CN111224389A - 一种有感阻性高温超导直流限流器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种有感阻性高温超导直流限流器，包括形成电流通路的超导材料；超导材料由法兰盘及拉杆进行轴向的拉紧固定；超导材料在单层平面内按照等距螺旋函数形成的螺旋状电流通路为一超导层；超导层和绝缘层依次交替堆叠设置；相邻的超导层通过相同端部的连接形成单一螺旋方向的单向通路；在两端头的超导层上还设置了电流引线。本发明采用ReBCO涂层材料制作螺旋形超导片，拓展了高温超导材料的应用范围；将螺旋形超导片按照一定规律堆叠、连接，再经固定装置固定，构成具有一定电感的阻性高温超导直流限流器，能有效地抑制故障电流峰值和上升率。
Description
技术领域
本发明涉及限流器领域,特别是一种有感阻性高温超导直流限流器。
背景技术
随着社会的进步和经济的发展，输配电网规模不断扩大，变电站容量、城市和工业中心负荷密度的增长和电网互联程度不断提高，电网的短路电流值的也不断上升。为了提高电网运行安全可靠性，减少大规模电力设备的更换以及短路电流对电力设备的冲击，世界各国都开始对各种限流技术进行研究，包括机械开关灭弧、自愈合溶丝、空心电抗器、固态限流器等。从20世纪年代后期高温超导材料的研究取得了突破，促进了高温超导技术在电力系统中的应用，其中高温超导故障限流器就是重要应用之一。
直流电力系统因其位置布置灵活、维护费用低，调速性能好而受到人们的青睐。舰船、飞机、移动通讯、石油钻井平台等独立电力系统中都存在着大功率直流电源。在这些独立系统中,直流系统的故障保护问题是影响整个系统安全运行的突出问题。为了解决舰船等系统运行所要求的高稳定性和可靠性，必须发展直流系统保护装置。目前,人们主要采用直流断路器来对直流电力系统进行故障保护，如一种带转换电路的交流断路器保护装置，该装置可开断高压直流，但存在过电压和结构复杂的缺点，并且断路器还存在高损耗、体积大等缺点。超导限流技术的发展成功克服了断路器和普通限流器的缺点，将成为未来直流电力系统保护装置的发展方向。
高压直流电网故障暂态特性与交流电网有着本质的不同，直流短路故障电流由短路初期快速上升的冲击电流和故障后期的持续电流构成。直流系统及其控制保护要求抑制初期短路电流的上升率以缓解换流站桥臂解锁压力，抑制后期持续短路电流以保证故障切除并迅速恢复系统正常运行。纯电阻型超导限流器在失超初期限流电阻没有达到最大值，抑制短路电流上升率效果较差，自恢复时间长，对故障电网快速恢复不利。纯电感型限流器能快速抑制短路电流上升率，但无法抑制后期持续短路电流。本发明提出一种有感阻性超导直流限流器，在短路故障初期以电感限流，故障后期以电阻限流。有感绕制、失超型超导线圈可实现此限流任务，能有效限制故障电流。
发明内容
本发明的技术方案是：一种有感阻性高温超导直流限流器，其主体结构为层状堆叠结构，其由高温超导螺旋片形成的超导层和绝缘片形成的绝缘层交替堆叠而成。在每两个超导层之间设置一层绝缘层，即在每两片高温超导螺旋片之间为一片绝缘片。在两端处的高温超导螺旋片上连接电流引线，用于电流接入和接出。整个结构由固定装置进行拉紧，固定装置包括法兰盘、拉杆和固定孔。
超导层是超导材料在单层平面内按照等距螺旋函数形成的螺旋状电流通路。
优选的是，所述绝缘层为绝缘片；所述绝缘片由PPLP绝缘纸切割而成。
优选的是，超导层为高温超导螺旋片，高温超导螺旋片被切割成螺旋状电流通路；高温超导螺旋片包括衬底、缓冲层、ReBCO薄膜和保护层。
优选的是，高温超导螺旋片由圆形ReBCO高温超导片经激光切割而成；高温超导螺旋片的切割方法：以ReBCO高温超导片的圆心为起点，按等距螺旋函数切割出0.1~0.2mm的螺旋形通槽；通槽将整个超导片切透贯穿。在实际切割过程中两种切割方法完全相同，螺旋形超导片Ⅰ正反面翻转后即变成螺旋形超导片Ⅱ，反之亦然。绝缘片由PPLP绝缘纸切割成两种形状：绝缘片Ⅰ和绝缘片Ⅱ。
相邻两片高温超导螺旋片以内端部连接时，采用圆环形的绝缘片Ⅰ；相邻两片高温超导螺旋片以外端部连接时，采用边沿带缺口的绝缘片Ⅱ。绝缘片Ⅱ的缺口径向宽度为高温超导螺旋片的超导带宽度，其缺口弧长大于等于超导带的电流转移长度。
