CN103117145A - 高温超导无感线圈绝缘与冷却间隔层 - Google Patents

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Abstract

一种高温超导无感线圈绝缘与冷却间隔层，所述的间隔层（1）为双绕无感饼式线圈匝间的间隔层，置于双高温超导带并绕无感饼式线圈的匝间，即位于并绕的双高温超导带的带间以及相邻的高温超导带带间的间隔内；所述间隔层的材料聚四氟乙烯带；所述的间隔层的宽度w比较所述的高温超导带的宽度宽约0.6-1mm；所述的间隔层（1）由一端开口的周期性梯形窗口组成，为梯形波浪状。

Description

高温超导无感线圈绝缘与冷却间隔层
技术领域
本发明涉及一种高温超导电阻型故障限流器用高温超导无感线圈的间隔层。
背景技术
基于第二代高温超导带材的电阻型高温超导限流器串接在电网中，在正常运行时，呈现无阻抗状态，对电网没有影响；在故障发生时，高温超导体即时失超而呈现高电阻状态进行限流，具有很好的应用与市场前景。这种限流器的核心技术是利用已经商业化生产的第二代高温超导带绕制的无感双绕饼式线圈，目前通用技术是利用单根或多根超导带制作成无感饼式线圈，然后通过多个无感饼式线圈串并联组合成限流单元。这种双绕无感饼式线圈的关键技术是匝间的间隔层。因为在故障发生后通过第二代高温超导带材的失超电阻进行限流，该过程伴随有大量的焦耳热瞬间产生，同时在限流线圈的两端长生较大的端电压，使匝间，尤其是并绕双带的端部产生高电压。所以，匝间间隔层起到高电压绝缘与冷却通道的双重作用。关于匝间间隔层的结构，目前的通用技术是采用绝缘材料制作的波纹形窄带，波纹带宽度比高温超导带稍宽，可以起到良好的冷却与高电压绝缘效果（http://www.superconductivityiea.org/whats-new-in-fault-current-limiters/notable-recent-accomplishment s;专利：US2011/0116198A1）。由于第二代高温超导带为陶瓷涂层材料，具有脆性、易碎等不可避免的缺陷，在线圈制作与使用过程中，极易损坏导致超导电性能退化。上述波纹带状间隔层的“浪尖”与高温超导带为线状接触，在线圈绕制过程的预应力会使超导带与线状接触处局部受力而弯折、损坏；在限流线圈由室温到液氮温度的预冷过程中，热收缩应力也会使超导带与线状接触处局部受力而弯折、损坏；在故障限流过程中，巨大的过电流冲击下的瞬间电磁作用，也会使超导带与线状接触处局部受力而弯折、损坏。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的在线圈的绕制、冷热循环与过电流冲击过程中极易损坏脆性陶瓷高温超导带的缺陷，提出一种双带并绕的无感饼式线圈的间隔层。本发明可以有效克服以上现有技术存在的问题与缺陷，还具有加工制作简单，生产效率高，在液氮浸泡的运行条件下具有良好的冷却和高电压绝缘效果。
本发明高温超导无感线圈绝缘与冷却间隔层为双绕无感饼式线圈匝间的间隔层。
所述的双绕无感饼式线圈匝间的间隔层为梯形波浪带，通过模具连续热压而成。本发明间隔层置于双高温超导带并绕的无感饼式线圈的匝间，即位于并绕的双高温超导带间以及相邻的高温超导带间的间隔内。所述间隔层的材料采用低温下具有良好电绝缘与机械性能、在室温下兼具柔性与塑性的聚四氟乙烯带制作而成。间隔层的宽度w比较高温超导带的宽度宽约0.6-1mm；兼顾低温下的高电压绝缘性能和冷却效果，间隔层制作成梯形波浪状。类似于方波，每个周期为一边开口的正方形的窗口；与方波相比，梯形波浪的每个周期的两个侧壁倾斜θ的角度，θ在5～8°之间，并定义梯形窗口的四个角为梯形角。
聚四氟乙烯基带的厚度t取0.6-1.2mm；梯形角作R修圆，R取0.6mm～1mm；梯形窗口的周期宽为5mm、梯形窗口高为h。因为梯形窗口高h决定了匝间耐高压水平，在液氮浸泡条件下，梯形窗口高h与单个无感饼式线圈的长度L之间满足如下关系式：
h＝2-t+2.8·L×10－3  （1）
其中h单位为mm；L为“S”型或“U”双绕高温超导带的长度，单位为mm。
本发明高温超导无感线圈绝缘与冷却间隔层用聚四氟乙烯基带经模具热压而成。
本发明间隔层为电阻型高温超导限流器的核心部件——双绕无感饼式线圈的关键部件，可以广泛应用于“S”型或“U”型等所有双带并绕无感饼式线圈的匝间（并绕双带间以及相邻带间）间隔，在液氮浸泡条件下，不仅具有良好的冷却和高电压绝缘效果，还可以有效的避免线圈绕制过程中，尤其是机械化绕制过程中的预应力、高温超导限流线圈预冷过程中的热收缩应力以及故障限流过程中巨大的过电流冲击下瞬间电磁作用等对高温超导的破坏作用。
由于电压等级较高的高温超导电阻型限流器，需要间隔层的量很大，比如220kV/1500A级的三相限流器需要几十公里长，因为本发明具有加工制作简单，生产效率高的优势，满足大批量生产的需求。
