CN109818342B - 一种具有复合绝缘结构的超导限流器 - Google Patents

一种具有复合绝缘结构的超导限流器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有复合绝缘结构的超导限流器，包括：超导限流单元、内复合绝缘筒、外复合绝缘筒和低温容器；内复合绝缘筒沿轴向同轴套接超导限流单元；低温容器沿轴向同轴套接外复合绝缘筒；其中，超导限流单元与内复合绝缘筒之间通过内绝缘支撑件固定连接，低温容器与外复合绝缘筒之间通过外绝缘支撑件固定连接。本发明通过与低温容器连接的外复合绝缘筒，以及与超导限流单元连接的内复合绝缘筒，将低温容器产生的气泡阻隔于低温容器与外复合绝缘筒之间，将超导限流单元产生的气泡阻隔于超导限流单元与内复合绝缘筒之间，阻隔了气泡在液氮空间中的径向扩散路径，实现了阻止电极间气泡的产生，保证了电阻性超导限流器的绝缘效果。

Description

一种具有复合绝缘结构的超导限流器
技术领域
本发明涉及超导技术领域，尤其涉及一种具有复合绝缘结构的超导限流器。
背景技术
电阻型超导限流器是一种用于抑制电网短路故障电流幅值的电力装置，而绝缘是所有高电压电力装置首先需要解决的问题。电阻型超导限流器主要基于超导带材的超导态-正常态转变特性进行研制，在正常传输稳态运行电流时呈现超导态，电阻接近为“零”；当电网发生短路故障时，超导带材在电流的作用下自动转变为正常态，电阻迅速变为常规导体的电阻值，而增加的电阻就能够提高电网的短路阻抗，从而降低短路电流的幅值。
目前主流的电阻型超导限流器均采用钇钡铜氧(Yttrium barium copper oxide，YBCO)材料作为导体，采用液氮作为冷却和绝缘介质。液氮具有较高的绝缘强度，其在77K、常压下的击穿场强可以达到35kV/mm，与变压器油的绝缘强度相近，相对介电常数约为1.43。但是，液氮作为绝缘介质最大的问题在于，77K的液氮一直处于沸腾状态，即便降温至70K左右也是接近沸腾状态，由此导致非常微小的热扰动也将导致液氮汽化产生气泡。氮气的绝缘强度仅为3.0kV/mm，相对介电常数约为1，均与液氮存在较大差异。根据电通量定理，相邻的相同法向截面中电通量是相同的，则不同绝缘介质中，交流条件下，不同绝缘介质中电场分布和绝缘介质的介电常数成反比；直流条件下，不同绝缘介质中电场分布和绝缘介质的直流电阻成反比。因此，当液氮中出现气泡后，气泡将成为电场集中点，整体的绝缘强度将由气泡决定。假定高电压电极与地之间的距离为200mm，当加载500kV交流电压时，对应场强为2.5kV/mm；若电极间充满液氮，由于实际场强(2.5kV/mm)远低于液氮的击穿场强(35kV/mm)，绝缘能够符合要求；若电极间因外部热扰动出现气泡，根据电通量定理和介电常数值，可知气泡中的电场强度达到3.6kV/mm，已经超过氮气的击穿场强，从而导致气泡被击穿而破坏整体的绝缘。根据上述参数可知，若采用全液氮绝缘，则仅需要约20mm的液氮就可以实现500kV交流电压的绝缘。因此，如何阻止电极间气泡的产生是保证电阻型超导限流器绝缘的重要条件。
发明内容
本发明提供了一种具有复合绝缘结构的超导限流器，实现了阻止电极间气泡的产生，保证了电阻性超导限流器的绝缘效果。
本发明提供了一种具有复合绝缘结构的超导限流器，包括：
超导限流单元、内复合绝缘筒、外复合绝缘筒和低温容器；
所述内复合绝缘筒沿轴向同轴套接所述超导限流单元；
所述低温容器沿轴向同轴套接所述外复合绝缘筒；
其中，所述超导限流单元与所述内复合绝缘筒之间通过内绝缘支撑件固定连接，所述低温容器与所述外复合绝缘筒之间通过外绝缘支撑件固定连接。
可选地，所述内复合绝缘筒沿径向从内至外依次包括内等电位连接导体、内绝缘层和内导电层；
所述内等电位连接导体连接所述超导限流单元与所述内导电层；
所述内导电层固定缠绕于所述内绝缘层的外侧。
可选地，所述内导电层与所述内绝缘层的外侧之间通过低温环氧树脂固定连接。
可选地，所述内绝缘支撑件的第一端通过螺栓固定于所述超导限流单元上；
所述内绝缘支撑件的第二端通过非金属螺栓固定于所述内绝缘层上。
可选地，所述内绝缘支撑件的数量为至少两个；
至少两个所述内绝缘支撑件沿圆周阵列放射分布。
