CN111627684A - 一种利用液氮和氟碳混合液体绝缘介质冷却的超导限流变压器 - Google Patents

一种利用液氮和氟碳混合液体绝缘介质冷却的超导限流变压器 Download PDF

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Abstract

一种利用液氮和氟碳混合介质冷却的超导限流变压器，由铁心(1)、高压超导绕组(2)、低压超导绕组(3)、带真空夹层的玻璃钢杜瓦(4)、液氮和氟碳混合液体绝缘介质(5)、高压出线端子(6)、低压出线端子(7)、制冷机(8)和低温泵(9)构成；高压超导绕组(2)、低压超导绕组(3)位于带真空夹层的玻璃钢杜瓦(4)内，玻璃钢杜瓦(4)内灌装有液氮和氟碳混合液体绝缘介质(5)；高压超导绕组(2)和低压超导绕组(3)由液氮和氟碳混合液体绝缘介质(5)冷却和绝缘。液氮和氟碳混合液体绝缘介质(5)由制冷机(8)直接冷却或制冷机(8)加低温泵(9)迫流循环冷却。

Description

一种利用液氮和氟碳混合液体绝缘介质冷却的超导限流变 压器
技术领域
本发明涉及一种超导限流变压器。
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、智能化城市电网和柔性交流输电系统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。
目前，超导限流变压器通常采用液氮作为制冷剂和绝缘介质，但液氮的运行温区很窄：65K-77K，超导限流变压器在发生过载、网侧短路和绝缘击穿等极端故障时，大的能量注入会导致液氮沸腾或爆沸，导致低温容器压力突增，带来非常严重的安全问题。另外，由于超导限流变压器的低温容器采用环氧玻璃钢制作，承压能力较弱，因此，由于液氮剧烈沸腾带来的安全问题更为显著。
发明内容
本发明的目的是针对现有限流变压器采用饱和液氮或过冷液氮直接冷却变压器绕组、限流时低温容器压力突增导致限流变压器的安全性难以保证的缺点，提出一种利用液氮和氟碳混合液体绝缘介质冷却的超导限流变压器。
经过初步理论计算和实验测试发现，液氮/四氟化碳(LN2/CF4)混合介质具有良好的流动传热和绝缘特性，可在50K-100K宽温区范围用于高温超导电力设备的冷却和绝缘，不仅可提升设备的运行参数，还可大幅降低在过载或极端故障情况下低温系统的压力。
本发明采用以下技术方案：
所述的超导限流变压器由铁心、高压超导绕组、低压超导绕组、带真空夹层的玻璃钢杜瓦、制冷机、液氮和氟碳混合液体绝缘介质、高压出线端子和低压出线端子，以及制冷机和低温泵构成。高压超导绕组、低压超导绕组位于玻璃钢杜瓦内部；玻璃钢杜瓦内灌装有液氮和氟碳混合液体绝缘介质；高压超导绕组和低压超导绕组由液氮和氟碳混合液体绝缘介质冷却和绝缘；液氮和氟碳混合液体绝缘介质由制冷机直接冷却或制冷机加低温泵迫流循环冷却。高压出线端子和低压出线端子分别与高压超导绕组和低压超导绕组相连接，安装于玻璃钢杜瓦的上盖板上。液氮和氟碳混合液体绝缘介质可采用两种方式进行冷却：在液氮和氟碳混合液体绝缘介质由制冷机直接冷却的情况下，制冷机安装于玻璃钢杜瓦的上盖板上；在液氮和氟碳混合液体绝缘介质由制冷机加低温泵迫流循环冷却的情况下，制冷机和低温泵安装于玻璃钢杜瓦的外部，低温泵与低温管道、换热器和玻璃钢杜瓦连接形成循环回路，并由制冷机冷却。制冷机的最低工作温度在50K以下。所述的超导限流变压器的高压超导绕组和低压超导绕组稳态运行时的工作温度为50K-60K，限流状态时的最高温度为120K以下，玻璃钢杜瓦的最高压力为0.5MPa以下。
液氮和氟碳混合液体绝缘介质为液氮和液化四氟化碳的混合物，液氮和液化四氟化碳的摩尔比为45％-90％，凝固点为50K-60K，泡点为80K-100K。
本发明具有以下优点：
(1)本发明可有效提升超导限流变压器的载流和绝缘性能，由于液氮和氟碳混合液体绝缘介质具有较低的凝固点，超导限流变压器可以运行在50-60K，载流能力更强。由于混合液体绝缘介质具有较高的泡点，在限流状态下无气泡产生或降低气泡的数量，绝缘性能更强。
(2)本发明可有效降低系统运行压力，提升系统的安全性。
附图说明
图1为本发明具体实施例1制冷机直接冷却的单相三柱超导限流变压器结构图；
图2为本发明具体实施例2迫流循环冷却的单相三柱超导限流变压器结构图；
图3为N2和CF4的固液相平衡图；
图4为N2和CF4的气液相平衡图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
图1所示为本发明实施例1采用制冷机直接冷却的单相三柱超导限流变压器的结构。所述的超导限流变压器由铁心1、高压超导绕组2、低压超导绕组3、带真空夹层的玻璃钢杜瓦4、液氮和氟碳混合液体绝缘介质5、高压出线端子6、低压出线端子7和制冷机8构成。高压超导绕组2、低压超导绕组3位于带真空夹层的玻璃钢杜瓦4内部；玻璃钢杜瓦4内灌装有液氮和氟碳混合液体绝缘介质5；高压超导绕组2和低压超导绕组3由液氮和氟碳混合液体绝缘介质5冷却和绝缘；液氮和氟碳混合液体绝缘介质5由制冷机8直接冷却冷却。高压出线端子6和低压出线端子7分别与高压超导绕组2和低压超导绕组3相连接，安装于玻璃钢杜瓦4的上盖板上；制冷机8安装于带真空夹层的玻璃钢杜瓦4的上盖板上；制冷机8的最低工作温度在50K以下；超导限流变压器的高压超导绕组2和低压超导绕组3稳态运行时的工作温度为50K-60K，限流状态时的最高温度为120K以下，玻璃钢杜瓦4的最高压力为0.5MPa以下。
图2所示为本发明实施例2采用制冷机和液氮泵迫流循环冷却的单相三柱超导限流变压器的结构。所述的超导限流变压器由铁心1、高压超导绕组2、低压超导绕组3、带真空夹层的玻璃钢杜瓦4、液氮和氟碳混合液体绝缘介质5、高压出线端子6、低压出线端子7、制冷机8和低温泵9构成。高压超导绕组2、低压超导绕组3位于带真空夹层的玻璃钢杜瓦4内部；玻璃钢杜瓦4内灌装有液氮和氟碳混合液体绝缘介质5；高压超导绕组2和低压超导绕组3由液氮和氟碳混合液体绝缘介质5冷却和绝缘。液氮和氟碳混合液体绝缘介质5由制冷机8和低温泵9迫流循环冷却，高压出线端子6和低压出线端子7分别与高压超导绕组2和低压超导绕组3相连接，安装于玻璃钢杜瓦4的上盖板上；制冷机8和低温泵9安装于带真空夹层的玻璃钢杜瓦4的外部，低温泵9与低温管道、换热器和玻璃钢杜瓦4连接形成循环回路，并由制冷机8冷却；制冷机8和低温泵9的最低工作温度在50K以下；超导限流变压器的高压超导绕组2和低压超导绕组3稳态运行时的工作温度为50K-60K，限流状态时的最高温度为120K以下，玻璃钢杜瓦4的最高压力为0.5MPa以下。
以上发明实施例中采用液氮和氟碳混合液体绝缘介质5为液氮和液化四氟化碳的混合物，液氮和液化四氟化碳的摩尔比为45％-90％，凝固点为50K-60K，泡点为80K-100K，具体如图3和图4所示。
虽然本发明参照某些优选实施方案进行了详述，但本领域技术人员将会认识到在权利要求书的范畴内还有其它实施方案。例如，本发明超导限流变压器还可以采用单相两柱、三相三柱和三相五柱结构。

