CN102789883A - 一种应用于高压直流输电的超导平波限流电抗器 - Google Patents

Abstract

一种应用于高压直流输电的超导平波限流电抗器，由超导线圈（1）、线圈骨架（2）、线圈上支撑板（3）、线圈下支撑板（4）、线圈紧固螺杆（5）组成的超导磁体安装在低温杜瓦筒（7）和低温杜瓦上盖板（8）组成的低温杜瓦内部，由液氮直接蒸发冷却或液氮加制冷机冷却。超导磁体通过拉杆（6）与低温杜瓦上盖板（2）安装在一起。超导磁体通过电流引线（9）与过渡线（10）连接到直流电网；电流引线（9）外为套管保温层（11）、套管低温绝缘层（12）和套管常温绝缘层（13），保证良好的绝缘并减少漏热。本发明在直流电网正常工作时无损耗，仅起到平波的作用，当直流电网发生短路故障时，电抗器的电阻迅速增大，将短路电流抑制到一定水平。

Description

一种应用于高压直流输电的超导平波限流电抗器

技术领域

本发明涉及一种应用于高压直流输电领域的电抗器。

背景技术

高压直流输电与交流输电相比有不可替代的优点：线路费用省、功率调节简单、两端系统无需稳定同步运行及电晕干扰小等。直流输电现已广泛应用于远距离大功率输电、电缆输电等方面。近些年来，柔性直流输电的出现,更使直流输电延伸到近距离小容量的输电场合。虽然直流输电技术发展已经比较成熟,但是相对于交流输电系统灵活、多样的联结方式,目前世界上已运行的直流系统绝大多数仍采用两端系统,其主要原因就是缺乏实用的高压直流断路器。随着直流输电技术的进一步发展,多端系统必然成为新的发展方向。而作为系统中起着控制和保护双重作用的开关电器,直流断路器起到非常重要的作用。另一方面,对于近年来兴起的柔性直流输电系统,虽然有电力电子技术可直接控制和保护系统,但作为最后的保护单元,直流断路器也是必不可少的。目前直流断路器的研制难点有三个方面：（1）直流电流不像交流电流那样有过零点，所以灭弧甚为困难；（2）直流回路的电感很大，所采用的平波电抗器一般为数百mH左右，而交流回路的电感仅为几十mH，加上开断时的直流电流大，所以需由直流断路器吸收的能量很大；（3）过电压高。采取能耗限流、强制过零、磁吹灭弧等措施尽管可以一定程度上提高直流断路器的开断能力，但仍然比交流断路器低很多。为了保护直流电网运行的安全性，迫切需要在直流电网中引入限流设备。

另一方面，对于高压直流输电，其主要变电设备除了换流变压器、变流器之外，平波电抗器也是关键设备。直流平波电抗器的主要作用为：（1）防止轻载时直流电流断续。轻载时，直流电流小，脉动的直流电流容易在低值时刻突然中断。快速变化的电流将使大电感设备，如换流变压器和平波电抗器感应产生危险的过电压而受损，也容易使换流阀阻尼电路过载而损坏。（2）抑制直流故障电流的快速增加，减小逆变器继发换相失败的几率。（3）减小直流电流纹波，与直流滤波器一起共同构成换流站直流谐波滤波电路。（4）防止直流线路或直流开关站产生的陡波冲击波进入阀厅，从而使换流阀免遭过电压应力过大而损坏。为了起到上述作用，平波电抗器的电感量一般趋于选大些，但也不能太大。因为电感量太大，运行时容易产生过电压，使直流输电系统自动调节特性的反应速度下降，而且也会增加平波电抗器的投资。因此，平波电抗器的电感量在满足主要性能要求的前提下应尽量小些，通常为0.27-1.5H（针对直流架空线路）或12-200mH（针对直流电缆线路）。

常规平波电抗器通常为环氧玻璃钢包封的干式结构，采用常规铜导线或铝导线绕制，正常运行通流数千安培时电阻损耗很大，且不具备限流的功能。常规超导限流器主要应用于交流场合，采用无感线圈方式绕制，散热方式良好，但应用于直流场合并无平波能力。将平波和限流功能集于一体的超导平波限流电抗器，目前尚无相关报道。日本Seikei大学在1991年提出直流超导限流器样机（T.Ishigohka,N.Sasaki.Fundamental test of new dc superconductingfault current limiter[J].IEEE Trans on Magnetics，1991，27（2）：2341-2344.），运用两个紧耦合超导线圈以反并联方式绕制，正常运行时两超导线圈产生的磁通互相抵消，无电阻和电抗，在发生短路故障时，两个超导线圈产生磁通不平衡，从而产生大的电抗抑制短路电流。日本Seikei大学发明的超导直流限流器仅具有限流的功能，而不具有平波功能，且超导磁体采用NbTi低温超导线绕制，需运行在液氦介质中，难以应用于高电压场合。中国发明专利200410013346.1提出的直流超导故障限流器，也采用两个紧耦合超导线圈以反并联方式绕制，与日本Seikei大学方案不同，其中一个超导线圈采用直流电源做偏置，同样不具备平波能力。上述两组直流超导限流器应用短路时磁通不平衡产生大电感限流，且不具备平波能力。