优选的是，在所述螺旋形通槽内填充环氧树脂，起到绝缘加固的作用。
相邻两超导层之间相连接的端部采用焊锡焊接或银箔压接或铟箔压接的方式连接，每个超导层都包括螺旋中心的内端部、螺旋尽头的外端部，而相邻的超导层通过相同端部的连接形成单一螺旋方向的单向通路。
优选的是，高温超导螺旋片和绝缘片按要求切割好后，上部的电流引线与最上面第一片高温超导螺旋片的外端部相连，电流经内端部从第一片高温超导螺旋片流向第二片高温超导螺旋片，再经外端部从第二片高温超导螺旋片流向第三片高温超导螺旋片，这样依次堆叠、连接下去，最后电流经最下面最后一片高温超导螺旋片的外端部流出。下部电流引线与最下面第一片高温超导螺旋片的外端部相连，电流经电流引线流出限流器。按该方法堆叠和连接后，每片超导片中的电流流向相同，整个限流器具有一定的电感，通过改变超导片的半径和数目可以改变限流器的电感和电阻。
本发明的原理为：用激光把超导片的超导面切割为螺旋带状结构，然后根据电流旋转方向相同的原则对螺旋形超导片的端部进行焊接或银箔（铟箔）压接的方式连接，使电流沿同一方向传递下去，使得整个限流器具有一定的电感和电阻。直流电流正常通流时，限流器的感抗为零，且处于超导状态，限流器总的阻抗为零。在发生故障电流时，故障初期电流迅速上升，但电流低于临界电流，限流器仍处于超导状态，但感抗迅速增大，从而在故障初期，感抗部分可有效抑制故障电流上升率。在故障电流持续期间，电流大于临界电流，限流器从超导态迅速变为正常态，电阻迅速增大，从而抑制故障电流峰值，故在故障电流持续期间限流器的电阻部分可有效抑制故障持续电流的峰值。
本发明的优点是：采用ReBCO涂层材料制作螺旋形超导片，拓展了高温超导材料的应用范围；将螺旋形超导片按照一定规律堆叠、连接，再经固定装置固定，构成具有一定电感的阻性高温超导直流限流器，能有效地抑制故障电流峰值和上升率。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1 采用激光切割方法成型的两种高温超导螺旋片的对比示意图；
图2对应不同连接位置的两种绝缘片的对比示意图；
图3高温超导螺旋片与绝缘片的交叠状态图；
图4感阻性高温超导直流限流器的结构图；
其中：11、第一高温超导螺旋片；12、第二高温超导螺旋片；13、切割缝；111、外端部；112、内端部；21、第一绝缘片；22、第二绝缘片；31、第一电流引线；32、第二电流引线；41、固定孔；42、法兰盘；43、拉杆。
具体实施方式
实施例1：
如附图1所示，一种有感阻性高温超导直流限流器，采用激光切割方法对圆形ReBCO高温超导片进行超导面的切割加工。如图1所示，其中1-（a）和1-（b）分别为两种螺旋方向的高温超导螺旋片，即1-（a）翻转过后是1-（b）。将圆形ReBCO高温超导片按照1-（a）的螺旋曲线规律从中心往外利用激光切割成螺旋形超导片，其中圆形ReBCO高温超导片厚度为0.2mm，切割缝13即螺旋形通槽宽0.1mm，每片高温超导螺旋片切割5圈，每圈宽度为12mm。切割时将超导片彻底切穿，保证切割缝两侧彻底分离不导电，制成高温超导螺旋片11，形成切割缝13、外端部111和内端部112，螺旋形超导片11直径最大处为121mm。伴随产品尺寸与产品信号的不同，具体的设计参数根据实际尺寸进行设计，一般高温超导螺旋片切割圈数不得低于3圈，每圈的宽度不得少于2mm。
以上述的高温超导螺旋片为一单独的超导层，超导层和绝缘片形成的绝缘层交替堆叠设置。相邻两超导层之间相连接的端部采用焊锡焊接或银箔压接或铟箔压接的方式连接，每个超导层都包括螺旋中心的内端部、螺旋尽头的外端部，而相邻的超导层通过相同端部的连接形成单一螺旋方向的单向通路。
由于激光切割方式是高温超导螺旋片目前最主要的加工成型方式，其对于高温超导螺旋片的质地影响最小，最能满足其正常的工作属性。因此，本实施例中选用激光切割所成型的高温超导螺旋片。但是该实施例并不是本发明方案的技术限制，也可以通过一些其他成型方式进行高温超导螺旋片的获取，即便影响超导材料的性能，但最终以获得具有本发明特点的超导层为目的。
实施例2：
