世界最大高速超导透平发电机的研制经验

■ 哈尔滨电机厂有限责任公司 王维华

在接近于4K的深冷低温状态下，有的金属电阻几乎等于零，被称为超导现象。1911年荷兰的教授发现“NbTi” 类金属的低温超导现象；1986年瑞士的两位博士又发现了“LaBaCuO”类金属氧化物的高温（＞23 K ）超导现象，一年以后，比斯顿大学的博士发现了Y 氧化物的高温（90 K）超导现象。超导科技涉及到物理学、材料学、电气工程、低温工程及自动控制技术等多门学科，它是当代国际科技发展的一个重要的前沿课题。一百年来，具有这种超电导性能的导体及其在电力工业的应用，都取得重大进展。它在变压器、电力电缆、限流器、超导蓄能等方面的应用比较普遍，取得的重大科技成果也很多。然而在电机工业领域的进展却不如人意，关键问题在于电机是旋转的，特别是高转速电机，难度更大。

1 低温超导体

与铜线相比，在电机工业领域应用超导体的优点是：（1）电流密度可提高10倍；（2）励磁绕组的安匝数也可提高10倍；（3）电机的有效部分（铁心—铜线）的利用率可提高3倍；（4）电机容量可提高5~10倍；（5）体积可减小一半；（6）重量可减小1/3；（7）效率可提高到99.7%；（8）成本大幅度降低。

超导电机的开发应用，被国际大电网会议公认为是旋转电机领域的“四大进展”之一。世界最早开发超导电机的是美国（1965年），直到80年代，已扩大到英、法、日、德、俄、瑞士、捷、意、奥、中等10多个国家。比较集中的战略目标是1000 MVA以上的超大型电机。虽然各自取得不同的进展，但还是纷纷停止了研制（只有日本坚持不懈，由超导委统筹东芝、日立、三菱3个最大公司合作开发成功70 MVA的同步电机）。其主要原因如下：（1）全球市场需求发生重大变化，高效节能环保的联合循环电站中小型和性价比更高的机组很受用户欢迎，而不是大型机组。（2）低温超导体的液氦深冷装置费用昂贵、技术复杂、难度较大、需时较长，而且容易发生“失超”（失去超导性能，导体电阻不再接近于零）现象。

在旋转电机领域，容量最大的和结构最复杂的就是同步发电机。现代透平发电机的尺寸受到太多的挑战。额定转速已经高达3600 r/min (60Hz) ，还要经受1.2倍的过速考验。即便如此，设计寿命高达40年的这种电机还是通过了高可靠性运行的考验。西门子公司于1970年开始低温超导材料的开发应用。80年代末期，研制的采用液态氦来深冷励磁绕组的低温超导电机容易发生“失超”现象，而且结构复杂、效率低下，影响市场销售，所以暂停研发。

低温超导体是在“深冷”状态下的超导体，其直流电阻几乎接近于零，没有铜损，可以极大地提高电流密度、安匝数、磁通密度。由于磁通密度很大，可以不再需要导磁的转子铁心，而采用非磁性材料来支撑、固定超导励磁绕组，构成无铁心的转子；至于定子电枢绕组，承载的是高幅值交流电，只能沿用铜线。而-定子铁心，同转子一样可以采用非磁性材料来支撑、固定，构成无铁心的定子。采用这种非导磁铁心材料（金属或非金属均可）的超导电机磁通密度很大，功率密度也很大。但应注意：由于取消了导磁铁心及其齿部，磁通的径向分量将不再经由“齿部”的引导而沿径向流入。此时，电磁力的作用既有径向的变化，还有切向的变化。为了减小这种高功率密度超导电机的涡流损耗，必须采用股线的完全换位。

2 高温超导体

与低温超导体相比，应用高温超导体的优点是：（1）低温超导体的温度必须采用液氦来制冷(可达4 K)，费用昂贵；而高温超导体则可采用廉价（价格降低到1/30）的液氮来冷却（可达77K）；（2）在致冷装置的冷却能力方面，液氮的输入功率与冷却功率之比为10，而液氦为500，由此可见液氮的深冷效率可提高50倍，而致冷装置的造价却降低到1/15；（3）与液氦比，液氮的排热、散热能力提高到62倍，而蒸发热量的价格却减小到1/1900；（4）超导线圈所需致冷能量可减少到3%。

高温超导体可以通过烧结陶瓷材料很容易得到。将其成分中的 氧化物和碳酸盐粉末混合后压制在一起，并在纯氧中加热到900 ℃～1000 ℃时烧结而成。它的电阻消失并具有超导性能时的临界温度约为90K，临界磁场约为150T，临界电流密度可达105A/cm2(77K)。它的晶体结构为层状，具有各向异性。它的临界温度对氧的含量非常敏感。它的最佳组成为YBa2Cu3O7。

3 高温超导电机

高温超导体的出现，带动了超导电机开发的新高潮。此时，发展目标有了重大转折，不再是巨型电机，而是220 MVA左右的中小型电机，以适应联合循环电站的需求。特别是俄国，不仅是转子励磁绕组，就连定子电枢绕组也采用了高温超导励磁绕组，被称为全超导电机。虽然成本要高，但电枢重量却可减轻一半。

