專利名稱：超導電抗器的制作方法
技術(shù)領域：
本實用新型涉及一種超導電抗器，屬于電工技術(shù)領域。
背景技術(shù)：
隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，許多城市用電量逐年上升，城市中心區(qū)域的電力負荷 激增，輸配電容量大幅增加，減少電網(wǎng)損耗和提高電網(wǎng)運行穩(wěn)定性等問題也隨之提出。目 前電網(wǎng)系統(tǒng)在輸配電環(huán)節(jié)損耗很大，因此各國都在尋找減少電網(wǎng)損耗的方案，其中超導材 料是減少電網(wǎng)損耗的最重要方案之一，超導材料具有低損耗、高效率、傳輸電流密度高等優(yōu) 點，對于未來電力行業(yè)的發(fā)展具有重要意義。同時由于電網(wǎng)容量加大，負荷急劇上升，使電 網(wǎng)中的額定電流和短路電流急劇加大，使目前工作的大部分斷路器運行在臨界狀態(tài)，對電 網(wǎng)穩(wěn)定運行構(gòu)成巨大威脅。 近年來，隨著高溫超導材料技術(shù)的發(fā)展，高溫超導材料的電磁特性和機械特性得 到了很大提高，使高溫超導材料實現(xiàn)了商業(yè)化生產(chǎn)。目前的高溫超導線圈主要通過Bi系高 溫超導帶材Bi-2223來繞制，高溫超導材料有較高的臨界溫度，可以運行在液氮溫區(qū)(77K) 下而通過較高的電流密度；因此，使用高溫超導材料繞制的高溫超導線圈裝置正在得到越 來越廣泛的應用。同時，伴隨著國際上高溫超導材料價格的走低，高溫超導線材在國內(nèi)也實 現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，這些都為超導技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展奠定了良好的基礎。 超導電抗器是高溫超導材料重要應用方向之一，高溫超導材料的應用使電抗器具 有高效率、高安全、高可靠等特點，較傳統(tǒng)電抗器具有體積小、重量輕，無污染、無火災隱患 等優(yōu)點。斷路器是確保電網(wǎng)穩(wěn)定運行的重要設備之一，隨著用戶負荷急劇增加，對斷路器具 有高開斷短路能力的需求迅速提升。在不改變原有斷路器設計方案情況下，利用高溫超導 電抗器能迅速提高斷路器承載額定電流的能力和開斷短路電流的能力。因此，高溫超導電 抗器的研制和應用對我國電網(wǎng)的發(fā)展將具有重要意義。 瑞典專利(SE 92024553)"超導變壓器、電抗器的繞組支撐結(jié)構(gòu)"中公開了一種 降低繞組端部垂直漏磁場并減小繞組交流損耗的繞組結(jié)構(gòu)，高溫超導帶材饒制在刻有環(huán)形 斜槽的呈管狀的繞組骨架上，在鐵芯和繞組骨架之間有低溫容器壁，繞組骨架上斜槽的寬 度略大于帶材的寬度，而傾斜方向為該處電磁場的方向。在美國專利US5659277中公開了 一種降低繞組端部橫向磁場的繞組結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在繞組端部增加了磁屏蔽裝置，不論是交 流還是直流磁體，該結(jié)構(gòu)均可在一定程度上降低繞組端部橫向漏磁場的分量。中國專利 CN200420068725. 6 "超導電抗器"包括鐵芯、繞組，在繞組端部內(nèi)側(cè)置有電屏蔽裝置，電屏蔽 裝置為反磁金屬環(huán)，可有效降低高溫超導繞組端部漏磁場的橫向分量。但是以上三個專利 均只是針對高溫超導繞組端部漏磁的問題作出的結(jié)構(gòu)改變。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的在于提供一種超導電抗器，與傳統(tǒng)電抗器相比，本實用新型具 有體積小、重量輕、高可靠和低功耗等優(yōu)點；其特點為限流能力和自動均流能力強，杜絕了
