CN102637502B - 一种桶式高温超导无感线圈 - Google Patents

Abstract

一种桶式高温超导无感线圈，其芯桶(1)、串接紫铜片(5)和紫铜引线(7)组成桶式双绕无感线圈骨架。芯桶(1)外环面上有两条并列的螺旋槽(2)，螺旋槽(2)的底面开有冷却孔(4)。两条并列的螺旋槽(2)之间为绝缘间隔(3)。串接紫铜片(5)固定在芯桶(1)的一端，以绝缘间隔(3)为中心对称地跨在两条并列螺旋槽(2)上。一对紫铜引线(7)分别固定在芯桶(1)另一端的两个螺旋槽(2)的端口处。高温超导带(10、11)的一端沿螺旋槽(2)并列地焊接在串接紫铜片(5)上，分别绕在并列的两个螺旋槽(2)内。高温超导带(10、11)的尾端分别焊接在各自对应的紫铜引线(7)上。

Description

一种桶式高温超导无感线圈

技术领域

本发明涉及一种电阻型故障限流器用高温超导无感线圈，特别涉及一种桶式高温超导双绕无感线圈。

背景技术

当前，为了与国民经济快速发展、电网规模不断增大和互联程度不断提高相适应，我国电网正向超大规模方向发展。然而，我国电网的稳定性问题却变得日益严重，电网的安全性和可靠性正在承受巨大的压力，短路故障是危及电力系统安全、导致巨大经济损失的严重故障之一。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，限流器呈现无阻抗状态，对电网没有任何影响，在故障发生时，高温超导体失超而呈现高电阻状态进行限流，可以有效的解决上述问题，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而成限流线圈（IEEE Transactions on Applied Superconductivity，vol.19,no.3,2009,pp1950;EEETransactions on Applied Superconductivity，vol.20,no.3,2010,pp1308；IEEE Transactions onApplied Superconductivity，vol.21,no.3,2011,pp1206）。

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电压降，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。但是匝间间隔层的制作工艺繁琐，加工费用高。并且随着限流器额定电压、电流的提高，无感饼式线圈的体积随之大幅增大，故障发生时对应的电磁作用更为突出，因为间隔层的形状不规则，对脆性、易碎陶瓷涂层材料的第二代高温超导带的不良影响不可避免，导致高温超导带的性能退化甚至烧坏。

桶式无感线圈有小型模型出现(IEEE Transactions on Applied Superconductivity，vol.16,no.2,2006,pp703)，方法是在同一个螺旋形槽内并列绕两根高温超导带，两根超导带中间夹一层绝缘膜进行绝缘。这种技术有两个很大的缺陷：一是两根并列高温超导带的绝缘水平低，在大线圈、高电压情况下，绝缘能力无法保障；二是两根高温超导带叠在一起并绕，影响散热效果，尤其是底层的高温超导被外层的绝缘膜和顶层超导带裹住，在故障限流时瞬间的大量焦耳热无法迅速散出，极易烧坏。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中饼式无感线圈的制作工艺繁琐、加工费用高以及高温超导带易损坏的问题，克服现有桶式无感线圈技术中的电绝缘水平和故障限流时瞬间散热效果差的缺陷，提出一种桶式高温超导双绕无感线圈。本发明在液氮浸泡的运行条件下，散热效果好，高电压绝缘能力强，在线圈的绕制、冷热循环以及过电流运行中不易损坏高温超导带，可以在高电压、大容量电阻型高温超导限流器中。

本发明主要包括芯桶、串接紫铜片、紫铜引线、高温超导带等部件。

芯桶、串接紫铜片和引线组成桶式双绕无感线圈骨架。芯桶采用玻璃钢或G10材质。芯桶外环面上预制有两条并列布置的螺旋槽，螺旋槽的匝数视需要而定，一般在10匝左右。螺旋槽的宽度w比高温超导带的宽度宽1mm，螺旋槽的深度h在2～4mm之间；为了增加换热效果，在螺旋槽内开有冷却孔，冷却孔直径为螺旋槽宽度w的2/3，冷却孔孔距为3～5cm。两条并列的螺旋槽之间为绝缘间隔，绝缘间隔的宽度为t，绝缘间隔的绝缘强度与单根高温超导带的长度L及氮气的击穿强度密切相关，绝缘间隔的宽度t满足如下关系式：

