CN116995631A - 一种复合缆线超导限流器及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于限流器技术领域，公开一种复合缆线超导限流器及其工作方法；所述限流器，包括：固定支架和若干复合缆线超导限流单元；所述若干复合缆线超导限流单元固定设置于固定支架上；所述复合缆线超导限流单元包括金属管骨架、绝缘层、超导层和护套层；所述金属管骨架为中空金属管，形成内冷媒输送通道；金属管骨架外周绕制有绝缘层；所述绝缘层外周绕制有超导层；所述超导层外周绕制有护套层。本发明用于解决高压电网大电流限流的问题，相比常规超导限流器，损耗更小，更为安全，结构更灵活。
Description
技术领域
本发明属于限流器技术领域，特别涉及一种复合缆线超导限流器及其工作方法。
背景技术
随着生产生活对电力需求的不断增长，电网规模也在不断扩张。然而，电网中短路故障电流的等级不断提升，已经严重威胁到电力设备和人员财产的安全。国内外都曾多次发生由电网短路故障导致的大面积停电事故，这警示我们必须对未来电网进行建设和发展。因此，限制短路故障电流等级成为输配电领域中的研究热点，目的是减少短路故障电流对电力系统的冲击和损害。
限流器是一种特别用于限制电流的装置；传统限流器是使用传统材料按一定电路拓扑构造的。但传统材料的电阻率无法降低至0，因此存在稳态损耗。无论采用何种电路拓扑，当电流通过电阻时，根据焦耳定律，就会产生发热消耗电能。长时间并网运行后，这将带来大量的经济成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种复合缆线超导限流器及其工作方法，以解决传统限流器稳态损耗较大的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
第一方面，本发明提供一种复合缆线超导限流器，包括：固定支架和若干复合缆线超导限流单元；
所述若干复合缆线超导限流单元固定设置于固定支架上；
所述复合缆线超导限流单元包括金属管骨架、绝缘层、超导层和护套层；所述金属管骨架为中空金属管，形成内冷媒输送通道；金属管骨架外周绕制有绝缘层；所述绝缘层外周绕制有超导层；所述超导层外周绕制有护套层。
本发明进一步的改进在于：所述固定支架包括上底座和下底座；上底座和下底座均为绝缘材料制成；上底座和下底座平行设置，之间通过若干支撑杆固定；所述若干复合缆线超导限流单元固定设置于上底座和下底座之间。
本发明进一步的改进在于：所述若干复合缆线超导限流单元的超导层串联或者并联。
本发明进一步的改进在于：绝缘层由两根Kapton胶带螺旋叠绕于金属管骨架表面，使得超导层与金属管骨架之间绝缘。
本发明进一步的改进在于：所述护套层为不锈钢护套层；不锈钢护套层螺旋绕制于超导层表面，且螺旋方向与绝缘层的Kapton胶带螺旋方向相同。
本发明进一步的改进在于：超导层包括绕制于绝缘层上的第一超导层，第一超导层上绕制有第二超导层；第一超导层和第二超导层的螺旋方向相反。
本发明进一步的改进在于：超导层包括绕制于绝缘层上的堆叠扭绕式超导缆线。
本发明进一步的改进在于：还包括内冷媒冷氦气冷却泵；金属管骨架的上端连接内冷媒冷氦气冷却泵的出口，金属管骨架的下端连接内冷媒冷氦气冷却泵的入口，构成内冷媒循环通道。
本发明进一步的改进在于：所述固定支架和若干复合缆线超导限流单元浸泡在外冷媒液氮中。
第二方面，本发明提供一种复合缆线超导限流器的工作方法，包括：
将固定支架和若干复合缆线超导限流单元浸泡在外冷媒液氮中，对复合缆线超导限流单元的外部冷却；