3油浸電抗器漏油、易燃等缺點，保證了運行安全；沒有鐵芯，不存在鐵磁飽和，電感值的線性 度好。 本實用新型的技術(shù)方案是超導電抗器，包括短連接排、順時針繞組、逆時針繞組 和液氮，短連接排分別與順時針繞組和逆時針繞組連接，順時針繞組和逆時針繞組浸入液 氮中，順時針繞組和逆時針繞組的匝間和層間均絕緣，繞組材料為高溫超導材料Bi2223 ; 其特征在于還包括非金屬杜瓦容器、制冷系統(tǒng)和聚酰亞胺薄膜；聚酰亞胺薄膜包扎超導 繞組材料；液氮存儲在非金屬杜瓦容器中，制冷系統(tǒng)、非金屬杜瓦容器、順時針繞組、逆時針 繞組和液氮連接形成液氮循環(huán)冷卻系統(tǒng)。 如上所述的超導電抗器，其特征在于制冷系統(tǒng)包括壓力傳感器、壓力控制系統(tǒng)、 真空泵、真空隔熱管、熱交換器和循環(huán)泵，壓力傳感器和真空泵都同時連接壓力控制系統(tǒng)和 熱交換器；液氮循環(huán)冷卻系統(tǒng)分為熱交換單元、杜瓦容器單元和液氮泵單元，單元間采用真 空隔熱管連接；熱交換單元包括壓力傳感器、壓力控制系統(tǒng)、真空泵、飽和液氮和熱交換器； 杜瓦容器單元包括過冷液氮、順時針繞組和逆時針繞組；液氮泵單元為過冷液氮和循環(huán)泵。 如上所述的超導電抗器，其特征在于杜瓦容器采用非金屬材料FRP玻璃纖維加 強聚脂采光板制作，非金屬杜瓦容器為雙層容器，分為外壁和內(nèi)壁，兩層膽壁都涂滿銀。 本實用新型的有益效果是本實用新型中杜瓦容器采用非金屬材料FRP(玻璃纖 維加強聚脂采光板)制作，增強了耐壓能力并且減少電磁渦流損耗，降低超導電抗器的損 耗。 本實用新型中采用聚酰亞胺薄膜包扎繞組材料，加強了聚酰亞胺在超導線材表面 涂層的均勻度，使場強分布均勻，增加絕緣強度，并此方案很好的解決了超導電抗器繞組線 材的絕緣問題。 本實用新型設計了一種提供高溫超導制冷的低溫閉式循環(huán)冷卻制冷系統(tǒng)，對系統(tǒng) 進行閉環(huán)控制，確保液氮的過冷卻，防止液氮氣泡的產(chǎn)生，保證液氮的冷卻性和絕緣強度。 利用非金屬杜瓦容器實現(xiàn)液氮低溫存儲，減少渦流損耗；通過低溫閉環(huán)制冷系統(tǒng)對其制冷， 并實施過冷循環(huán)冷卻，確保液氮的絕緣強度。 而基于本實用新型緊耦合空心超導電抗器的并聯(lián)斷路器裝置，可以實現(xiàn)并聯(lián)斷路 器的自動均流和限流，提高斷路器承載額定電流的能力和開斷短路電流的能力。
圖1為本實用新型實施例整體結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2為圖1中順時針繞組和逆時針繞組的繞制方式示意圖。 圖3為圖1中制冷系統(tǒng)的工作原理示意圖。 圖4為圖1中非金屬杜瓦容器的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖5為用本實用新型實施例并聯(lián)斷路器裝置示意圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和實施例對本實用新型做進一步的說明。 圖1中標記的說明l-短連接排、2-杜瓦容器、3-順時針繞組、4-逆時針繞組、 5_液氮、6_制冷系統(tǒng)、7_聚酰亞胺薄膜。
