CN103035353B

CN103035353B - 一种应用Bi系和Y系高温超导带材绕制的组合绕组

Info

Publication number: CN103035353B
Application number: CN201210549991.XA
Authority: CN
Inventors: 邱清泉; 戴少涛; 张志丰; 张京业; 肖立业
Original assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Priority date: 2012-12-17
Filing date: 2012-12-17
Publication date: 2015-03-25
Anticipated expiration: 2032-12-17
Also published as: CN103035353A

Abstract

一种应用Bi系和Y系高温超导带材绕制的组合绕组，由Bi系超导线圈（1）、Y系超导线圈（2）、超导线圈骨架（3）、超导线圈轴向间隔层（4）、线圈上支撑板（5）、线圈下支撑板（6）、线圈紧固螺杆（7）组成。Bi系超导线圈（1）位于组合绕组中部，Y系超导线圈（2）位于组合绕组端部；组合绕组安装在低温杜瓦筒（8）和低温杜瓦上盖板（9）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迫流循环冷却。组合绕组通过拉杆（10）与低温杜瓦上盖板（9）安装在一起。本发明利用Bi系高温超导带材自场临界电流高和Y系高温超导带材在外场下临界电流退降小等特点，可用于制作交流绕组和直流绕组。

Description

一种应用Bi系和Y系高温超导带材绕制的组合绕组

技术领域

本发明涉及一种应用Bi系和Y系两种不同类型超导带材绕制的超导磁体。

背景技术

应用于电力系统中高温超导变压器、电抗器和储能磁体中的高温超导磁体需要具备承受高电压和大电流的能力。对于需承受大电流的高温超导磁体而言，由于难以采用多带并联的换位导线制作螺旋式绕组，通常需采用多个双饼绕组或者圆筒式绕组组成的并联结构。应用于交流场合，采用多个绕组并联的方式，由于各个绕组所处磁场的位置不同，各绕组之间的自感和互感存在差异，从而导致各绕组的电流分配也存在差异；同时，对于超导绕组，在绕组中部的磁场轴向分量很大，而在绕组端部磁场的径向分量很大。为了解决多个绕组电流分配不均匀的问题，采用绕组间换位是一种方式，但是绕组间的换位常常不是完全换位，环流仍然不可避免存在。另外，绕组间换位通常需要采用普通导线，不仅增加了损耗，而且为高压绝缘的处理带来很多困难。

考虑到当前的高温超导带材有很多种类和规格，特别是Y系超导带材，由于采用镀膜方式制作，理论上带材的宽度可以制作为任意规格。利用不同规格的Bi系和Y系高温超导带材绕制双饼绕组和圆筒式绕组，可以解决多个并联绕组电流分布不均的问题。

采用不同种类超导带材绕制超导绕组在强磁场低温超导磁体领域有所应用。中国发明专利200910080590.2提出了一种内插YBCO高温超导线圈的低温超导磁体系统。为了提高NbTi和Nb3Sn组合形成的低温超导线圈的中心磁场，该专利将YBCO高温超导线圈插入由NbTi和Nb3Sn组成的外围超导线圈的内孔中。内插YBCO型高温超导线圈和外围低温超导线圈均放置在充有液氦的低温容器中。该超导磁体应用NbTi、Nb3Sn低温超导线材和YBCO高温超导带材绕制组合绕组，Y系超导线圈位于低温超导线圈内部，运行于液氦环境下，应用于强磁场领域。该专利发明的组合磁体系统具有较多的匝数和较大的电感，但运行电压和电流都相对较小，因此无法应用于超导电力领域。

发明内容

本发明的目的是克服现有高温超导绕组采用单一Bi系或Y系超导带材绕制，由于各线圈的自感和互感不同，且绕组端部和中部磁场不同，而使超导带材的载流能力未能被充分利用等缺点，提出了一种同时采用不同规格Bi系和Y系超导带材绕制高温超导绕组的方案。本发明将利用不同规格的Bi系和Y系高温超导带材绕制双饼结构绕组和圆筒式绕组，从而解决多个串并联绕组电流分配不均的问题。

