CN111009376A - 一种用于超导变压器的低压线圈及超导变压器 - Google Patents

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陈盼盼
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王腾岩
皮伟
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Abstract

本发明提供一种用于超导变压器的低压线圈，所述低压线圈采用具有各向同性特性的超导股线去绕制，所述超导股线的截面为正方形结构，由正方形截面的超导股线线芯和金属外包层组成，超导股线线芯由若干数量的超导带材按照一定的方向堆叠而成。本发明所述的采用具有各向同性的超导股线绕制低压线圈的超导变压器可有效改善目前因超导带材在外磁场作用下的载流能力存在各向异性而导致的超导线圈不同位置的载流能力差别较大的情况，充分利用了超导带材的载流能力，提高了超导线圈的临界电流并降低了并联线路的环流，提高了超导变压器线圈的经济性和安全稳定性。

Description

一种用于超导变压器的低压线圈及超导变压器
技术领域
本发明涉及超导电力应用领域,并且更具体地，涉及一种超导变压器低压线圈。
背景技术
与传统常规变压器相比，超导变压器采用超导带材绕制绕组，超导带材载流密度高，电阻小，因此超导变压器具有体积小、重量轻、环保性能好、安全性高等优点。
而实用高温超导材料具有强烈的各向异性，在77K温度下，临界电流 Ic(B,θ)随磁场大小和方向变化的经验模型为：
Figure RE-GDA0002402941620000011
式中，其中，B//和B⊥分别是平行和垂直于超导带材表面的磁场分量的磁感应强度；θ为磁场与超导材料表面的夹角；IC(0)为超导材料自场下的临界电流；B0、γ和α为拟合常数。图1为高温超导带材临界电流各向异性的典型曲线，由图1可知，对于超导带材的临界电流来说，垂直场对临界电流的影响比平行场影响要大得多。
现有超导变压器的超导绕组为螺线管型，其在运行时各部位的磁场分布不同，如单个螺线管绕组中间部位的平行磁场分量较大，而上下两个端部的垂直磁场分量较高。由于高温超导带材在磁场下的载流能力存在各向异性，导致两个端部的载流能力下降较为严重，从而限制了整个绕组的载流能力，降低超导线圈的临界电流，并且由于高温超导带材各部分所交链的漏磁通不同导致各并联支路感抗不平衡会引起极大的环流，并可能进一步造成线圈失超，极大降低了超导线圈的经济性和安全稳定性。
发明内容
为了解决现有技术中的超导变压器的高温超导带材在磁场下的载流能力存在各向异性，导致两个端部的载流能力下降较为严重，从而限制了整个绕组的载流能力，并可能进一步造成线圈失超的技术问题，本发明提供一种用于超导变压器的低压线圈，所述低压线圈采用具有各向同性特性的超导股线绕制，所述超导股线包括线芯和金属外包层，所述金属外包层卷制包裹在线芯上，所述线芯由若干根超导带材堆叠而成。
进一步地，所述线芯的横截面是正方形。
进一步地，所述横截面为正方形的超导股线的线芯包括四个面积相同的正方形区域，每个正方形区域分别由若干数量的超导带材按照一定的方向堆叠而成，其中，一组两个不相邻的正方形区域由超导带材竖直堆叠而成，另一组两个不相邻的正方形区域由超导带材水平堆叠而成，且所述每个正方形区域中单根超导带材的宽度按照所述正方形区域的边长切割。
进一步地，所述横截面为正方形的超导股线的线芯包括四个面积相同的三角形区域，每个三角形区域分别由若干数量的超导带材按照一定的方向堆叠而成，其中，一组两个不相邻的三角形区域由超导带材竖直堆叠而成，另一组两个不相邻的三角形区域由超导带材水平堆叠而成，且所述每个三角形区域中单根超导带材的宽度按照堆叠后拼合成三角形截面的要求进行切割。
进一步地，所述横截面为正方形的超导股线的线芯包括两个面积相同的三角形区域，每个三角形区域分别由若干数量的超导带材按照一定的方向堆叠而成，其中，一个三角形区域由超导带材沿着平行于正方形对角线的方向堆叠而成，另一个三角形区域由超导带材沿着垂直于正方形对角线的方向堆叠而成，且所述每个三角形区域中单根超导带材的宽度按照堆叠后拼合成三角形截面的要求进行切割。
