CN114694884A - 一种全绝缘双极性叠层母线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了叠层母线领域的一种全绝缘双极性叠层母线，包括并排布置的第一导体和第二导体，第一导体、第二导体均由至少一个导电排构成，多个导电排之间并联；第一导体与第二导体的外侧分别缠绕有第一绝缘层，两者的第一绝缘层之间安装有隔离板，隔离板为缠绕有绝缘材料的导电板；第一绝缘层以及隔离板的外侧共同缠绕有第二绝缘层，第二绝缘层通过铠装盒固定；第一导体与第二导体的端部分别向两侧张开构成Y型端子。本发明中每个导体由若干导电排弯曲然后使用两层绝缘材料缠绕而成，可以实现大电流的传输，方便拓展，提高了电流传输的能力。

Description

一种全绝缘双极性叠层母线

技术领域

本发明涉及叠层母线领域，具体是一种全绝缘双极性叠层母线。

背景技术

对于目前国内外的现状研究发现，双极性直流导体主要是以同轴水冷电缆为主，其材料 为铜，其中以电流小电流(小于10kA)为主。但是随着科学技术的发展，尤其是EAST、CRAFT 等大科学装置的蓬勃发展，这些***都对聚变电源的要求越来越高，其中大电流和高电压等 级也越来越高，目前传输线的导体已经不能满足实际的需求。

此外，目前的叠层母线传输电流小，绝缘等级低，并且杂散电感基本都在1μH/m以上， 随着聚变的发展，对传输线杂散电感和大电流传输的安装空间都有更高的需求。

发明内容

本发明的目的在于填补高绝缘等级的大电流双极性叠层母线的空白，根据聚变领域大电 流传输的需求，可以满足聚变装置在大电流和绝缘等级方面的技术需求。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种全绝缘双极性叠层母线，包括并排布置的第一导体和第二导体，所述第一导体、第 二导体均由至少一个导电排构成，多个导电排之间并联；第一导体与第二导体的外侧分别缠 绕有第一绝缘层，两者的第一绝缘层之间安装有隔离板，所述隔离板为缠绕有绝缘材料的导 电板；第一绝缘层以及隔离板的外侧共同缠绕有第二绝缘层，所述第二绝缘层通过铠装盒固 定；所述第一导体与第二导体的端部分别向两侧张开构成Y型端子。

在一些实施方式中，所述铠装盒的外侧通过至少一个限位器以及至少一个纵向夹具加固 固定。

在一些实施方式中，所述限位器由四个板体围拢固定构成口型框架结构。

在一些实施方式中，纵向夹具由两个侧向相对的夹具组件通过连接件连接构成，所述夹 具组件的底部设有用于支撑母线的底座，两个所述夹具组件的内底面共同设有绝缘板。

在一些实施方式中，所述Y型端子的端部外侧设置有横向夹具。

在一些实施方式中，所述横向夹具包括两个背面相对的C型钢，所述C型钢的背面上还 固定有绝缘板，两个C型钢将所述Y型端子夹持在中间，通过绝缘连接件固定。

在一些实施方式中，所述第一导体、第二导体在内部沿长度方向均设有水冷回路，第一 导体、第二导体的端部侧面均设有通水孔，通水孔作为水冷回路的进水孔与出水孔。

在一些实施方式中，当导电排数量超过一个时，所述第一导体、第二导体内部的多个导 电排分别缠绕有绝缘材料。

有益效果：本发明中，每个导体由导电排弯曲然后使用两层绝缘材料缠绕而成，每根导 电排的额定载流量可配置为30kA；两个导体可分别通不同方向的电流，而且第一、第二体可 以分别通过若干个导电排并联且绝缘缠绕，从而产生更大电流的传输，可以方便拓展，提高 电流传输的能力。经测试，本申请具有至少如下优点：

1.绝缘水平高，两极耐压等级达到10kV，对地耐压等级达到28kV。

2.结构性能好，可承受脉冲电流300kA。

3.装置扩展能力强，适用于多种大电流交流、直流运行模式。

4.耐腐蚀性强，可免受运行时导体绝缘层与夹具之间的温差带来的冷凝水的绝缘性能损 害。

附图说明

图1为本发明的轴向端面示意图；

图2为本发明限位器的结构示意图；

图3为本发明纵向夹具的结构示意图；

图4为本发明横向夹具的结构示意图；

图5为本发明整体结构的示意图；

图6为本发明交流情况下母线内部电流密度分布和趋肤效应仿真图；

图7为本发明多段母线连接时的示意图。

图中：1-第一导体；2-第二导体；3-第一绝缘层；4-第二绝缘层；5-隔离板；6-铠装盒； 7-Y型端子；8-限位器；801-接地孔；9-纵向夹具；901-夹具组件；902-加强筋；903-底座； 10-横向夹具；1001-C型钢；11-通水孔；12-水冷回路；13-绝缘板。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描 述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明 中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例， 都属于本发明保护的范围。