本发明技术方案如下：

本发明应用不同类型超导带材绕制的组合绕组由Bi系超导线圈、Y系超导线圈、超导线圈骨架、超导线圈轴向间隔层、线圈上支撑板、线圈下支撑板，以及线圈紧固螺杆组成。Bi系超导线圈位于组合绕组中部，Y系超导线圈位于组合绕组端部；各Bi系超导线圈和Y系超导线圈轴向采用超导线圈轴向之间由线圈轴向间隔层分隔，以散热和绝缘。组合绕组安装在低温杜瓦筒和低温杜瓦上盖板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迫流循环冷却。超导绕组通过拉杆与低温杜瓦上盖板安装在一起。本发明应用Bi系高温超导带材和Y系高温超导带材绕制的组合绕组采用了由多个Bi系超导线圈和多个Y系超导线圈并联组成的结构，Bi系超导线圈和Y系超导线圈均绕制在超导线圈骨架外部，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。

组合绕组中Bi系超导线圈和Y系超导线圈均为一种或多种规格超导带材绕制成的双饼结构或多层圆筒式结构。目前Bi系和Y系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，Bi系高温超导带材的临界电流密度Jc可达150-200A/mm²（77K，自场），Y系高温超导带材的临界电流密度Jc可达100-150A/mm²（77K，自场）。Bi系高温超导带材宽度有3mm和4mm两种；而Y系高温超导带材的宽度主要有3mm、4mm、6mm、10mm和12mm三种。当然超导带材的宽度从理论上可以根据需求做定制设计。从当前生产工艺来看，Bi系高温超导带材的自场临界电流密度仍然比Y系高温超导带材高30%，价格却更低。但是Bi系高温超导带材的缺点是在垂直于带材表面磁场作用下临界电流密度退降很大，在1000Gs外部垂直场下，Bi系高温超导带材的临界电流退降70%，而Y系高温超导带材仅退降20%；同时，在平行于带材表面磁场作用下二者临界电流退降都比较小，在1000Gs外部平行场下，二者临界电流退降都小于10%。对于应用于超导变压器、电抗器和储能磁体等超导电力装置中的超导绕组而言，绕组端部垂直于超导带材表面的磁场很强，而绕组中部则主要为平行于超导带材表面的磁场；另外，对于多线圈并联的结构，绕组端部的线圈会流过更多的电流。由于上述两个原因，采用单一种类和规格的超导带材，绕组的通流能力将受端部线圈的制约。因此，对于超导电抗器和超导变压器等交流超导电力装置，需要考虑上述两个因素来进行超导带材选择和绕组设计。

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；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。

所述的组合绕组除了可以应用于超导交流电抗器外，也可应用于超导储能磁体、超导强场磁体等直流超导绕组。应用于直流场合下，仅仅需要考虑绕组端部径向磁场一个影响因素来进行超导带材选择和绕组设计。

本发明超导组合式绕组结构不仅可应用于制作超导电抗器、超导储能装置等单一绕组的超导电力装置，也可应用于制作超导变压器等多绕组装置。超导变压器的高压绕组和低压绕组可分别采用多层圆筒式结构和双饼结构。

本发明具有以下优点：

1.本发明超导组合线圈可充分利用不同规格Bi系高温超导带材自场临界电流高、Y系超导带材在外施垂直场下临界电流退降少等特性，使超导绕组的性价比提高；

2.本发明超导组合绕组结构可用于绕制各种交流和直流绕组，应用于超导电抗器、超导变压器、超导储能磁体和超导强场很多领域。

附图说明

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为实施例1由Bi系和Y系高温超导带材绕制的超导饼式组合绕组示意图；

