超導變壓器是超導電力系統中的一個重要組成設備，是超導技術套用的一個重要方面。由中國科學院電工研究所和新疆特變電工股份有公司聯合研究開發的我國首台高溫超導變壓器，於2006年1月投入配電網試驗運行並獲得成功。這是世界上第2台掛網運行的高溫超導電力變壓器，也是全球首台非晶合金鐵心高溫超導電力變壓器。高溫超導電力變壓器的研製成功，標誌著我國在高溫超導變壓器的研製、開發方面已經進入世界先進列。
基本介紹
- 中文名：超導變壓器
- 外文名：High temperature superconducting transformers
- 原理：高溫超導以提高能效減少傳輸損失
- 適用範圍：電力系統
結構,優點,套用,發展,
結構
傳統的油浸變壓器和高溫超導變壓器的基本結構的比較：傳統的油浸變壓器是將銅導線繞制的一、二次繞組套裝在鐵心柱上， 然後將器身裝入鋼製的油箱裡， 再將油箱注滿變壓器油。而高溫超導變壓器是將鉍氧化物超導線材卷制的繞組， 放入經玻璃纖維強化的玻璃鋼製成的隔熱圓筒內(G—FRP)，並注入77K(-196 ) ℃ 的液氮，以取代變壓器油。另外，從熱設計角度考慮，可以把鐵心放在室溫空間裡與液氮加以隔絕。
油浸變壓器與高溫超導變壓器基本結構（1） 鐵心式超導變壓器
這種變壓器和傳統的變壓器一樣，器身主要由鐵心和繞組兩部分組成，鐵心可以用傳統的高導磁矽鋼片製成，也可以採用非晶合金片。由於矽鋼片的鐵損比起非晶合金來要大得多，因此，要想儘可能降低空載損耗，就必須儘可能降低矽鋼片的用量，即製成“小鐵心”。如果是採用非晶合金，由於其鐵損只有矽鋼片 的1/3，因此，鐵心可以做得大一些，即所謂“大鐵心”。至於繞組則一律採用超導繞組。由於超導繞組在超導狀態下流經導線的電阻幾乎為零，因此，其負載損耗極小，節能效果極為明顯。
鐵心式超導變壓器的結構（2）空心式超導變壓器
為提高輸電效率，必須在超高壓電纜輸電或架空線輸電線路中，安裝大容量並聯電抗器，以補償其無功功率。如果將超導變壓器設計成空心式，由於其勵磁電流很大，可用作並聯電抗器，補償流經輸電系統的很大的容性電流。因此，與超導發電機、超導電纜輸電線路配合使用的超導變壓器最好設計成空心式。
在超導繞組出現之前，製造這樣大的空心式電力變壓器是不可能的。由於超導變壓器的交流損耗幾乎為零，因此大幅度增加勵磁電流成為可能，也使得大型電力變壓器可以取消鐵心。由於取消了鐵心，也就不存在空載損耗和磁飽和的問 題，而且變壓器兼有了並聯電抗器的功能，做到了一機兩用，從而提高了設備的利用率。
空心超導變壓器的繞組優點
與常規變壓器相比，高溫超導變壓器採用高溫超導材料取代銅線，液氮取代油作為冷卻，由此而帶來了許多優點。
（1） 體積小重量輕
高溫超導帶能夠傳輸比常規銅線大10至100倍的電流，與同樣容量的常規變壓器相比，高溫超導變壓器的體積可以減小40%到60%。對於人口密度很高的我國各大城市來說，這一優點具有特別的意義，由此可以節省占地面積。隨著城區用電量的不斷增加，原來安裝的變壓器面臨著容量更新的問題。許多設備安裝於室內或靠近建築物而限制了其進一步的改造。高溫超導變壓器體積小將使這一問題得 以解決。體積小重量輕，使得容許製造更大容量的整體運輸產品。
（2） 節能
傳統電力變壓器負載損耗占總損耗的80%，主要為焦耳熱損耗。超導由於其直流情況下電阻為零，不再存在焦耳熱損耗，因此在減小變壓器的總損耗方面具有巨大的潛力。超導體在交流狀態下存在交流損耗，會帶來額外的製冷成本。但是即使加上製冷消耗，40MW以上量級的高溫超導變壓器在效率和經濟性方面都高於常規變壓器。
（3）環保性能
近年來，隨著我國電力事業的發展，越來越多的大型變壓器需要安裝在市區，這就要求降低其噪聲，以達到城區環保標準。城網用變壓器大部分都是採用強油 風冷卻器或吹風冷卻散熱器，這是變壓器的主要噪聲源。高溫超導變壓器採用液氮冷卻，因此由冷卻系統帶來的噪聲不再存在。其次，液氮具有安全、不可燃、 對環境不會造成污染等優點，用它取代油作為冷卻和絕緣介質，避免了爆炸和由於油泄漏造成的環境污染。無火災隱患使得它可以安裝於任何地方。