应用于储能、磁共振等领域的超导线圈的结构与超导平波限流电抗器类似，但其主要应用于低压、小电流领域，电感值比平波电抗器的电感更大，为几个至几十个H，但电压和电流一般较小，电压为几千伏或几百伏量级、电流为几百安培量级，冷却介质通常为液氦。应用于上述领域的超导线圈设计时不需考虑限流功能，因此通常采用NbTi、Nb3Sn低温超导带或Bi2223高温超导带绕制，无需采用基带电阻率较高的YBCO带材绕制，线圈采用密绕结构，无需留有散热通道。

发明内容

本发明的目的是克服现有高压直流输电领域直流断路器难以开断短路电流、普通平波电抗器能耗高等缺点，提出了一种同时具备平波功能和限流功能的超导平波限流电抗器。

本发明技术方案如下：

本发明超导平波限流电抗器基于超导带材失超原理，由超导线圈、线圈骨架、线圈上支撑板、线圈下支撑板、线圈紧固螺杆、拉杆、低温杜瓦筒、低温杜瓦上盖板、电流引线、过渡线、套管保温层、套管绝缘层构成。所述的超导线圈、线圈骨架、线圈上支撑板、线圈下支撑板、线圈紧固螺杆组成超导磁体。所述的超导线圈绕制在线圈骨架外部，线圈上支撑板和线圈下支撑板分别位于超导线圈的上部和下部，通过线圈紧固螺杆将超导线圈压紧。低温杜瓦筒和低温杜瓦上盖板组成低温杜瓦。所述的超导磁体安装在低温杜瓦的内部空间中，由液氮直接蒸发冷却或液氮加制冷机冷却。超导磁体通过拉杆与低温杜瓦上盖板安装在一起。所述的电流引线的上端连接到直流电网，电流引线的下端位于低温杜瓦内部，由过渡线连接到所述的超导线圈。所述的电流引线的外部依次为套管保温层、套管低温绝缘层和套管常温绝缘层，以保证良好的绝缘并减少漏热。超导线圈可绕制成多层圆筒串并联或多饼串并联结构。多层圆筒式结构的超导线圈中，每层或每隔几层放置有绝缘垫条或瓦楞板，以保证良好散热。饼式结构的超导线圈中，单饼线圈内部每匝或每隔几匝放置绝缘垫条或瓦楞板，单饼线圈之间安装带孔隙的绝缘隔板，以保证良好散热。

超导线圈采用基带电阻率较高的YBCO高温超导线带材绕制。目前YBCO高温超导带材已实现了较大规模的产业化，其单根长度已达数百米，临界电流密度Jc已超过150A/mm²（77K，自场）。由于超导线圈产生的磁场很强，与超导带材表面垂直的磁场会使超导带材临界电流产生退降，设计线圈时，根据绕组横向漏磁场的不同，电流密度可取在50-100A/mm²之内。

低温杜瓦筒和低温杜瓦上盖板可采用无磁不锈钢或玻璃钢材料制作，为了降低低温杜瓦的漏热损耗，低温杜瓦筒采用真空夹层保温；另外，为了保证超导平波限流电抗器运行的安全性，低温杜瓦上盖板还需安装压力释放阀、爆破阀、压力表、液位计等设备和仪表。

线圈骨架、线圈上支撑板、线圈下支撑板采用在低温下绝缘性能优良的高强度玻璃钢材料制作。

电流引线、过渡线采用紫铜或无氧铜材料制作。电流引线的套管保温层采用真空保温管或环氧玻璃钢材料制作；由于套管绝缘层在很宽的温区下（65K-300K）工作，因此在套管绝缘层设计时采用了多温区设计方法，套管低温绝缘层采用环氧玻璃钢材料制作，套管常温绝缘层采用硅橡胶材料或电工陶瓷材料制作。

