CN101640121A - 一种紧耦合式空心高温超导电抗器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种紧耦合式空心高温超导电抗器，包括短连接排、非金属杜瓦容器、顺时针绕组、逆时针绕组、液氮、制冷***和聚酰亚胺薄膜；顺时针绕组和逆时针绕组浸入液氮中，液氮存储在非金属杜瓦容器中，短连接排分别与顺时针绕组和逆时针绕组连接，制冷***、非金属杜瓦容器、顺时针绕组、逆时针绕组和液氮连接形成液氮循环冷却***；顺时针绕组和逆时针绕组的匝间和层间有绝缘材料聚酰亚胺薄膜；与传统电抗器相比，本发明具有体积小、重量轻、高可靠和低功耗等优点；其特点为限流能力和自动均流能力强，杜绝了油浸电抗器漏油、易燃等缺点，保证了运行安全；没有铁芯，不存在铁磁饱和，电感值的线性度好。

Description

一种紧耦合式空心高温超导电抗器

技术领域

本发明涉及一种紧耦合式空心高温超导电抗器，属于电工技术领域。

背景技术

随着我国经济的飞速发展，许多城市用电量逐年上升，城市中心区域的电力负荷激增，输配电容量大幅增加，减少电网损耗和提高电网运行稳定性等问题也随之提出。目前电网***在输配电环节损耗很大，因此各国都在寻找减少电网损耗的方案，其中超导材料是减少电网损耗的最重要方案之一，超导材料具有低损耗、高效率、传输电流密度高等优点，对于未来电力行业的发展具有重要意义。同时由于电网容量加大，负荷急剧上升，使电网中的额定电流和短路电流急剧加大，使目前工作的大部分断路器运行在临界状态，对电网稳定运行构成巨大威胁。

近年来，随着高温超导材料技术的发展，高温超导材料的电磁特性和机械特性得到了很大提高，使高温超导材料实现了商业化生产。目前的高温超导线圈主要通过Bi系高温超导带材Bi-2223来绕制，高温超导材料有较高的临界温度，可以运行在液氮温区(77K)下而通过较高的电流密度；因此，使用高温超导材料绕制的高温超导线圈装置正在得到越来越广泛的应用。同时，伴随着国际上高温超导材料价格的走低，高温超导线材在国内也实现了产业化，这些都为超导技术的产业化发展奠定了良好的基础。

超导电抗器是高温超导材料重要应用方向之一，高温超导材料的应用使电抗器具有高效率、高安全、高可靠等特点，较传统电抗器具有体积小、重量轻，无污染、无火灾隐患等优点。断路器是确保电网稳定运行的重要设备之一，随着用户负荷急剧增加，对断路器具有高开断短路能力的需求迅速提升。在不改变原有断路器设计方案情况下，利用高温超导电抗器能迅速提高断路器承载额定电流的能力和开断短路电流的能力。因此，高温超导电抗器的研制和应用对我国电网的发展将具有重要意义。

瑞典专利(SE 92024553)“超导变压器、电抗器的绕组支撑结构”中公开了一种降低绕组端部垂直漏磁场并减小绕组交流损耗的绕组结构，高温超导带材饶制在刻有环形斜槽的呈管状的绕组骨架上，在铁芯和绕组骨架之间有低温容器壁，绕组骨架上斜槽的宽度略大于带材的宽度，而倾斜方向为该处电磁场的方向。在美国专利US5659277中公开了一种降低绕组端部横向磁场的绕组结构，该结构在绕组端部增加了磁屏蔽装置，不论是交流还是直流磁体，该结构均可在一定程度上降低绕组端部横向漏磁场的分量。中国专利CN200420068725.6“超导电抗器”包括铁芯、绕组，在绕组端部内侧置有电屏蔽装置，电屏蔽装置为反磁金属环，可有效降低高温超导绕组端部漏磁场的横向分量。但是以上三个专利均只是针对高温超导绕组端部漏磁的问题作出的结构改变。

发明内容

本发明的目的在于提供一种紧耦合式空心高温超导电抗器，与传统电抗器相比，本发明具有体积小、重量轻、高可靠和低功耗等优点；其特点为限流能力和自动均流能力强，杜绝了油浸电抗器漏油、易燃等缺点，保证了运行安全；没有铁芯，不存在铁磁饱和，电感值的线性度好。