t＝3+5.6·L×10^－3    （1）

其中t为两条并列的螺旋槽之间的绝缘间隔宽度，单位为mm；L为单根高温超导带的长度，单位为mm。

串接紫铜片的厚度在1.5～2mm之间，长度在5～7cm之间，宽度为2w+t，w为螺旋槽宽度，t为绝缘间隔宽度；串接紫铜片用沉头螺栓固定在芯桶的一端，使串接紫铜片以绝缘间隔为中心对称跨在两条并列的螺旋槽上，并使串接紫铜片的外弧面与螺旋槽底在同一弧面上。一对“L”型的紫铜引线，每个引线的厚度与串接紫铜片厚度的相同，“L”型引线的宽度为w+t，w为螺旋槽宽度，t为绝缘间隔宽度；每个紫铜引线用沉头螺栓分别固定在芯桶的另一端两个螺旋槽的端口处，并使紫铜引线的外弧面与螺旋槽底在同一弧面上。

两根高温超导带的一端沿螺旋槽方向并列地焊接在串接紫铜片上，接头的焊接长度在4～7cm之间。两根高温超导带分别绕在并列的两个螺旋槽内，两根高温超导带的尾端分别焊接在各自对应的紫铜引线上，接头的焊接长度在4～7cm之间。这样，线圈的电流在两根并列的高温超导带中，始终大小相等、方向相反，线圈整体电感为零。

本发明在芯桶的外环面上可以有并列布置的n组螺旋槽，按上述方法在芯桶的一端固定n个紫铜连接片，芯桶的另一端则固定2n个引线。这样2n根高温超导带组成的n组双绕无感线圈中，每相邻的两根中的电流始终反向，线圈整体呈零电感，n为不小于1的整数。

本发明还可以根据需要把多个直径不同的桶式无感线圈同轴内、外嵌套，通过无感线圈间的串并联组成所需要的容量。

本发明可以通过并列螺旋槽间的绝缘间隔宽度t，可以改变无感线圈的耐高电压等级；高温超导带外侧全部浸泡在液氮中，内侧有冷却孔与液氮接触，冷却与散热效果好；高温超导带在螺旋槽内，与芯桶桶面为环面接触，可以承受线圈绕制中的预应力、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。

附图说明

图1桶式双绕无感线圈骨架示意图，图1a为双绕无感线圈骨架，图1b为双绕无感线圈骨架局部剖视图，图中：1芯桶，2螺旋槽，3绝缘间隔，4冷却孔，5串接紫铜片，6沉头螺栓，7紫铜引线，8沉头螺栓，9引线连接孔，w螺旋槽2的宽度，h螺旋槽2的深度，t绝缘间隔3的宽度；

图2桶式双绕无感线圈示意图，图2a为双绕无感线圈，图2b为双绕无感线圈局部剖视图，图中：10与11高温超导带，12串接接头，13引线接头，i线圈电流；

图3桶式两组双绕无感线圈骨架示意图；

图4桶式两组双绕无感线圈示意图，图4a为两组双绕无感线圈，图4b为两组双绕无感线圈局部剖视图，图中：14、15、16和17为高温超导带，i₁为高温超导带14、15组成的双绕无感线圈电流，i₂为高温超导带16、17组成的双绕无感线圈电流；

图5多个桶式无感线圈同轴嵌套示意图，图中：18外无感线圈，19内无感线圈。

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I_C可以达到210A/cm。本发明采用的所有高温超导带10、11、14、15、16、17选用相同的外形尺寸，例如厚0.2mm、宽12mm。

本发明主要包括芯桶1、串接紫铜片5、紫铜引线7、高温超导带10与11等部件。

如图1所示，芯桶1、串接紫铜片5和紫铜引线7组成桶式双绕无感线圈骨架。芯桶1采用玻璃钢或G10材质。芯桶1的外桶面上有两条并列布置的螺旋槽2，螺旋槽2的匝数视需要而定，一般在10匝左右。螺旋槽2的宽度w比高温超导带10或11的宽度宽1mm，本发明采用的多根外形尺寸、临界电流以及基带相同的高温超导带。螺旋槽2的深度h在2～4mm之间；为了增加换热效果，在螺旋槽2的底面开有直径为2w/3的冷却孔4，w为螺旋槽宽度，冷却孔4之间的孔距为3～5cm。两条并列的螺旋槽2之间为绝缘间隔3，绝缘间隔3的宽度为t，其绝缘强度与单根高温超导带10或11的长度L及氮气的击穿强度密切相关，间隔层3宽度t满足所述的关系式（1）。