双带一端焊接并绕的饼式无感线圈，通过焊接点实现电流的反向。本发明间隔层置于一端焊接并绕的无感饼式线圈的匝间，即并绕双带间以及相邻带间的间隔内。通过间隔层的支撑可以使脆性超导带有平滑支撑，有效的避免线圈绕制过程中，尤其是机械化绕制过程中的预应力、高温超导限流线圈预冷过程中的热收缩应力以及故障限流过程中巨大的过电流冲击下瞬间电磁作用等对高温超导的破坏作用；本发明间隔层上梯形窗口起到液氮冷却通道的作用，可以使超导带充分冷却，同时实现匝间高电压绝缘。
单根超导带“S”型回弯并绕方式的饼式线圈，是单根超导通过中间的“S”型回弯实现电流反向。本发明间隔层置于单根超导带“S”型回弯并绕的无感饼式线圈的匝间，即并绕双带间以及相邻带间的间隔内。本发明间隔层在单根超导带“S”型回弯并绕饼式线圈的作用与间隔层在双带一端焊接并绕的饼式无感线圈的作用相同。
单根超导带“U”型回弯并绕方式的饼式线圈，是单根超导通过中间的“U”型回弯实现电流反向。本发明间隔层置于单根超导带“U”型回弯并绕的无感饼式线圈的匝间，即并绕双带间以及相邻带间的间隔内。本发明间隔层在单根超导带“U”型回弯并绕饼式线圈的作用与间隔层在双带一端焊接并绕的饼式无感线圈的作用相同。
附图说明
图1高温超导无感饼式线圈间隔层示意图，其中图1a为间隔层正视图，其中图1b为间隔层示意图，图中：1间隔层，2冷却窗口，θ窗口侧壁倾斜角度，t基带厚度，h梯形窗口高度，R圆角，w间隔宽度；
图2单组无感饼式线圈的间隔层实施例，其中图2a为两根超导带中间短接后并绕方式的实施例1，图2b为单根超导带“S”型回弯并绕方式的实施例2，图中：3与4并绕超导带，i无感线圈电流；5超导带，i'无感线圈电流；
图3多组无感饼式线圈的间隔层实施例3，图中：6与6'、7与7'、8与8'为三组并绕超导带，i1、i2与i3为三组并绕超导带的电流。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
本发明采用商业化生产的二代高温超导带的典型产品尺寸可选范围：厚度0.1～0.3mm，宽度4～12mm。在液氮温度、无外磁场条件下，单位宽度的临界电流IC可以达到210A/cm。本发明采用的所有高温超导带3、4、5、6、7、8选用相同的外形尺寸，厚0.2mm、宽12mm。如图1所示，本发明双绕无感饼式线圈的间隔层1用聚四氟乙烯基带经模具热压而成，结构为梯形波浪带，由一端开口的周期性梯形窗口2组成，梯形窗口2的侧壁倾斜角度θ在5-8°之间，梯形窗口2的周期宽度为5mm，梯形窗口2高度h由关系式（1）确定，梯形窗口角作R修圆。
如图1所示，无感饼式线圈的间隔层1的材料采用聚四氟乙烯基带，基带厚度t取0.6～1.2mm。间隔层1的宽度w比较高温超导带3的宽度宽约0.6～1mm；间隔层1呈周期性梯形波浪型，每个重复出现的梯形窗口2的周期宽度为5mm、梯形窗口2高为h。综合液氮中气泡的绝缘强度，h与高温超导带长度L的关系满足关系式（1）；梯形窗口2的梯形角R修圆，R取0.6mm～1mm。如此，间隔层1可兼顾低温下的高电压绝缘性能和冷却效果，并充分避免了对脆性高温超导带3、4、5、6、7、8的损坏。
本发明匝间间隔层1为电阻型高温超导限流器的核心部件——双绕无感饼式线圈的关键部件，可以广泛应用于“S”型或“U”型等所有双带并绕无感饼式线圈中，即并绕双带间以及相邻带间间隔。在液氮浸泡条件下，不仅具有良好的冷却和高电压绝缘效果，还可以有效的避免线圈绕制过程中，尤其是机械化绕制过程中的预应力、高温超导限流线圈预冷过程中的热收缩应力以及故障限流过程中巨大的过电流冲击下瞬间电磁作用等对高温超导带3的破坏作用。
图2为实施例的示意图，其中图2a为两根超导带中间短接后并绕方式的实施例1，图2b为单根超导带“S”型回弯并绕方式的实施例2。如图2a所示，高温超导带3、4一端焊接并绕，间隔层1同向绕在并绕的高温超导带3、4间以及相邻的高温超导带3、4间，双绕无感饼式线圈的电流i反向从而没有电感；如图2b所示，单根高温超导带5通过双绕无感饼式线圈中间的“S”型回弯，从而使双绕的高温超导带5中的电流i'反向，间隔层1位于双绕高温超导带5间以及相邻的高温超导带5间。
图3为间隔层1的实施例3的示意图：三根高温超导带6与6'、7与7'、8与8'通过中间的“U”型回弯，从而使高温超导带6与6'、7与7'、8与8'中的电流i1、i2、i3反向，间隔层1在双绕高温超导带6与6'、7与7'、8与8'间，以及位于相邻高温超导带间。
在以上实施例中，间隔层1可以使脆性超导带有平滑支撑，有效的避免线圈绕制过程中，尤其是机械化绕制过程中的预应力、高温超导限流线圈预冷过程中的热收缩应力以及故障限流过程中巨大的过电流冲击下瞬间电磁作用等对高温超导的破坏作用；本发明间隔层1上的梯形窗口2还可以使超导带充分冷却，同时实现匝间高电压绝缘。