一种全绝缘双极性叠层母线，包括并排布置的第一导体1和第二导体2，第一导体1与 第二导体2的外侧分别缠绕有第一绝缘层3，两者的第一绝缘层3之间安装有隔离板5，第一绝缘层3以及隔离板5的外侧共同缠绕有第二绝缘层4，第二绝缘层4通过铠装盒6固定。第一导体1与第二导体2的端部分别向两侧弯曲张开构成Y型端子7。

第一导体1、第二导体2均由至少一个导电排弯曲然后使用两层绝缘材料缠绕而成，其 中第一绝缘层3用于两个导体之间的绝缘，第二绝缘层4以及隔离板5均用于两个导体对大 地的绝缘。两个导体可分别通不同方向的电流，而且每一导体可以通过若干个导电排并联且 绝缘缠绕，从而产生更大电流的传输，可以方便拓展，提高电流传输的能力。

例如，导电排可以是铝排或铜排或其他导电体，两个导体采用的导电排的材质相同。在 一个实施例中，第一导体1、第二导体均仅包括一个铝排，每根铝排的额定载流量设定为30kA， 因此每个导体可传输30kA的电流，对应的铝排的截面为200×60mm(内含有直径为20mm 的水冷孔)。在其他的实施例中，铝排的截面尺寸并不受限，只需要满足30kA对应的电流 密度2.5A/mm²即可。

在另一个实施例中，第一导体1、第二导体2均各自包括两个铝排，且两个铝排并联连 接，第一导体1中的两个铝排的电流同向，并与第二导体2中的两个铝排的电流方向相反。 由于每个导体包括的铝排的数量增加一倍，因此每个导体可以传输60kA的电流。

在实际应用中，具体的并联的导电排的数量根据需求而定，每个导体中包括的铝排的数 量还可以是三个，对应导体传输90kA的电流。需要说明的是，由于要保持第一导体1、第二 导体2的电位相同、极性相反，两个导体内的导电排的数量相同。

在一些优选的实施例中，当两个导体中的导电排的数量超过一个时，每个导电排的外侧 均缠绕有绝缘材料，用于提高导电的均流性。

隔离板5为导电板，在母线传输电流的过程中，隔离板5接地，用于保持电压零电位， 维持第一导体1与第二导体2的电压平衡。导电板可以是铝、铜等材质，由于母线的传输电 压等级高，为了防止隔离板5被击穿，隔离板5的外侧缠绕有绝缘材料，如云母片等。

上述母线还可以改变绝缘等级，例如，当第一绝缘层3、第二绝缘层4以及隔离板5上 缠绕的绝缘材料的厚度为4mm时，两个导体之间耐压等级达到10kV，母线对地耐压等级为 28kV。当厚度增加为8mm时，母线对地耐压等级可达到48kV。在增加厚度时，第一绝缘层3、第二绝缘层4以及隔离板5上缠绕的绝缘材料均增加同等的厚度。

参见图5，在一些优选的实施例中，由于母线传输大电流、高电压，为了防止在电流传 输过程中，第一导体1、第二导体2因为电流反向而电压极性相斥，导致母线撕裂，在铠装盒6的外侧通过至少一个限位器8以及至少一个纵向夹具9加固固定。如图7所示，在实际 应用中，单条母线的直线段最长可达9米，应用在电源与负载之间则需要多根母线连接形成可长达几百米的传输线路。因此，对于每段母线，优选的限位器8与纵向夹具9均间隔均匀地设置多个，起到对母线的加固作用。

如图2所示，限位器8由上、下、左、右四个板体围拢固定，构成口型框架结构，该结构的开口大小与铠装盒6的外部尺寸相配。限位器8优选设置在Y型端子7的弯曲处，还可 以在母线的直线段上间隔均匀的设置，主要用于防止母线在受到短路冲击后变形，起到加固母线的作用。并且，由于两个导体经第二绝缘层4缠绕后通过铠装盒6保护，铠装盒6为碳 钢材质，需保护接大地。在限位器8的表面设有接地孔801，可从接地孔801中接入导线连 接大地，实现铠装盒6的接地保护。

如图3所示，纵向夹具9由两个侧向相对的夹具组件901通过连接件如螺栓等连接构成， 铠装盒6被两个夹具组件901夹在中间包裹固定。夹具组件901的底部设有用于支撑母线的 底座903，用于承托母线防止母线因重力变形。并且，由于母线受重力影响与夹具组件901 的底座903直接接触，为了避免夹具组件901破坏母线的第二绝缘层4，两个夹具组件901 的内底面共同设有绝缘板13，起到对第二绝缘层4的保护作用。绝缘板13可采用具有较高 强度的高性能绝缘材料，如环氧板等，受力能力强。纵向夹具9的侧面还分布有加强筋902， 用以提升强度。