（4） 過載能力
常規變壓器由紙和油提供的絕緣擔心的是發熱問題。根據IEEE/ ANSI 標準，當過載為200%時，只能運行30分鐘。相比之下，高溫超導變壓器的繞組和絕緣運行於液氮或更低的溫度下，絕緣不會退化。在兩倍於額定功率下運行也不會影響運行壽命。
（5）內阻減小與故障限流能力
超導體在正常工作情況下呈現為零電阻，從而可以減小變壓器的內阻，增大電壓可調節範圍。一旦發生異常的大電流時，超導體失超進入有阻狀態，起到限制電流尖峰的作用。變壓器在系統運行中難免要承受各種短路故障，包括三相短路、兩相短路、兩相接地和相對地故障。短路將引起變壓器繞組中巨大的“過電流” 及數百倍的機械力。限流功能同時帶來額外的經濟效益，相應的電力系統元件也可以按限制後的電流來設計。這一點滿足了用戶對電力變壓器提出的抗突發短路能力強的要求。
套用
（1）低溫超導變壓器
低溫超導變壓器以日本九州大學開發的四繞組變壓器、 關西電力的 Nb3Sn 變壓器、大阪大學的三相變壓器以及名古屋大學的用於全封閉超導輸電系統 的 1MVA 超導變壓器的特色較為鮮明。其變比為（6/3）kV， 設計容量為1500 kVA，實際通電試驗容量為1MVA，幾何尺寸為607 mmX 472 mmX 336 mm， 重量為 192 kg。與同容量油絕緣常規變壓器 相比， 體積約 1/3， 重量約 1/7。該變壓器的繞組實現 了高低壓繞組層間混合的結構， 繞組層與層之間設有液氦冷卻通道。
（2）高溫超導變壓器
早期的低溫超導變壓器的研究結果表明，雖然大 容量的超導變壓器具有一定的技術經濟優勢，但是由於液氦冷卻所需要的技術要求和成本較高，使其套用受到了很大的限制。隨著高溫超導線材技術的巨大 進步，超導變壓器的研製已經轉向高溫超導技術。國外已有多家公司相繼開發成功高溫超導變壓器。
（3）特殊形式超導變壓器
為降低通過電流引線侵入的熱量， 日本名古屋大學一方面提出了全封閉超導輸電的概念，即從發電機、變壓器到輸電電纜均採用超導技術，儘量減少低溫—常溫接口； 另一方面，還提出了利用變壓器的原副方之間只有電磁耦合，不需要直接接觸的特點兼做超導電力裝置和常規電力系統的接口裝置，以減輕熱侵入，並開發了低壓繞組為超導線圈，高壓繞組為常規銅線圈的混合型變壓器。
發展
與傳統變壓器相比，超導變壓器的生命周期內費用是由建造費用和保持維護費用組成．其中保持維護費用相當於年均能量損失費和維護費之和，還包括製冷系統的撓耗。一般超導變壓器的初期建造費用與傳統變壓器相比為2.6倍，在此情況 下，如果傳統變壓器的載入能量損耗為111kW，空載能量損耗為11kW，超導變壓器與傳統變壓器的設備運行率達到70%。那么現今的超導變壓器需運行22年其總費用才低於傳統變壓器；較先進的超導變壓器也需在運行11年後其運行成本才可低於傳統變壓器。其實，超導變壓器高昂的初期建造成本主要是由超導材料和製冷保溫系統造成的。隨著技術的進步，這兩者費用的降低將會極大地促進超導變壓器實用化的進展。
為解決這個問題，超導變壓器的研究主要分為兩個方向：一是向大容量變壓器發展，當容量超過經濟運行容量後，超導變壓器的總投資費用將會低於傳統變壓器，使節能問題成為超導變壓器的一大優勢；另一個方向是功能設計，其基本思想是儘量避免超導變壓器與常規變壓器在總費用方面直接進行比較，充分發揮各種類型的超導變壓器的優點，將設計重點放在發展其輔助功能上，使電力系統有所受益。比如空心超導變壓器可用作並聯電抗器，補償流經輸電系統的很大的容性電流；LTS 變壓器可用於故障電流限制。
超導變壓器的商業化終要依賴於經濟、高效、低交流損耗的長線高溫超導材料的開發和研究。隨著冷卻技術的進一步發展和高溫超導材料的實用化，超導變壓器在技術上和經濟上將會達到目標，套用於高電壓、大容量的輸、配電領域， 成為實際套用理想的變壓器換代產品。