4[0021] 圖3中標記的說明8-壓力傳感器、9-壓力控制系統(tǒng)、10-真空泵、ll-真空隔熱
管、12-熱交換器、13-循環(huán)泵。 圖4中標記的說明:14-外壁，15-內(nèi)壁。
圖5中標記的說明16-斷路器。 如圖1所示，本實用新型實施例緊耦合式空心高溫超導電抗器包括短連接排1、非 金屬杜瓦容器2、順時針繞組3、逆時針繞組4、液氮5、制冷系統(tǒng)6和聚酰亞胺薄膜7 ;順時 針繞組3和逆時針繞組4浸入液氮5中，液氮5存儲在非金屬杜瓦容器2中，短連接排1分 別與順時針繞組3和逆時針繞組4連接，制冷系統(tǒng)6、非金屬杜瓦容器2、順時針繞組3、逆時 針繞組4和液氮5連接形成液氮循環(huán)冷卻系統(tǒng)；順時針繞組3和逆時針繞組4的匝間和層 間有絕緣材料聚酰亞胺薄膜7。 圖2為圖1中順時針繞組和逆時針繞組的繞制方式示意圖。繞組材料為高溫超導 材料Bi2223 ;非金屬杜瓦容器2內(nèi)的繞組由內(nèi)外兩層線圈組成，兩層線圈間有絕緣，兩線圈 即為兩臂，兩線圈的繞向相反， 一個繞組為順時針繞組3，另一個繞組為逆時針繞組4 ;每一 臂由若干層電感線圈分層排列構(gòu)成，所有單層電感線圈由單根導線繞制或分裂導線并繞而 成，層間匝間均有絕緣，這些電感線圈共有一個中心軸，同軸安置且匝數(shù)相等，從而達到緊 耦合的目的；單層電感線圈繞向相同，相互并聯(lián)連接，所有單層電感線圈匝數(shù)相等，按電感 線圈半徑的不同，共有一個中心軸線。本實用新型實施例緊耦合空心超導電抗器的每一層 由兩個單層電感線圈間匝繞制而成(即一個包封)，且兩個單層線圈的繞向相反，以本實用 新型實施例緊耦合空心電抗器的最內(nèi)層為第一層，最外層為最后一層計，第一層與第二層 間為層間絕緣耐壓材料，第一層、絕緣材料和第二層共為一個包封，也即第一個包封，包封 與包封間為散熱空氣氣道，以此類推，直至最外的包封。 圖3為圖1中制冷系統(tǒng)的工作原理示意圖，制冷系統(tǒng)6的特點是設計了一種提供 對高溫超導制冷的低溫閉式循環(huán)冷卻系統(tǒng)，對系統(tǒng)進行閉環(huán)控制，確保液氮5的過冷卻，防 止液氮5氣泡的產(chǎn)生。高溫超導順時針繞組3和逆時針繞組4進入液氮5中，液氮5確保 高溫超導材料的超導特性所需的低溫，液氮5的沸點為77K，液氮5中含氣泡將極大的降低 液氮5的絕緣強度，過冷系統(tǒng)使液氮5的77K降到66K， 66K下使超導線的性能更好，消除了 可損壞絕緣的氮氣體，保證了液氮5的冷卻性和絕緣強度。由于過冷液氮5的絕緣性能要 好于空心，繞組匝間間隙可以變得更小，因此本實用新型實施例高溫超導電抗器的體積要 比傳統(tǒng)空心電抗器小。制冷系統(tǒng)6包括壓力傳感器8、壓力控制系統(tǒng)9、真空泵10、真空隔熱 管11、熱交換器12和循環(huán)泵13，壓力傳感器8和真空泵10都同時連接壓力控制系統(tǒng)9和 熱交換器12 ;制冷系統(tǒng)6與杜瓦容器2、順時針繞組3、逆時針繞組4和液氮5形成液氮循環(huán) 冷卻系統(tǒng)；該液氮循環(huán)冷卻系統(tǒng)主要由熱交換單元、杜瓦容器單元和液氮泵單元組成。單元 間采用真空隔熱管11連接。熱交換單元包括壓力傳感器8、壓力控制系統(tǒng)9、真空泵10降 溫的飽和液氮5、使液氮5過冷的熱交換器12 ;杜瓦容器單元包括過冷液氮5、順時針繞組3 和逆時針繞組4 ;液氮泵單元為過冷液氮5和循環(huán)泵13。 