CN111627683B - 一种超导限流变压器的绕组结构 - Google Patents

一种超导限流变压器的绕组结构 Download PDF

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Abstract

一种超导限流变压器的绕组结构，由一个n1层圆筒式高压绕组和多个并联的n2层圆筒式低压绕组构成，n1>＝2，n2>＝2。其中高压绕组和低压绕组的各层之间沿圆周等间距地放置绝缘条，同时起到层间绝缘和散热作用。高压绕组和低压绕组的端部法兰均采用星臂结构，以起到端部散热作用。高压绕组和低压绕组均采用不锈钢加强的YBCO超导带材。本发明在电力系统正常工作时，超导变压器线圈绕组处于超导状态，电阻为零，当电力系统出现故障的时候，高压绕组和低压绕组快速失超，从而实现限制故障电流的作用。

Description

一种超导限流变压器的绕组结构
技术领域
本发明涉及一种超导限流变压器的绕组。
背景技术
超导限流变压器综合了超导变压器与超导限流器的功能与技术优势，既具有超导变压器体积小、损耗低、单机容量大、过载能力强等优点，同时其潜在的故障限流能力又有助于提高电网的稳定性，能够在大容量输电、智能化城市电网和FACTS等领域发挥独特作用。超导限流变压器实现了超导电力装备功能的复合化，已成为国际上超导技术研发的热点之一。
德国、日本、美国和俄罗斯等国家先后进行了超导限流变压器的相关研究，并研制出试验样机。在国内，中国科学院电工研究所、中国电力科学研究院、华北电力大学、上海交通大学和云南电力科学研究院等单位也针对超导限流变压器的原理拓扑、结构和限流特性开展了初步探索。实用新型专利201720875639.3提出了一种超导限流变压器，采用了超导变压器绕组和超导限流绕组构成的复合式结构，发明专利201910506006.9提出了一种超导限流变压器，高压绕组采用第二代高温超导带材与不锈钢带材并联绕制，低压绕组采用不锈钢芯复合超导电缆导体绕制。上述专利均未涉及到超导限流变压器具体的绕组结构。
常规超导变压器绕组一般采用多层圆筒式、饼式或螺旋式结构，所采用的导体材料通常采用铜加强第一代超导带材或铜加强第二代超导带材绕制，短路故障下导体电阻和发热量都比较小，因此，常规超导变压器的高低压绕组一般都采用密绕线圈结构。对于超导限流变压器来说，如果采用无加强层或不锈钢加强层的第二代超导带材绕制，短路故障下限流电阻和发热量都比较大，如果绕组结构设计不当，将带来散热性能差、失超后恢复慢等问题，影响超导限流变压器的安全稳定运行。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的绕组散热性能较差、失超之后不易恢复等缺点，提出了一种超导限流变压器的绕组结构。本发明以圆筒式绕组为主要结构、由绝缘条组成层间散热通道，同时具备散热和绝缘的作用。另外，在圆筒式绕组的端部法兰采用星臂结构，可以极大提高超导限流变压器绕组端部的散热性能。
本发明技术方案如下：
本发明超导限流变压器的绕组由高压绕组和低压绕组组成，高压绕组同轴嵌套于低压绕组的外部。高压绕组由高压绝缘骨架、高压绕组接线端子、高压绕组超导带材和第一绝缘条组成。低压绕组由低压绝缘骨架、低压绕组接线端子、低压绕组超导带材和第二绝缘条组成。高压绕组超导带材和低压绕组超导带材采用Bi系或者Y系超导带材制作。
高压绕组为由m1根高压绕组超导带材绕制成n1层的圆筒式绕组，m1＝1,2，n1>＝2。圆筒式绕组的每层绕组由多根第一绝缘条隔开，每层相邻的第一绝缘条之间的间隙作为高压绕组的轴向散热通道。高压绕组的端部法兰采用星臂结构，作为高压绕组的端部散热通道以提高散热性能。高压绕组超导带材环绕在高压绕组绝缘骨架的外表面，每层高压绕组超导带材之间放置第一绝缘条，第一绝缘条沿圆周等间距地放置在高压绕组超导带材的表面。所述的第一绝缘条的两端镶嵌在高压绕组绝缘骨架端部的定位槽里面，绝缘条的自由度由骨架端部的定位槽约束。高压绕组接线端子通过紧固螺栓固定在高压绝缘骨架端部的螺纹孔中。
低压绕组为由多个m2根低压绕组超导带材绕制成n2层的圆筒式绕组，m2＝1,2，n2>＝2。每个圆筒式绕组的每层绕组由多根第二绝缘条隔开，每层相邻的第二绝缘条之间的间隙作为低压绕组的轴向散热通道。多个低压绕组的端部法兰均采用星臂结构，作为低压绕组的端部散热通道以提高散热性能。低压绕组超导带材环绕在低压绕组绝缘骨架的外表面，每层低压绕组超导带材之间放置第二绝缘条，第二绝缘条沿圆周等间距地放置在超导带材的表面，形成低压绕组的轴向散热通道；低压绕组接线端子通过紧固螺栓固定在绝缘骨架端部的螺纹孔中。低压绕组的多个圆筒式绕组并联是通过位于低压绝缘骨架端部多个铜连接柱和铜接线端子与多根铜导线实现的；铜导线通过压接或焊接固定到铜连接柱或铜接线端子上。
