CN1279818A - 高压电感装置 - Google Patents
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Abstract
一种包括电缆(12)的高压电感装置,该电缆包括内部的导电装置(13－15)和有分离开的半导电材料内层和外层(20、21)并位于此内层与外层之间的外电绝缘体(20－22),以及电绝缘材料的中间层(22)。导电装置包括导体装置(14)和冷却装置(13),该冷却装置用来冷却导体装置,改进该导体装置的导电率。半导电材料的内层(20)在电路上连接到导体装置上,并且,半导电材料的外层(21)沿着它的长度处在一个可控的电位。
Description
技术领域
本发明涉及一种高压电感装置，它有一个绕组，此绕组包括有被冷却的导电装置的电缆。具体地，但不是排它地，本发明涉及高压电感装置，它有电缆，此电缆有超导性能的导电装置，例如高过渡(或临界)温度(HTS或高Tc)超导电缆。电感装置的高压可以高至400kV到800KV。这样的高压电感装置的例子是：
-动力变压器，具体地是超导动力变压器，它们的标称输出功率的范围由几百kVA到超过1000MVA，它的标称电压的范围由3-4kV直到非常高的传送电压(400-800kV)，在此动力变压器中绕组由这种电缆制成；
-超导磁能存储系统(SMES)，在此系统中，把动力电缆缠绕成一个线圈，用来存储磁能形式的能量。
-马达和发电机；以及
-漏电限制器。
本发明的背景
在美国专利US-A-5036165中公开了一种已知的在电路上绝缘的导电体，它包括内部的导电装置和围绕的电绝缘体，此绝缘体包括热解有机材料和玻璃纤维的半导电的内层和外层，以及夹在所述内层和外层之间的一个电绝缘材料的中间层。该文件没有表明该导电体是否适宜用于动力应用，也没有用做超导电缆。还有，相信半导电层是相对较刚硬的和非柔性的，使得该导电体在室温的运行温度下不能容易地变形。
在本文件中，"半导电材料"这个词意谓着导电率明显地比导电体低，但是没有像电绝缘体的导电率那么低的材料。适宜地，但不是排它地，半导电材料的电阻率由1到105Ω．cm，最好由10到500Ω．cm，最可取地为由10到100Ω．cm，典型地大约为20Ω．cm。
在美国专利US-A-4785138中公开了另一种已知的用做线性马达的相绕组的电缆。这种已知的电缆有绞合的铜和／或铝线的一个中心的芯，由挤压的塑料材料层形成的电绝缘体围绕着它，电绝缘体包括一个半导电材料内层，一个半导电材料外层和夹在内层与外层之间的一个电绝缘材料的中间层，该电缆还有导电率好的围绕的外鞘套，此鞘套与半导电材料的外层合作提供了好的屏蔽。这种已知的电缆并没打算用做超导电缆。
在美国专利US-A-4785138中，形成电绝缘体的三层为热塑性材料，在中心的导电芯上把它们挤压在一起，并在最后阶段加上鞘套。通过把导电颗粒比如碳黑或烟炱结合进热塑性材料中使半导电材料的内层和外层成为"半导电"。
也已经知道提供了有类似于在美国专利US-A-4785138中描述的电绝缘体的超导电缆。例如，1996年6月10-12日在Bergen召开的北欧绝缘体会议由0le Tonnesen发表的题为"用于超导传输电缆的绝缘系统"的文章中描述了超导电缆的一种室温介电设计。然而，在此已知的超导电缆中，在电绝缘体的外面也使用了一个覆盖物和屏障。
本发明的概述
本发明的一个目的是提供一种高压电感装置，它包括电缆，在使用时，在该电感装置中把电场至少基本上限制在电绝缘体内，并可以把该电感装置设计成处理非常高的运行电压，例如高至800kV。
提供一种高压电感装置也是本发明的一个目的，该装置有被冷却的电缆，例如有超导性能的电缆，带有电绝缘体，该绝缘体有沿着它的长度处于一个可控电位比如地电位的半导电材料的外层。
