CN101320614A - 一种带有保护电路的超导绕组 - Google Patents
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Abstract
一种带有过电压保护的超导绕组，其由超导绕组与一电压钳制线路并联构成，该电压钳制线路至少包括一电压钳制线圈，该电压钳制线圈的匝数小于超导绕组的匝数，且该电压钳制线圈与超导绕组绕制在同一铁心上或同为不含铁心的绕组。所述的电压钳制线路还可以包括一与电压钳制线圈串联的电阻。在限制电网故障短路电流的应用中采用本发明能有效地保护超导绕组不受过电压冲击，同时亦不影响其励磁功能。
Description
技术领域
本发明涉及一种对于超导绕组及其相关电路的过电压保护技术，尤其涉及一种带有过电压保护钳制线路的超导绕组。
背景技术
在磁控饱和电抗器中，铁心同时受到交流和直流激磁作用时，铁心的磁感应强度及磁场强度中既有交流分量，也有直流分量，随着直流激磁作用的改变，铁心的磁化过程也跟着变化，这样在交流激磁作用大小一定时，改变直流激磁大小，就必然会改变交流激磁回路参数。图11为单相磁控饱和电抗器的基本结构示意图。其工作原理是通过调节直流电源A电流的大小改变铁心F的磁化程度，从而改变交流绕组E的阻抗值，达到控制通过负载C的工作电流的目的。
应用磁控饱和电抗器原理可以限制电网的故障短路电流，但把传统的磁控饱和电抗装置用于限制短路电流有一个很大的障碍：励磁直流绕组需要很大安匝数来满足大容量的铁心(可能达数吨，甚至数十吨)长时间不间断的深度饱和磁化，而用传统导体材料(譬如铜)绕制的绕组在这样的条件下会产生无法忍受的能量损耗和设备温升问题。基于超导材料零电阻的特性，使用超导材料作为直流励磁绕组是目前解决能耗和温升的最佳办法，但在故障短路电流的限制或类似应用中，交流绕组有时要经历一个突发的大幅度的电压变化。由于直流绕组的匝数大于交流绕组的匝数，这个变化会在直流绕组上产生一个更大的感应电压冲击，对超导绕组的绝缘和直流电源造成巨大威胁。
降低感应电压最直接的办法是减少直流线圈的匝数，通过改变其等效变压器的变比来降低直流侧的电压，不过这将导致直流电源供电电流的增大，使得额定电流已经较高的直流恒流源制造更加困难。
另一个办法是在直流励磁回路中再串入一个超导电感线圈，它没有直流电阻，同时可以分去部分高压。但此类方法超导带材用量较多，使得成本增加较多，不适合大规模应用。
此外，本申请人在前专利“带短路环的超导故障限流器”申请中(申请号：200410007498.0)提出了一种带短路环的超导故障限流器，将短路环与超导直流绕组紧耦合、与交流绕组松耦合，分担部分感应电压，防止过电压对直流电源和超导绕组造成的冲击。但该方法中，短路环只能分担感应电压的较小部分，且会影响限流器的限流功能。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足和缺陷而提供的一种带有过电压保护钳制线路的超导绕组，可更有效地保护超导绕组不受过电压冲击，同时亦不影响其励磁功能。
为实现上述目的，本发明采取以下设计方案：
一种带有保护线路的超导绕组，其由超导绕组与一电压钳制线路并联构成，该电压钳制线路至少包括一电压钳制线圈，该电压钳制线圈的匝数小于超导绕组的匝数，且该电压钳制线圈与超导绕组绕制在同一铁心上或同为不含铁心的绕组。
所述的电压钳制线路还可以包括一与电压钳制线圈串联的电阻。
当电压钳制线圈与超导绕组绕制在同一铁心上时，所述的铁心可以是通过卷绕或叠片加工方式制成的口字形或环形、日字形铁心。
所述的电压钳制线圈为常导线圈，所述的超导绕组为采用铌钛或铋系、钇系超导体材料制成的超导绕组，且超导绕组匝数：电压钳制线圈匝数≥20∶1。
本发明在实际应用中，通过设置一个电压钳制线路与超导绕组并联，即可解决高电压冲击问题，同时不影响超导绕组的励磁功能。
本发明的优点是：
1、首先可充分利用超导材料的零电阻特性，超导绕组具有体积小、能耗低、励磁容量大等特点，在应用中可显示一定的性能和经济优势；
2、采用超导绕组与一电压钳制线路并联，能防止过电压对直流电源和超导绕组造成的冲击，同时不影响超导绕组的励磁功能。
附图说明
图1为本发明带有保护电路的超导绕组一实施例结构示意图(带有铁心)
图2为本发明另一实施例结构示意图(带有铁心)
图3为本发明又一实施例结构示意图(带有铁心)
图4为本发明再一实施例结构示意图(带有铁心)
图5为本发明带有保护电路的超导绕组一实施例结构示意图(不含铁心)
图6为本发明另一实施例结构示意图(不含铁心)
图7为本发明又一实施例结构示意图(不含铁心)
图8为本发明再一实施例结构示意图(不含铁心)
图9为由本发明带有过电压保护钳制线路的超导绕组构成的变压器结构示意图