将内冷媒冷氦气沿复合缆线超导限流单元的金属管骨架内部的内冷媒输送通道从上端流向下端循环流动，对复合缆线超导限流单元的内部冷却。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明提供一种复合缆线超导限流器及其工作方法；所述限流器，包括：固定支架和若干复合缆线超导限流单元；所述若干复合缆线超导限流单元固定设置于固定支架上；所述复合缆线超导限流单元包括金属管骨架、绝缘层、超导层和护套层；所述金属管骨架为中空金属管，形成内冷媒输送通道；金属管骨架外周绕制有绝缘层；所述绝缘层外周绕制有超导层；所述超导层外周绕制有护套层。本发明在超导层外设置一层护套层，一是，复合缆线超导限流单元有不锈钢护套层参与分流，限流的同时也能保护超导带材，不让超导带材处于过高的过电流状态；二是这种复合缆线结构的复合缆线超导限流单元制备方便，参数可调，可以根据实际的使用场景和限流需求来调整串联(也就是用电气接头连接)的限流单元数目，达到要求的限流性能；解决传统限流器稳态损耗较大的技术问题同时，更为安全，结构更灵活。
进一步的，本发明一种复合缆线超导限流器，克服了目前传统限流器的稳态损耗问题、体积质量较大及可靠性问题。本发明的复合缆线高温超导限流器具有稳态损耗极低、限流性能好、响应速度快、小巧灵活的优点。
进一步的，常规下，多超导带材并联使用，通过不断换位减小导线间的不平衡电流，但这种多根超导带材并绕的方法因超导带材的零电阻特性，使得导线支路间微小漏电抗引起的不平衡电流增如了交流损耗，使得磁场分布不均匀，从而降低了超导带材的临用电流。本发明通过使超导层数为偶数和尽可能减少层数的方法，来减小复合缆线通流产生的轴向分量磁场和交流损耗，从而增加复合缆线中超导体的临界电流，提高性能。
进一步的，传统限流器无论如何进行设计和拓扑结构的优化，在长期并网时，都无法避免由稳态损耗导致的电能损失，从而产生巨大的经济成本。本发明所述的复合缆线超导限流器与传统限流器相比，稳态运行下损耗极低，且几乎不会影响电网的稳态运行；超导体失超后电阻大幅增加，故限流性能高；能在超导体失超后立即起到限流作用，响应速度快。
进一步地，本发明所述的复合缆线超导限流器采用多层并绕结构的复合缆线超导限流单元，可以灵活地针对不同的限流要求进行长度上和数量上的调整，具有体积小、重量轻、拓展性强的优势。
进一步的，本发明一种复合缆线超导限流器具有极低的损耗：复合缆线超导限流器在稳态运行下的损耗几乎为零，对电网的稳态运行几乎不造成影响。
进一步的，本发明一种复合缆线超导限流器具有高限流性能：复合缆线超导限流器的限流特性具有非常好的控制性能，当电流超过其临界值时，限流器会自动起作用将电流限制在安全范围内。采用多根超导带材分层并绕结构的超导复合缆线在大电流冲击下，所能达到的最大限流率不低于50％。
进一步的，本发明一种复合缆线超导限流器响应速度快：由于复合缆线超导限流器的限流特性，复合缆线在失超时就可以产生限流作用，因此其响应速度比传统限流器更快，可以更快地对电流进行调节。复合缆线超导限流器的限流单元普遍具有毫秒级的限流响应时间。
进一步的，本发明一种复合缆线超导限流器小体积、轻重量、可拓展：超导材料本身具有非常小的直径和重量，复合缆线结构更使得单个限流单元的直径小于8mm；通过多层并绕的方式，技术上单个限流单元可以达到百米级长度。复合缆线超导限流器因此可以设计成非常紧凑小巧的形式，方便安装和维护；亦可以根据限流需求和电流水平，对限流单元采取串并联的方式进行组合，从而提升复合缆线超导限流器的额定电流和限流能力。
进一步的，本发明一种复合缆线超导限流器采用外冷媒液氮和内冷媒冷氦气等作为冷却介质，降低了引发火灾的隐患。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，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申请的一些实施例，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他的附图。
