一种加强型导体和阻感型超导限流器线圈的制作方法

1.本发明涉及一种加强型导体以及超导限流器线圈，属于电气工程领域。


背景技术：

2.超导限流器是多年以来人们在超导电力技术领域的研究焦点之一，作为一种有效的短路电流限制装置，正常运行时，对电网的影响很小；发生短路故障时，能在极短时间内有效地降低系统短路电流，迅速将短路电流限制到可接受的水平，避免电网中大的短路电流对电网和电气设备的安全稳定运行构成重大危害，从而提高电网稳定性，改善供电的可靠性和安全性。
3.超导限流器包括分为电阻型、电感型和阻感型，其中电阻型超导限流器直接地利用了超导材料在超导态时电阻近似为零，但在故障电流的激励下瞬间从超导态转变为非超导态，失超后产生大电阻的特性，起到抑制故障电流的作用。其优点在于结构紧凑、响应速度快，稳态阻抗阻值较大，限流效果明显，一般情况下采用无感绕组的制作方式。但是由于其限流阻抗值较小，因而超导带材的使用量较大，且失超恢复时间较长，在故障限制过程中容易产生并积累焦耳热。电感型超导限流器，是在限制故障电流的过程中，利用电感来降低故障电流上升的斜率。其限流作用的起效时间和失超恢复时间都更短，但正常工作时由于电感值较高，会导致能耗的增加和装置的压降，并且还会降低装置的限流能力。混合型的阻感超导限流器则结合了电阻型和电感型超导限流器的优点，其稳态运行损耗和体积都较小，限流效果明显，响应时间和失超恢复时间都很短；但与现有的电阻型超导限流器相比，阻感型超导限流器在稳态运行和限流过程中绕组面临更复杂的动稳定性、匝间过电压等难题。尤其是当采用阻感型结构时，在雷电与操作冲击过电压作用时，阻感型绕组的磁致伸缩导波过程分布特征显著。
4.现有超导限流器由于单根超导带材载流能力有限，因此都需要采用多根超导带材串、并联的方式。但是，由于并联线圈多采用饼式或矩形并联的方式，使得不同的超导带材之间电感值存在较大差异，导致并联线圈之间无法实现均流，且并联线圈占用空间大。同时采用饼式线圈或矩形并联带材模块方式，相邻带材之间只有柔性支撑，必须由超导带材承载巨大的电动力，而超导带材本质上是一种陶瓷材料，力学性能较差，不能承载过大的电动力；因此，现有设计中只能采用“无电感”结构，以避免在短路冲击时的大电动力。