当低压绕组的圆筒式绕组采用两根低压绕组超导带材并绕时，为了避免并联导线之间产生较大环流，两根超导带材在每一层都需进行交叉换位。
本发明具有以下优点：
1.本发明超导限流变压器高、低压绕组均采用多层圆筒式结构，结构简单，散热效果好，相对常规电力变压器损耗低、限流深度大。液氮作为冷却以及绝缘介质，具有阻燃效果。
2.通过以绝缘条和绝缘骨架端部定位槽组成的层间散热通道，即圆筒式绕组的轴向散热通道作为主要散热通道，以绝缘骨架中的沿轴向和径向的阵列圆孔作为高压绕组的径向散热通道作为辅助散热通道，绝缘骨架端部法兰采用星臂结构，令液氮和超导带材充分接触，且散热通道通畅，使得超导限流变压器在正常运行及限流工况下散热效果良好，限流后可实现快速恢复。
附图说明
图1为超导限流变压器高低压绕组的结构示意图；
图2为超导限流变压器高压绕组的电路图；
图3为超导限流变压器低压绕组的电路图；
图4为超导限流变压器高压绕组结构示意图；
图5为超导限流变压器低压绕组结构示意图；
图6为圆筒式绕组层间散热通道及绝缘条示意图；
图7为圆筒式绕组两根带材交叉换位示意图。
具体实施方式
下面结合本实施例说明本发明超导限流变压器的绕组结构。
如图1所示，本发明超导限流变压器的高低压绕组均采用圆筒式结构，高压绕组同轴嵌套在低压绕组的外部。
如图2所示，本发明超导限流变压器的高压绕组采用多层圆筒式结构，层间留有散热通道。
如图3所示，本发明超导限流变压器的低压绕组采用分段的多层圆筒式结构，层间留有散热通道。
本发明超导限流变压器的绕组包括高压绕组1和低压绕组2。如图4所示，所述的高压绕组1由高压绕组绝缘骨架3、高压绕组接线端子4、高压绕组超导带材6和第一绝缘条8组成。如图5所示，所述的低压绕组2由低压绕组绝缘骨架9、低压绕组接线端子14、低压绕组超导带材17、第二绝缘条11组成。所述的高压绕组超导带材6、第一低压绕组超导带材12、第二低压绕组超导带材13采用Bi系或者Y系超导带材制作。
如图4所示，所述的高压绕组为由m1根超导带材6绕制成n1层的圆筒式绕组，m1＝1,2，n1>＝2。所述圆筒式绕组的每层绕组由多根第一绝缘条8隔开，每层相邻的第一绝缘条8之间的间隙作为高压绕组的轴向散热通道；高压绕组绝缘骨架3上开有多个散热孔19作为高压绕组1的径向散热通道。
如图4所示，所述的高压绕组超导带材6环绕在高压绕组绝缘骨架3的外表面，每层高压绕组超导带材6之间放置第一绝缘条8，第一绝缘条8沿圆周等间距地放置在高压绕组超导带材6的表面。所述第一绝缘条8的两端镶嵌在高压绕组绝缘骨架3端部的定位槽7里面，第一绝缘条8的自由度由高压绕组绝缘骨架3端部的定位槽7和超导带材6共同约束。所述的高压绕组接线端子4是通过紧固螺栓5固定在高压绝缘骨架3端部的螺纹孔中。
如图5所示，所述的低压绕组由4个n2层圆筒式绕组并联而成，n2>＝2；所述的n2层圆筒式绕组由m2根超导带材绕制而成n2>＝2，m2＝1,2。所述的n2层圆筒式绕组的每层由多根第二绝缘条11隔开，第二绝缘条11的端部镶嵌进低压绝缘骨架9端部的定位槽10中，被定位槽10所约束，形成低压绕组的散热通道。所述的低压绕组接线端子14通过紧固螺栓15固定在低压绝缘骨架9端部的螺纹孔中。所述的低压绕组2的4个圆筒式绕组并联是通过位于低压绝缘骨架9端部的2个铜接线低压绕组接线端子14和6个铜连接柱18、8根铜导线16实现的；所述的铜导线16通过压接或焊接固定到铜连接柱18或铜接线低压绕组接线端子14上。
图6所示为高压绕组层间散热通道及绝缘条的具体结构。圆筒式绕组的任意两层之间均由多根第一绝缘条8隔开，第一绝缘条8沿圆周等间距地放置在高压绕组超导带材6的表面。低压绕组2的各个圆筒式绕组的层间散热通道及绝缘条的具体结构与高压绕组1相同，不再详述。
图7所示为低压绕组2采用两根即第一低压绕组超导带材12、第二低压绕组超导带材13并绕时的交叉换位方法，第一低压绕组超导带材12和第二低压绕组超导带材13并联绕制多层，在每一层绕组的端部将第一低压绕组超导带材12和第二低压绕组超导带材(13)交叉换位，以避免并联导线之间产生较大环流。高压绕组在采用两根超导带材并绕时采用的交叉换位方法与低压绕组相同，不再详述。