圖4為圖1中非金屬杜瓦容器的示意圖。高溫超導順時針繞組3和逆時針繞組4 為浸入液氮5中，液氮5存儲在非金屬杜瓦容器2中，非金屬杜瓦容器2為雙層容器，如圖 4所示，分為杜瓦容器外壁14和杜瓦容器內(nèi)壁15，兩層膽壁都涂滿銀，把兩層壁間的空氣抽 掉形成真空。兩層膽壁上的銀可防止輻射散熱，真空能防止對流和傳導散熱，因此裝在容器中的液氮溫度不易發(fā)生變化，確保液氮5的冷卻儲存。本實用新型中杜瓦容器2采用非金 屬材料FRP(玻璃纖維加強聚脂采光板)制作，增強耐壓能力并且減少電磁渦流損耗，降低 超導電抗器的損耗。 本實用新型實施例緊耦合式空心高溫超導電抗器的絕緣材料聚酰亞胺薄膜7，傳 統(tǒng)超導線材絕緣主要采用超導線表面涂聚酰亞胺漆工藝，很難滿足電抗器匝間要求。本實 用新型中絕緣材料選用聚酰亞胺薄膜7直接包扎超導繞組線材，其特點是加強了聚酰亞胺 在超導線材表面涂層的均勻度，使場強分布均勻，增加絕緣強度，此方案很好的解決了超導 電抗器繞組線材的絕緣問題。 如圖5所示，基于本實用新型實施例緊耦合空心高溫超導電抗器的并聯(lián)斷路器裝 置，成倍增長了同等電壓等級下斷路器16開斷短路電流的水平，提高系統(tǒng)的整體開斷能 力。且在正常工況下不會對系統(tǒng)回路帶來額外的阻抗，對系統(tǒng)的影響微乎其微。而在出現(xiàn) 故障時，利用超導強大電磁的反應，實現(xiàn)兩支路的自動均流，從而實現(xiàn)斷路器16的自動并 聯(lián)；當斷路器16動作時間不一致時，本實用新型實施例緊耦合空心高溫超導電抗器在耦合 電感的作用下自動限流，也能保證單支路斷路器16的正常開斷，達到了小參數(shù)斷路器16開 斷大短路電流的目的。 以下為詳細介紹基于雙臂緊耦合空心高溫超導電抗器的斷路器并聯(lián)運行的原理。 斷路器為三相獨立結(jié)構(gòu)，每相都由一臺雙臂本實用新型實施例緊耦合空心高溫超導電抗器 和兩臺并聯(lián)運行的斷路器16組成，三相設備參數(shù)相同且結(jié)構(gòu)一致，拿其中一相工作情況說 明其工作原理。所述裝置使用的并聯(lián)斷路器16沒有類型限制，當運行電壓等級較低時，可 采用真空斷路器；而當運行電壓等級較高時，可采用SF6斷路器。為了保證所述裝置的均流 效果，所用并聯(lián)斷路器16的動作特性需盡量一致，所用緊耦合空心高溫超導電抗器每臂的 阻抗不對稱率在3%以內(nèi)。當電流流入基于雙臂緊耦合空心高溫超導電抗器的并聯(lián)斷路器 裝置時，兩臺斷路器16共同承擔系統(tǒng)的正常電流和短路電流。由于采用緊耦合結(jié)構(gòu)，緊耦 合空心高溫超導電抗器每個包封中由兩個單層電感線圈間匝繞制而成，且兩個單層線圈的 繞向相反，會產(chǎn)生方向相反的磁通；當系統(tǒng)正常運行時，由于高溫超導電抗器結(jié)構(gòu)對稱，耦 合電感以漏電抗的形式對外表現(xiàn)，其值很小，其損耗可以忽略，而與緊耦合空心高溫超導電 抗器相連的并聯(lián)斷路器16參數(shù)亦一致，從而保證了系統(tǒng)電流均勻流過高溫超導電抗器的 兩臂和并聯(lián)斷路器16。 