按照本发明，一种高压电感装置包括电缆，该电缆包括内部的导电装置和有分离开的半导电材料的内层和外层并位于此内层与外层之间的外电绝缘体，以及电绝缘材料的中间层，其特征在于，所述导电装置包括导体装置和冷却装置，该冷却装置用来冷却导体装置，改进该导体装置的导电率，其特征还在于，所述内层在电路上连接到所述导体装置上，其特征还在于，所述半导电材料的外层沿着它的长度处在一个可控的电位。
把半导电的外层设计成用做一个屏障，以防止由感应电压造成的损失。可以通过提高外层的电阻降低感应电压。因为不能把半导电层的厚度降低到低于某一最小值，所以，只能通过选择用于该层的材料有较高的电阻率降低该电阻。然而，如果半导电的外层的电阻率太高，处在可控电位比如地电位的相邻的分离开的点之间的电位将变得很高，高到足以有出现电晕放电的危险，结果会腐蚀绝缘层和半导电层。因此，半导电的外层为一种导体与一种绝缘体之间的一个折衷，该导体有低的电阻，并有高的感应电压损失，但是，容易把该导体保持在一个可控的电位，例如地电位，而该绝缘体有高的电阻，并有低的感应电压损失，但是，难以沿着它的长度把它保持在那个可控的电位。因此，半导电的外层的电阻率ρs应该在一个范围内ρmin＜ρs＜ρmax，其中ρmin由被涡漩电流损失造成的可容许的功率损失和被磁通量感应的电压造成的电阻损失决定，而ρmax由要求不出现电晕放电或辉光放电决定。
通过沿着它的长度在分离开的间隔把半导电的外层保持在一个可控的电位例如地电位，该外层提供一个基本上等电位的外表面，并且，不需要外金属屏蔽和保护鞘套围绕着该半导电的外层。因此，减小了电缆的直径，使得对于一个给定尺寸的绕组可以有更多的圈。与导电装置处于电接触的内层提供了一个等电位的内表面，其电位与外面的等电位表面不同。因此，在这些等电位表面之间提供了一个径向电场，这些等电位表面完全被包围在磁场可穿透的电绝缘体内。
导体装置最好包括半导电装置。在这种情况下，导体装置可以包括低温超导体，但是，最可取的是包括HTS材料，例如螺旋地缠绕在一个内管上的HTS线或带。一种方便的HTS带为以银为鞘套的BSCCO-2212，或BSCCO-2223(其中数字表示在(Bi、Pb)2、Sr2、Ca2、Cu3、Ox分子中每种元素的原子数目)，并且，下面将把这样的HTS带称为"BSCCO带"。通过一个在管中的粉末(PIT)拉制、滚压、烧结和滚压过程把氧化物细丝包在银或银的氧化物点阵中制成BSCCO带。另外，可以通过一种表面涂布过程制作这些带。在每一种情况下，将该氧化物熔化并作为最后一加工步骤对其再固化。通过多种表面涂布或表面沉积技术制作出其它的HTS带，例如TiBaCaCuO(TBCCO-1223)和YBaCuO(YBCO-123)。理想上，在高于65K但最好高于77K的运行温度下，HTS线应该有超过jc大约为105A／cm2的电流密度。HTS在点阵中的充满因数需要很高，以至工程电流密度je大于或等于104A／cm2。在Tesla范围内jc不应该随着施加的电场猛烈地下降。用流过内部支撑管的一种冷却流体最好是液氮把螺旋缠绕的HTS带冷却到低于HTS材料的临界温度Tc。
围绕着螺旋缠绕的HTS带可以设置一个外部的低温恒温层，使被冷却的HTS带与电绝缘材料热绝缘，或者围绕着电绝缘材料设置低温恒温层。然而，另外，可以省去低温恒温层。在此后者的情况下，可以直接把电绝缘材料施加到导电装置上。另外，可以在导电装置与围绕的绝缘材料之间设置热膨胀装置。此热膨胀装置可以为一个空间，例如一个空的空间，或者用可压缩材料比如可高度压缩的泡沫材料充满的空间。这样的空间减小了在由低温加热的过程或冷却到低温的过程中在绝缘系统上的膨胀／收缩作用力。如果该空间用可压缩材料充满，可以把这种可压缩材料做成半导电的，确保半导电的内层与导电装置之间的电接触。