本发明的技术方案是：一种紧耦合式空心高温超导电抗器，包括短连接排、顺时针绕组、逆时针绕组和液氮，短连接排分别与顺时针绕组和逆时针绕组连接，顺时针绕组和逆时针绕组浸入液氮中，顺时针绕组和逆时针绕组的匝间和层间均绝缘，绕组材料为高温超导材料Bi2223；其特征在于：还包括非金属杜瓦容器、制冷***和聚酰亚胺薄膜；聚酰亚胺薄膜包扎超导绕组材料；液氮存储在非金属杜瓦容器中，制冷***、非金属杜瓦容器、顺时针绕组、逆时针绕组和液氮连接形成液氮循环冷却***。

如上所述的紧耦合式空心高温超导电抗器，其特征在于：制冷***包括压力传感器、压力控制***、真空泵、真空隔热管、热交换器和循环泵，压力传感器和真空泵都同时连接压力控制***和热交换器；液氮循环冷却***分为热交换单元、杜瓦容器单元和液氮泵单元，单元间采用真空隔热管连接；热交换单元包括压力传感器、压力控制***、真空泵、饱和液氮和热交换器；杜瓦容器单元包括过冷液氮、顺时针绕组和逆时针绕组；液氮泵单元为过冷液氮和循环泵。

如上所述的紧耦合式空心高温超导电抗器，其特征在于：杜瓦容器采用非金属材料FRP玻璃纤维加强聚脂采光板制作，非金属杜瓦容器为双层容器，分为外壁和内壁，两层胆壁都涂满银。

本发明的有益效果是：本发明中杜瓦容器采用非金属材料FRP(玻璃纤维加强聚脂采光板)制作，增强了耐压能力并且减少电磁涡流损耗，降低超导电抗器的损耗。

本发明中采用聚酰亚胺薄膜包扎绕组材料，加强了聚酰亚胺在超导线材表面涂层的均匀度，使场强分布均匀，增加绝缘强度，并此方案很好的解决了超导电抗器绕组线材的绝缘问题。

本发明设计了一种提供高温超导制冷的低温闭式循环冷却制冷***，对***进行闭环控制，确保液氮的过冷却，防止液氮气泡的产生，保证液氮的冷却性和绝缘强度。利用非金属杜瓦容器实现液氮低温存储，减少涡流损耗；通过低温闭环制冷***对其制冷，并实施过冷循环冷却，确保液氮的绝缘强度。

而基于本发明紧耦合空心超导电抗器的并联断路器装置，可以实现并联断路器的自动均流和限流，提高断路器承载额定电流的能力和开断短路电流的能力。

附图说明

图1为本发明实施例整体结构示意图。

图2为图1中顺时针绕组和逆时针绕组的绕制方式示意图。

图3为图1中制冷***的工作原理示意图。

图4为图1中非金属杜瓦容器的结构示意图。

图5为用本发明实施例并联断路器装置示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

图1中标记的说明：1-短连接排、2-杜瓦容器、3-顺时针绕组、4-逆时针绕组、5-液氮、6-制冷***、7-聚酰亚胺薄膜。

图3中标记的说明：8-压力传感器、9-压力控制***、10-真空泵、11-真空隔热管、12-热交换器、13-循环泵。

图4中标记的说明：14-外壁，15-内壁。

图5中标记的说明：16-断路器。

如图1所示，本发明实施例紧耦合式空心高温超导电抗器包括短连接排1、非金属杜瓦容器2、顺时针绕组3、逆时针绕组4、液氮5、制冷***6和聚酰亚胺薄膜7；顺时针绕组3和逆时针绕组4浸入液氮5中，液氮5存储在非金属杜瓦容器2中，短连接排1分别与顺时针绕组3和逆时针绕组4连接，制冷***6、非金属杜瓦容器2、顺时针绕组3、逆时针绕组4和液氮5连接形成液氮循环冷却***；顺时针绕组3和逆时针绕组4的匝间和层间有绝缘材料聚酰亚胺薄膜7。

