CN104200979A - 一种低温电流互感器线圈 - Google Patents
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Abstract
一种低温电流互感器线圈，所述的低温电流互感器线圈主要包含低温胶内骨架(1)、低温绝缘线匝(2)和低温胶外骨架(3)；所述的低温胶内骨架(1)位于低温电流互感器线圈的中心，为空心的环状结构；低温绝缘线匝(2)采用耐低温绝缘漆包线沿低温胶内骨架(1)径向均匀缠绕形成；低温绝缘线匝(2)的首尾引出线(23)紧贴低温胶内骨架(1)外壁从低温胶内骨架(1)外壁的回线槽(12)处引出；低温胶外骨架(3)为环状，将除引出线(23)外的低温绝缘线匝(2)和低温胶内骨架(1)包覆。
Description
技术领域
本发明涉及一种应用于超导电力设备的低温电流互感器线圈。
背景技术
得益于超导材料的发展，超导电力设备的研究近年来也取得了较大进展，部分装置已经应用于实际电网。和常规电力设备类似，超导电力设备如超导变压器、超导限流器等的绕组都是由多根绕组并联制作，而超导绕组必须完全置于约-200℃或更低温度下才能运行。为了获得并联超导绕组在稳态、过电流冲击等状况下的分流情况，必须在-200℃的条件下测量超导绕组的电流。
低温对互感器带来的最大问题是对互感器结构和绝缘的破坏。如常规塑料或普通环氧制作的互感器在低温下回因为热胀冷缩而开裂，影响测量的精度，甚至损坏互感器；常规绝缘材料在低温下可能出现开裂，导致绝缘破坏，威胁到整个测试系统的安全。
中国发明专利200910169298.9公开了一种高精度电流互感器，其包含壳体、铁芯、线圈和接线端子。如果想将其用于低温下的电流测量，必须将包括铁芯在内的整体都置于低温环境中，此时铁芯夹具的松紧会变化，铁芯硅钢片磁导率产生变化，都极大影响到测试的精度。此外，大电流测试的电磁式电流互感器体积都较大，而超导电力装置的体积一般都较小，很难应用。
罗氏(Rogowski)线圈是一种基于法拉第电磁感应的元件，可以用来测量交变或脉冲电流。中国发明专利200710153234.X公开了一种高精度罗氏电流互感器，其应用于印制电路板上，无法应用于低温环境中。中国发明专利201210511878.2公开了一种基于Rogowski线圈的电子式电流互感器线圈的绕制工艺，其主要关注于线圈绕制的均匀度、紧密度以及每线匝平面的垂直度对Rogowski线圈精度的影响。而事实上，线圈骨架形变、线圈本身的形变，都会对精度产生大的影响。
中国发明专利201010160764.9公开了一种电子式电流互感器，其二次绕组采用Rogowski线圈，线圈骨架为环氧树脂混合胶制作而成，线圈采用锰铜丝绕制。该发明专利中没有提及低温可能对使用的环氧树脂混合胶空心骨架的影响，也没有提及低温对锰铜丝形变带来的影响。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺点，针对-200℃的低温对电流互感器线圈结构、绝缘的影响，提出一种低温电流互感器线圈。
本发明的低温电流互感器线圈主要由低温胶内骨架、低温绝缘线匝和低温胶外骨架等部件组成。所述的低温胶内骨架位于低温电流互感器线圈的中心，为空心的环状结构。低温绝缘线匝采用可耐受不低于-208℃的低温绝缘漆包线沿低温胶内骨架径向均匀缠绕，低温绝缘线匝的首尾引出线紧贴着低温胶内骨架外壁，从低温胶内骨架外壁的中心位置引出。低温胶外骨架为环状，将除引出线外的低温绝缘线匝和低温胶内骨架完全包覆。
所述的低温是指温度远低于室温，即温度从-162℃至-208℃的温度区间。温度-162℃为液化天然气沸点，-208℃为氮的凝固温度。
