CN109545498A - 一种用于保护高温超导线圈的绕组结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于保护高温超导线圈的绕组结构,具有避免超导绕组发生故障时引发高电压冲击的技术效果，不仅适用于直流环境，还适用于交流环境；其结构包括：超导绕组，还包括：由非超导材料制成的保护绕组，所述保护绕组与所述超导绕组并联连接；所述保护绕组的匝数大于等于所述超导绕组的匝数；所述保护绕组的阻抗大于等于所述超导绕组的感抗。本发明所提供的用于保护高温超导线圈的绕组结构不仅适用于直流电气设备，还能进一步适用于交流电气设备，应用范围相比现有保护绕组更为广泛。

Description

一种用于保护高温超导线圈的绕组结构

技术领域

本发明涉及电力系统高温超导技术领域，尤其涉及一种用于保护高温超导线圈的绕组结构。

背景技术

高温超导绕组是高温超导材料电气应用的重要形式。在当今的技术水平和工艺条件下，高温超导绕组由于失超、高压击穿或机械应力损坏的情况时有发生，高温超导绕组的保护也因而成为高温超导电气应用中的一个重要课题。现有技术中有大量的专利涉及超导绕组保护，但它们主要针对绕组失超，针对高压击穿和机械损伤的相对较少。现有技术中的保护手段可分为主动保护和被动保护；其中，主动保护是指通过检测手段发现故障后，采用主动手段进行防护；被动保护是指设计某种结构，按照某种机理自然的保护超导绕组。被动保护方式有多种，其中一种是加强超导材料性能，如云南电网有限责任公司电力科学研究院、北京云电英纳超导电缆有限公司的发明专利“一种超导绕组线材加强的结构及方法”(专利公开号：CN102751041B)，利用与超导带材并绕的铜带增加了超导材料的机械性能和热稳定性，形成对超导绕组的保护。另一种是通过外电路保护超导绕组，北京云电英纳超导电缆有限公司的发明专利“一种带有保护电路的超导绕组”(专利公开号：CN101320614B)利用与超导绕组并联在一起的匝数较少的绕组对超导绕组形成旁路保护。

以上现有技术中的专利大多数只能应用于直流环境。在交流环境中，由于检测的困难，绝大部分主动保护手段都会失去作用；而含有短路环、较少匝数的保护绕组的结构必然对于超导绕组的正常工作产生影响；剩下超导材料加强和导磁环等方式属于预防手段，不能在超导绕组发生故障后对其进行保护。

因此，提供一种用于保护高温超导线圈的绕组结构，就成为本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于保护高温超导线圈的绕组结构，具有避免超导绕组发生故障时引发高电压冲击的技术效果，不仅适用于直流环境，还适用于交流环境。

为了实现上述目的，本发明提供一种用于保护高温超导线圈的绕组结构,包括超导绕组，还包括：由非超导材料制成的保护绕组，所述保护绕组与所述超导绕组并联连接；所述保护绕组的匝数大于等于所述超导绕组的匝数；所述保护绕组的阻抗大于所述超导绕组的感抗。

优选地，所述保护绕组和超导绕组同轴线绕制。

优选地，所述保护绕组和超导绕组同半径绕制。

优选地，所述保护绕组和超导绕组的绕制轴线不共线。

优选地，所述保护绕组嵌套在所述超导绕组内部。

优选地，所述保护绕组和超导绕组绕制在同一铁芯上。

优选地，所述铁芯为卷绕或叠片加工方式制成的口字型、环形或日字形铁芯。

优选地，所述超导绕组为铋系或钇系超导体材料制成的超导绕组。

本发明所提供的用于保护高温超导线圈的绕组结构，保护绕组两端与超导绕组并联，其余部分与超导绕组没有电气连接，能够与超导绕组充分耦合；上述结构不依赖于故障检测器件和失超传播机制的可靠性，可以在超导绕组发生失超或断路后保护超导磁体，减轻失超带来的损伤，避免故障后因绕组电磁能释放造成高电压冲击。其中，保护绕组由常规导体绕制，与超导绕组并联；保护绕组与超导绕组除并联在一起的两端外，其他部分保持良好绝缘；保护绕组的匝数大于等于所述超导绕组的匝数，阻抗大于等于所述超导绕组的感抗；当超导绕组正常工作时，保护绕组不影响超导绕组正常工作，但当超导绕组发生断路时，可以明显抑制超导绕组因释能产生的电压冲击；当超导绕组电流骤变时，也能分担超导绕组中的电流，因此可以在超导绕组失超时保护超导绕组。本发明上述绕组结构不仅适用于直流电气设备，还进一步适用于交流电气设备，应用范围相比现有保护绕组更为广泛。

