首页、摩登7主管首页？高温超导变压器在公用事业应用中相比传统电力变压器具有诸多经济、运行和环境方面的优势。为了验证中等至大容量（10 兆伏安级）高温超导变压器的技术经济可行性及其优势，由包括变压器制造商、SuperPower Inc.（高温超导系统制造商）、橡树岭国家实验室在内的团队设计、建造并测试了一台 5/10 兆伏安超导变压器样机。该变压器重 4.5 吨的冷体部件已在无需专职操作员值守的情况下，成功维持在 30–50 K 的温度下运行数月。变压器已达到其满三相运行电流，并在单相模式下测试至运行电流的 1.4 倍（受限于可用电源）。目前，该变压器正在厂区内进行不同电流水平下的长期测试、高压测试以及瞬态过电流测试。本文总结了制造、冷却过程及迄今所取得的测试结果。

　　高温超导（HTS）变压器具有多种优势，使其对公用事业极具吸引力，目前已有原型机在进行演示。本项目是一个三阶段计划的第二阶段，旨在建造更大容量的超导变压器，最终阶段将建成一台30/60兆伏安的超导变压器。关于该团队为其5/10兆伏安变压器所选择的优势及制造方案，已有研究进行了更详细的描述。5/10兆伏安原型变压器的组装工作已经完成，各项测试也已结束。有关组装与测试的更多详情可参阅其他文献（表一）。

　　在5/10兆伏安变压器的研制过程中，相较于之前1兆伏安的努力，研究人员在处理更高电压和热负荷水平（主要源于交流损耗的考虑）方面取得了新的突破。在制造一个相间连接均置于真空罐内的三相装置时，还遇到了额外的挑战。团队成员各司其职，负责高温超导变压器设计、开发及建造中的特定部件。

　　每个电气相均由多个真空浸渍环氧树脂浇注的线圈绕组组成，并带有集成冷却系统，封装在一个整体内。一次侧和二次侧绕组的引下线也包含在相组总成中。相组的设计与制造需要在低温系统维持超导性的需求、绕组及引下线上的高电压、以及使用真空作为热绝缘等有时相互矛盾的要求之间取得平衡。电压耐受由所含的绝缘层和环氧树脂的组成来保证。随后，这些相组被安装在一个框架（图一(a)）上，该框架也用于支撑热屏蔽（图一(c)）。

　　图1. (a) 将线圈组装到框架中，(b) 5/10兆伏安变压器部件示意图，(c) 顶盖总成的预装配。

　　冷却模块由用于氦气回路的低温冷却器和热交换器组成，用以冷却相组。另一个由低温冷却器、热交换器和储罐组成的模块用于液氮系统，以冷却热屏蔽。这两个模块均展示于图一(b)和(c)中，位于相组总成的上方。相关的冷却概念在其他文献中有更详细的描述。

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　　项目的各个参与方各自负责制造5/10兆伏安变压器的一个子部件；这些子部件随后在Waukesha进行总装。采用这种制造方式，变压器的设计具有高度的模块化。最终总装于2002年12月开始，首先将相组集成到框架/铁芯总成上。所有系统在装入储罐前均进行了真空泄漏检查。

　　接下来，将80 K的热屏蔽安装到框架上，并完成了屏蔽管路的连接。最后，在热屏蔽外包覆多层绝热材料。先将此铁芯和线圈总成吊入真空储罐，然后安装顶盖总成。

　　在真空测试罐中对二号相组进行了冷却。为冷却相组，研究人员使用了来自杜瓦瓶的气体。在冷却过程中，相组上的径向温差保持在约5 K及以下。在冷却初期，轴向温差保持在10 K及以下，之后通常保持在5 K及以下。