所述的低温胶内骨架的制作材料采用在-200℃低温下拉伸剪切强度超过20MPa的树脂与玻璃纤维，采用真空浸渍工艺制作。低温胶内骨架浸渍制作后，进一步加工成所要求的尺寸，低温胶内骨架外表面需要顺着同一方向打毛，不能交错打毛。
所述的低温绝缘线匝采用可耐受不低于-208℃的低温绝缘漆包线沿低温胶内骨架径向均匀缠绕，低温绝缘线匝的首尾引出线紧贴着低温胶内骨架外壁，从低温胶内骨架外壁的中心位置引出。
所述的低温胶外骨架采用与低温胶内骨架相同的低温树脂采用真空浸渍工艺制作而成。
所述的低温电流互感器线圈制作步骤如下：
(1)采用玻璃纤维按照低温胶内骨架的基本尺寸加力紧密绕制，绕制过程中张力需保持恒定，张力大小不小于50N；
(2)将绕制完成的玻璃纤维置于真空浇注设备内的密封罐内，用真空泵将密封罐内及玻璃纤维间隙中的气体抽出；
(3)将低温树脂按照市售的低温树脂说明书中记载的组分和配比配制，并通过管道注入密封罐内，再用加压泵向密封罐内加压，将浸有低温树脂的玻璃纤维置于真空浇注设备密封罐的加热装置内，按照市售的低温树脂说明书中记载的固化温度和时间设定加热装置的温度和加温时间，使得低温树脂完全浸润玻璃纤维，然后再加温固化；
(4)将固化完成后的低温胶内骨架取出，按照尺寸加工打毛外表面，但不能交错打毛；
(5)在低温胶内骨架外表面中心加工出一个回线槽，并在内外表面均匀刻画绕线通道，保证绕线均匀；
(6)将低温绝缘漆包线绕低温胶内骨架外表面的回线槽绕一圈，然后按照绕线通道绕制；
(7)绕制完成后，将低温绝缘漆包线的端头引出一段后，整体置于真空浇注设备的密封罐内，用真空泵将密封罐和绕制后的低温绝缘线匝内部气体排出；
(8)将低温树脂按照市售的低温树脂说明书中记载的组分和配比配制，通过管道注入密封罐内，并用加压泵向密封罐内加压，使得低温树脂完全浸润玻璃纤维，然后再按照市售的低温树脂说明书中记载的固化温度和时间进行加温固化；
(9)将固化后的线圈取出，并对外表面进行精加工后即得到一个可用于低温环境的电流互感器线圈。
本发明的低温电流互感器线圈采用耐低温树脂和真空浸渍工艺，保证了线圈在-200℃的低温下不发生脆化和产生裂痕。采用低温绝缘漆包线绕制，保证了-200℃低温下线圈的绝缘强度。
附图说明：
图1低温电流互感器线圈结构图，图中：1低温胶内骨架、2低温绝缘线匝、3低温胶外骨架；
图2低温胶内骨架1结构图，图中：11骨架本体、12回线槽、13绕线通道；
图3低温绝缘线匝结构图，图中：21线匝、22回线、23引出线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
如图1所示，本发明的低温电流互感器线圈主要包含低温胶内骨架1、低温绝缘线匝2和低温胶外骨架3。首先，制作加工完成低温胶内骨架1；其次，在低温胶内骨架1上按照要求均匀绕制低温绝缘线匝2；最后，制作加工完成低温胶外骨架3。所述的低温胶内骨架1位于低温电流互感器线圈的中心，为空心的环状结构；低温绝缘线匝2采用可耐受不低于-208℃的低温绝缘漆包线沿低温胶内骨架1径向均匀缠绕，低温绝缘线匝2的首尾引出线23紧贴低温胶内骨架1的外壁，从低温胶内骨架1外壁的回线槽12处引出；低温胶外骨架3为环状，将除引出线23外的低温绝缘线匝2和低温胶内骨架1完全包覆。