进一步地，保护绕组和超导绕组同轴线绕制，超导绕组中电流产生的电磁能可以通过保护绕组释放，因此不会产生高电压击穿发电破坏超导绕组。

进一步地，保护绕组和超导绕组的绕制轴线不共线，保护绕组不必与超导绕组一起置于低温环境中，只需要保证二者的磁场耦合和电气连接即可。

进一步地，保护绕组嵌套在所述超导绕组内部，正常工作时，由于超导绕组的屏蔽作用，保护绕组几乎不会受到外磁场影响，因此如果需要，保护绕组的电阻可以做得很低也不会影响设备正常工作。

附图说明

图1为本申请实施例1中保护高温超导线圈的绕组结构保障机理示意图；

图2为本申请实施例2中嵌套式保护绕组结构图；

图3为本申请实施例3中将本申请上述用于保护高温超导线圈的绕组结构应用在变压器的绕组结构中后的电路结构图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

实施例1：

请参考图1，图1为本发明所提供的用于保护高温超导线圈的绕组结构，其中一种实施方式下的结构原理示意图。在一种具体实施方式中，保护绕组与超导绕组耦合在一起，超导绕组故障时，绕组中磁能可以通过保护绕组释放。其中，本发明所提供的用于保护高温超导线圈的绕组结构,包括，超导绕组100，还包括：由非超导材料制成的保护绕组200，所述保护绕组200与所述超导绕组100并联连接(该连接关系图中未示出)；所述保护绕组200的匝数大于等于所述超导绕组100的匝数；所述保护绕组200的阻抗大于所述超导绕组100的感抗。如图1所示，超导绕组中电流产生的电磁能可以通过保护绕组释放，因此不会产生高电压击穿发电破坏超导绕组。需要说明的是，上述图示结构中，保护绕组与超导绕组除两端外需要没有任何电气连接点，如果保护绕组与超导绕组除两端外，还有其他电气连接点，就可能形成类似变压器的结构。在正常工作中，这样的结构可能导致超导绕组匝数改变，影响设备正常工作；在故障发生后释能时，这样的结构可能导致超导绕组局部产生大电流，造成破坏。此外，当保护绕组应用于变压器等多绕组设备时，不同的超导绕组需要分别配备保护绕组，尽管保护绕组可能与多个超导绕组耦合，但是它并不能保护与之没有电气连接的超导绕组。

进一步地，在本实施例的其中一个优选实施方式中，上述非超导材料可选择为铜或铝。

本发明涉及的保护绕组是一个与超导绕组并联连接，且彼此耦合充分的常规导体绕组。保护绕组匝数不少于它所保护的超导绕组，并且保护绕组材料的阻抗大于等于超导绕组的感抗，使得保护绕组的阻抗远远大于超导绕组。保护绕组与超导绕组除并联在一起的两端外，其他部分保持良好绝缘，防止保护绕组在设备正常工作时影响超导绕组，或在故障发生时，无法对超导绕组产生良好的保护作用。在超导电气设备正常工作时，超导绕组的电阻或阻抗远小于保护绕组，因此工作电流绝大部分会通过超导绕组，因此保护绕组对设备运行的影响可以忽略不计；当超导绕组发生失超时，超导绕组电阻激增，导致部分电流通过保护绕组，因此可以降低超导绕组失超损伤；当超导绕组发生断路时，由于超导绕组和保护绕组耦合良好，而保护绕组依然可以与外电路形成回路。

进一步地，在本实施例的其中一个优选实施方式中，所述保护绕组和超导绕组同轴线绕制。保护绕组和超导绕组同轴线绕制，超导绕组中电流产生的电磁能可以通过保护绕组释放，因此不会产生高电压击穿发电破坏超导绕组。

进一步地，在本实施例的其中一个优选实施方式中，所述保护绕组和超导绕组同半径绕制。

进一步地，在本实施例的其中一个优选实施方式中，所述保护绕组和超导绕组的绕制轴线不共线。保护绕组和超导绕组的绕制轴线不共线，保护绕组不必与超导绕组一起置于低温环境中，只需要保证二者的磁场耦合和电气连接即可。

进一步地，在本实施例的其中一个优选实施方式中，所述保护绕组嵌套在所述超导绕组内部。保护绕组嵌套在所述超导绕组内部，正常工作时，由于超导绕组的屏蔽作用，保护绕组几乎不会受到外磁场影响，因此如果需要，保护绕组的电阻可以做得很低也不会影响设备正常工作。

