CN105551779B - 一种超导可控电抗器 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种超导可控电抗器，包括一次绕组、二次超导绕组、铁芯、低温冷却容器、冷却管、进液管、出液管和无磁支撑装置。冷却管包括上冷却管和下冷却管，进液管与下冷却管相连通，出液管与上冷却管相连通，进液管和出液管分别延伸出低温冷却容器；上冷却管设置于二次超导绕组的一端、且位于低温冷却容器的开口端，下冷却管设置于二次超导绕组的另一端，面向二次超导绕组一侧的上冷却管和下冷却管上开设有多个冷却孔。本发明公开的电抗器通过在二次超导绕组上下端部设置冷却管实现二次超导绕组的降温，实现冷却介质的循环流动和利用，从而及时转移二次超导绕组上下端部线圈交流损耗产生的热量。

Description

一种超导可控电抗器

技术领域

本发明涉及电抗器技术领域，特别是涉及一种超导可控电抗器。

背景技术

电抗器是一种重要的电气装置，在电力系统中广泛应用于限制工频过电压、消除发电机自励磁、限制操作过电压、限制短路电流以及平波等。随着电力系统的不断发展，对电抗器的性能要求越来越高，在许多场合希望电抗器的电抗值可实时调节或控制。

现有技术中，超导电抗器的线圈采用超导材料来绕制，并且在低温条件下运行。常用的超导可控电抗器在结构上主要包括一次常规工作绕组、若干二次超导绕组、铁芯和低温容器，一次常规工作绕组和二次超导绕组分别套接在铁芯柱外周，二次超导绕组放置于低温容器中，通过低温容器对二次超导绕组进行降温。

但是，二次超导绕组两端的线圈由于交流损耗产生的热量显著高于绕组其他位置线圈产生的热量，使得二次超导绕组两端温升较大，极易造成电抗器损毁。

发明内容

本发明实施例中提供了一种超导可控电抗器，以解决现有技术中二次超导绕组两端的线圈由于交流损耗产生的热量显著高于绕组其他位置线圈产生的热量，使得二次超导绕组两端温升较大，极易造成电抗器损毁的问题。

为了解决上述技术问题，本发明实施例公开了如下技术方案：

本发明公开了一种超导可控电抗器，包括：一次绕组、二次超导绕组、铁芯、低温冷却容器、冷却管、进液管、出液管和无磁支撑装置；

所述铁芯包括铁芯框和铁芯柱，所述铁芯柱垂直设置于所述铁芯框内部；

所述二次超导绕组包括第一超导绕组和第二超导绕组，所述低温冷却容器包裹所述第一超导绕组和第二超导绕组、且所述第一超导绕组位于所述第二超导绕组的内侧，所述一次绕组位于所述低温冷却容器的外周，且所述低温冷却容器套接于所述铁芯柱外周，所述第一超导绕组、第二超导绕组和一次绕组的中轴线与所述铁芯柱的中轴线为同一条直线；

所述冷却管包括上冷却管和下冷却管，所述进液管与所述下冷却管相连通，所述出液管与所述上冷却管相连通，所述进液管和出液管分别延伸出所述低温冷却容器；所述上冷却管设置于所述二次超导绕组的一端、且位于所述低温冷却容器的开口端，所述下冷却管设置于所述二次超导绕组的另一端，面向所述二次超导绕组一侧的所述上冷却管和下冷却管上开设有多个冷却孔；

所述无磁支撑装置的支撑面上分别设置定位所述二次超导绕组和冷却管的定位槽，所述无磁支撑装置对应设置于所述二次超导绕组的两端。

优选地，其特征在于，所述上冷却管包括第一上冷却管和第二上冷却管，所述下冷却管包括第一下冷却管和第二下冷却管；其中，

所述第一上冷却管和第二上冷却管分别设置于所述第一超导绕组和第二超导绕组上端的外侧，所述第一下冷却管和第二下冷却管分别设置于所述第一超导绕组和第二超导绕组下端的外侧，且所述冷却管上面向所述二次超导绕组一侧开有多个孔。