进一步地，所述绕制低压线圈的超导带材是一代高温超导带材或者二代高温超导带材。
进一步地，所述低压线圈绕制在超导变压器内侧绕组位置或者外侧组位置。
根据本发明的另一方面，本发明提供一种超导变压器，所述超导变压器包括铁芯、低温容器、高压线圈、低压线圈、制冷机、泵、管道、上线圈夹板、下线圈夹板、固定杆、电流引线和电流引线通道，其中，高压线圈、低压线圈置于低温容器内，低温容器套装在铁芯上，制冷机与泵连接后，通过管道连通至低温容器，所述上线圈夹板位于高压线圈和低压线圈的上端部，所述下线圈夹板位于高压线圈和低压线圈的下端部，所述上线圈夹板和下线圈夹板平行放置，所述固定杆位于上线圈夹板和下线圈夹板中间，并平行于高压线圈和低压线圈，所述上线圈夹板和下线圈夹板用于紧固固定杆以固定线圈，电流引线从线圈夹板上引出，通过低温容器上的电流引线通道与制冷机相连，且所述低压线圈采用具有各向同性特性的超导股线绕制。
进一步地，所述高压线圈采用高温超导带材、低温超导带材和铜导线中的任意一种绕制而成。
进一步地，所述铁芯采用导磁材料制成，所述铁芯是单相铁芯或者多相铁芯。
进一步地，所述高压线圈和低压线圈是螺旋式结构或者饼式结构。
本发明技术方案提供的用于超导变压器的低压线圈采用具有各向同性特性的超导股线去绕制，所述超导股线的截面为正方形结构，由正方形截面的超导股线线芯和金属外包层组成，超导股线线芯由若干数量的超导带材按照一定的方向堆叠而成。本发明所述的采用具有各向同性的超导股线绕制低压线圈的超导变压器可有效改善目前因超导带材在外磁场作用下的载流能力存在各向异性而导致的超导线圈不同位置的载流能力差别较大的情况，充分利用了超导带材的载流能力，提高了超导线圈的临界电流并降低了并联线路的环流，提高了超导变压器线圈的经济性和安全稳定性。
附图说明
通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：
图1为现有技术中高温超导带材临界电流各向异性的典型示意图；
图2为根据本发明优选实施方式的用于超导变压器的低压线圈的结构示意图；
图3为根据本发明优选实施方式的绕制用于超导变压器的低压线圈的超导股线的结构示意图；
图4为根据本发明优选实施方式的绕制用于超导变压器的低压线圈的超导股线的截面图；
图5为根据本发明第二个优选实施方式的绕制用于超导变压器的低压线圈的超导股线的截面图；
图6为根据本发明第三个优选实施方式的绕制用于超导变压器的低压线圈的超导股线的截面图；
图7为根据本发明优选实施方式的超导变压器的结构示意图。
具体实施方式
现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
图2为根据本发明优选实施方式的用于超导变压器的低压线圈的结构示意图。如图2所示，本优选实施方式中，所述用于超导变压器的低压线圈24采用具有各向同性特性的超导股线1绕制。图3为根据本发明优选实施方式的绕制用于超导变压器的低压线圈的超导股线的结构示意图。如图 3所示，所述超导股线1包括线芯2和金属外包层3，所述金属外包层3卷制包裹在线芯2上，所述线芯由若干根超导带材4堆叠而成。
优选地，所述线芯的横截面是正方形。
优选地，所述横截面为正方形的超导股线的线芯包括四个面积相同的正方形区域，每个正方形区域分别由若干数量的超导带材按照一定的方向堆叠而成，其中，一组两个不相邻的正方形区域由超导带材竖直堆叠而成，另一组两个不相邻的正方形区域由超导带材水平堆叠而成，且所述每个正方形区域中单根超导带材的宽度按照所述正方形区域的边长切割。
图4为根据本发明优选实施方式的绕制用于超导变压器的低压线圈的超导股线的截面图。如图4所示，所述超导股线5包括线芯6和金属外包层7，其截面为正方形，其线芯6包括四个面积相同的正方形区域，每个正方形区域分别由若干数量的超导带材8按照一定的方向堆叠而成，其中，左上和右下的正方形区域由超导带材8竖直堆叠而成，而左下和右上的正方形区域由超导带材8水平堆叠而成，且所述每个正方形区域中单根超导带材的宽度按照所述正方形区域的边长切割。