可选地，所述内导电层通过半叠包方式固定缠绕于所述内绝缘层的外侧。
可选地，所述外复合绝缘筒沿径向从内至外依次包括外绝缘层、外导电层和外等电位连接导体；
所述外导电层固定缠绕于所述外绝缘层能的外侧；
所述外等电位连接导体连接所述低温容器与所述外导电层。
可选地，所述外导电层与所述外绝缘层的外侧之间通过低温环氧树脂固定连接。
所述内等电位连接导体连接所述超导限流单元与所述内导电层；
所述内导电层固定缠绕于所述内绝缘层的外侧。
可选地，所述外绝缘支撑件的第一端通过螺栓固定于所述低温容器的侧壁上；
所述外绝缘支撑件的第二端通过非金属螺栓固定于所述外绝缘层上。
可选地，所述外绝缘支撑件的数量为至少两个；
至少两个所述外绝缘支撑件沿圆周阵列放射分布。
从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：
本发明提供了一种具有复合绝缘结构的超导限流器，包括：超导限流单元、内复合绝缘筒、外复合绝缘筒和低温容器；所述内复合绝缘筒沿轴向同轴套接所述超导限流单元；所述低温容器沿轴向同轴套接所述外复合绝缘筒；其中，所述超导限流单元与所述内复合绝缘筒之间通过内绝缘支撑件固定连接，所述低温容器与所述外复合绝缘筒之间通过外绝缘支撑件固定连接。本发明通过与低温容器连接的外复合绝缘筒，以及与超导限流单元连接的内复合绝缘筒，将低温容器产生的气泡阻隔于低温容器与外复合绝缘筒之间，将超导限流单元产生的气泡阻隔于超导限流单元与内复合绝缘筒之间，阻隔了气泡在液氮空间中的径向扩散路径，降低了气泡对主绝缘的影响，实现了阻止电极间气泡的产生，保证了电阻性超导限流器的绝缘效果。
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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例提供的一种具有复合绝缘结构的超导限流器的一个实施例的结构示意图；
其中，附图标记为：
1、超导限流单元；2、低温容器；3、内复合绝缘筒；4、外复合绝缘筒；31、内绝缘层；32、内导电层；33、内等电位连接导体；34、内绝缘支撑件；41、外绝缘层；42、外导电层；43、外等电位连接导体；44、外绝缘支撑体。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种具有复合绝缘结构的超导限流器，实现了阻止电极间气泡的产生，保证了电阻性超导限流器的绝缘效果。
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，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，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。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它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明提供了一种具有复合绝缘结构的超导限流器的一个实施例，包括：
超导限流单元1、内复合绝缘筒3、外复合绝缘筒4和低温容器2；
内复合绝缘筒3沿轴向同轴套接超导限流单元1；
低温容器2沿轴向同轴套接外复合绝缘筒4；
其中，超导限流单元1与内复合绝缘筒3之间通过内绝缘支撑件34固定连接，低温容器2与外复合绝缘筒4之间通过外绝缘支撑件44固定连接；
需要说明的是，内复合绝缘筒3和外复合绝缘筒4均为两端敞开的圆筒，内复合绝缘筒3将超导限流单元1包裹在内，而低温容器2的内侧壁覆盖在外复合绝缘筒4的外侧壁上。
本发明实施例通过与低温容器2连接的外复合绝缘筒4，以及与超导限流单元1连接的内复合绝缘筒3，将低温容器2产生的气泡阻隔于低温容器2与外复合绝缘筒4之间，将超导限流单元1产生的气泡阻隔于超导限流单元1与内复合绝缘筒3之间，阻隔了气泡在液氮空间中的径向扩散路径，降低了气泡对主绝缘的影响，实现了阻止电极间气泡的产生，保证了电阻性超导限流器的绝缘效果。
进一步地，内复合绝缘筒3沿径向从内至外依次包括内等电位连接导体33、内绝缘层31和内导电层32；