优选地，所述无磁支撑装置上还设置有流通槽，所述流通槽设置于所述无磁支撑装置的非支撑面上。

优选地，所述低温冷却容器设置为复合材料无磁杜瓦，所述杜瓦包括瓦身和瓦盖，二次超导绕组设置于所述瓦身内；

所述瓦盖包括盆体瓦盖和平板瓦盖，所述盆体瓦盖与所述低温冷却容器的开口匹配，所述平板瓦盖设置于所述盆体瓦盖上、用于覆盖盆体瓦盖；

所述进液管和出液管通过所述盆体瓦盖和平板瓦盖延伸出所述低温冷却容器。

优选地，所述铁芯框上设置有与所述进液管和出液管匹配的定位孔，所述定位孔贯穿所述铁芯框，所述进液管和出液管通过所述定位孔延伸出所述铁芯；

多个所述定位孔沿所述铁芯框边框水平面的长度方向排列；

多个所述定位孔的圆心位于同一条直线上；

所述铁芯框设置为高导磁率、高电阻率的非晶磁性合金薄片。

优选地，所述盆体瓦盖与所述平板瓦盖之间形成的空间内设置有环形磁铁，所述环形磁铁设置为多个相互绝缘的非晶磁性合金薄片叠加而成。

优选地，所述一次绕组内环面与所述低温冷却容器外环面之间设置有环形地屏。

优选地，所述二次超导绕组设置为多个饼式线圈串联结构。

优选地，所述铁芯框和铁芯柱由多个相互绝缘的非晶磁性合金薄片叠加而成。

由以上技术方案可见，本发明实施例提供的超导可控电抗器基于真空技术、低温技术、超导技术、绝缘技术、电磁技术和材料技术相结合，以常规电抗器为基础，以无磁、绝缘、耐低温复合材料容器实现超导绕组及其冷却介质的盛装，并且在二次超导绕组的上下端部设置冷却管，进液管与下冷却管连通，出液管与上输液管连通，并且在冷却管上开设有冷却孔，实现了冷却介质的循环流通和利用，冷却介质在循环流通的过程中将二次超导绕组两端温升较大的介质及时转移。同时在二次超导绕组上部设置高导磁率、高电阻率的环形磁铁，降低了磁场在二次超导绕组上下端的发散程度，也降低了二次超导绕组由于交流损耗产生的热量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种超导可控电抗器剖面结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种低温冷却容器结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种超导可控电抗器分解结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种铁芯结构示意图；

图1-图4中，符号表示：

1-一次绕组，2-二次超导绕组，21-第一超导绕组，22-第二超导绕组，3-铁芯，31-铁芯框，311-定位孔，32-铁芯柱，4-冷却管，41-第一上冷却管，42-第二上冷却管，43-第一下冷却管，44-第二下冷却管，5-进液管，6-出液管，7-无磁支撑装置，71-定位槽，72-流通槽，8-低温冷却容器，81-盆体瓦盖，82-平板瓦盖，9-环形地屏，10-环形磁铁。

具体实施方式

本发明实施例提供一种超导可控电抗器，为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。

参见图1，为本发明实施例提供的一种超导可控电抗器剖面结构示意图，参见图2，为本发明实施例提供的一种低温冷却容器结构示意图。

如图所示，本发明实施例提供的电抗器包括一次绕组1、二次超导绕组2、铁芯3、低温冷却容器8、冷却管4、进液管5、出液管6和无磁支撑装置7。其中，铁芯3包括铁芯框31和铁芯柱32，铁芯框31为长方形铁芯框，在铁芯框31内垂直设置铁芯柱32，铁芯柱32为圆柱形铁芯柱32。另外，铁芯框31和铁芯柱32均由多个相互绝缘的非晶磁性合金薄片叠加形成，非晶磁性合金薄片为高导磁率、高电阻率材质，有效降低铁芯3产生的涡流及其产生的焦耳热，同时，高导磁率、高电阻率的非晶磁性合金薄片替代常规的硅钢片制作铁芯3，铁芯柱32增强了电抗器中心的磁场，减少了外磁场对超导绕组上下两端线圈的影响。

二次超导绕组2包括第一超导绕组21和第二超导绕组22，低温冷却容器8包裹第一超导绕组21和第二超导绕组22，且第一超导绕组21位于第二超导绕组22的内侧，一次绕组1位于低温冷却容器8的外周，且低温冷却容器8套接于铁芯柱32外周，第一超导绕组21、第二超导绕组22和一次绕组1的中轴线与铁芯柱32的中轴线为同一条直线。低温冷却容器8设置有无磁、绝缘、耐低温的复合材料无磁杜瓦，复合材料无磁杜瓦包括瓦身和瓦盖，其中瓦身设置为双层瓦身。