优选地，所述横截面为正方形的超导股线的线芯包括四个面积相同的三角形区域，每个三角形区域分别由若干数量的超导带材按照一定的方向堆叠而成，其中，一组两个不相邻的三角形区域由超导带材竖直堆叠而成，另一组两个不相邻的三角形区域由超导带材水平堆叠而成，且所述每个三角形区域中单根超导带材的宽度按照堆叠后拼合成三角形截面的要求进行切割。
图5为根据本发明第二个优选实施方式的绕制用于超导变压器的低压线圈的超导股线的截面图。如图5所示，所述超导股线9包括线芯10和金属外包层11，其截面为正方形，线芯10包括四个面积相同的三角形区域，每个三角形区域分别由若干数量的超导带材12按照一定的方向堆叠而成，其中，左右两个不相邻的三角形区域由超导带材竖直堆叠而成，上下两个不相邻的三角形区域由超导带材水平堆叠而成，且所述每个三角形区域中单根超导带材的宽度按照堆叠后拼合成三角形截面的要求进行切割。
优选地，所述横截面为正方形的超导股线的线芯包括两个面积相同的三角形区域，每个三角形区域分别由若干数量的超导带材按照一定的方向堆叠而成，其中，一个三角形区域由超导带材沿着平行于正方形对角线的方向堆叠而成，另一个三角形区域由超导带材沿着垂直于正方形对角线的方向堆叠而成，且所述每个三角形区域中单根超导带材的宽度按照堆叠后拼合成三角形截面的要求进行切割。
图6为根据本发明第三个优选实施方式的绕制用于超导变压器的低压线圈的超导股线的截面图。如图6所示，所述超导股线13包括线芯14和金属外包层15，其截面为正方形，线芯14包括两个面积相同的三角形区域，每个三角形区域分别由若干数量的超导带材按照一定的方向堆叠而成，其中，右上三角形区域由超导带材16沿着平行于正方形对角线的方向堆叠而成，左下三角形区域由超导带材16沿着垂直于正方形对角线的方向堆叠而成，且所述每个三角形区域中单根超导带材的宽度按照堆叠后拼合成三角形截面的要求进行切割。
优选地，所述绕制低压线圈的超导带材是一代高温超导带材或者二代高温超导带材。
优选地，所述低压线圈绕制在超导变压器内侧绕组位置或者外侧组位置。
图7为根据本发明优选实施方式的超导变压器的结构示意图。如图6 所示，本优选实施方式所述的超导变压器20包括铁芯21、低温容器22、内侧绕组23、外侧绕组24、电流引线25、电流引线通道26、上线圈夹板 27、下线圈夹板28、固定杆29、管道30、泵31和制冷机32，其中，高压线圈绕制在内侧绕组23的位置，低压线圈绕制在外侧绕组24的位置，反之，当高压线圈绕绕制在外侧绕组24的位置时，低压线圈绕制在内侧绕组 23的位置，将所述绕制的高压线圈和低压线圈置于低温容器22内，低温容器22套装在铁芯21上，制冷机32与泵31连接后，通过管道30连通至低温容器22，所述上线圈夹板27位于高压线圈和低压线圈的上端部，所述下线圈夹板28位于高压线圈和低压线圈的下端部，所述上线圈夹板27 和下线圈夹板28平行放置，所述固定杆29位于上线圈夹板27和下线圈夹板28中间，并平行于高压线圈和低压线圈，所述上线圈夹板27和下线圈夹板28用于紧固固定杆29以固定线圈，电流引线25从线圈夹板上引出，通过低温容器22上的电流引线通道26与制冷机32相连，且所述低压线圈采用具有各向同性特性的超导股线绕制。
在本优选实施方式中，所述管道30为液氮通道。
优选地，所述高压线圈采用高温超导带材、低温超导带材和铜导线中的任意一种绕制而成。
优选地，所述铁芯21采用导磁材料制成，所述铁芯是单相铁芯或者多相铁芯。
优选地，所述高压线圈和低压线圈是螺旋式结构或者饼式结构。
具体地，制作容量为120kVA,电压等级为6kV/0.4kV的单相高温超导变压器。高压线圈绕制在内侧绕组23的位置，采用Bi系高温超导带材螺旋绕制，绕制成八层圆筒串联，每层34匝，高压绕组共272匝，低压线圈绕制在外侧绕组24的位置，采用REBCO超导股线螺旋绕制，绕制成单层圆筒，共18匝。铁芯21的直径为300mm，运行磁通密度为1.7T，高压线圈内侧距铁芯70mm,低压线圈距铁芯120mm，高压线圈厚度为14mm,低压线圈厚度为4mm，电抗高度为172mm。高压线圈采用Bi系高温超导带材，其规格为4.6*0.4mm，临界电流为120A，低压线圈采用REBCO超导股线绕制，单根切割后的REBCO带材规格为1.6*0.2mm。用于绕制低压线圈的REBCO超导股线。所述超导股线如图2所示，其截面为正方形结构，由正方形截面的超导股线线芯2和铜制外包层3组成，超导股线线芯2由四个面积相同的正方形区域构成，每个正方形区域分别由8根REBCO超导带材按照一定的方向堆叠而成。其中，左上和右下的正方形区域由切割的单根超导带材3竖直堆叠而成，右上和左下的正方形区域由切割的单根超导带材3水平堆叠而成。铜制外包层3卷制包裹在超导股线线芯2上。