导电装置的其它设计是可能的，本发明针对被冷却的导电电缆(最好被冷却到不超过200K的温度)，最好被冷却的超导电缆，它们的任何适用的设计有上面描述的那种类型的围绕的电绝缘体。电绝缘体的塑料确保了至少在室温下可以把该电缆变形成所要求的形状或形式。在低温下，塑料通常是刚硬的。然而，在使用低温冷却流体冷却该导电装置之前，在室温下，可以把电缆缠绕成所要求的形式，例如成为线圈的形状。
电绝缘体为基本上整体的结构。绝缘层可以处于紧密的机械接触，但是最好例如通过把径向上相邻的层挤压在一起使这些绝缘层实际上连接在一起。
电绝缘的中间层方便地为固体的热塑性材料，比如，低密度聚乙烯(LDPE)、高密度聚乙烯(HDPE)、聚丙烯(PP)、聚丁烯(PB)、聚甲基戊烯(PMP)、丙烯酸乙烯酯共聚物、交联材料，比如交联聚乙烯(XLPE)、或橡胶绝缘体，比如乙烯丙烯橡胶(EPR)或硅橡胶。半导电的内层和外层可以为与中间层类似的材料，但是带有嵌在其中的导电颗粒，例如碳黑或金属。通常，已经发现，一种特别的绝缘材料比如EPR当不包含碳颗粒或包含某些碳颗粒时有类似的机械性质。
附图的简要描述
现在将仅只以示例的方式具体地参考附图描述本发明的实施例，在附图中：
图1为穿过按照本发明的高压电感装置的电缆的一个实施例的一部分的示意性剖面图；以及
图2为穿过按照本发明的高压电感装置的电缆的另一个实施例的一部分的示意性剖面图。
图1示出了高压电感装置的电缆12，该电缆包括一个内部的金属管状支撑件13，例如材料为铜或一种高电阻金属比如铜-镍合金，在该管上螺旋地缠绕着细长的HTS材料，例如BSCCO带或类似物，围绕着该管状支撑件13形成一个超导层14，一个低温恒温器15设置在超导层的外面，它包括两个分离开的可变形的波纹状金属管16和17。在这些管16和17之间的空间被保持为真空，并包含热的超绝缘体18。沿着管状支撑件13流过液氮或其它的冷却流体，以把围绕的超导层14冷却到低于它的临界超导温度Tc。管状支撑件13、超导层14和低温恒温器15一起构成电缆12的超导装置。
在超导装置的外面设置有电绝缘体。此电绝缘体为一体形式的，它包括与超导层14在电路上接触的半导电内层20、半导电外层21和夹在这些半导电层之间的一个绝缘层22。这些层20-22最好为在它们的交界面上彼此以固体状态相连接的热塑性材料。这些热塑性材料方便地有类似的热膨胀系数，并且，最好围绕内部的超导装置挤压在一起。层20-22最好围绕内部的超导装置挤压在一起，以提供一个整体的结构，从而使在电绝缘体内部出现空腔和孔隙的可能性减到最小。不希望在绝缘体中存在这样的孔隙和空腔，这是因为那样将在高电场强度下在电绝缘体中产生电晕放电。如果半导电层20与管17接触，接触表面应该是平滑的，当在电缆12的内表面与外表面之间的热梯度出现改变时为在表面之间的热运动提供必要条件。在另一个实施例中，低温恒温器15可以位于电绝缘体的外面。
仅只以示例的方式，固体的绝缘层22可以为交联的聚乙烯(XLPE)。然而，另外，固体的绝缘层可以为其它的交联材料、低密度聚乙烯(LDPE)、高密度聚乙烯(HDPE)、聚丙烯(PP)、聚丁烯(PB)、聚甲基戊烯(PMP)、丙烯酸乙烯酯共聚物、或橡胶绝缘体，比如乙烯丙烯橡胶(EPR)、乙烯丙二烯单体(EPDM)或硅橡胶。内层和外层半导电材料20和21可以例如为与固体绝缘层22相同材料的基底高聚物和嵌入基底高聚物中的高导电的颗粒，比如碳黑或金属颗粒。这些半导电层的体积电阻率典型地大约为20ohm．cm，通过改变添加到基底高聚物中的碳黑的类型和比例可以按要求调整此电阻率。下面给出了采用不同类型和数量的碳黑可以改变电阻率的示例。
基底高聚物 碳黑类型 碳黑数量(％) 体积电阻率(Ω．cm)