本实施例中复合材料无磁杜瓦俯视看为同心环结构，剖面为U型结构，U型结构即为瓦身，其中二次超导绕组2位于其U型结构内。瓦盖包括盆体瓦盖81和平板瓦盖82，盆体瓦盖81与低温冷却容器8的开口匹配，盆体瓦盖81覆盖住低温冷却容器8的开口使瓦身内形成密闭空间，在盆体瓦盖81上覆盖有平板瓦盖82。上述结构只是低温冷却容器8的一种实施方式，并不应该作为本发明范围的限制，本领域技术人员根据实际情况可选择其他形式，其均应当落入本发明的保护范围之内。

第一超导绕组21和第二超导绕组22均放置于瓦身的密闭空间内，其中第一超导绕组21位于第二超导绕组22的内侧。另外，一次绕组1位于低温冷却容器8的外周，第一超导绕组21、第二超导绕组22和一次绕组1的中轴线与铁芯柱32的中轴线为同一条直线，并且各绕组之间有间隙，第一超导绕组21和第二超导绕组22均通过绕组骨架固定。瓦身的密闭空间内放置有低温冷却介质，并且双层瓦身之间的密闭空间设置为真空密闭空间，第一超导绕组21和第二超导绕组22均浸没在内层瓦身包裹形成的低温冷却容器中的低温冷却介质内。

冷却管4包括上冷却管和下冷却管，其中上冷却管设置于二次超导绕组2的一端、且位于低温冷却容器的开口端，下冷却管设置于二次超导绕组2的另一端，另外，面向二次超导绕组2一侧的上冷却管和下冷却管上开设有多个冷却孔。上冷却管与出液管6相连通，下冷却管与进液管5相连通，并且出液管6和进液管5通过瓦盖延伸出低温冷却容器。低温冷却介质通过进液管5、下冷却管、上冷却管、冷却孔和出液管6形成循环。冷却介质由进液孔进入下冷却管中，并通过下冷却管上的冷却孔进入内层瓦身包裹形成的密闭空间内，低温冷却介质在瓦身内流动达到冷却二次超导绕组2的作用，温度变高的低温冷却介质由上端的冷却孔进入上冷却管内后，通过出液管6将高温介质抽出，然后通过制冷机制冷重新通过进液管5补充，从而达到循环利用的作用。

为了使二次超导绕组2和冷却管4在低温冷却介质中更加稳固，本发明还公开了用于支撑稳固二次超导绕组2和冷却管4的无磁支撑装置7，无磁支撑装置7设置为无磁、绝缘、耐低温复合材料。在无磁支撑装置7上设置有定位二次超导绕组2和冷却管4的定位槽71，定位槽71分别与二次超导绕组2和冷却管4匹配。

由于二次超导绕组2上下端的磁场方向变化较大，处于二次超导绕组2上下端的线圈发热严重，从而导致冷却功率增大，通过在盆体瓦盖81和平板瓦盖82之间的空间内设置环形磁铁10，其中环形磁铁10由高导磁率、高电阻率的非晶磁性合金薄片叠加而成，环形磁铁10可降低磁场在二次超导绕组2上下端部的发散程度，也降低了二次超导绕组2由于交流损耗产生的热量。

在一次绕组1内环面与低温冷却容器8外环面之间设置有环形地屏9，二次超导绕组2由多个饼式线圈串联而成，通过闭合或断开二次超导绕组2回路，实现电抗器电抗值的调节。

参见图3，为本发明实施例提供的一种超导可控电抗器分解结构示意图。为了使二次超导绕组2定位更稳固，在二次超导绕组2的上下两端分别设置无磁支撑装置7，本实施例提供的无磁支撑装置7对称设置于二次超导绕组2的两端。无磁支撑装置7的支撑面上设置有定位二次超导绕组2的定位槽71以及定位冷却管的定位槽71，其中支撑面是指在无磁支撑装置7上与二次超导绕组2直接接触的一面。