图1为本发明一种复合缆线超导限流器的部分结构示意图；
图2为本发明一种复合缆线超导限流器的平面展开结构示意图。
附图中：1-复合缆线超导限流单元；2-内冷媒输送管；3-电气接头；4-上底座；5-下底座；6-不锈钢支撑杆；7-铜管骨架；8-绝缘层；9-第一超导层；10-第二超导层；11-不锈钢护套层；12-堆叠扭绕式超导缆线；13-内冷媒冷氦气冷却泵。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本发明所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
实施例1
请参阅图1所示，本发明提供一种复合缆线超导限流器，包括上底座4和下底座5；
上底座4和下底座5均呈圆盘状，有环氧树脂制成；上底座4和下底座5之间固定有若干不锈钢支撑杆6，用于支撑整个超导限流器结构。
上底座4和下底座5之间还安装有若干复合缆线超导限流单元1。
复合缆线超导限流单元1包括用于结构支撑和流通冷氦气的铜管骨架7，铜管骨架7中空形成内冷媒输送通道；铜管骨架7上绕制绝缘层8，绝缘层8上绕制第一超导层9，第一超导层9上绕制第二超导层10，第二超导层10上绕制有不锈钢护套层11；复合缆线超导限流单元1为多层并绕式复合缆线超导限流单元。在一具体实施方式中，超导层由两根超导带材平行螺旋绕制于绝缘层8表面，为偶数层，螺旋方向相反。
在一具体实施方式中，上底座4和下底座5上设有若干凹槽，凹槽内安装有电气接头3；电气接头3为具有一定厚度的打孔铜片，用于将复合缆线超导限流器中相邻的复合缆线超导限流单元1串联/并联。复合缆线超导限流单元1可以根据实际的限流要求来增加长度或者增加串联数量以提高复合缆线超导限流器的限流能力；复合缆线超导限流单元1也可以根据实际的限流要求增加并联数量以提高复合缆线超导限流器的临界电流。
在一具体实施方式中，绝缘层8由两根Kapton胶带螺旋叠绕于铜管骨架7表面，使得超导层与铜管骨架7之间绝缘。不锈钢护套层11螺旋绕制于超导体层表面，且螺旋方向与绝缘层8的Kapton胶带螺旋方向相同。
请参阅图2所示，本发明一种复合缆线超导限流器，还包括内冷媒输送管2和内冷媒冷氦气冷却泵13；上底座4和下底座5上安装有多个内冷媒输送管2；每个铜管骨架7的上下两个个连接一个内冷媒输送管2。上底座4上设置的多个内冷媒输送管2的入口连接内冷媒冷氦气冷却泵13的出口，下底座5上设置的多个内冷媒输送管2的出口连接内冷媒冷氦气冷却泵13的入口，构成内冷媒循环通道；使得内冷媒冷氦气沿复合缆线超导限流单元1内部内冷媒输送通道从上端流向下端，并回到内冷媒冷氦气冷却泵13重新冷却后，再次流入内冷媒输送管2，用于冷却复合缆线超导限流单元1，实现循环流动，并与外冷媒共同实现对复合缆线超导限流单元1的双重冷却。电气接头3将相邻的复合缆线超导限流单元1串联，根据需求可以调整所串联的复合缆线超导限流单元1的数目，从而调整复合缆线超导限流器的限流电阻。
内冷媒输送管2中的冷氦气流经复合缆线超导限流单元1的铜管骨架7空心部分，与外冷媒液氮形成双重冷却，电气接头3将相邻的复合缆线超导限流单元1的超导层串联，上底座4和下底座5及其之间的不锈钢支撑杆6用于固定复合缆线超导限流单元1，构成复合缆线超导限流器整体。
本实施例中，复合缆线超导限流器中的复合缆线超导限流单元1在类型、长度、数目和串并联方式上可以灵活选取，从而得到不同限流电阻的复合缆线超导限流器。