所述的的超导磁体除了可以设计为空芯结构之外，还可以设计为带间隙的铁芯结构。带间隙的铁芯可为低温铁芯或常温铁芯，低温铁芯安装在低温杜瓦筒和低温杜瓦上盖板所围绕空间的内部，常温铁芯安装在低温杜瓦筒和低温杜瓦上盖板所围绕空间外部。如果采用低温铁芯，本发明超导平波限流电抗器的结构更为紧凑，但是低温杜瓦筒需要承受铁芯的重量，对低温杜瓦筒的强度要求更高；如果采用常温铁芯，所述的超导平波限流电抗器的体积和重量会偏大一些，并且低温杜瓦筒和低温杜瓦上盖板都需设计为中空结构。

本发明超导平波电抗器正常运行时的电流为叠加了高次谐波的直流电流。谐波电流的大小与直流电力系统本身和所述超导平波电抗器的电感取值有关。所述的超导平波电抗器的磁场由直流磁场和谐波磁场两部分组成，其主要成分是直流磁场。直流磁场会引起铁磁材料饱和，因此所述超导平波电抗器需要采用空心结构或带间隙的铁芯结构。所述超导平波电抗器的绝缘设计与单纯交流或直流设备不同，需要考虑交、直电压作用和极性反转时的电场分布。所述超导平波电抗器的绕组结构一般采用多层圆筒串并联结构或多个双饼串并联结构，每一层或饼都存在自感和互感。各并联支路的直流电流按各支路电阻分配，而谐波电流主要按照各支路电感分配。为了使得平波电抗器各层电流分配比较均匀，就需要事先计算出各线圈的自感和互感参数，然后通过合理换位使得各并联支路电流分配均匀。

本发明超导平波限流电抗器的电感值、运行电压和电流与应用于储能、磁共振等领域的超导线圈有很大差异，并且线圈绕制采用的材料和结构也与上述线圈不同。

本发明具有以下优点：

1.本发明超导平波限流电抗器在直流情况下绕组无电阻损耗和交流损耗，仅仅存在电流引线和低温杜瓦的漏热，能耗很低；

2.本发明超导平波限流电抗器的超导线圈应用基带电阻率较高的YBCO高温超导带材绕制在直流电网出现短路故障时，超导带材失超变为有阻态，可有效限制电流，提高了短路电流的开断能力；

3.本发明超导平波限流电抗器充分利用了超导带材在直流情况下无损耗，在大电流情况下电阻增加的特性，相对常规平波电抗器体积小、重量轻、安全、应用液氮作为绝缘介质，无火灾隐患，可以应用于不同电压和容量的两端及多端直流输电场合。

附图说明

图1为应用于高压直流输电的超导平波限流电抗器电路原理图；

图2为实施例1空芯结构超导平波限流电抗器示意图；

图3为多层圆筒式串联结构超导线圈示意图；

图4为多层圆筒式并联结构超导线圈示意图；

图5为饼式结构超导线圈示意图；

图6为实施例2带间隙的低温铁芯结构超导平波限流电抗器示意图；

图7为实施例3带间隙的常温铁芯结构超导平波限流电抗器示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。

图1为本发明应用于高压直流输电的超导平波限流电抗器电路原理图。如图1所示，高压直流输电换流站中包括换流变压器、变流器、超导平波限流电抗器等主要设备。超导平波限流电抗器串联在直流线路中，在直流电力系统正常工作时损耗非常小，所述的超导平波限流电抗器仅起到平波的作用，在电网发生短路故障时，电抗器的电阻突然增大，从而将短路电流抑制到一定的水平。

下面通过实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1为采用空芯结构的超导平波限流电抗器。如图2所示，超导平波限流电抗器由超导线圈1、线圈骨架2、线圈上支撑板3、线圈下支撑板4、线圈紧固螺杆5、拉杆6、低温杜瓦筒7、低温杜瓦盖板8、电流引线9、过渡线10、套管保温层11、套管低温绝缘层12和套管常温绝缘层13构成。超导线圈1、线圈骨架2、线圈上支撑板3、线圈下支撑板4、线圈紧固螺杆5组成超导磁体。超导线圈1绕制在线圈骨架2外部，线圈上支撑板3和线圈下支撑板4分别位于超导线圈1的上部和下部，通过线圈紧固螺杆5将超导线圈1压紧。由低温杜瓦筒7和低温杜瓦上盖板8组成低温杜瓦。所述的超导磁体安装在低温杜瓦的内部，由液氮直接蒸发冷却或液氮加制冷机冷却。超导磁体通过拉杆6与低温杜瓦上盖板2安装在一起。所述的电流引线9的上端连接到直流电网，电流引线9的下端位于低温杜瓦内部，由过渡线10连接到超导线圈1。超导磁体通过电流引线9与过渡线10连接到直流电网。电流引线9的外部依次为套管保温层11、套管低温绝缘层12和套管常温绝缘层13，以保证良好的绝缘并减少漏热。