在一些优选的实施例中，Y型端子7的端部外侧设置有横向夹具10。参见图4，横向夹 具10包括两个C型钢1001，两个C型钢1001的背面相对将Y型端子7夹持在中间，通过 连接件如螺栓等固定构成横向夹具10。横向夹具10用于防止短路电流对Y型端子7以及对 各导体的冲击变形。

由于Y型端子7被夹持在中间，为防止Y型端子7外侧包裹的第二绝缘层4被C型钢1001破坏，两个C型钢1001均在背面上固定有绝缘板13，使得Y型端子7的第二绝缘层4 与绝缘板13直接接触，免遭破坏，其中绝缘板13可以配置为环氧板。在本实施例中，连接 两个C型钢1001的连接件为绝缘连接件，如高强度环氧螺栓，以避免两个导体通过连接件 击穿。

在一些优选的实施例中，第一导体1、第二导体2在内部沿长度方向均设有水冷回路12， 第一导体1、第二导体2的端部上侧均设有通水孔11，通水孔11可以作为水冷回路12的进 水孔与出水孔。两个水冷回路12(直径为20mm)位于第一、第二导体(截面为200mm×60mm)的几何中心，水冷回路12与通水孔11配合构成独立的冷却回路，去离子水在冷却 回路中流动，实现对母线的良好散热。如图6所示，母线在通交流的情况下导电排的集肤深度，引起的导电排阻抗变大，水冷回路12的位置设置可以实现导电排较好的冷却效果。

经测试，可获得本发明提供的全绝缘大电流双极性叠层母线参数如下表所示：

上表表明，本发明至少具有以下优点：

1、绝缘水平高，第一、第二导体之间绝缘等级可达10kV，对地耐压等级达28kV。

2、结构性能好，母线可以传输30kA的稳态电流，可承受短路电流300kA电动力的冲击，杂散电感小于0.3。

3.装置扩展能力强，适用于多种大电流交流、直流运行模式。

4.耐腐蚀性强，由于两个导体均采用全绝缘无间隙的缠绕方式，还可免受运行时导体绝 缘层与夹具之间的温差带来的冷凝水对绝缘性能损害。

虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案， 说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各 实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

故以上所述仅为本申请的较佳实施例，并非用来限定本申请的实施范围；即凡依本申请 的权利要求范围所做的各种等同变换，均为本申请权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种全绝缘双极性叠层母线，其特征在于，包括并排布置的第一导体(1)和第二导体(2)，所述第一导体(1)、第二导体(2)均由至少一个导电排构成，多个导电排之间并联；第一导体(1)与第二导体(2)的外侧分别缠绕有第一绝缘层(3)，两者的第一绝缘层(3)之间安装有隔离板(5)，所述隔离板(5)为缠绕有绝缘材料的导电板；第一绝缘层(3)以及隔离板(5)的外侧共同缠绕有第二绝缘层(4)，所述第二绝缘层(4)通过铠装盒(6)固定；所述第一导体(1)与第二导体(2)的端部分别向两侧张开构成Y型端子(7)。

2.根据权利要求1所述的一种全绝缘双极性叠层母线，其特征在于，所述铠装盒(6)的外侧通过至少一个限位器(8)以及至少一个纵向夹具(9)加固固定。

3.根据权利要求2所述的一种全绝缘双极性叠层母线，其特征在于，所述限位器(8)由四个板体围拢固定构成口型框架结构。

4.根据权利要求2所述的一种全绝缘双极性叠层母线，其特征在于，纵向夹具(9)由两个侧向相对的夹具组件(901)通过连接件连接构成，所述夹具组件(901)的底部设有用于支撑母线的底座(903)，两个所述夹具组件(901)的内底面共同设有绝缘板(13)。

5.根据权利要求1所述的一种全绝缘双极性叠层母线，其特征在于，所述Y型端子(7)的端部外侧设置有横向夹具(10)。

6.根据权利要求5所述的一种全绝缘双极性叠层母线，其特征在于，所述横向夹具(10)包括两个背面相对的C型钢(1001)，所述C型钢(1001)的背面上还固定有绝缘板，两个C型钢(1001)将所述Y型端子(7)夹持在中间，通过绝缘连接件固定。

7.根据权利要求1所述的一种全绝缘双极性叠层母线，其特征在于，所述第一导体(1)、第二导体(2)在内部沿长度方向均设有水冷回路(12)，第一导体(1)、第二导体(2)的端部侧面均设有通水孔(11)，通水孔(11)作为水冷回路(12)的进水孔与出水孔。

8.根据权利要求1所述的一种全绝缘双极性叠层母线，其特征在于，当导电排数量超过一个时，所述第一导体(1)、第二导体(2)内部的多个导电排分别缠绕有绝缘材料。

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