进一步地，在本实施例的其中一个优选实施方式中，所述保护绕组和超导绕组绕制在同一铁芯上。

进一步地，在本实施例的其中一个优选实施方式中，所述铁芯为卷绕或叠片加工方式制成的口字型、环形或日字形铁芯。

进一步地，在本实施例的其中一个优选实施方式中，所述超导绕组为铌钛或铋系、钇系超导体材料制成的超导绕组。

本发明所提供的用于保护高温超导线圈的绕组结构，保护绕组两端与超导绕组并联，其余部分与超导绕组没有电气连接，能够与超导绕组充分耦合；上述结构不依赖于故障检测器件和失超传播机制的可靠性，可以在超导绕组发生失超或断路后保护超导磁体，减轻失超带来的损伤，避免故障后因绕组电磁能释放造成高电压冲击。其中，保护绕组由常规导体绕制，与超导绕组并联；保护绕组与超导绕组除并联在一起的两端外，其他部分保持良好绝缘；保护绕组的匝数大于等于所述超导绕组的匝数，阻抗大于等于所述超导绕组的感抗；当超导绕组正常工作时，保护绕组不影响超导绕组正常工作，但当超导绕组发生断路时，可以明显抑制超导绕组因释能产生的电压冲击；当超导绕组电流骤变时，也能分担超导绕组中的电流，因此可以在超导绕组失超时保护超导绕组。本发明上述绕组结构不仅适用于直流电气设备，还进一步适用于交流电气设备，应用范围相比现有保护绕组更为广泛。

本实施例中所提供的用于保护高温超导线圈的绕组结构，保护绕组可以与超导绕组一起绕制，也可以分开绕制，甚至保护绕组不必与超导绕组一起置于低温环境中，只需要保证二者的磁场耦合和电气连接即可。此外，保护绕组的阻抗若远大于超导绕组的感抗还能取得更佳的保护效果。

实施例2：

如图2所示，本申请提供一种实用的结构方式。在图2所示的结构中，保护绕组嵌套在超导绕组内部，正常工作时，由于超导绕组的屏蔽作用，保护绕组几乎不会受到外磁场影响，因此如果需要，保护绕组的电阻可以做得很低也不会影响设备正常工作。

实施例3：

如图3所示，将本申请上述用于保护高温超导线圈的绕组结构应用在变压器的绕组结构中后的电路结构图。其中，变压器副边绕组配备了保护绕组，超导绕组与保护绕组并联后与负载相连。结合图3所示变压器说明保护绕组结构及作用。变压器参数为：原边绕组200匝、原边绕组内径60mm，原边绕组外径64mm，原边绕组高度90mm；副边绕组匝数40匝，副边绕组内径42mm，副边绕组外径47mm，副边绕组高度90mm；保护绕组匝数40匝，保护绕组内径44mm；保护绕组外径46mm；保护绕组高度90mm。保护绕组与超导绕组间的绕制结构可优选采用实施例2中图2所示的嵌入式结构。该变压器原边连接到交流电源，副边绕组短路进行测试，结果副边是否并联保护绕组对副边电流没有影响，说明保护绕组对变压器正常工作几乎没有影响。再进行变压器带负载试验，利用示波器监视突然分断副边绕组后断路器两端电压。结果经过多次测试，副边绕组不并联保护绕组时，测量到的断路器端电压峰值可达并联保护绕组时的6倍左右。充分说明了保护绕组在超导绕组故障时，降低电压冲击的作用。

上述各实施例仅是本发明的优选实施方式，在本技术领域内，凡是基于本发明技术方案上的变化和改进，不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (8)

1.一种用于保护高温超导线圈的绕组结构，包括，超导绕组，其特征在于，还包括：由非超导材料制成的保护绕组，所述保护绕组与所述超导绕组并联连接；所述保护绕组的匝数大于等于所述超导绕组的匝数；所述保护绕组的阻抗大于所述超导绕组的感抗。

2.根据权利要求1所述的用于保护高温超导线圈的绕组结构，其特征在于，所述保护绕组和超导绕组同轴线绕制。

3.根据权利要求2所述的用于保护高温超导线圈的绕组结构，其特征在于，所述保护绕组和超导绕组同半径绕制。

4.根据权利要求1所述的用于保护高温超导线圈的绕组结构，其特征在于，所述保护绕组和超导绕组的绕制轴线不共线。

5.根据权利要求1所述的用于保护高温超导线圈的绕组结构，其特征在于，所述保护绕组嵌套在所述超导绕组内部。

6.根据权利要求1所述的用于保护高温超导线圈的绕组结构，其特征在于，所述保护绕组和超导绕组绕制在同一铁芯上。

7.根据权利要求1所述的用于保护高温超导线圈的绕组结构，其特征在于，所述铁芯为卷绕或叠片加工方式制成的口字型、环形或日字形铁芯。

8.根据权利要求1所述的用于保护高温超导线圈的绕组结构，其特征在于，所述超导绕组为铋系或钇系超导体材料制成的超导绕组。