虽然高温超导体已在电力工业领域的变压器、电力电缆、限流器、超导蓄能等方面比较普遍应用，但是要在电机、特别是高转速同步电机上应用就难度很大， 因为它是旋转机械，为了验证高温超导电机的可行性，近年来德国西门子 公司研制了一台400KW（50Hz）的4极 1500r/min高温超导同步电机， 其高温超导线圈通过液氮的热虹吸冷却过程被制冷到其工作温度（25K）,并保持这个温度。制冷压缩机功率为6kW。电机效率为96.8%。

在这台中间机组所取得的经验基础上，又针对大型海军舰船制成了燃气轮机驱动的“2极”高速高温超导透平发电机，它是世界上容量最大的这种电机。其高温超导扁平绕组采用Bi2223带制作，额定功率4MVA， 频率60Hz，转速3600 r/min。转子致冷系统包括3个冷却器，冷却功率各为45W。正常运行时，只需2个即可，第3个冷却器会使“裕度”增加2/3. 转子采用旋转的低温屏蔽罩，以便将转子2极铁心(转子仍用铁磁性材料)上的高温超导体励磁绕组与外界隔离。作为冷却剂的液态氮，应用热虹吸原理来完成冷却过程，并将转子降温到高工作温度（25K）,然后保持这个温度。由于致冷而散发的热量，则由能够承受力矩的“传输管”来输出。定子电枢绕组采用空心结构和空气冷却方式。导磁的定子铁心齿已被非金属材料制成的支撑结构所代替。电枢绕组采用小直径股线和完全换位的结构工艺，以便减小涡流。这台高温超导同步电机，在发电机和电动机2种运行模式下都通过了考验。测量结果表明，电机效率达到98.7%，比常规电机高出2%。此外，电机的噪声和振动也非常小。

这台高温超导同步电机之所以被用于大型舰船，是因为它具有较高的功率密度、较小的体积和较大的无功功率输出能力。由于舰船属于脱离大型电网系统的独立电网，就必须考虑到系统的稳定性。作为发电机或电动机运行时，其有功功率与频率之间以及无关功功率与电压之间都必须达到和保持平衡和匹配。为了保持频率和 电压恒定，必须提供足够大的控制裕量，才能允许波动。无论是作为舰船上的推进驱动、喷水驱动，还是作为舰船上的导弹、鱼雷等的发射器驱动，这种电机因为体积减小而获得许多好处：舰船可以节省占地空间、增加燃料、延长航程、利于环保。与常规的柴油发电机组相比，采用燃气透平机驱动的高转速的这种高温超导发电机的重量可以减小到1/4～1/8 。此外，大功率透平机驱动时，透平机发出的有功功率往往会超出发电机的容量，为了利用这部分超出的功率，发电机也可以在允许范围内提高有功功率运行，然而在“过励”工况下，却不能保证需要的功率因数。此时高温超导同步电机可以提供无功功率。与常规空冷转子不同，由于采用超导转子，没有冷却空气把热量从转子带进气隙，大幅度减小了气隙中的风损，从而也有助于发电机有功功率的提高。

与早期开发的低温超导电机相比，高温超导电机只需极小的冷却功率，因而能使冷却系统变得体积更小、结构简单、效率更高。此外，还由于高温超导体的工作温度较高，因受热干扰而发生“失超”的可能性也大为减小，所以其运行稳定性很高。

4 标准化系列化

研制成功这台“2极”高速高温超导透平发电机以后，便开始实施标准化和系列化设计。此时，只需验证一种装有高温超导励磁绕组的标准转子即可，与其配套的定子则可以是新设计的，也可以是已经成型的常规设计的各种定子，其容量范围可达150～900（MVA）。如果容量更大，只是瞬变电抗和超瞬变电抗稍有不同。只要改变转子的有效长度和高温超导体的体积，便可调整转子来满足各种电机容量的要求。虽然转子采用常温锻造铁心，但却没有齿/槽，与透平发电机的隐极转子表面不同，反而与凸极转子表面相似。

高温超导电机的关键部件是高温超导绕组，然而高温超导体线材已经实现商业化生产，原材料来源不是问题。需要注意的是：励磁机的电压不仅受到励磁机本身的限制，还受到集电环、电刷等部件能够传递电压的最大值和高温超导励磁绕组绝缘强度的限制。因为超导励磁绕组电阻接近于零，“铜损”可以忽略不计，此时的励磁电压等于“电感”与“励磁电流相对于时间的变化率”之积。对于大容量电机励磁绕组匝数很多，电感很大（电感与匝数的平方成正比），当励磁电压受到限制时，只有限制“励磁电流相对于时间的变化率”，这就不能很快地达到所需要的励磁电流。这是励磁系统方面今后的课题。

如果在常规电机上进行改造以便采用超导励磁绕组，还要注意到：不能应用单根超导线绕制，因为高温超导线可承载的电流最大为250～350安培（是77K温度下的2倍），而常规电机高达几千安培。为了解决这个问题，可以采用组合的超导线进行并联，实施罗贝尔换位，并用树脂浇铸，使每股导线的电磁感应都相等，避免导线间电流的不均匀性而引起的性能下降。同时还使电感大为减小，可以实现快速调节励磁电流。

5 结论

最近的国际超导工业高峰会议指出，作为21世纪具有重大战略意义的高新技术，超导电力科技将会出现大规模开发应用高潮。高温超导体的工业化生产和商业化普遍应用，推动了超导电机、特别是高转速燃气透平发电机的发展。在满足当今世界热门的联合循环电站的需要，以及海军大型舰船的需要方面，它都发挥了重大作用。