乙烯-乙酸 EC碳黑 -15 350-400
乙酯共聚
物／亚硝酸
酯橡胶
-"- P-碳黑 -37 70-10
-"- 超常导电 -35 40-50
碳黑，类型Ⅰ
-"- 超常导电 -33 30-60
碳黑，类型Ⅱ
丁基接枝 -"- -25 7-10
聚乙烯
乙烯-丙烯 乙炔碳黑 -35 40-50
酸丁酯共
聚物
-"- P-碳黑 -38 5-10
乙烯丙烯 超常导电 -35 200-400
橡胶 碳黑
例如在沿着它的长度分离开的区域，把外半导电层21连接到一个可控电位上。在大多数实际应用中，此可控电位将是地电位或是接地电位。相邻的接地点的具体的分离开的距离取决于层21的电阻率。
半导电层21用做静电屏蔽件，并做为一个接地的外层，它确保在使用该高压电感装置时，超导电缆的电场被保持在半导电层20与21之间的固体绝缘体内。通过提高层21的电阻，降低了由层21中的诱导电压造成的损失。然而，因为层21必须至少有一定的最小厚度，例如不能小于0．8毫米，只能通过选择有相对较高电阻率的层的材料来提高电阻。然而，电阻率不能提得太高，否则，在两个相邻的接地点的中间的层21的电压将太高，有出现相关的电晕放电的危险。
图2示出了超导电缆的另一种设计，它整体地用标记30表示，用于按照本发明的高压电感装置。该电缆30有一个内部的金属支撑管31，例如铜管或高电阻金属或合金的管，和螺旋绕着管31缠绕并嵌入进半导电塑料层33中的HTS线32。半导电塑料层33适宜为与参考着图1描述的层21和22相同的材料。在层33的外面离开层33一个小的径向距离34设置电绝缘体。此电绝缘体包括内和外半导电层35和36，以及夹在它们之间的一个电绝缘层37。这些层35-37基本上类似于图1的电缆的层20-22那样制成，并可以通常有与层20-22相同的组成。
径向的间隔34提供了一个膨胀／收缩间隙，以补偿在电绝缘系统和超导组件(包括金属管)之间热膨胀系数(α)的差别。间隔34可以是一个空的空间，或者可以包括一个泡沫状的可高度压缩的材料，以吸收超导体与绝缘系统之间的任何相对运动。如果设置泡沫材料，此泡沫材料可以是半导电的，以确保在层33与35之间的电接触。此外，或另外，可以设置金属线，以便确保层33与35之间必须的电接触。
通过管31流过冷却流体例如液氮，把HTS线32冷却到低温。
虽然本发明主要是针对包括电缆的高压电感装置，该电缆有带超导性能的导电装置，在使用时，把它冷却成到超导温度，本发明也力图包含有电缆的高压电感装置，该电缆的导电装置在直到但最好不高于200K的低的运行温度下已经改善了导电性能，但是，该导电装置至少在所述及的低的运行温度可能不具有超导性质。在这些较高的低温下，液体的二氧化碳可以用来冷却导电装置。
按照本发明的高压电感装置的电缆的电绝缘体希望能够处理非常高的电压和在这样的电压下可能随继出现的电负荷和热负荷。作为一个示例，按照本发明的高压电感装置可以包括动力变压器，它的标称功率的范围由几百kVA直到高于1000MVA，它的标称电压的范围由3-4kV直到400-800kV的非常高的传送电压。在高的运行电压下，部分放电(或PD)构成对于已知的绝缘系统一个严重的问题。如果在绝缘体中存在空腔和孔隙，可能出现内部的电晕放电，从而使绝缘材料逐渐地变坏，逐渐地导致绝缘的破坏。通过确保绝缘体的内层与内部的导电装置处在基本上相同的电位，并且，绝缘体的外层处在一个可控的电位例如地电位，降低了在按照本发明的电缆的电绝缘体上的电负荷。因此，在内层与外层之间的绝缘材料的中间层中的电场在该中间层的厚度内基本上均匀地分布。还有，由于使材料有类似的热性质，并使在绝缘材料的层中有非常少的缺陷，在给定的运行电压下减少了出现PD的可能性。因此，可以把高压电感装置的电缆设计成承受非常高的运行电压，典型地高至800kV或更高。