當系統(tǒng)短路故障時，若流過兩并聯(lián)斷路器16的電流大小相等，兩支路電流在緊耦 合空心高溫超導電抗器兩臂中產(chǎn)生的磁通大小相等，方向相反，對外呈現(xiàn)漏磁通，緊耦合空 心高溫超導電抗器在系統(tǒng)中僅表現(xiàn)為漏電抗，不會增大系統(tǒng)的負擔；若兩支路中電流大小 不等，則在緊耦合空心高溫超導電抗器兩臂中會感生出交變的電動勢，由電磁感應定律可 知，該電動勢使兩支路電流趨于相等，從而該緊耦合空心高溫超導電抗器可以保證兩支路 的斷路器16均分系統(tǒng)中的電流，該并聯(lián)斷路器16的型號應完全一致，可選定其額定容量、 短路電流等參數(shù)為系統(tǒng)參數(shù)的二分之一 ；若并聯(lián)斷路器16滅弧室動作不一致或單臺斷路 器故障等原因造成只有一條支路導通時，緊耦合空心高溫超導電抗器呈現(xiàn)單臂電抗，由于 超導材料將產(chǎn)生很大磁場，將比緊耦合狀態(tài)下的漏電抗高數(shù)倍，能有效限制流過緊耦合空 心高溫超導電抗器單臂和單臺斷路器16滅弧室的電流，使單臺斷路器16成功開斷短路電 流。
權(quán)利要求超導電抗器，包括短連接排、順時針繞組、逆時針繞組和液氮，短連接排分別與順時針繞組和逆時針繞組連接，順時針繞組和逆時針繞組浸入液氮中，順時針繞組和逆時針繞組的匝間和層間均絕緣，繞組材料為高溫超導材料Bi2223；其特征在于還包括非金屬杜瓦容器、制冷系統(tǒng)和聚酰亞胺薄膜；聚酰亞胺薄膜包扎超導繞組材料；液氮存儲在非金屬杜瓦容器中，制冷系統(tǒng)、非金屬杜瓦容器、順時針繞組、逆時針繞組和液氮連接形成液氮循環(huán)冷卻系統(tǒng)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的超導電抗器，其特征在于制冷系統(tǒng)包括壓力傳感器、壓力控 制系統(tǒng)、真空泵、真空隔熱管、熱交換器和循環(huán)泵，壓力傳感器和真空泵都同時連接壓力控 制系統(tǒng)和熱交換器；液氮循環(huán)冷卻系統(tǒng)分為熱交換單元、杜瓦容器單元和液氮泵單元，單元 間采用真空隔熱管連接；熱交換單元包括壓力傳感器、壓力控制系統(tǒng)、真空泵、飽和液氮和 熱交換器；杜瓦容器單元包括過冷液氮、順時針繞組和逆時針繞組；液氮泵單元為過冷液 氮和循環(huán)泵。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超導電抗器，其特征在于杜瓦容器采用非金屬材料FRP玻 璃纖維加強聚脂采光板制作，非金屬杜瓦容器為雙層容器，分為外壁和內(nèi)壁，兩層膽壁都涂 滿銀。
專利摘要本實用新型涉及一種超導電抗器，包括短連接排、非金屬杜瓦容器、順時針繞組、逆時針繞組、液氮、制冷系統(tǒng)和聚酰亞胺薄膜；順時針繞組和逆時針繞組浸入液氮中，液氮存儲在非金屬杜瓦容器中，短連接排分別與順時針繞組和逆時針繞組連接，制冷系統(tǒng)、非金屬杜瓦容器、順時針繞組、逆時針繞組和液氮連接形成液氮循環(huán)冷卻系統(tǒng)；順時針繞組和逆時針繞組的匝間和層間有絕緣材料聚酰亞胺薄膜；與傳統(tǒng)電抗器相比，本實用新型具有體積小、重量輕、高可靠和低功耗等優(yōu)點；其特點為限流能力和自動均流能力強，杜絕了油浸電抗器漏油、易燃等缺點，保證了運行安全；沒有鐵芯，不存在鐵磁飽和，電感值的線性度好。
文檔編號H01F36/00GK201465773SQ20092008753
公開日2010年5月12日 申請日期2009年7月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月24日
發(fā)明者但小容, 劉飛, 尹婷, 張冰, 張 杰, 張良華, 李輝, 杜忠東, 杜硯, 柳歡歡, 王曉琪, 胡媛媛, 許任重, 趙軍, 邱進, 陳軒恕, 黃琴 申請人:國網(wǎng)電力科學研究院武漢南瑞有限責任公司