超导线圈1可绕制成多层圆筒串并联或多个双饼串并联结构。与常规超导线圈仅需考虑绝缘不同的是，超导限流平波电抗器需要有限流的功能，因此需要采用足够好的散热措施。所采取措施如下：如图3和图4所示，多层圆筒串并联结构线圈中，每层或每隔几层放置有绝缘垫条或瓦楞板，以保证良好散热。如图5所示，饼式结构线圈中，单饼线圈内部每匝或每隔几匝放置绝缘垫条或瓦楞板，单饼线圈之间安装带孔隙的绝缘隔板，以保证良好散热。

超导线圈1采用基带电阻率较高的YBCO高温超导带材绕制。低温杜瓦筒7和低温杜瓦上盖板8采用无磁不锈钢或玻璃钢材料制作。线圈骨架2、线圈上支撑板3、线圈下支撑板4采用玻璃钢材料制作。电流引线9、过渡线10采用紫铜或无氧铜材料制作。所述的套管保温层11采用真空保温管或环氧材料制作。套管低温绝缘层12采用环氧玻璃钢材料制作。套管常温绝缘层13采用硅橡胶材料或电工陶瓷材料制作。

实施例2应用于高压直流输电的超导平波限流电抗器采用带间隙的铁芯电抗器结构。如图6所示，超导平波限流电抗器由超导线圈1、线圈骨架2、线圈上支撑板3、线圈下支撑板4、线圈紧固螺杆5、低温杜瓦筒7、低温杜瓦上盖板8、电流引线9、过渡线10、套管保温层11、套管低温绝缘层12、套管常温绝缘层13、铁芯14、间隙15、线圈上垫块16、线圈下垫块17和铁芯下垫块18构成。超导线圈1、线圈骨架2、线圈上支撑板3、线圈下支撑板4、线圈紧固螺杆5组成超导磁体。超导线圈1绕制在线圈骨架2外部，线圈上支撑板3和线圈下支撑板4分别位于超导线圈1的上部和下部，通过线圈紧固螺杆5将超导线圈1压紧。由低温杜瓦筒7和低温杜瓦上盖板8组成低温杜瓦，铁芯14放置在低温杜瓦内部，所述的超导磁体安装在低温杜瓦的内部，由液氮直接蒸发冷却或液氮加制冷机冷却。超导线圈1位于线圈上垫块16和线圈下垫块17之间，并通过线圈上垫块16和线圈下垫块17固定在铁芯14的窗口中。铁芯14为三柱结构，为防止铁芯饱和，中心柱中留有多个间隙15。铁芯下垫块18位于铁芯下方，超导磁体通过铁芯下垫块18安装在低温杜瓦筒7的下底部。与实施例1相同，电流引线9上端连接到直流电网，电流引线9下端位于低温杜瓦内部，由过渡线10连接到超导线圈1；电流引线9外部依次为套管保温层11、套管低温绝缘层12和套管常温绝缘层13，以保证良好的绝缘并减少漏热。

实施例2和实施例1的区别在于：超导平波限流电抗器的超导磁体采用带间隙的铁芯电抗器结构，由于超导平波限流电抗器为直流磁体，因此，本实施例中将铁芯14放到低温杜瓦内部。铁芯可采用高性能硅钢片制作，在直流场合下应用高次谐波损耗很小，安装在低温杜瓦内部不会带来很大的制冷负担。另外，铁芯中心柱采用多个间隙15可以避免平波限流电抗器在突发短路时由于铁芯饱和而带来的不利影响。

实施例3为应用于高压直流输电的超导平波限流电抗器采用的另一种带间隙的铁芯电抗器结构。如图7所示，超导平波限流电抗器由超导线圈1、线圈骨架2、线圈上支撑板3、线圈下支撑板4、线圈紧固螺杆5、低温杜瓦筒7、低温杜瓦上盖板8、电流引线9、过渡线10、套管保温层11、套管低温绝缘层12、套管常温绝缘层13、铁芯14、间隙15和铁芯下垫块18构成。由超导线圈1、线圈骨架2、线圈上支撑板3、线圈下支撑板4、线圈紧固螺杆5组成超导磁体。