虽然最好应把电绝缘体挤压到其位置，但是，可以由薄膜状或薄片状的材料的紧密缠绕的重叠的层形成电绝缘系统。可以以这样的方式形成半导电层和电绝缘层。绝缘系统可以由全合成的薄膜制成，该薄膜带有内半导电层或部分和外半导电层或部分，并在这些半导电层或部分之间有一个绝缘层或部分，这些半导电层或部分由高聚物薄膜制成，例如有嵌入的导电颗粒比如碳黑或金属颗粒的PP、PET、LDPE或HDPE。
对于搭接的概念来说，足够薄的薄膜将有比所谓Paschen最小值更小的平接间隙，因此使液体浸透是不必要的。干燥的缠绕的多层薄膜绝缘体也有好的热性质，并可以与作为导电体的超导管相结合，它有冷却剂比如液氮，被泵送通过该管。
电绝缘系统的另一个示例类似于传统的以赛璐珞为基础的电缆，在那种情况下，围绕着一个导电体搭接地缠绕一种薄的以赛璐珞为基础的材料或合成纸材料或非织造材料。在这种情况下，在绝缘层任何一侧的半导电层可以由赛璐珞纸或由绝缘材料的纤维制成的非织造材料制作，这些纸或非织造材料有嵌入其中的导电颗粒。绝缘层可以由相同的基底材料制成，或者可以使用另一种材料。
通过把薄膜或纤维的绝缘材料结合起来获得绝缘系统的另一个示例，这些绝缘材料或者是层压制品，或者是所谓共搭接的产品。这种绝缘系统的一个示例是商业上可以得到的所谓聚乙烯纸层压制品，PPLP，但是，薄膜和纤维部件的几种另外的结合是可能的。在这些系统中，可以采用多种浸透，比如矿物油或液氮的浸透。
Claims (31)
1．一种包括电缆(12)的高压电感装置，该电缆包括内部的导电装置(13-15)和有分离开的半导电材料的内层和外层(20、21)并位于此内层与外层之间的外电绝缘体(20-22)，以及电绝缘材料的中间层(22)，其特征在于，所述导电装置包括导体装置(14)和冷却装置(13)，该冷却装置用来冷却导体装置(14)，以改进该导体装置的导电率，其中，所述内层(20)在电路上连接到所述导体装置上，其中，所述半导电材料的外层(21)沿着它的长度处在一个可控的电位。
2．按照权利要求1中所述的电感装置，其特征在于，所述外层(21)的电阻率由1到105Ω．cm。
3．按照权利要求1中所述的电感装置，其特征在于，所述外层(21)的电阻率由10到500ohm．cm，最好为由10到100ohm．cm。
4．按照权利要求1到3中任何一个所述的电感装置，其特征在于，半导电的外层(21)的每单位轴向长度的电阻为由5到50000ohm／m。
5．按照权利要求1到3中任何一个所述的电感装置，其特征在于，半导电的外层(21)的每单位轴向长度的电阻为由500到25000ohm／m，最好为由2500到5000ohm／m。
6．按照上述权利要求中任何一个所述的电感装置，其特征在于，由处在所述可控电位的接触装置在沿着它的长度分离开的区域与半导电的外层(21)接触，相邻的接触区域足够地靠近在一起，使得在相邻的接触区域之间的中点的电压不足以在电绝缘装置内出现电晕放电。
7．按照上述权利要求中任何一个所述的电感装置，其特征在于，所述可控电位为地电位或接近地电位。
8．按照上述权利要求中任何一个所述的电感装置，其特征在于，所述中间层(22)与所述内层和外层(20和21)中的每一层处于紧密的机械接触。
9．按照权利要求1到7中任何一个所述的电感装置，其特征在于，所述中间层(22)连接到所述内层和外层(20和21)中的每一层上。
10．按照权利要求9中所述的电感装置，其特征在于，所述中间层(22)与半导电的内层和外层(20、21)中的每一层之间的粘接强度与中间层的材料的固有强度为相同的数量级。
11．按照权利要求9或10中所述的电感装置，其特征在于，通过挤压把所述层(20-22)连接在一起。