内等电位连接导体33连接超导限流单元1与内导电层32；
内导电层32固定缠绕于内绝缘层31的外侧；
需要说明的是，内绝缘层31可以采用低温下具有较高强度的环氧树脂和玻璃纤维复合材料制作，对于大型结构件一般均为在模具上有玻璃纤维和低温环氧树脂缠绕后固化组成。
内绝缘层31的尺寸需要与超导限流单元1相匹配，若超导限流单元1的直径为Dsfcl、长度为Lsfcl，则内绝缘层31的直径一般为Dsfcl+0.2米、长度为Lsfcl+0.4米。
为了保证内复合绝缘筒3的隔气泡的性能，内绝缘层31侧壁不得开孔。
内导电层32采用半导电材料制成，内导电层32包括但不限于半导电碳纸、半导电尼龙带或半导电无纺布带。
内导电层32缠绕于内绝缘层31的外侧，只需满足内绝缘层31的外侧均被内导电层32所连续覆盖即可。
内等电位连接导体33为一根金属导体，用于连接超导限流单元1和内导电层32，保证超导限流单元1和内导电层32之间为等电位。
内等电位连接导体33仅用于电位连接，不需要承载电流，因此一般采用10-30mm2的铜或铝编织带构成，其一端连接在超导限流单元1上，另一端连接在内导电层32上。
进一步地，内导电层32与内绝缘层31的外侧之间通过低温环氧树脂固定连接。
需要说明的是，为保证低温下的可靠连接，可以在内导电层32和内绝缘层31间刷上低温环氧树脂进行固定。
进一步地，内绝缘支撑件34的第一端通过螺栓固定于超导限流单元1上；
内绝缘支撑件34的第二端通过非金属螺栓固定于内绝缘层31上。
需要说明的是，内绝缘支撑件34为低温下具有一定强度的非金属绝缘支撑件，用于将内绝缘层31固定在超导限流单元1上，一般选用玻璃钢制作。
内绝缘支撑件34的第一端通过螺栓固定在超导限流单元1的骨架上，第二端通过非金属螺栓固定在内绝缘层31上，由此可以固定内绝缘层31与超导限流单元1间的相对位置。
进一步地，内绝缘支撑件34的数量为至少两个；
至少两个内绝缘支撑件34沿圆周阵列放射分布。
需要说明的是，本实施例中，内绝缘支撑件34的数量为4个，沿圆周阵列放射分布，实际数量可以根据整个结构强度校核后确定。
进一步地，内导电层32通过半叠包方式固定缠绕于内绝缘层31的外侧。
进一步地，外复合绝缘筒4沿径向从内至外依次包括外绝缘层41、外导电层42和外等电位连接导体43；
外导电层42固定缠绕于外绝缘层41能的外侧；
外等电位连接导体43连接低温容器2与外导电层42。
需要说明的是，外绝缘层41可以采用低温下具有较高强度的环氧树脂和玻璃纤维复合材料制作，对于大型结构件一般均为在模具上有玻璃纤维和低温环氧树脂缠绕后固化组成。
外绝缘层41的尺寸需与超导限流器的低温容器2相匹配，若低温容器2的内径为Dc、超导限流单元1的长度为Lsfcl，则外绝缘层4的直径一般为Dc-0.2米、长度为Lsfcl+1.0米。
为了保证外复合绝缘筒4的隔气泡的性能，外绝缘层41侧壁不得开孔。
外导电层42采用半导电材料制成，外导电层42包括但不限于半导电碳纸、半导电尼龙带或半导电无纺布带。
外导电层42缠绕于内绝缘层41的外侧，只需满足外绝缘层41的外侧均被外导电层42所连续覆盖即可。
外等电位连接导体43为一根金属导体，用于连接低温容器2和内导电层32，保证低温容器2和外导电层42之间为等电位。
外等电位连接导体43仅用于电位连接，不需要承载电流，因此一般采用10-30mm2的铜或铝编织带构成，其一端连接在低温容器2上，另一端连接在外导电层42上。
进一步地，外导电层42与外绝缘层41的外侧之间通过低温环氧树脂固定连接。
需要说明的是，为保证低温下的可靠连接，可以在半导电材料和外绝缘层41间刷上低温环氧树脂材料进行固定。
进一步地，外绝缘支撑件44的第一端通过螺栓固定于低温容器2的侧壁上；
外绝缘支撑件44的第二端通过非金属螺栓固定于外绝缘层41上。
需要说明的是，外绝缘支撑件34为低温下具有一定强度的非金属绝缘支撑件，用于将外绝缘层41固定在低温容器2上，一般选用玻璃钢制作。
外绝缘支撑件34的第一端通过螺栓固定在低温容器2的侧壁上，第二端通过非金属螺栓固定在外绝缘层41上，由此可以固定外绝缘层41与低温容器2间的相对位置。
进一步地，外绝缘支撑件44的数量为至少两个；
至少两个外绝缘支撑件44沿圆周阵列放射分布。