Claims (6)

1.一种高温超导无感线圈绝缘与冷却间隔层，其特征在于所述的间隔层（1）为双绕无感饼式线圈匝间的间隔层，置于双高温超导带并绕无感饼式线圈的匝间，即位于并绕的双高温超导带的带间以及相邻的高温超导带带间的间隔内；所述间隔层的材料聚四氟乙烯带；所述的间隔层的宽度w比较所述的高温超导带的宽度宽约0.6-1mm；所述的间隔层（1）由一端开口的周期性梯形窗口组成，为梯形波浪状。
2.按照权利要求1所述的高温超导无感线圈绝缘与冷却间隔层，其特征在于所述的聚四氟乙烯基带的厚度t取0.6-1.2mm；梯形角作R修圆，R取0.6mm～1mm；梯形窗口（2）的周期宽度为5mm、梯形窗口（2）的高为h；在液氮浸泡条件下，梯形窗口（2）高h与单个无感饼式线圈的长度L之间满足如下关系式：
h＝2-t+2.8·L×10－3  （1）
其中h单位为mm；L为“S”型或“U”双绕高温超导带的长度，单位为mm。
3.按照权利要求1所述的高温超导无感线圈绝缘与冷却间隔层，其特征在于所述的间隔层用聚四氟乙烯基带经模具热压而成。
4.按照权利要求1所述的高温超导无感线圈绝缘与冷却间隔层，其特征在于所述的双绕无感饼式线圈中，高温超导带（3、4）的一端焊接并绕，所述的间隔层（1）同向绕在并绕的高温超导带（3、4）间以及相邻的高温超导带（3、4）间，双绕饼式线圈的电流i反向，没有电感。
5.按照权利要求1所述的高温超导无感线圈绝缘与冷却间隔层，其特征在于所述的双绕无感饼式线圈中，间隔层（1）位于双绕高温超导带（5）间以及相邻的高温超导带（5）间，单根高温超导带（5）通过所述的双绕无感饼式线圈中间的“S”型回弯，使双绕的高温超导带（5）中的电流i'反向。
6.按照权利要求1所述的高温超导无感线圈绝缘与冷却间隔层，其特征在于所述的双绕无感饼式线圈中，间隔层（1）位于三根双绕高温超导带（6、6'、7、7'、8、8'）间，以及相邻高温超导带间；三根高温超导带（6、6'、7、7'、8、8'）通过双绕无感饼式线圈中间的“U”型回弯，使三根高温超导带（6、6'、7、7'、8、8'）中的电流i1、i2、i3反向。
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