图2为图1中顺时针绕组和逆时针绕组的绕制方式示意图。绕组材料为高温超导材料Bi2223；非金属杜瓦容器2内的绕组由内外两层线圈组成，两层线圈间有绝缘，两线圈即为两臂，两线圈的绕向相反，一个绕组为顺时针绕组3，另一个绕组为逆时针绕组4；每一臂由若干层电感线圈分层排列构成，所有单层电感线圈由单根导线绕制或***导线并绕而成，层间匝间均有绝缘，这些电感线圈共有一个中心轴，同轴安置且匝数相等，从而达到紧耦合的目的；单层电感线圈绕向相同，相互并联连接，所有单层电感线圈匝数相等，按电感线圈半径的不同，共有一个中心轴线。本发明实施例紧耦合空心超导电抗器的每一层由两个单层电感线圈间匝绕制而成(即一个包封)，且两个单层线圈的绕向相反，以本发明实施例紧耦合空心电抗器的最内层为第一层，最外层为最后一层计，第一层与第二层间为层间绝缘耐压材料，第一层、绝缘材料和第二层共为一个包封，也即第一个包封，包封与包封间为散热空气气道，以此类推，直至最外的包封。

图3为图1中制冷***的工作原理示意图，制冷***6的特点是设计了一种提供对高温超导制冷的低温闭式循环冷却***，对***进行闭环控制，确保液氮5的过冷却，防止液氮5气泡的产生。高温超导顺时针绕组3和逆时针绕组4进入液氮5中，液氮5确保高温超导材料的超导特性所需的低温，液氮5的沸点为77K，液氮5中含气泡将极大的降低液氮5的绝缘强度，过冷***使液氮5的77K降到66K，66K下使超导线的性能更好，消除了可损坏绝缘的氮气体，保证了液氮5的冷却性和绝缘强度。由于过冷液氮5的绝缘性能要好于空心，绕组匝间间隙可以变得更小，因此本发明实施例高温超导电抗器的体积要比传统空心电抗器小。制冷***6包括压力传感器8、压力控制***9、真空泵10、真空隔热管11、热交换器12和循环泵13，压力传感器8和真空泵10都同时连接压力控制***9和热交换器12；制冷***6与杜瓦容器2、顺时针绕组3、逆时针绕组4和液氮5形成液氮循环冷却***；该液氮循环冷却***主要由热交换单元、杜瓦容器单元和液氮泵单元组成。单元间采用真空隔热管11连接。热交换单元包括压力传感器8、压力控制***9、真空泵10降温的饱和液氮5、使液氮5过冷的热交换器12；杜瓦容器单元包括过冷液氮5、顺时针绕组3和逆时针绕组4；液氮泵单元为过冷液氮5和循环泵13。

图4为图1中非金属杜瓦容器的示意图。高温超导顺时针绕组3和逆时针绕组4为浸入液氮5中，液氮5存储在非金属杜瓦容器2中，非金属杜瓦容器2为双层容器，如图4所示，分为杜瓦容器外壁14和杜瓦容器内壁15，两层胆壁都涂满银，把两层壁间的空气抽掉形成真空。两层胆壁上的银可防止辐射散热，真空能防止对流和传导散热，因此装在容器中的液氮温度不易发生变化，确保液氮5的冷却储存。本发明中杜瓦容器2采用非金属材料FRP(玻璃纤维加强聚脂采光板)制作，增强耐压能力并且减少电磁涡流损耗，降低超导电抗器的损耗。

本发明实施例紧耦合式空心高温超导电抗器的绝缘材料聚酰亚胺薄膜7，传统超导线材绝缘主要采用超导线表面涂聚酰亚胺漆工艺，很难满足电抗器匝间要求。本发明中绝缘材料选用聚酰亚胺薄膜7直接包扎超导绕组线材，其特点是加强了聚酰亚胺在超导线材表面涂层的均匀度，使场强分布均匀，增加绝缘强度，此方案很好的解决了超导电抗器绕组线材的绝缘问题。

如图5所示，基于本发明实施例紧耦合空心高温超导电抗器的并联断路器装置，成倍增长了同等电压等级下断路器16开断短路电流的水平，提高***的整体开断能力。且在正常工况下不会对***回路带来额外的阻抗，对***的影响微乎其微。而在出现故障时，利用超导强大电磁的反应，实现两支路的自动均流，从而实现断路器16的自动并联；当断路器16动作时间不一致时，本发明实施例紧耦合空心高温超导电抗器在耦合电感的作用下自动限流，也能保证单支路断路器16的正常开断，达到了小参数断路器16开断大短路电流的目的。

