导输电系统 的 1MVA 超导变压器的特色较为鲜明。其变比为（6/3）kV， 设计容量为1500 kVA，实际通电试验容量为1MVA，几何尺寸为607 mmX 472 mmX 336 mm， 重量为 192 kg。与同容量油绝缘常规变压器 相比， 体积约 1/3， 重量约 1/7。该变压器的绕组实现 了高低压绕组层间混合的结构， 绕组层与层之间设有液氦冷却通道。

（2）高温超导变压器

早期的低温超导变压器的研究结果表明，虽然大 容量的超导变压器具有一定的技术经济优势，但是由于液氦冷却所需要的技术要求和成本较高，使其应用受到了很大的限制。随着高温超导线材技术的巨大 进步，超导变压器的研制已经转向高温超导技术。国外已有多家公司相继开发成功高温超导变压器。

（3）特殊形式超导变压器

为降低通过电流引线侵入的热量， 日本名古屋大学一方面提出了全封闭超导输电的概念，即从发电机、变压器到输电电缆均采用超导技术，尽量减少低温—常温接口； 另一方面，还提出了利用变压器的原副方之间只有电磁耦合，不需要直接接触的特点兼做超导电力装置和常规电力系统的接口装置，以减轻热侵入，并开发了低压绕组为超导线圈，高压绕组为常规铜线圈的混合型变压器。2

发展与传统变压器相比，超导变压器的生命周期内费用是由建造费用和保持维护费用组成．其中保持维护费用相当于年均能量损失费和维护费之和，还包括制冷系统的挠耗。一般超导变压器的初期建造费用与传统变压器相比为2.6倍，在此情况 下，如果传统变压器的加载能量损耗为111kW，空载能量损耗为11kW，超导变压器与传统变压器的设备运行率达到70%。那么现今的超导变压器需运行22年其总费用才低于传统变压器；较先进的超导变压器也需在运行11年后其运行成本才可低于传统变压器。其实，超导变压器高昂的初期建造成本主要是由超导材料和制冷保温系统造成的。随着技术的进步，这两者费用的降低将会极大地促进超导变压器实用化的进展。

为解决这个问题，超导变压器的研究主要分为两个方向：一是向大容量变压器发展，当容量超过经济运行容量后，超导变压器的总投资费用将会低于传统变压器，使节能问题成为超导变压器的一大优势；另一个方向是功能设计，其基本思想是尽量避免超导变压器与常规变压器在总费用方面直接进行比较，充分发挥各种类型的超导变压器的优点，将设计重点放在发展其辅助功能上，使电力系统有所受益。比如空心超导变压器可用作并联电抗器，补偿流经输电系统的很大的容性电流；LTS 变压器可用于故障电流限制。

超导变压器的商业化终要依赖于经济、高效、低交流损耗的长线高温超导材料的开发和研究。随着冷却技术的进一步发展和高温超导材料的实用化，超导变压器在技术上和经济上将会达到目标，应用于高电压、大容量的输、配电领域， 成为实际应用理想的变压器换代产品。1

本词条内容贡献者为:

李雪梅 - 副教授 - 西南大学