技术实现要素：

5.本发明为了解决现有技术中存在的问题，提供一种可承载部分短路电流且冷却效果好的加强型导体以及利用该加强型导体制成的阻感型超导限流器线圈。
6.为了达到上述目的，本发明提出的技术方案为：一种加强型导体，包括超导带材和导体骨架，一根或多根并联的超导带材螺旋缠绕在导体骨架外侧，所述导体骨架外侧与超导带材内侧之间设有若干冷却间隙。
7.对上述技术方案的进一步设计为：当设有多根并联的超导带材时，多根超导带材
互相平行设置，且互相间隔缠绕在导体骨架外侧上述技术方案的一种优选方案为：所述导体骨架为柔性波纹管，所述冷却间隙由超导带材内侧与柔性波纹管的波纹围成。
8.所述超导带材的宽度大于柔性波纹管相邻两波峰之间的距离。
9.所述柔性波纹管采用不锈钢材料制成。
10.上述技术方案的另一种优选方案为：所述导体骨架由多根芯丝缠绕而成，且呈柱形，相邻芯丝之间存在缝隙，所述冷却间隙由超导带材内侧与位于柱形外围的芯丝之间的缝隙围成。
11.所述芯丝由不锈钢材料制成。
12.一种阻感型超导限流器线圈，包括上述加强型导体和线圈骨架，所述线圈骨架外壁设有螺旋状的凹槽，所述凹槽内径大于加强型导体外径，所述加强型导体设置于凹槽内且沿凹槽设置方向缠绕在线圈骨架上。
13.对上述技术方案的进一步设计为：沿线圈骨架轴向方向上相邻两凹槽之间设有匝间绝缘层。
14.所述线圈骨架采用玻璃钢材料制成。
15.与现有技术相比本发明的有益效果在于：本发明的加强型导体采用不锈钢材质的柔性波纹管或多根芯丝作为导体骨架，具有较高的机械性能，在巨大的电动力作用下，可由上述导体骨架承载电动力，从而避免超导带材产生大的应力。
16.本发明的加强型导体中骨架为导体材料，使得导体骨架可承载部分短路电流，从而降低超导带材传输的短路电流，避免超导带材出现损伤；而现有技术中只能通过超导带材承载全部短路电流。
17.本发明的加强型导体中当有多根并联的超导带材时，多根超导带材互相平行且间隔缠绕在导体骨架上，即按照同样的方式缠绕，完全换位，电气参数几乎完全一致，均流效果好；而现有技术中并联线圈之间电气参数差别大，无法实现均流；本发明中多根带材并联缠绕在一起，结构紧凑；而现有技术中为多个线圈并联连接，占用空间大。
18.本发明的加强型导体中，由于导体骨架外侧与超导带材内侧之间设有若干可供液氮进入的冷却间隙，因此使用是超导带材内外表面均与液氮直接接触，冷却效果好；现有技术中，超导带材内侧与匝间绝缘支撑贴合在一起，导致接近50%的表面积无法与液氮接触，从而大幅降低了传热面积，影响了传热效率。
19.本发明的阻感型超导限流器线圈中，线圈匝间绝缘层为线圈骨架上相邻凹槽之间的部分，可根据电场分布的需求来设置匝间绝缘层的宽度，并通过开设凹槽时按需求进行设置，该部分结构为固定结构，不会发生变形；现有技术中，相邻匝间绝缘采用柔性支撑，间隙调整困难，并且在外部电动力作用下绝缘可能变形，从而影响绝缘强度。本发明中凹槽以及加强型导体采用最常见的螺线管结构，绕制比现有的饼式线圈结构简单，加工量小，绕制简单。
附图说明
20.图1为本发明实施例一中超导限流器线圈结构示意图；
图2为本发明实施例二中加强型导体结构示意图；图3为本发明实施例三中加强型导体结构示意图。
21.图中：1-加强型导体，2-线圈骨架，3-匝间绝缘层，11-超导带材，12-柔性波纹骨架，13-多芯骨架，14-冷却间隙。
具体实施方式
22.下面结合附图以及具体实施例对本发明进行详细说明。
23.实施例一本实施例的一种阻感型超导限流器线圈结构如图1所示，图中左侧为线圈结构图，右侧为线圈结构的剖视图，该超导限流器线圈包括加强型导体1和线圈骨架2，线圈骨架2外壁设有螺旋状设置的凹槽，加强型导体1设置于凹槽内且沿凹槽设置方向缠绕在线圈骨架2上，其中，凹槽内径大于加强型导体1外径，在加强型导体1两侧外壁与凹槽内壁之间存在缝隙，由于整个超导限流器线圈是浸泡在液氮的低温环境中，因此液氮可进入上述缝隙中，增加加强型导体1与液氮的接触面积，传热效率高，冷却效果好。
24.由于线圈浸泡在低温环境，所以所用材料必须能够在低温下具有一定的强度；同时由于超导限流器线圈有高电压，所以必须用非金属材料；结合以上两点，本实施例采用玻璃钢材料支座线圈骨架2；加强型导体1缠绕在线圈骨架2上形成线圈，则相邻匝之间在雷电与操作冲击过电压作用时存在过电压，因此需要在线圈相邻匝之间设置绝缘层，本实施例中匝间绝缘层3通过开设在线圈骨架2上沿轴向方向相邻两凹槽之间的部分构成，而匝间绝缘层3的宽度需要根据限流器电气参数确定，比如根据系统仿真确定匝间电压最大值为ua kv，而所用材料的耐受电压为ea kv/mm，则匝间绝缘层3的宽度d需大于等于ua/ea，确定匝间绝缘层3的宽度后根据该宽度需求开设凹槽。
25.实施例二本实施例的一种加强型导体结构如图2所示，图中上侧为导体结构图，下侧为导体结构的剖视图，该加强型导体包括超导带材11和柔性波纹骨架12，一根超导带材11螺旋缠绕在柔性波纹骨架12外侧，所述导体骨架外侧与超导带材内侧之间设有若干冷却间隙14。
26.本实施例中柔性波纹骨架12为柔性波纹管，采用不锈钢材料制作，用于为超导带材11的绕制提供支撑，由于柔性波纹骨架12是柔性的，使得加强型导体能够方便的弯曲。
27.柔性波纹骨架12的直径根据缠绕超导带材11的数量需求来确定；柔性波纹骨架12具有凹、凸波纹，当超导带材11缠绕在柔性波纹骨架12上时，超导带材11内侧与柔性波纹骨架12的波纹之间形成多个冷却间隙，便于液氮进入，从而使超导带材11两侧均与液氮接触，可提供更好的冷却效果；不锈钢材质的柔性波纹骨架12可以作为导体的一部分，在超导带材11失超后，短路电流可以有部分从柔性波纹管传输，从而减少超导带材11承载的电流。
28.超导带材11的宽度大于柔性波纹骨架12相邻两波峰之间的距离，使得超导带材11缠绕在柔性波纹骨架12上时，超导带材11不会由于宽度小而进入柔性波纹骨架12的波纹内，始终缠绕在柔性波纹骨架12的外壁。
29.实施例三本实施例的一种加强型导体结构如图3所示，图中上侧为导体结构图，下侧为导体结构的剖视图，本实施例的加强型导体结构与实施例二基本相同，不同之处在于，所述导体
骨架为多芯骨架13，由多根芯丝缠绕而成，且呈柱形，相邻芯丝之间存在缝隙，冷却间隙14由超导带材12内侧与位于柱形外围的芯丝之间的缝隙围成。
30.本实施例中芯丝选择具有较高电阻率的不锈钢材质制成，以便在传输短路电流时能够产生较大的电阻；多芯骨架13的直径需要根据缠绕超导带材11的数量需求来确定；多芯骨架13用于为超导带材11的绕制提供支撑，并且是柔性的，使得加强型导体1能够方便的弯曲；多芯骨架13芯丝之间的间隙便于液氮进入，从而为超导带材11提供更好的冷却效果；多芯骨架13的金属芯丝可以作为导体的一部分，在超导带材11失超后，短路电流可以有部分从金属芯丝传输，从而减少超导带材11承载的电流。
31.本实施例中设有三根并联的超导带材12，分别对应图3中的a、b和c，三根超导带材12互相平行设置，且互相间隔缠绕在多芯骨架13外侧，该并联缠绕方式使得三根超导带材12的电气参数几乎完全一致，均流效果好。
32.本实施例采用不锈钢加强的钇钡铜氧超导带材；超导带材11数量需根据传输电流确定，比如限流器接入的电网线路额定电流为i0，单根超导带材允许传输的最大电流为i1，则超导带材的数量n必须大于等于i0/i1，且需向上取整，不能是小数。
33.本发明的技术方案不局限于上述各实施例，凡采用等同替换方式得到的技术方案均落在本发明要求保护的范围内。