如图2所示，所述的低温胶内骨架1包含骨架本体11、回线槽12和绕线通道13。所述的骨架本体11由玻璃纤维按照基本尺寸绕之后，采用低温树脂胶真空浇注而成。在本实施例中，采用的玻璃纤维为ECT468G-1200无捻直接纱，在模具上以恒张力模式均匀绕制，张力大小不小于50N。在本实施例中，低温交内骨架1中心孔直径为40mm，外直径为60mm，厚度为10mm。当玻璃纤维绕制达到外直径厚度时停止缠绕，并将其紧固后取出。将取下的玻璃纤维卷连同模具一起置于真空浇注设备的密封罐内，通过真空泵将密封罐内及玻璃纤维卷中的气体排出。在本实施例中，采用的低温树脂胶为上海市合成树脂研究所生产的DW-3低温结构胶。使用时，将其甲组份、乙组份和丙组份按照5:1:0.2的比例配制好后搅拌均匀，通过密封罐的加注口密封注入玻璃纤维卷及模具中，注入完毕后再通过外部加压装置进行加压，以使得DW-3低温结构胶能够完全均匀浸润玻璃纤维卷。所述的甲组份为四氢呋喃与环氧丙烷共聚醚树脂和环氧氯丙烷的共聚化合物，乙组份为590固化剂，丙组份为KH-550和γ-氨丙基三乙氧基硅烷的共聚化合物。加压完毕后，将加热装置设定为60℃后加温8小时，以保证DW-3低温结构胶完全固化。固化后，将玻璃纤维卷和模具取出，脱模后将其表面沿同一方向打毛，即得到骨架本体11。然后，在骨架本体11的外表面中心处加工一个半径0.2mm的半圆形凹槽，即为回线槽12。最后，在骨架本体11的四个侧面均匀加工绕线通道13。根据总体设计，选用的低温漆包线直径为0.2mm，共需要在骨架本体11上绕制600匝。设置绕线通道13的目的是保证绕制的线匝能够均匀，不产生滑动。因此，选在在骨架本体11上刻画150道凹槽，每道凹槽之间的间隔为2.4°，单个凹槽宽0.2mm，深0.1mm。
如图3所示，所述的低温绝缘线匝2包含线匝21、回线22和引出线23。低温绝缘线匝2采用一根完整的漆包线绕制，该漆包线直径为0.2mm，外部的绝缘漆必须能够在-200℃低温下保证一定的绝缘强度及韧性，在本实施例中选用的为聚酰亚胺绝缘漆包线。绕制时，首先，将漆包线沿骨架本体11上的回线槽绕一圈，即得到回线22，绕制回线22的目的是为了尽量减少外部磁场的测量的影响。然后，将漆包线从回线22的末端开始沿刻画的绕线通道13反向均匀绕制，每两道凹槽之间均匀绕制3匝，绕制时需尽量保证加力恒定。绕制完600匝后，将漆包线从回线22的起始位置处固定后引出，该引出的端子和回线22起始端引出的端子即为低温绝缘线匝2的引出线23。实际使用时，若线圈的中心孔中穿过的导体中有交变电流，由法拉第电磁感应定律，则会在低温绝缘线匝2的引出线23的两端感应出电压，通常能够达到mV量级，该感应电压与交变电流相对应，通过后续的积分处理电路即能够得到相对应的交变电流值。
如图1所示，低温电流互感器线圈的低温胶外骨架3制作过程如下：完成低温绝缘线匝2绕制后，将低温绝缘线匝2置于模具中，再放入真空浇注设备的密封罐内，通过真空泵将密封罐内及低温绝缘线匝2中的气体排出。在本实施例中，低温胶外骨架3采用与低温胶内骨架相同的DW-3低温结构胶进行制作。将DW-3低温结构胶的甲组份、乙组份和丙组份按照5:1:0.2的比例配制好后搅拌均匀，通过密封罐的加注口密封注入模具中，注入完毕后再通过外部加压装置进行加压，以使得DW-3低温结构胶能够完全均匀浸润绕制后的线圈。所述的甲组份为四氢呋喃与环氧丙烷共聚醚树脂和环氧氯丙烷的共聚化合物，乙组份为590固化剂，丙组份为KH-550和γ-氨丙基三乙氧基硅烷的共聚化合物。加压完毕后，将加热装置设定为60℃后加温8小时，以保证DW-3低温结构胶完全固化。固化后，将模具取出脱模，并对外表面进行处理后即完成低温胶外骨架3的制作。低温胶外骨架3制作完成后，即得到完整可用的低温电流互感器线圈。