图10为验证本发明工作特性的变比试验电路图
图11为现有技术中单相磁控饱和电抗器的结构示意图
具体实施方式
如图1、图5所示，本发明带有保护线路的超导绕组是由超导绕组11与一电压钳制线路12并联构成，该电压钳制线路至少包括一电压钳制线圈121，该电压钳制线圈的匝数远小于超导绕组的匝数，且该电压钳制线圈与超导绕组绕制在同一铁心上(图1所示)或同为不含铁心的绕组(图5所示)。
无论所述电压钳制线路的电压钳制线圈与超导绕组是绕制在同一铁心上还是同为不含铁心，在实际应用中，根据特定需要，所述的电压钳制线路中电压钳制线圈还可串联一电阻R后再与超导绕组并联，参见图2、图6所示，这样可以产生两个作用：一是可以通过选择这个电阻的阻值来调节交流绕组侧与超导绕组侧电压的变比；二是这个电阻的阻值可以影响在超导绕组侧形成开路以后由电压钳制线圈与超导绕组组成的回路中残余感应电流的大小。所以可以根据不同需要来确定这个电阻的阻值。
当所述电压钳制线路的电压钳制线圈与超导绕组绕制在同一铁心上时，所述的铁心可以是通过卷绕或叠片加工方式制成的口字形或环形、日字形铁心。
参见图3、图4、图7、图8所示。无论所述电压钳制线路的电压钳制线圈与超导绕组是绕制在同一铁心上还是同为不含铁心，也无论是串联还是不串联电阻，所述的电压钳制线路可一端接地。
所述的电压钳制线圈为常导线圈，如铜或铝线圈绕组。
所述的超导绕组可以是任何超导材料制成的超导绕组，如铌钛或铋系、钇系超导体等。
超导绕组匝数：电压钳制线圈匝数≥20∶1。
在使用中应将超导绕组置于其转变温度Tc以下的低温工作环境中，如采用充以制冷剂的杜瓦，该杜瓦是由非导磁不锈钢或耐低温非金属材料制成的一种带有真空腔的低温容器。
通过本发明可提供一种具有过电压保护功能的超导绕组，尤其在由超导绕组用作直流励磁绕组的电气设备中，可以达到钳制超导励磁绕组的感应电压的效果，同时不影响超导绕组的正常励磁功能。由于电压钳制线圈的匝数很少，所以超导绕组与电压钳制线圈构成的并联结构的等效线圈匝数与超导绕组的匝数相比大大地降低了；而在超导绕组通流励磁时，由于其电阻为零，所以直流恒流电源提供的电流仅仅通过超导绕组，从而并联电压钳制线圈不影响超导绕组正常的励磁功能。图9为超导绕组、电压钳制线圈21及交流绕组22组成的变压器原理图。
为验证本发明的可应用性及较佳的使用效果，特做如下实验以进一步说明：
如图10，采用一叠片口字式铁心，交流侧缠绕铜线圈N0共54匝，直流侧缠绕超导线圈N1约150匝，并将其放置于液氮中(超导线圈阻抗可看作纯感抗，通过测量其等效阻抗为3.4Ω)，电压钳制线圈N2(铜线圈)5匝，阻抗为0.02Ω。通过图10所示的测试电路，在一系列交流输入电流下，测量本发明的双线圈31(副边)的端口的开路电压，以及交流绕组(原边)32上的压降，其中交流电压由交流调压器提供，励磁电流由直流电源提供。
当超导绕组和电压钳制线圈并联时，其开路电压与交流压降之比的测量结果为0.337；为防止电流过大，在电压钳制线圈上串联0.43Ω的电阻RL，再与超导线圈并联，则其开路电压与交流压降之比的测量结果为0.172。证明了电压钳制线路在励磁超导绕组过电压保护方面的可行性。
同时，对上述两种情况与超导绕组单独励磁的效果进行对比实验，实验证明通过并联一个电压钳制线路对超导绕组直流励磁效果没有负面的影响。
Claims (9)
1、一种带有保护电路的超导绕组，其特征在于：其由超导绕组与一电压钳制线路并联构成，该电压钳制线路至少包括一电压钳制线圈，且超导绕组的匝数大于电压钳制线圈的匝数。
2、根据权利要求1所述的带有保护电路的超导绕组，其特征在于：所述的电压钳制线路还包括一与电压钳制线圈串联的电阻。
3、根据权利要求1或2所述的带有保护电路的超导绕组，其特征在于：超导绕组和电压钳制线圈的匝数比大于等于20。
4、根据权利要求1或2所述的带有保护电路的超导绕组，其特征在于：所述的电压钳制线路一端接地。
5、根据权利要求1或2所述的带有保护电路的超导绕组，其特征在于：该电压钳制线圈与超导绕组绕制在同一铁心上。
6、根据权利要求5所述的带有保护电路的超导绕组，其特征在于：所述的铁心为卷绕或叠片加工方式制成的口字形、环形或日字形铁心。
7、根据权利要求1或2所述的带有保护电路的超导绕组，其特征在于：该电压钳制线圈与超导绕组同为不含铁心的绕组。
8、根据权利要求1或6所述的带有保护电路的超导绕组，其特征在于：所述的超导绕组为铌钛或铋系、钇系超导体材料制成的超导绕组；所述的电压钳制线圈为铜、铝等制成的常导线圈。
9、根据权利要求1或6所述的带有保护电路的超导绕组，其特征在于：所述的超导绕组置于其所用超导材料的转变温度Tc以下的低温工作环境中。
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