已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。
通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该 [装置、组件等]”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。

Claims (11)

1.一种用于超导变压器的低压线圈，其特征在于，所述低压线圈采用具有各向同性特性的超导股线绕制，所述超导股线包括线芯和金属外包层，所述金属外包层卷制包裹在线芯上，所述线芯由若干根超导带材堆叠而成。
2.根据权利要求1所述的低压线圈，其特征在于，所述线芯的横截面是正方形。
3.根据权利要求2所述的低压线圈，其特征在于，所述横截面为正方形的超导股线的线芯包括四个面积相同的正方形区域，每个正方形区域分别由若干数量的超导带材按照一定的方向堆叠而成，其中，一组两个不相邻的正方形区域由超导带材竖直堆叠而成，另一组两个不相邻的正方形区域由超导带材水平堆叠而成，且所述每个正方形区域中单根超导带材的宽度按照所述正方形区域的边长切割。
4.根据权利要求2所述的低压线圈，其特征在于，所述横截面为正方形的超导股线的线芯包括四个面积相同的三角形区域，每个三角形区域分别由若干数量的超导带材按照一定的方向堆叠而成，其中，一组两个不相邻的三角形区域由超导带材竖直堆叠而成，另一组两个不相邻的三角形区域由超导带材水平堆叠而成，且所述每个三角形区域中单根超导带材的宽度按照堆叠后拼合成三角形截面的要求进行切割。
5.根据权利要求2所述的低压线圈，其特征在于，所述横截面为正方形的超导股线的线芯包括两个面积相同的三角形区域，每个三角形区域分别由若干数量的超导带材按照一定的方向堆叠而成，其中，一个三角形区域由超导带材沿着平行于正方形对角线的方向堆叠而成，另一个三角形区域由超导带材沿着垂直于正方形对角线的方向堆叠而成，且所述每个三角形区域中单根超导带材的宽度按照堆叠后拼合成三角形截面的要求进行切割。
6.根据权利要求1至5中任意一个所述低压线圈，其特征在于，所述绕制低压线圈的超导带材是一代高温超导带材或者二代高温超导带材。
7.根据权利要求6所述的低压线圈，其特征在于，所述低压线圈绕制在超导变压器内侧绕组位置或者外侧组位置。
8.一种超导变压器，所述超导变压器包括铁芯、低温容器、高压线圈、低压线圈、制冷机、泵、管道、上线圈夹板、下线圈夹板、固定杆、电流引线和电流引线通道，其中，高压线圈、低压线圈置于低温容器内，低温容器套装在铁芯上，制冷机与泵连接后，通过管道连通至低温容器，所述上线圈夹板位于高压线圈和低压线圈的上端部，所述下线圈夹板位于高压线圈和低压线圈的下端部，所述上线圈夹板和下线圈夹板平行放置，所述固定杆位于上线圈夹板和下线圈夹板中间，并平行于高压线圈和低压线圈，所述上线圈夹板和下线圈夹板用于紧固固定杆以固定线圈，电流引线从线圈夹板上引出，通过低温容器上的电流引线通道与制冷机相连，其特征在于，所述低压线圈是权利要求1至7中所述的任意一个。
9.根据权利要求8所述超导变压器，其特征在于，所述高压线圈采用高温超导带材、低温超导带材和铜导线中的任意一种绕制而成。
10.根据权利要求8所述的超导变压器，其特征在于，所述铁芯采用导磁材料制成，所述铁芯是单相铁芯或者多相铁芯。
11.根据权利要求7所述的超导变压器，其特征在于，所述高压线圈和低压线圈是螺旋式结构或者饼式结构。
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