CN104505242A - 用于风力发电的超导干式变压器 - Google Patents

用于风力发电的超导干式变压器 Download PDF

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陈素娟
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Abstract

本发明公开了一种用于风力发电的超导干式变压器，包括高压线圈、低压线圈、铁芯和低温杜瓦，铁芯外围依次套设有低压线圈和高压线圈，且铁芯穿过低压线圈和高压线圈的部分被设置为椭圆形横截面的柱体；低压线圈和高压线圈均设置于低温杜瓦内；高压线圈和低压线圈均采用第二代高温超导带材绕制；低温杜瓦采用玻璃钢制成。本发明变压器采用了由第二代高温超导带材绕制而成的高、低压线圈，使得线圈内部电场分布均匀，从而能够保证线圈具有良好的电气性能，降低变压器损耗，局部放电量少，抗雷电冲击能力强，有效延长了变压器的使用寿命。本发明中的高压线圈采用特殊的绕制结构，可提高高压线圈的使用寿命。

Description

用于风力发电的超导干式变压器
技术领域
本发明涉及一种变压器，特别涉及一种用于风力发电的超导干式变压器。
背景技术
风能是最清结、无污染的可再生能源之一。据专家们的测估，全球可利用的风能资源为200亿千瓦，约是可利用水力资源的10倍。如果利用1％的风能能量，可产生世界现有发电总量8％～9％的电量。
近入21世纪，全球可再生能源不断发展，风能作为一种高效清洁的新能源正受到各国的高度重视。我国风能资源储量丰富，风能开发利用的潜力很大。近年来，风力发电作为一种可再生能源获得了飞速的发展。作为风力发电系统中的关键设备，风电用组合式变压器技术也获得了较快发展。风力发电就是将风能转变为机械能再转换为电能的过程。而作为风力发电系统中的主要设备，风力发电用组合式变压器获得了较快的发展。从早期的变电站，发展到今天的组合式变压器。风力发电机的电压等级也从10kV发展到35kV。
但是，目前用于风力发电的变压器的线圈电气性能较差，由此提高了变压器的空载损耗，增加了局部放电量，同时抗雷电冲击能力也较差，大大降低了变压器的使用寿命。
发明内容
本发明的目的，就是为了解决上述问题而提供了一种用于风力发电的、空载损耗相对较小且使用寿命相对较长的超导干式变压器。
本发明的目的是这样实现的：
本发明的一种用于风力发电的超导干式变压器，包括高压线圈、低压线圈、铁芯和低温杜瓦，其中：
所述铁芯外围依次套设有所述低压线圈和高压线圈，且所述铁芯穿过所述低压线圈和高压线圈的部分被设置为椭圆形横截面的柱体；
所述低压线圈和高压线圈均设置于所述低温杜瓦内；
所述高压线圈和低压线圈均采用第二代高温超导带材绕制；
所述低温杜瓦采用玻璃钢制成。
上述的一种用于风力发电的超导干式变压器，其中，所述低压线圈和高压线圈均被设置成标准椭圆形线圈结构。
上述的一种用于风力发电的超导干式变压器，其中，所述高压线圈包括至少12段依次串联且在沿轴向排列的分段线圈，每段分段线圈包括至少11层分层线圈，每层分层线圈为一匝线圈结构，且每层分层线圈之间采用聚酯薄膜聚酯纤维非织布柔软复合箔层作为层间绝缘，每段分段线圈的内外均采用网格布包裹，相邻分段线圈之间采用网格布作为段间绝缘，所有分段线圈的两端采用网格布作为端绝缘。
上述的一种用于风力发电的超导干式变压器，其中，所述铁芯的横截面形状包括中间矩形，中间矩形的两侧对称分布有长度和宽度依次减小的矩形，使铁芯的横截面形状形成椭圆形。
本发明变压器采用了由第二代高温超导带材绕制而成的高、低压线圈，使得线圈内部电场分布均匀，从而能够保证线圈具有良好的电气性能，降低变压器损耗，局部放电量少，抗雷电冲击能力强，有效延长了变压器的使用寿命。
同时，本发明采用的高压线圈结构具有以下优点：
1、由至少12段分段线圈组成，每段轴向尺寸小，减小由线圈内部气泡放电引起的局部放电量，提高使用寿命；
2、用一层一匝的排列方式绕制，轴向12段容易排列，填充系数大，线圈轴向尺寸小，材料成本低；
3、导线绕制时无螺旋角，正常运行时漏磁比较小，减小漏磁引起的线圈局部过热量；
4、匝电势比较高，用每层只有一匝线圈结构，层间电压为匝间电压，每段中没有电场集中点，减少电场集中点引起的局部放电量，提高使用寿命；
5、绕制时不需要放置角环，绕制工艺简单。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是图1中铁芯的横截面示意图；
图3是图1中高压线圈的横截面示意图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明作进一步说明。
请参阅图1，图中示出了本发明一种用于风力发电的超导干式变压器，包括高压线圈3、低压线圈2、铁芯1和低温杜瓦4，其中：
铁芯1外围依次套设有低压线圈2和高压线圈3，且铁芯1穿过低压线圈2和高压线圈3的部分被设置为椭圆形横截面的柱体，铁芯1的横截面形状包括中间矩形，中间矩形的两侧对称分布有长度和宽度依次减小的矩形，使铁芯1的横截面形状形成椭圆形(如图2所示)；
低压线圈2和高压线圈3均被设置成标准椭圆形线圈结构；
低压线圈2和高压线圈3均设置于低温杜瓦4内；
高压线圈3和低压线圈2均采用第二代高温超导带材绕制；
低温杜瓦4采用玻璃钢制成。
请参阅图3，高压线圈2包括12段依次串联且在沿轴向排列的分段线圈21，每段分段线圈21包括11层分层线圈22，每层分层线圈22为一匝线圈结构，且每层分层线圈22之间采用聚酯薄膜聚酯纤维非织布柔软复合箔层作为层间绝缘，每段分段线圈21的内外均采用网格布包裹，相邻分段线圈21之间采用网格布作为段间绝缘23，所有分段线圈21的两端采用网格布作为端绝缘24。
铁芯1通过采用椭圆形截面，可以实现提高变压器相间空间和器身整体空间利用率的目的，在椭圆形铁芯1的截面积与圆形铁芯的截面积相同以及相间距离相同情况下，该椭圆形铁芯1的铁芯柱中心距将减小，也就是铁芯轭片长度减小，铁芯磁路减短。因此铁芯1重量也将减小，这样就达到了在铁芯1片材料确定和磁通密度不变的情况下减少铁芯1重量和降低空载损耗的目的，降低了变压器的制造成本。
高压线圈3和低压线圈2采用第二代高温超导带材。目前，国内外示范运行的高温超导变压器一般采用Bi2223/Ag超导材料，这类第一代高温超导带材由于使用贵金属银作为包套，材料成本较高，其费用占超导变压器成本的70-80％，在提高性价比上难以发展。第二代高温超导带材是在不锈钢基带上外延生长YBaCuO超导薄膜，其基带不采用银，可大大降低材料成本。另外，由于YBaCuO超导体在77K下的不可逆磁场大大高于Bi系超导体，其77K下的交流损耗可远低于第一代高温超导材料。本发明采用一种新型高温超导带材-即基于金属基带上的高温超导薄膜而形成的第二代高温超导带材，是一种液氮温区超导电流传输密度和不可逆磁场具有明显优势的实用超导材料。
采用的标准椭圆形线圈结构，是一种适于第二代高温超导带材和新型超导变压器设计，由此设计、制造出的超导变压器尚未被国内外企业和研发单位所报道。由于第二代高温超导带材为较宽的带状材料，易于大电流和椭圆形设计；所以基于第二代高温超导带材的超导变压器具有较大优势。
本发明中的低温杜瓦4采用玻璃钢杜瓦，传统的低温杜瓦4采用不锈钢材料，强度高，杜瓦内壁可以很薄，有效减小固体热传导；不锈钢密度高不放气，能够维持真空度，有效减小对流热交换；在低温杜瓦4内外夹层间包绕多层光滑金属箔作为辐射屏，有效地防止热辐射的传播；同时在夹层中间还放置一定量的活性碳已吸附多余的气体分子。所以传统的低温杜瓦4一般都采用不锈钢材料制备，具有强度高、真空维持时间长、绝热性能好等优点,不锈钢杜瓦真空度可抽到10－7Pa以上，真空度可维持2年以上。但是超导变压器用低温杜瓦4包围铁心磁路，因此在变压器用低温杜瓦4不能使用任何金属材料，所以选用绝缘性能好的玻璃钢材料。在内外杜瓦壁夹层内，防辐射屏的使用与常规杜瓦不同，辐射屏光滑金属箔应该采用带有切口的薄金属箔以免在杜瓦夹层内形成短路环。由于玻璃钢材料的放气特性，杜瓦真空不能维持很长时间，所以超导干式变压器用低温玻璃钢杜瓦需要定期抽真空。另外常规杜瓦的吸附气体材料常采用活性碳；超导变压器吸附材料应该选用有机绝缘吸附气体材料，也不要使用半导体吸附材料，以避免在夹层内产生短路。超导变压器杜瓦工作于交变磁场环境中，所以在材料的选取上禁止使用磁性材料。
高压线圈3由至少12段分段线圈组成，每段轴向尺寸小，减小由线圈内部气泡放电引起的局部放电量，提高使用寿命；用一层一匝的排列方式绕制，轴向12段容易排列，填充系数大，线圈轴向尺寸小，材料成本低；导线绕制时无螺旋角，正常运行时漏磁比较小，减小漏磁引起的线圈局部过热量；匝电势比较高，用每层只有一匝线圈结构，层间电压为匝间电压，每段中没有电场集中点，减少电场集中点引起的局部放电量，提高使用寿命；绕制时不需要放置角环，绕制工艺简单。
以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求所限定。