图2为实施例2由Bi系和Y系高温超导带材绕制的超导圆筒式组合绕组示意图；

图3为实施例3由Bi系和Y系高温超导带材绕制的超导变压器组合绕组示意图；

图4为实施例4另一种由Bi系和Y系高温超导带材绕制的超导变压器组合绕组示意图。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1为应用Bi系和Y系高温超导带材绕制的采用多个双饼线圈并联的组合绕组结构，可应用于超导电抗器、超导储能磁体和超导强场磁体等多个领域。如图1所示，该组合绕组结构由Bi系超导双饼式线圈1、Y系超导双饼式线圈2、线圈骨架3、线圈轴向间隔层4、线圈上支撑板5、线圈下支撑板6、线圈紧固螺杆7、低温杜瓦筒8、低温杜瓦上盖板9和拉杆10构成。Bi系超导双饼式线圈1和Y系超导双饼式线圈2绕制在线圈骨架3外部，双饼式超导线圈之间由线圈轴向间隔层4分隔。线圈上支撑板5和线圈下支撑板6分别位于超导绕组的上部和下部，通过线圈紧固螺杆7将超导绕组压紧。由低温杜瓦筒8和低温杜瓦上盖板9组成低温杜瓦。超导绕组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。超导绕组通过拉杆10与低温杜瓦上盖板9安装在一起。

应用于电力系统中的超导电抗器的电感值较小，但电流很大，采用多个超导双饼线圈并联绕制更为合适。由于各超导双饼线圈所处的位置不同，超导线圈电流分配是不均匀的。同时，由于绕组端部横向漏磁场较大，因此将超导带宽较小的Bi系超导双饼线圈1布置于绕组中部，而将超导带宽较大的Y系超导双饼线圈2布置于绕组端部，这样可以充分利用Bi系和Y系超导带材的优点，提高整个超导组合绕组的性价比。

实施例2为应用Bi系和Y系高温超导带材绕制的采用多个圆筒结构线圈并联的组合绕组结构，可应用于超导电抗器、超导储能磁体和超导强场磁体等多个领域。如图2所示，该组合绕组结构由Bi系超导圆筒式线圈1、Y系超导圆筒式线圈2、线圈骨架3、线圈轴向间隔层4、线圈上支撑板5、线圈下支撑板6、线圈紧固螺杆7、低温杜瓦筒8、低温杜瓦上盖板9和拉杆10构成。Bi系超导圆筒式线圈1和Y系超导圆筒式线圈2绕制在线圈骨架3外部，超导圆筒式线圈之间由线圈轴向间隔层4分隔。线圈上支撑板5和线圈下支撑板6分别位于超导绕组的上部和下部，通过线圈紧固螺杆7将超导绕组压紧。由低温杜瓦筒8和低温杜瓦上盖板9组成低温杜瓦。超导绕组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。超导绕组通过拉杆10与低温杜瓦上盖板9安装在一起。

与实施例1不同的是，某些超导电抗器、超导储能磁体和超导强场装置的匝数较多，但是电流较小，采用多层圆筒式线圈的超导绕组相对双饼结构，其接头更少，更容易实现多匝串联，因此可以用于制作更大的电感和降低接头损耗。由于各超导圆筒式线圈所处的位置不同，超导线圈电流分配是不均匀的。同时，由于绕组端部横向漏磁场较大，因此将超导带宽较小的Bi系超导圆筒式线圈1安装于绕组中部，而将超导带宽较大的Y系超导圆筒式线圈2安装于绕组端部，这样可以充分利用Bi系和Y系超导带材的优点，提高整个超导组合绕组的性价比。