Claims (1)

1.一种超导限流变压器的绕组结构，其特征在于：所述的超导限流变压器的绕组包括高压绕组（1）和低压绕组（2），高压绕组（1）同轴嵌套于低压绕组（2）的外部；所述的高压绕组（1）由高压绕组绝缘骨架（3）、高压绕组接线端子（4）、高压绕组超导带材（6）和第一绝缘条（8）组成；所述的低压绕组（2）由低压绕组绝缘骨架（9）、低压绕组接线端子（14）、第一低压绕组超导带材（12）、第二低压绕组超导带材（13）和第二绝缘条（11）组成；所述的高压绕组超导带材（6）和第一低压绕组超导带材（12）、第二低压绕组超导带材（13）采用不锈钢加强Y系超导带材制作；所述的高压绕组（1）为由m1根高压绕组超导带材（6）绕制成n1层的圆筒式绕组，m1=1,2、n1>=2；所述的圆筒式绕组的每层由多根第一绝缘条（8）隔开，每层相邻的第一绝缘条之间的间隙构成高压绕组的轴向散热通道；高压绕组超导带材（6）环绕在高压绕组绝缘骨架（3）的外表面，每层高压绕组超导带材之间放置第一绝缘条（8），第一绝缘条（8）沿圆周等间距地放置在高压绕组超导带材（6）的表面；高压绕组接线端子（4）通过紧固螺栓固定在高压绕组绝缘骨架（3）端部的螺纹孔中；所述的高压绕组绝缘骨架（3）的端部法兰采用星臂结构，构成高压绕组的端部散热通道；所述的低压绕组（2）由多个n2层圆筒式绕组并联而成，n2>=2；所述的n2层圆筒式绕组由m2根第一低压绕组超导带材（12）、第二低压绕组超导带材（13）并联绕制n2层，n2>=2，m2=1,2；第一低压绕组超导带材（12）、第二低压绕组超导带材（13）环绕在低压绕组绝缘骨架（9）的外表面；低压绕组（2）的每个圆筒式绕组的层间由多根第二绝缘条（11）隔开，第二绝缘条（11）沿圆周等间距放置在第一低压绕组超导带材（12）、第二低压绕组超导带材（13）的表面，第二绝缘条（11）的端部镶嵌进低压绕组绝缘骨架（9）端部的定位槽（10）中，每层相邻的第二绝缘条之间的间隙构成低压绕组的轴向散热通道；所述的低压绕组绝缘骨架（9）端部法兰采用星臂结构，构成低压绕组的端部散热通道；低压绕组接线端子（14）通过紧固螺栓固定在低压绕组绝缘骨架（9）端部的螺纹孔中；所述的高压绕组（1）的各层之间沿圆周等间距地放置第一绝缘条（8），所述的第一绝缘条（8）镶嵌在高压绕组绝缘骨架（3）端部的定位槽（7）里面，第一绝缘条（8）的自由度由高压绕组绝缘骨架（3）端部的定位槽约束；所述的低压绕组（2）的各个圆筒式绕组的层间散热通道及绝缘条的具体结构与高压绕组（1）相同；
所述的低压绕组（2）采用两根第一低压绕组超导带材（12）、第二低压绕组超导带材（13）并绕时，为了避免并联导线之间产生较大环流，两根第一低压绕组超导带材（12）、第二低压绕组超导带材（13）在每一层进行交叉换位；
所述的低压绕组的多个圆筒式绕组并联是通过位于低压绝缘骨架（9）端部的多个铜连接柱（18）和低压绕组接线端子（14）与多根铜导线（16）实现的，铜导线（16）通过压接或焊接固定到铜连接柱（18）或低压绕组接线端子（14）上；
通过以绝缘条和绝缘骨架端部定位槽组成的层间散热通道，即圆筒式绕组的轴向散热通道作为主要散热通道，以绝缘骨架中的沿轴向和径向的阵列圆孔作为径向散热通道，即径向散热通道作为辅助散热通道，绝缘骨架端部法兰采用星臂结构，令液氮和超导带材充分接触，且散热通道通畅，使得超导限流变压器在正常运行及限流工况下散热效果良好，限流后可实现快速恢复。
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