除本发明实施例中使用的上海市合成树脂研究所生产的DW-3低温结构胶外，目前国内外市面可售的低温树脂还包括以下型号：天津市合成材料工业研究所生产的HY-912型超低温胶，其由甲组份：环氧树脂、乙组份：聚氨酯树脂和丙组分：铝粉按照60:40:4的比例配制好后搅拌均匀，100℃下4小时固化；美国Master Bond公司生产的EP29LPSP型耐超低温双组份环氧胶，其由甲组份(未公布成分)和乙组份(未公布成分)按照100:65的比例配置好后搅拌均匀，最佳固化温度为50～70℃，固化时间6～8小时；美国Emerson&Cuming公司生产的Stycast-1266型双组份环氧胶，其由甲组份：环氧基树脂和乙组份：胺基树脂按照100:28的比例配置好后搅拌均匀，最佳固化温度为65℃，固化时间1～2小时；美国3M公司生产的Scotch-Weld2216型树脂，其由甲组份(未公布成分)和乙组份(未公布成分)按照5:7的比例配置好后搅拌均匀，最佳固化温度为66℃，固化时间2小时。
本发明提供了一种可用于-200℃低温环境下的交变或脉冲电流互感器线圈制作方法及工艺，采用低温结构胶和真空浸渍工艺制作骨架，保证了线圈在低温下具有一定的强度而不发生脆裂；采用耐低温的漆包线制作线匝，保证了低温下线匝的绝缘不被破坏。采用该方法制作的线圈能够在-200℃的低温环境下使用，可以应用于不超过35kV的高温超导电力设备均流特性测量。
Claims (2)
1.一种低温电流互感器线圈，其特征在于：所述的低温电流互感器线圈主要包含低温胶内骨架(1)、低温绝缘线匝(2)和低温胶外骨架(3)；所述的低温胶内骨架(1)位于低温电流互感器线圈的中心，为空心的环状结构；低温绝缘线匝(2)采用能够耐受不低于-208℃的低温绝缘漆包线沿低温胶内骨架(1)径向均匀缠绕形成；低温绝缘线匝(2)的首尾引出线(23)紧贴低温胶内骨架(1)外壁，从低温胶内骨架(1)外壁的回线槽(12)处引出；低温胶外骨架(3)为环状，将除引出线(23)外的低温绝缘线匝(2)和低温胶内骨架(1)包覆。
2.按照权利要求1所述的低温电流互感器线圈，其特征在于：所述的低温电流互感器线圈的制作方法如下：
(1)采用玻璃纤维按照低温胶内骨架(1)的基本尺寸加力紧密绕制，绕制过程中张力需保持恒定，张力大小不小于50N；
(2)将绕制完成的玻璃纤维卷连同模具一起置于真空浇注设备内的密封罐内，用真空泵将密封罐内及玻璃纤维间隙中的气体抽出；
(3)将低温树脂按照市售的低温树脂说明书中记载的组分和配比配制，并通过管道注入真空浇注设备内的密封罐内，再用加压泵向密封罐内加压；加压完毕，将浸有低温树脂的玻璃纤维置于真空浇注设备密封罐的加热装置内，按照市售的低温树脂说明书中记载的固化温度和时间设定加热装置的温度和加温时间，使得低温树脂完全浸润玻璃纤维，然后再加温固化，形成骨架本体(11)；
(4)固化后，将玻璃纤维卷和模具取出，脱模后将固化完成后的低温胶内骨架(1)外表面顺着同一方向打毛，不能交错打毛；
(5)在低温胶内骨架(1)外表面中心加工出一个回线槽，并在低温胶内骨架(1)内外表面均匀刻画绕线通道(13)，使绕线均匀；
(6)将低温绝缘漆包线绕低温胶内骨架(1)外表面的回线槽绕一圈，然后按照绕线通道绕制；
(7)绕制完成后，将低温绝缘漆包线的端头引出一段后，整体置于真空浇注设备的密封罐内，用真空泵将密封罐和绕制后的低温绝缘线匝内部气体排出；
(8)将低温树脂按照市售的低温树脂说明书中记载的组分和配比配制，通过管道注入密封罐内，并用加压泵向密封罐内加压，使得低温树脂完全浸润玻璃纤维，然后再按照市售的低温树脂说明书中记载的固化温度和时间加温固化；
(9)将固化后的线圈取出，并对其外表面进行精加工后即得到一个用于低温环境的电流互感器线圈。
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