　　研究人员使用模拟和数字测试设备进行了局部放电测试。检测到的局部放电值非常高。测试涵盖了从293 K到79 K的整个可用温度范围。总体趋势是，在较低温度下，局部放电起始电压略有增加。达到最终温度后，相组在满运行电压下保持了38分钟而没有发生击穿。耐压测试前后的局部放电图谱没有变化，表明相组没有受到损伤。关于单相电压和局部放电测试结果的更多详情可参阅其他文献。尽管相组中存在局部放电，但团队决定继续该项目。研究人员认为，如果设备要运行多年，局部放电会带来寿命问题，但它不会影响计划中的特性测试和短期运行。

　　在抽真空的储罐中进行的整体泄漏检查显示，氦气和液氮系统的总泄漏率均在某一范围内。在室温下的初步电气测试包括行业标准测试：一次绕组与二次绕组之间的变比测试、绕组电阻测量、绝缘电容与介质损耗因数测量、绝缘电阻测量，以及铁芯对地绝缘电阻测量（兆欧表测试）。这组测试被定期重复进行，以监测任何潜在损伤。相关结果在其他文献中有更详细的讨论。

　　1) 冷却：功率为350瓦的氦气回路和液氮屏蔽层在约10天内将重4.5吨的冷体部件冷却至30 K以下，这与预估时间相当。在框架和热屏蔽完成初始冷却后，液氮罐被加注，所有低温系统都进入闭环运行。该系统可靠地将稳定运行温度维持在29 K附近，并实现了无人值守、无故障运行。

　　2) 初步电气测试：初始测试旨在考察正常运行测试。由于轻微的装配问题导致背景真空度升高，液氮和氦气冷却系统都出现了比预期更高的向真空空间的泄漏。在修正计算以考虑更高的热泄漏后，初步的热学和电气测试结果与线圈中预期的性能相符。

　　在冷却过程中监测了绕组电阻。线 K时达到零电阻。表二中的所有室温电阻均采用1安培的施加电流进行测量。所有低温电阻均采用5安培的施加电流进行测量，以尽量减少接触电压的影响。

　　如预期所示，在常温下，低压侧线间电阻大于低压侧相间电阻。而在低温下，由于电阻性中性点引线的长度关系，情况则相反。

　　3) 电气测试（2003年6月）：通过将低压绕组短路进行了短期单相测试。这导致在一次和二次绕组中均产生电流，而无需施加较大的交流电压。测得的阻抗与设计计算值相符；在210伏电压下，所有相的一次侧电流均约为67安培，对应的阻抗百分比为0.84%。通过将所有三个低压套管短接在一起进行了三相测试。如表三（2003年6月）所示，所有相组均被通电至额定电流并持续数小时。初步测试结果表明，在电流为某值运行时，相组内部会产生热量。计算表明，这主要是由于真空度低于预期，导致背景热泄漏高于预期。在初步测试结束时，将变压器升温。升温后，找到了气体泄漏点并进行了处理。修复后的装置通过了室温变比和电容测试。

　　变压器被再次冷却。第二次冷却的过程与第一次基本相同。随后，该装置接受了相同的初步电气测试，包括一次绕组与二次绕组的变比测试、绕组电阻及电容测量。变压器被装载到用于运输常规变压器的低底盘卡车上，沿公路行驶了约0.25英里至另一个测试设施。在此处，如图三所示，变压器通过标准起重机布置移至测试设施。在运输和重新抽真空的整个过程中，相组始终保持超导状态。

　　运输之后，变压器接受了相同的初步电气测试。结果令人满意，与之前的常温和低温数据相符，表明运输过程中未发生任何损坏。

　　需要注意的是，由于变压器一次侧采用三角形连接，流入套管的116 A（线电流）对应于高压线 A。上表中的所有数值均为线.修复后变压器的测试结果（2003年12月 - 2004年4月）

　　1) 电流测试：初步测试表明，A相在运行时产生的热负荷高于其他相。由于三相共用同一个冷却回路，A相产生的额外热量对其他相造成了影响。在没有辅助冷却的情况下，变压器能够在对应WES制造厂日负荷循环所需的电流水平下实现无人值守运行。该测试进行了三次，每次至少持续两天。长期测试的持续时间受到制造厂生产需求的限制。