在无磁支撑装置7的非支撑面上还设置有流通槽72，上下两端的无磁支撑装置7均与低温冷却容器8的上平面和下底面接触，流通槽72可方便介质在最高液面环向流通，同时，冷却介质在最低液面也可通过流通槽72环向流动。

本发明实施例中的冷却管4包括上冷却管和下冷却管，其中上冷却管包括第一上冷却管41和第二上冷却管42，第一上冷却管41和第二上冷却管42分别设置于第一超导绕组21和第二超导绕组22上端的外侧，也就是超导绕组的外环侧。下冷却管包括第一下冷却管43和第二下冷却管44，第一下冷却管43和第二下冷却管44分别设置于第一超导绕组21和第二超导绕组22下端的外侧。其中第一下冷却管43和第二下冷却管44分别与进液管5相连通，第一上冷却管41和第二上冷却管42分别与出液管6相连通。在第一超导绕组21和第二超导绕组22的上下两端的外侧分别设置冷却管4，并且在冷却管4上面对二次超导绕组2的一侧均匀设置有多个冷却孔，二次超导绕组2上下两端由于较高的交流损耗产生的热量能够被进出冷却管4的冷却介质带走。

出液管6和进液管5通过盆体瓦盖81和平板瓦盖82延伸出低温冷却容器8，并且在铁芯框31上设置有与进液管5和出液管6匹配的定位孔311，定位孔311贯穿铁芯框31，进液管5和出液管6通过定位孔311延伸出铁芯框31，进液管5连通下冷却管，可直接向低温冷却容器8内补充冷却介质，出液管6将温升后的冷却介质输出至制冷机内制冷后，再通过进液管5向低温冷却容器8中补充冷却介质。

如图4所示，为本发明实施例提供的一种铁芯结构示意图。

多个定位孔311沿铁芯框31边框的长度方向排列，多个定位孔311与低温冷却器的开口对应，并且多个定位孔311的圆心位于同一条直线上，降低了进液管5和出液管6穿过铁芯框31对电抗器性能造成的影响。

冷却管4、进液管5和出液管6均设置为无磁、绝缘、耐低温复合材料，若采用金属管将进一步加剧二次超导绕组2上下部周围的冷却介质温升，超导绕组很可能由于冷却不充分发生失超。

由上述实施例可见，运行在交流磁场下的二次超导绕组2由于交流损耗会产生热量，同时二次超导绕组2上下端部的磁场方向变换较大，处于二次超导绕组2上下端部的线圈发热严重，从而导致冷却功率较大。本发明公开的电抗器通过在二次超导绕组2上下端部设置冷却管4实现二次超导绕组2的降温，冷却管4分别与进液管5和出液管6连通，实现冷却介质的循环流动和利用，从而降低磁场在二次超导绕组2上下端部的发热程度，也降低超导线圈由于交流损耗产生的热量。另外，二次超导绕组2均放置在低温冷却容器8中，并且在低温冷却容器8的内层瓦身包裹形成的低温冷却容器内填充低温冷却介质，通过进液管5、冷却管4和出液管6不断向低温冷却容器8内补充冷却介质，以及将温度升高的冷却介质抽出制冷后重新补充到低温冷却容器8中，从而实现冷却介质的循环流动和利用。

本发明公开的电抗器中铁芯框31、铁芯柱32和环形磁铁10均设置为高导磁率、高电阻率的非晶磁性合金薄片，与传统的硅钢片相比显著提高了铁芯3的导磁性能，并且显著降低了铁芯3产生的涡流和焦耳热。高导磁率、高电阻率的非晶磁性合金薄片叠加形成的环形磁铁10降低了磁场在超导线圈上下端部的发散程度，也降低了超导线圈由于交流损耗产生的热量。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种超导可控电抗器，其特征在于，包括：一次绕组(1)、二次超导绕组(2)、铁芯(3)、低温冷却容器(8)、冷却管(4)、进液管(5)、出液管(6)和无磁支撑装置(7)；

所述铁芯(3)包括铁芯框(31)和铁芯柱(32)，所述铁芯柱(32)垂直设置于所述铁芯框(31)内部；

所述二次超导绕组(2)包括第一超导绕组(21)和第二超导绕组(22)，所述低温冷却容器(8)包裹所述第一超导绕组(21)和第二超导绕组(22)，且所述第一超导绕组(21)位于所述第二超导绕组(22)的内侧，所述一次绕组(1)位于所述低温冷却容器(8)的外周，所述低温冷却容器(8)套接于所述铁芯柱(32)外周，所述第一超导绕组(21)、第二超导绕组(22)和一次绕组(1)的中轴线与所述铁芯柱(32)的中轴线为同一条直线；