以下为详细介绍基于双臂紧耦合空心高温超导电抗器的断路器并联运行的原理。断路器为三相独立结构，每相都由一台双臂本发明实施例紧耦合空心高温超导电抗器和两台并联运行的断路器16组成，三相设备参数相同且结构一致，拿其中一相工作情况说明其工作原理。所述装置使用的并联断路器16没有类型限制，当运行电压等级较低时，可采用真空断路器；而当运行电压等级较高时，可采用SF6断路器。为了保证所述装置的均流效果，所用并联断路器16的动作特性需尽量一致，所用紧耦合空心高温超导电抗器每臂的阻抗不对称率在3％以内。当电流流入基于双臂紧耦合空心高温超导电抗器的并联断路器装置时，两台断路器16共同承担***的正常电流和短路电流。由于采用紧耦合结构，紧耦合空心高温超导电抗器每个包封中由两个单层电感线圈间匝绕制而成，且两个单层线圈的绕向相反，会产生方向相反的磁通；当***正常运行时，由于高温超导电抗器结构对称，耦合电感以漏电抗的形式对外表现，其值很小，其损耗可以忽略，而与紧耦合空心高温超导电抗器相连的并联断路器16参数亦一致，从而保证了***电流均匀流过高温超导电抗器的两臂和并联断路器16。

当***短路故障时，若流过两并联断路器16的电流大小相等，两支路电流在紧耦合空心高温超导电抗器两臂中产生的磁通大小相等，方向相反，对外呈现漏磁通，紧耦合空心高温超导电抗器在***中仅表现为漏电抗，不会增大***的负担；若两支路中电流大小不等，则在紧耦合空心高温超导电抗器两臂中会感生出交变的电动势，由电磁感应定律可知，该电动势使两支路电流趋于相等，从而该紧耦合空心高温超导电抗器可以保证两支路的断路器16均分***中的电流，该并联断路器16的型号应完全一致，可选定其额定容量、短路电流等参数为***参数的二分之一；若并联断路器16灭弧室动作不一致或单台断路器故障等原因造成只有一条支路导通时，紧耦合空心高温超导电抗器呈现单臂电抗，由于超导材料将产生很大磁场，将比紧耦合状态下的漏电抗高数倍，能有效限制流过紧耦合空心高温超导电抗器单臂和单台断路器16灭弧室的电流，使单台断路器16成功开断短路电流。

Claims (3)

1、一种紧耦合式空心高温超导电抗器，包括短连接排、顺时针绕组、逆时针绕组和液氮，短连接排分别与顺时针绕组和逆时针绕组连接，顺时针绕组和逆时针绕组浸入液氮中，顺时针绕组和逆时针绕组的匝间和层间均绝缘，绕组材料为高温超导材料Bi2223；其特征在于：还包括非金属杜瓦容器、制冷***和聚酰亚胺薄膜；聚酰亚胺薄膜包扎超导绕组材料；液氮存储在非金属杜瓦容器中，制冷***、非金属杜瓦容器、顺时针绕组、逆时针绕组和液氮连接形成液氮循环冷却***。

2、根据权利要求1所述的紧耦合式空心高温超导电抗器，其特征在于：制冷***包括压力传感器、压力控制***、真空泵、真空隔热管、热交换器和循环泵，压力传感器和真空泵都同时连接压力控制***和热交换器；液氮循环冷却***分为热交换单元、杜瓦容器单元和液氮泵单元，单元间采用真空隔热管连接；热交换单元包括压力传感器、压力控制***、真空泵、饱和液氮和热交换器；杜瓦容器单元包括过冷液氮、顺时针绕组和逆时针绕组；液氮泵单元为过冷液氮和循环泵。

3、根据权利要求1所述的紧耦合式空心高温超导电抗器，其特征在于：杜瓦容器采用非金属材料FRP玻璃纤维加强聚脂采光板制作，非金属杜瓦容器为双层容器，分为外壁和内壁，两层胆壁都涂满银。

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