实施例2
实施例2为基于以上多层并绕式复合缆线超导限流器的设计方法，复合缆线超导限流单元1也可以使用堆叠扭绕式复合缆线超导限流单元，如图1所示，将多层并绕式复合缆线超导限流单元1的超导层(第一超导层9和第一超导层10)去除，替换为堆叠扭绕式超导缆线12，即得到堆叠扭绕式复合缆线超导限流单元。
实施例3
本发明提供一种复合缆线超导限流器的工作方法，基于实施例1或2所述的一种复合缆线超导限流器，包括：
将整个复合缆线超导限流器浸入液氮中；液氮为复合缆线超导限流器提供外部冷却；
内冷媒冷氦气冷却泵13工作，将内冷媒冷氦气沿复合缆线超导限流单元1内部内冷媒输送通道从上端流向下端，并回到内冷媒冷氦气冷却泵13重新冷却后，再次流入内冷媒输送管2，用于冷却复合缆线超导限流单元1，实现循环流动，并与外冷媒共同实现对复合缆线超导限流单元1的双重冷却。
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。
Claims (10)
1.一种复合缆线超导限流器，其特征在于，包括：固定支架和若干复合缆线超导限流单元(1)；
所述若干复合缆线超导限流单元(1)固定设置于固定支架上；
所述复合缆线超导限流单元(1)包括金属管骨架、绝缘层(8)、超导层和护套层；所述金属管骨架为中空金属管，形成内冷媒输送通道；金属管骨架外周绕制有绝缘层(8)；所述绝缘层(8)外周绕制有超导层；所述超导层外周绕制有护套层。
2.根据权利要求1所述的一种复合缆线超导限流器，其特征在于，所述固定支架包括上底座(4)和下底座(5)；上底座(4)和下底座(5)均为绝缘材料制成；上底座(4)和下底座(5)平行设置，之间通过若干支撑杆固定；所述若干复合缆线超导限流单元(1)固定设置于上底座(4)和下底座(5)之间。
3.根据权利要求1所述的一种复合缆线超导限流器，其特征在于，所述若干复合缆线超导限流单元(1)的超导层串联或者并联。
4.根据权利要求1所述的一种复合缆线超导限流器，其特征在于，绝缘层(8)由两根Kapton胶带螺旋叠绕于金属管骨架表面，使得超导层与金属管骨架之间绝缘。
5.根据权利要求4所述的一种复合缆线超导限流器，其特征在于，所述护套层为不锈钢护套层(11)；不锈钢护套层(11)螺旋绕制于超导层表面，且螺旋方向与绝缘层(8)的Kapton胶带螺旋方向相同。
6.根据权利要求1所述的一种复合缆线超导限流器，其特征在于，超导层包括绕制于绝缘层(8)上的第一超导层(9)，第一超导层(9)上绕制有第二超导层(10)；第一超导层(9)和第二超导层(10)的螺旋方向相反。
7.根据权利要求1所述的一种复合缆线超导限流器，其特征在于，超导层包括绕制于绝缘层(8)上的堆叠扭绕式超导缆线(12)。
8.根据权利要求1所述的一种复合缆线超导限流器，其特征在于，还包括内冷媒冷氦气冷却泵(13)；金属管骨架的上端连接内冷媒冷氦气冷却泵(13)的出口，金属管骨架的下端连接内冷媒冷氦气冷却泵(13)的入口，构成内冷媒循环通道。
9.根据权利要求1所述的一种复合缆线超导限流器，其特征在于，所述固定支架和若干复合缆线超导限流单元(1)浸泡在外冷媒液氮中。
10.一种复合缆线超导限流器的工作方法，其特征在于，基于权利要求1至9中任一项所述的一种复合缆线超导限流器，包括：
将固定支架和若干复合缆线超导限流单元(1)浸泡在外冷媒液氮中，对复合缆线超导限流单元(1)的外部冷却；
将内冷媒冷氦气沿复合缆线超导限流单元(1)的金属管骨架内部的内冷媒输送通道从上端流向下端循环流动，对复合缆线超导限流单元(1)的内部冷却。
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