所述冷却管(4)包括上冷却管和下冷却管，所述进液管(5)与所述下冷却管相连通，所述出液管(6)与所述上冷却管相连通，所述进液管(5)和出液管(6)分别延伸出所述低温冷却容器(8)；所述上冷却管设置于所述二次超导绕组(2)的一端、且位于所述低温冷却容器(8)的开口端，所述下冷却管设置于所述二次超导绕组(2)的另一端，面向所述二次超导绕组(2)一侧的所述上冷却管和下冷却管上开设有多个冷却孔；

所述无磁支撑装置(7)的支撑面上分别设置定位所述二次超导绕组(2)和冷却管(4)的定位槽(71)，所述无磁支撑装置(7)对应设置于所述二次超导绕组(2)的两端。

2.根据权利要求1所述的超导可控电抗器，其特征在于，所述上冷却管包括第一上冷却管(41)和第二上冷却管(42)，所述下冷却管包括第一下冷却管(43)和第二下冷却管(44)；其中，

所述第一上冷却管(41)和第二上冷却管(42)分别设置于所述第一超导绕组(21)和第二超导绕组(22)上端的外侧，所述第一下冷却管(43)和第二下冷却管(44)分别设置于所述第一超导绕组(21)和第二超导绕组(22)下端的外侧，且所述冷却管(4)上面向所述二次超导绕组(2)一侧开有多个孔。

3.根据权利要求1所述的超导可控电抗器，其特征在于，所述无磁支撑装置(7)上还设置有流通槽(72)，所述流通槽(72)设置于所述无磁支撑装置(7)的非支撑面上。

4.根据权利要求1所述的超导可控电抗器，其特征在于，所述低温冷却容器(8)设置有复合材料无磁杜瓦，所述杜瓦包括瓦身和瓦盖，二次超导绕组(2)设置于所述瓦身内；

所述瓦盖包括盆体瓦盖(81)和平板瓦盖(82)，所述盆体瓦盖(81)与所述低温冷却容器(8)的开口匹配，所述平板瓦盖(82)设置于所述盆体瓦盖(81)上、用于覆盖盆体瓦盖(81)；

所述进液管(5)和出液管(6)通过所述盆体瓦盖(81)和平板瓦盖(82)延伸出所述低温冷却容器(8)。

5.根据权利要求1所述的超导可控电抗器，其特征在于，所述铁芯框(31)上设置有与所述进液管(5)和出液管(6)匹配的定位孔(311)，所述定位孔(311)贯穿所述铁芯框(31)，所述进液管(5)和出液管(6)通过所述定位孔(311)延伸出所述铁芯(3)；

多个所述定位孔(311)沿所述铁芯框(31)边框水平面的长度方向排列；

多个所述定位孔(311)的圆心位于同一条直线上；

所述铁芯框(31)设置为高导磁率、高电阻率的非晶磁性合金薄片。

6.根据权利要求4所述的超导可控电抗器，其特征在于，所述盆体瓦盖(81)与所述平板瓦盖(82)之间形成的空间内设置有环形磁铁(10)，所述环形磁铁(10)设置为多个相互绝缘的非晶磁性合金薄片叠加而成。

7.根据权利要求1所述的超导可控电抗器，其特征在于，所述一次绕组(1)内环面与所述低温冷却容器(8)外环面之间设置有环形地屏(9)。

8.根据权利要求1所述的超导可控电抗器，其特征在于，所述二次超导绕组(2)设置为多个饼式线圈串联结构。

9.根据权利要求1所述的超导可控电抗器，其特征在于，所述铁芯框(31)和铁芯柱(32)由多个相互绝缘的非晶磁性合金薄片叠加而成。

10.根据权利要求1所述的超导可控电抗器，其特征在于，所述低温冷却容器(8)、冷却管(4)、进液管(5)、出液管(6)和无磁支撑装置(7)设置为无磁、绝缘、耐低温复合材料结构。