实施例3为应用于超导变压器的由Bi系和Y系高温超导带材绕制的组合绕组结构。如图3所示，所述的超导变压器由应用于高压绕组的Bi系超导圆筒式线圈1g和Y系超导圆筒式线圈2g、应用于低压绕组的Bi系超导双饼线圈1d和Y系超导双饼线圈2d、高压绕组骨架3g和低压绕组骨架3d、高压绕组线圈轴向间隔层4g和低压绕组线圈轴向间隔层4d、绕组上支撑板5、绕组下支撑板6、绕组紧固螺杆7、低温杜瓦筒8、低温杜瓦上盖板9、拉杆10、变压器铁芯11和低温杜瓦垫块12构成。由Bi系超导圆筒式线圈1g和Y系超导圆筒式线圈2g组合而成的高压绕组绕制在高压绕组骨架3g外部，高压绕组的各圆筒式线圈之间由轴向间隔层4g分隔；由Bi系超导双饼线圈1d和Y系超导双饼线圈2d组合而成的低压绕组绕制在低压绕组骨架3d外部，低压绕组各双饼线圈之间由轴向间隔层4d分隔；绕组上支撑板5和绕组下支撑板6分别位于高低压绕组的上部和下部，通过线圈紧固螺杆7将高低压组合绕组压紧。由低温杜瓦筒8和低温杜瓦上盖板9组成低温杜瓦，所述的高低压超导绕组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。超导组合绕组通过拉杆10与低温杜瓦上盖板2安装在一起。

超导变压器的高压绕组具有较多的匝数，但是超导带材的并联根数较少，因此采用分段的多层圆筒式结构以降低超导带接头的数量；低压绕组具有较少的匝数，但是超导带材的并联根数很多，因此采用多个超导双饼线圈并联的结构。由于各超导线圈电流分配不均匀，并且绕组端部横向漏磁场较大，因此将超导带宽较小的Bi系超导圆筒式线圈1g应用于高压绕组中部，而将超导带宽较大的Y系超导圆筒式线圈2g安装于高压绕组端部；同时，将超导带宽较窄的Bi系超导双饼线圈1d安装于低压绕组中部，而将超导带宽较宽的Y系超导双饼线圈2d布置于低压绕组端部。这样可以充分利用Bi系和Y系超导带材的优点，提高整个超导组合绕组的性价比。

实施例4为应用于超导变压器的另一种由Bi系和Y系高温超导带材绕制的组合绕组结构。如图4所示，所述的超导变压器由应用于高压绕组的Bi系超导双饼线圈1g和Y系超导双饼线圈2g、应用于低压绕组的Bi系超导双饼线圈1d和Y系超导双饼线圈2d、高压绕组骨架3g和低压绕组骨架3d、高压绕组轴向间隔层4g和低压绕组轴向间隔层4d、绕组上支撑板5、绕组下支撑板6、绕组紧固螺杆7、低温杜瓦筒8、低温杜瓦上盖板9、拉杆10、变压器铁芯11和低温杜瓦垫块12构成。

与实施例3相同，由Bi系超导双饼线圈1g和Y系超导双饼线圈2g组合而成的高压绕组绕制在高压绕组骨架3g外部，高压绕组的各双饼线圈之间由轴向间隔层4g分隔；由Bi系超导双饼线圈1d和Y系超导双饼线圈2d组合而成的低压绕组绕制在低压绕组骨架3d外部，低压绕组各双饼线圈之间由轴向间隔层4d分隔；绕组上支撑板5和绕组下支撑板6分别位于高低压绕组的上部和下部，通过线圈紧固螺杆7将高低压组合绕组压紧。由低温杜瓦筒8和低温杜瓦上盖板9组成低温杜瓦，所述的高低压超导绕组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10与低温杜瓦上盖板2安装在一起。