与实施例1相同，超导线圈1绕制在线圈骨架2外部，线圈上支撑板3和线圈下支撑板4分别位于超导线圈1的上部和下部，通过线圈紧固螺杆5将超导线圈1压紧。由低温杜瓦筒7和低温杜瓦上盖板8组成低温杜瓦，所述的超导磁体安装在低温杜瓦内部，由液氮直接蒸发冷却或液氮加制冷机冷却。超导磁体通过拉杆6与低温杜瓦上盖板2安装在一起。

实施例3和实施例2的区别在于，超导平波限流电抗器的铁芯14处于常温环境中，高次谐波引起的铁芯损耗能量可以直接释放到环境中。低温杜瓦筒7和低温杜瓦盖板8制作成中空结构，铁芯14和间隙15从低温杜瓦中心孔穿过。低温杜瓦通过铁芯下垫块18安装在铁芯14的底部铁轭上。

Claims (6)

1.一种应用于高压直流输电的超导平波限流电抗器，其特征在于：所述的超导平波限流电抗器由超导线圈（1）、线圈骨架（2）、线圈上支撑板（3）、线圈下支撑板（4）、线圈紧固螺杆（5）、拉杆（6）、低温杜瓦筒（7）、低温杜瓦上盖板（8）、电流引线（9）、过渡线（10）、套管保温层（11）、套管低温绝缘层（12）和套管常温绝缘层（13）构成；所述的超导线圈（1）、线圈骨架（2）、线圈上支撑板（3）、线圈下支撑板（4）和线圈紧固螺杆（5）组成超导磁体；所述的超导线圈（1）绕制在线圈骨架（2）的外部，所述的线圈上支撑板（3）和线圈下支撑板（4）分别位于超导线圈（1）的上部和下部，通过线圈紧固螺杆（5）将超导线圈（1）压紧；所述的低温杜瓦筒（7）和低温杜瓦上盖板（8）组成低温杜瓦，所述的超导磁体为空芯结构，安装在低温杜瓦的内部，由液氮直接蒸发冷却或液氮加制冷机冷却；超导磁体通过拉杆（6）与低温杜瓦上盖板（2）安装在一起；所述的电流引线（9）的上端连接到直流电网，电流引线（9）下端位于低温杜瓦内部，由过渡线（10）连接到超导线圈（1）；电流引线（9）的外部依次为套管保温层（11）、套管低温绝缘层（12）和套管常温绝缘层（13）。

2.如权利要求1所述的超导平波限流电抗器，其特征在于：所述的超导线圈（1）绕制成多层圆筒串并联结构或多个双饼串并联结构；所述多层圆筒串并联结构的线圈每层或每隔几层放置绝缘垫条或瓦楞板；所述多个双饼串并联结构的单饼线圈内部每匝或每隔几匝放置绝缘垫条或瓦楞板，单饼线圈之间安装带孔隙的绝缘隔板。

3.如权利要求1所述的超导平波限流电抗器，其特征在于：所述的超导线圈（1）采用YBCO高温超导带材绕制；所述的低温杜瓦筒（7）和低温杜瓦上盖板（8）采用无磁不锈钢或玻璃钢材料制作；所述的线圈骨架（2）、线圈上支撑板（3）、线圈下支撑板（4）采用玻璃钢材料制作。

4.如权利要求1所述的超导平波限流电抗器，其特征在于：所述的电流引线（9）和过渡线（10）采用紫铜或无氧铜材料制作；所述的套管保温层（11）采用真空保温管或环氧玻璃钢材料制作；套管低温绝缘层（12）采用环氧玻璃钢材料制作；套管常温绝缘层（13）采用硅橡胶材料或电工陶瓷材料制作。

5.如权利要求1所述的超导平波限流电抗器，其特征在于：所述的超导平波限流电抗器采用带间隙的铁芯结构；所述的超导磁体位于线圈上垫块（16）和线圈下垫块（17）之间，并通过线圈上垫块（16）和线圈下垫块（17）固定在铁芯（14）的窗口中；铁芯（14）为三柱结构，其中心柱中有多个间隙（15），铁芯（14）置于低温杜瓦（7）内部；铁芯下垫块（18）位于铁芯（14）下方，超导磁体通过铁芯下垫块（18）安装在所述低温杜瓦筒（7）的下底部。

6.如权利要求6所述的超导平波限流电抗器，其特征在于：所述的采用带间隙铁芯结构的超导平波限流电抗器中，所述的铁芯（14）处于常温环境中；所述的低温杜瓦筒（7）和低温杜瓦盖板（8）采用中空结构；所述的铁芯（14）和所述的间隙（15）从低温杜瓦中心孔穿过；低温杜瓦通过铁芯下垫块（18）安装在铁芯（14）的底部铁轭上。

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