Claims (4)

1.一种用于风力发电的超导干式变压器，其特征在于，包括高压线圈、低压线圈、铁芯和低温杜瓦，其中：
所述铁芯外围依次套设有所述低压线圈和高压线圈，且所述铁芯穿过所述低压线圈和高压线圈的部分被设置为椭圆形横截面的柱体；
所述低压线圈和高压线圈均设置于所述低温杜瓦内；
所述高压线圈和低压线圈均采用第二代高温超导带材绕制；
所述低温杜瓦采用玻璃钢制成。
2.如权利要求1所述的一种用于风力发电的超导干式变压器，其特征在于，所述低压线圈和高压线圈均被设置成标准椭圆形线圈结构。
3.如权利要求1所述的一种用于风力发电的超导干式变压器，其特征在于，所述高压线圈包括至少12段依次串联且在沿轴向排列的分段线圈，每段分段线圈包括至少11层分层线圈，每层分层线圈为一匝线圈结构，且每层分层线圈之间采用聚酯薄膜聚酯纤维非织布柔软复合箔层作为层间绝缘，每段分段线圈的内外均采用网格布包裹，相邻分段线圈之间采用网格布作为段间绝缘，所有分段线圈的两端采用网格布作为端绝缘。
4.如权利要求1所述的一种用于风力发电的超导干式变压器，其特征在于，所述铁芯的横截面形状包括中间矩形，中间矩形的两侧对称分布有长度和宽度依次减小的矩形，使铁芯的横截面形状形成椭圆形。
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Citations (5)

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