Claims (2)

1.一种利用液氮和氟碳混合液体绝缘介质冷却的超导限流变压器，其特征在于：所述的超导限流变压器由铁心(1)、高压超导绕组(2)、低压超导绕组(3)、带真空夹层的玻璃钢杜瓦(4)、液氮和氟碳混合液体绝缘介质(5)、高压出线端子(6)和低压出线端子(7)、制冷机(8)和低温泵(9)构成；高压超导绕组(2)、低压超导绕组(3)位于带真空夹层的玻璃钢杜瓦(4)内部；玻璃钢杜瓦(4)内灌装有液氮和氟碳混合液体绝缘介质(5)；高压超导绕组(2)和低压超导绕组(3)由液氮和氟碳混合液体绝缘介质(5)冷却和绝缘；液氮和氟碳混合液体绝缘介质(5)由制冷机(8)直接冷却或制冷机(8)加低温泵(9)迫流循环冷却；高压出线端子(6)和低压出线端子(7)分别与高压超导绕组(2)和低压超导绕组(3)相连接，安装于玻璃钢杜瓦(4)的上盖板上；在液氮和氟碳混合液体绝缘介质(5)由制冷机(8)直接冷却的情况下，制冷机(8)安装于玻璃钢杜瓦(4)的上盖板上；在液氮和氟碳混合液体绝缘介质(5)由制冷机(8)加低温泵(9)迫流循环冷却的情况下，制冷机(8)和低温泵(9)安装于玻璃钢杜瓦(4)的外部；低温泵(9)与低温管道、换热器和玻璃钢杜瓦(4)连接形成循环回路，并由制冷机(8)冷却；制冷机(8)和低温泵(9)的最低工作温度在50K以下；超导限流变压器的高压超导绕组(2)和低压超导绕组(3)稳态运行时的工作温度为50K-60K，限流状态时的最高温度为120K以下，带真空夹层的玻璃钢杜瓦(4)的最高压力为0.5MPa以下。
2.根据权利要求1所述的超导限流变压器，其特征在于：所述的液氮和氟碳混合液体绝缘介质(5)为液氮和液化四氟化碳的混合物，液氮和液化四氟化碳的摩尔比为45％-90％，凝固点为50K-60K，泡点为80K-100K。
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