串接紫铜片5的厚度在1.5～2mm之间，长度在5～7cm之间，宽度为2w+t，w为螺旋槽宽度，t为绝缘间隔宽度；串接紫铜片5用两个沉头螺栓8固定在芯桶1的一端，串接紫铜片5以绝缘间隔3为中心对称地跨在两条并列螺旋槽2上，串接紫铜片5的外弧面与螺旋槽2的底面在同一弧面上。紫铜引线7为“L”形，每个紫铜引线的厚度与串接紫铜片5厚度的相同，紫铜引线7的宽度为w+t，w为螺旋槽宽度，t为绝缘间隔宽度；一对紫铜引线7用三个沉头螺栓6分别固定在芯桶1另一端的两个螺旋槽2的端口处，紫铜引线7的外弧面与螺旋槽2的底面在同一弧面上。

如图2所示，高温超导带10和11的一端沿螺旋槽2方向并列地焊接在串接紫铜片5上，串接接头12的焊接长度在4～7cm之间。高温超导带10与11分别绕在并列的两个螺旋槽2内，高温超导带10与11的尾端分别焊接在各自对应的紫铜引线7上，引线接头13的焊接长度在4～7cm之间。这样，线圈电流i在高温超导带10和11中始终大小相等、方向相反，线圈整体电感为零。

本发明还可以在芯桶1的外桶面上有并列布置的n组螺旋槽2。按上述方式在芯桶1的一端固定n个紫铜连接片5，在芯桶1的另一端则固定2n个紫铜引线7。这样2n根高温超导带10组成了n组双绕无感线圈，n为不小于1的整数，每两根相邻的高温超导带中的线圈电流i始终反向，线圈整体呈零电感。

n等于2时为桶式两组双绕无感线圈，线圈骨架如图3所示。两组双绕无感线圈如图4所示，高温超导带14和15通过紫铜连接片5传接成一组双绕无感线圈，高温超导带14和15中的电流i₁始终方向相反；高温超导带16和17通过紫铜连接片5组成另一组双绕无感线圈，高温超导带16和17中的电流i₂始终方向相反。

本发明还可以根据需要把m个直径不同的桶式无感线圈同轴内、外嵌套组成组合线圈。组合线圈中，无感线圈间串联或并联。如图5所示，直径最大的双绕外无感线圈18在组合线圈的最外侧，直径最小的第m个双绕内无感线圈19在组合线圈的最内侧，m为不小于1的整数。直径最小的无感线圈19的芯桶外直径不小于高温超导带的最小弯曲直径，最小弯曲直径一般在5～10cm之间。组合线圈中的每一个无感线圈还可以是如图4所示的多组双绕无感线圈。

Claims (1)

1.一种桶式高温超导无感线圈，所述的无感线圈包括芯桶（1）、串接紫铜片（5）、紫铜引线（7）和高温超导带（10、11）；所述的芯桶（1）、串接紫铜片（5）和紫铜引线（7）组成桶式双绕无感线圈骨架；芯桶（1）的外环面上有两条并列布置的螺旋槽（2），螺旋槽（2）的底面开有冷却孔（4）；两条并列的螺旋槽（2）之间为绝缘间隔（3）；串接紫铜片（5）固定在芯桶（1）的一端，串接紫铜片（5）以绝缘间隔（3）为中心对称地跨在两条并列螺旋槽（2）上，串接紫铜片（5）的外弧面与螺旋槽（2）的底面在同一弧面上；一对“L”形的紫铜引线（7）分别固定在芯桶（1）另一端的两个螺旋槽（2）的端口处，紫铜引线（7）的外弧面与螺旋槽（2）的底面在同一弧面上；高温超导带（10、11）的一端沿螺旋槽（2）并列地焊接在串接紫铜片（5）上，高温超导带（10、11）分别绕在并列的两个螺旋槽（2）内，高温超导带（10、11）的另一端分别焊接在各自对应的紫铜引线（7）上，其特征在于，所述的绝缘间隔（3）的宽度为t，绝缘间隔的绝缘强度与单根高温超导带的长度L及氮气的击穿强度密切相关，绝缘间隔宽度t满足如下关系式：

t＝3+5.6·L×10^－3

式中：t为两条并列的螺旋槽之间的绝缘间隔宽度，单位为mm；L为单根高温超导带的长度，单位为mm。

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