高温超导螺旋片与绝缘片交替层叠设置，因此为了配合相邻高温超导螺旋片之间的连接位置，绝缘片需要在对应区域开设缺口。图2为绝缘纸切割示意图，其中2-（a）和2-（b）分别为两种形状的绝缘片，厚度均为0.18mm。利用相应刀具将PPLP绝缘纸切割成圆环状绝缘片21和边缘有缺口的绝缘片22。在切割过程中保证切割边沿光滑没有毛刺，保持其良好的绝缘特性。绝缘片21用于相邻两高温超导螺旋片内端部连接时之间的绝缘，其内直径为25mm，外直径为121mm；绝缘片22用于相邻两高温超导螺旋片外端部连接时之间的绝缘，其直径为121mm，缺口处宽度为12mm，缺口处弧长为20mm。
实施例3：
图3和图4分别为高温超导螺旋片与绝缘片的交叠状态图和有感阻性高温超导直流限流器的结构图。如图3整个结构均可以：第一高温超导螺旋片11、第一绝缘片21、第二高温超导螺旋片12、第二绝缘片22为一个单元组。首先将绝缘片21至于第一高温超导螺旋片11和第二高温超导螺旋片12之间，将第一高温超导螺旋片11的内端部和第二高温超导螺旋片12的内端部采用焊接或银箔（银箔）压接的方式，两个内端部穿过第一绝缘片21的中间圆孔连接起来。然后往下叠放第一绝缘片22和第二个单元组，第二个单元组中的第一螺旋形超导片11和上一组中第二高温超导螺旋片12的外端部穿过第二绝缘片22的边缘缺口连接起来。按此规律将成百上千的高温超导螺旋片和绝缘片堆叠和连接下去，并在堆叠和连接过程中，在高温超导螺旋片的切割缝之间填充满环氧胶，其固化后起到绝缘和支撑作用。最后在最上面一片高温超导螺旋片的外端部焊接上第一电流引线31，最下面一片高温超导螺旋片的外端部焊接上第二电流引线32。
如图4所示，在堆叠连接好的高温超导螺旋片和绝缘片的上下两端各加一个法兰盘，每个法兰盘上各设置4个固定孔41，将4根拉杆43穿过固定孔，用螺栓拧紧，从而实现对限流器的固定。至此，传导冷却超导磁体制作完成。螺旋形超导片总数为1000片，限流器最大直径约125mm，高度约400mm，失超后总电阻约19W，总电感约36mH，时间常数约1.9ms。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明的。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明的所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (9)
1.一种有感阻性高温超导直流限流器，包括形成电流通路的超导材料；超导材料由法兰盘及拉杆进行轴向的拉紧固定；其特征在于：所述超导材料在单层平面内按照等距螺旋函数形成的螺旋状电流通路为一超导层；超导层和绝缘层依次交替堆叠设置；相邻的超导层通过相同端部的连接形成单一螺旋方向的单向通路；在两端头的超导层上还设置了电流引线。
2.根据权利要求1所述的一种有感阻性高温超导直流限流器，其特征在于：所述超导层为高温超导螺旋片；所述高温超导螺旋片被切割成螺旋状电流通路。
3.根据权利要求2所述的一种有感阻性高温超导直流限流器，其特征在于：所述高温超导螺旋片包括衬底、缓冲层、ReBCO薄膜和保护层。
4.根据权利要求3所述的一种有感阻性高温超导直流限流器，其特征在于：所述高温超导螺旋片由圆形ReBCO高温超导片经激光切割而成；以ReBCO高温超导片的圆心为起点，按等距螺旋函数切割出0.1~0.2mm的螺旋形通槽。
5.根据权利要求4所述的一种有感阻性高温超导直流限流器，其特征在于：在所述螺旋形通槽内填充环氧树脂。
6.根据权利要求1或3所述的一种有感阻性高温超导直流限流器，其特征在于：相邻两超导层按照螺旋方向相反的关系放置。
7.根据权利要求6所述的一种有感阻性高温超导直流限流器，其特征在于：所述超导层包括螺旋中心的内端部、螺旋尽头的外端部。
8.根据权利要求1或7所述的一种有感阻性高温超导直流限流器，其特征在于：相邻两超导层之间相连接的端部采用焊锡焊接或银箔压接或铟箔压接的方式连接。
9.根据权利要求8所述的一种有感阻性高温超导直流限流器，其特征在于：所述绝缘层为绝缘片；所述绝缘片由PPLP绝缘纸切割而成。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20200602 |