实施例4和实施例3的区别在于，所述的超导变压器的高压绕组和低压绕组都采用超导双饼线圈结构。Bi系超导双饼线圈位于各个并联双饼绕组的中部，Y系超导双饼线圈位于各个并联双饼绕组的端部。对于由多个Bi系超导双饼线圈1g和Y系超导双饼线圈2g组成的高压绕组结构，为了实现较大的载流量，超导双饼线圈需采用先并联、后串联的结构。如图4所示，高压绕组每个并联双饼线圈组件由2个Bi系超导双饼线圈1g和1个Y系超导双饼线圈2g组成、或者由1个Bi系超导双饼线圈1g和2个Y系超导双饼线圈2g组成，然后各并联线圈组件串联连接。并联双饼线圈的电流分配是不同的，径向漏磁场分布也是不同的。对于电流分配较多、径向漏磁场较大的双饼线圈，采用带宽较宽的Y系超导带材绕制；对于电流分配较少、径向漏磁场较小的双饼线圈，采用带宽较窄的Bi系超导带材绕制。采用多个超导双饼线圈串并联结构，也可以实现高电压和大电流，优点是结构比圆筒式结构稳定，缺点是线圈之间的接头较多，接头损耗较大。

Claims

1.一种应用Bi系和Y系高温超导带材绕制的组合绕组，其特征在于：所述的组合绕组由Bi系超导线圈(1)、Y系超导线圈(2)、超导线圈骨架(3)、超导线圈轴向间隔层(4)、线圈上支撑板(5)、线圈下支撑板(6)，以及线圈紧固螺杆(7)组成；Bi系超导线圈(1)和Y系超导线圈(2)绕制在超导线圈骨架(3)外部；Bi系超导线圈(1)位于组合绕组中部，Y系超导线圈(2)位于组合绕组端部；各Bi系超导线圈(1)和Y系超导线圈(2)之间采用超导线圈轴向间隔层(4)分隔；组合绕组安装在低温杜瓦筒(8)和低温杜瓦上盖板(9)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迫流循环冷却；组合绕组通过拉杆(10)与低温杜瓦上盖板(9)安装在一起。

2.如权利要求1所述的组合绕组，其特征在于：所述的Bi系超导线圈(1)为采用Bi系高温超导带材绕制的双饼或多层圆筒式结构；所述的Y系超导双饼线圈(2)采用Y系高温超导带材绕制的双饼或多层圆筒式结构。

3.如权利要求1所述的组合绕组，其特征在于：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；低温杜瓦筒(8)和低温杜瓦上盖板(9)在应用于直流磁体时采用无磁不锈钢或玻璃钢材料制作，在应用于交流磁体时采用玻璃钢材料制作。

4.如权利要求1所述的组合绕组，其特征在于：所述的组合绕组应用于制作大电流小电感绕组时，所述的Bi系超导线圈(1)和Y系超导线圈(2)采用并联连接的双饼线圈结构，Bi系超导双饼线圈(1)位于组合绕组的中部，Y系超导双饼线圈(2)位于组合绕组的端部。

5.如权利要求1所述的组合绕组，其特征在于：所述的组合绕组应用于制作小电流大电感绕组时，所述的Bi系超导线圈(1)和Y系超导线圈(2)采用并联连接的圆筒式线圈结构，Bi系超导圆筒式线圈(1)位于组合绕组的中部，Y系超导圆筒式线圈(2)位于组合绕组的端部。

6.如权利要求1所述的组合绕组，其特征在于：所述的组合绕组应用于制作变压器低电压大电流的低压绕组时，所述Bi系超导线圈(1)和Y系超导线圈(2)采用并联连接的双饼线圈结构，Bi系超导双饼线圈(1)位于低压绕组中部，Y系超导双饼线圈(2)位于低压绕组端部。

7.如权利要求6所述的组合绕组，其特征在于：所述的组合绕组应用于制作变压器高电压低电流的高压绕组时采用并联连接的圆筒式线圈结构，Bi系超导圆筒式线圈(1)位于高压绕组中部，Y系超导圆筒式线圈(2)位于高压绕组端部。

8.如权利要求6所述的组合绕组，其特征在于，所述的组合绕组应用于制作变压器高电压和低电流的高压绕组时，所述Bi系超导线圈和Y系超导线圈采用先并联后串联的双饼线圈结构，Bi系超导双饼线圈位于各个并联的双饼绕组的中部，Y系超导双饼线圈位于各个并联的双饼绕组的端部。