需要说明的是，本实施例中，外绝缘支撑件44的数量为4个，沿圆周阵列放射分布，实际数量可以根据整个结构强度校核后确定。
本实施例中，所述的超导限流单元1为160kV直流部件，超导限流单元1的直径Dsfcl为1.0m、长度Lsfcl为3.0m，因此内绝缘层31的直径为1.2m、长度为3.4m。内绝缘层31采用低温下具有较高强度的G10高密度环氧树脂复合材料制作而成，内导电层32采用30mm宽的碳纸缠绕，缠绕采用半叠包方式，厚度为0.2mm。内等电位连接导体33采用16mm2的铜编织带制作，两端通过铜鼻子和螺栓分别固定在超导限流单元1的等电位屏蔽环和内导电层32上。内绝缘支撑件34为8根采用G10材料的非金属杆，平均分为两组，分别在超导限流单元1的两侧固定内绝缘层31，固定时沿端部圆周方向平均分布，即每隔90°放置一根，由非金属螺栓固定。
所述的低温容器2为不锈钢材质的真空绝热恒温器，低温容器2的内径Dc为1.6m、超导限流单元1长度Lsfcl为3.0m，因此外绝缘层41的直径为1.4m、长度为4.0m。外绝缘层41采用低温下具有较高强度的G10高密度环氧树脂复合材料制作而成，外导电层42采用30mm宽的碳纸缠绕，缠绕采用半叠包方式，厚度为0.2mm。外等电位连接导体43采用16mm2的铜编织带制作，两端通过铜鼻子和螺栓分别固定在低温容器2的侧壁和外导电层42上。外绝缘支撑件44为8根采用G10材料的非金属杆，平均分为两组，分别在外绝缘层41的两侧将外绝缘层41固定在低温容器2上，固定时沿外绝缘层41端部圆周方向平均分布，即每隔90°放置一根，由非金属螺栓固定。
采用上述结构后，按照160kV直流设备最高300kV的耐压要求，则内导电层32和外导电层42间形成一个电极对，由上述尺寸可知电极间距为100mm。根据电场计算公式可知，电场强度为3.0kV/mm。由于电极间介质为完整的液氮，不会有氮气气泡产生，因此能够满足绝缘的要求。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种具有复合绝缘结构的超导限流器，其特征在于，包括：
超导限流单元、内复合绝缘筒、外复合绝缘筒和低温容器；
所述内复合绝缘筒沿轴向同轴套接所述超导限流单元；
所述低温容器沿轴向同轴套接所述外复合绝缘筒；
其中，所述超导限流单元与所述内复合绝缘筒之间通过内绝缘支撑件固定连接，所述低温容器与所述外复合绝缘筒之间通过外绝缘支撑件固定连接；
所述内复合绝缘筒沿径向从内至外依次包括内等电位连接导体、内绝缘层和内导电层；
所述内等电位连接导体连接所述超导限流单元与所述内导电层；
所述内导电层固定缠绕于所述内绝缘层的外侧；
所述外复合绝缘筒沿径向从内至外依次包括外绝缘层、外导电层和外等电位连接导体；
所述外导电层固定缠绕于所述外绝缘层能的外侧；
所述外等电位连接导体连接所述低温容器与所述外导电层。
2.根据权利要求1所述的具有复合绝缘结构的超导限流器，其特征在于， 所述内导电层与所述内绝缘层的外侧之间通过低温环氧树脂固定连接。
3.根据权利要求1所述的具有复合绝缘结构的超导限流器，其特征在于，所述内绝缘支撑件的第一端通过螺栓固定于所述超导限流单元上；
所述内绝缘支撑件的第二端通过非金属螺栓固定于所述内绝缘层上。
4.根据权利要求3所述的具有复合绝缘结构的超导限流器，其特征在于，所述内绝缘支撑件的数量为至少两个；
至少两个所述内绝缘支撑件沿圆周阵列放射分布。
5.根据权利要求1所述的具有复合绝缘结构的超导限流器，其特征在于，所述内导电层通过半叠包方式固定缠绕于所述内绝缘层的外侧。
6.根据权利要求1所述的具有复合绝缘结构的超导限流器，其特征在于，所述外导电层与所述外绝缘层的外侧之间通过低温环氧树脂固定连接。
7.根据权利要求1所述的具有复合绝缘结构的超导限流器，其特征在于，所述外绝缘支撑件的第一端通过螺栓固定于所述低温容器的侧壁上；
所述外绝缘支撑件的第二端通过非金属螺栓固定于所述外绝缘层上。
8.根据权利要求6所述的具有复合绝缘结构的超导限流器，其特征在于，所述外绝缘支撑件的数量为至少两个；
至少两个所述外绝缘支撑件沿圆周阵列放射分布。
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