12．按照权利要求11中所述的电感装置，其特征在于，半导电材料的内层和外层(20、21)和绝缘的中间层(22)为塑料，通过一个多层挤压模具把它们一起加到导电装置上。
13．按照上述权利要求中任何一个所述的电感装置，其特征在于，所述内层(20)包括第一种塑料，它有在其中分散开的第一种导电颗粒，所述外层(21)包括第二种塑料，它有在其中分散开的第二种导电颗粒，所述中间层(22)包括第三种塑料。
14．按照权利要求13中所述的电感装置，其特征在于，所述第一、第二和第三种塑料中的每一种包括一种乙烯-丙烯酸丁酯共聚物橡胶、乙烯-丙烯-二烯单体橡胶(EPDM)，乙烯-丙烯共聚物橡胶(EPR)、LDPE、HDPE、PP、XLPE、EPR或硅橡胶。
15．按照权利要求13或14中所述的电感装置，其特征在于，所述第一、第二和第三种塑料有至少基本上相同的热膨胀系数。
16．按照权利要求13、14或15中所述的电感装置，其特征在于，所述第一、第二和第三种塑料为相同的材料。
17．按照上述权利要求中任何一个所述的电感装置，其特征在于，导电装置为超导装置。
18．按照权利要求17中所述的电感装置，其特征在于，所述超导装置包括HTS材料。
19．按照权利要求18中所述的电感装置，其特征在于，HTS材料包括螺旋缠绕的HTS带或导电体。
20．按照权利要求19中所述的电感装置，其特征在于，所述冷却装置(13)包括一个支撑管，HTS材料螺旋地缠绕在该管上，在使用时，冷却流体例如液氮流过该管，以把HTS带冷却到低于它的临界温度。
21．按照上述权利要求中任何一个所述的电感装置，其特征在于，导电装置包括一个低温恒温的外层(15)，用来使所述导电装置的一层或多层内层热绝缘。
22．按照权利要求21中所述的电感装置，其特征在于，所述低温恒温的外层(15)位于所述内部的导电装置与所述外部的电绝缘体之间。
23．按照权利要求21中所述的电感装置，其特征在于，所述低温恒温的外层(15)位于所述电绝缘体的外面。
24．按照上述权利要求中任何一个所述的电感装置，其特征在于，在内部的导电装置(32)与半导电材料的内层(35)之间设置了热膨胀装置(34)。
25．按照权利要求24中所述的电感装置，其特征在于，所述热膨胀装置包括一个膨胀间隙(34)。
26．按照权利要求25中所述的电感装置，其特征在于，膨胀间隙(34)包括一个空的空间。
27．按照权利要求25中所述的电感装置，其特征在于，用可压缩的材料例如泡沫状的塑料充满膨胀间隙(34)。
28．按照权利要求27中所述的电感装置，其特征在于，所述可压缩的材料包括导电材料或半导电材料。
29．一种包括电缆(12)的电感装置，该电缆(12)包括有导体装置和用来冷却该导体装置改进它的导电率的冷却装置的内部的导电装置(13-15)，以及围绕该导电装置(13-15)的外部的电绝缘体(20-22)，其特征在于，电绝缘体包括在径向上分离开的内和外环形部分(20、21)，它们至少是部分导电的，此内部的环形部分(20)在电路上连接到所述导电装置上，外部的环形部分处在可控的电位，其中，在使用时，当电流沿着导电装置流过时，所产生的电场为在所述内部和外部的环形部分之间的基本上径向的电场。
30．按照上述权利要求中任何一个所述的电感装置，其特征在于，把所述外部的电绝缘体设计成用于高电压，适宜于超过10kV，特别是超过36kV，并最好高于72．5kV，直到非常高的传输电压，比如400kV到800kV，或更高。
31．按照上述权利要求中任何一个所述的电感装置，其特征在于，把所述外部的电绝缘体设计成用于超过0．5MVA的功率范围，最好超过30MVA，直到1000MVA。
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