一種桶式高溫超導無感線圈的製作方法

2023-05-15 03:40:26 1

專利名稱：一種桶式高溫超導無感線圈的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種電阻型故障限流器用高溫超導無感線圈，特別涉及一種桶式高溫超導雙繞無感線圈。

背景技術：
當前，為了與國民經濟快速發展、電網規模不斷增大和互聯程度不斷提高相適應，我國電網正向超大規模方向發展。然而，我國電網的穩定性問題卻變得日益嚴重，電網的安全性和可靠性正在承受巨大的壓力，短路故障是危及電力系統安全、導致巨大經濟損失的嚴重故障之一。基於第二代高溫超導帶材的電阻型高溫超導限流器串接在電網中，在正常運行時，限流器呈現無阻抗狀態，對電網沒有任何影響，在故障發生時，高溫超導體失超而呈現高電阻狀態進行限流，可以有效的解決上述問題，具有很好的應用與市場前景。這種限流器的核心技術是利用已經商業化生產的第二代高溫超導帶繞制的無感雙繞餅式線圈，目前通用技術是利用單根或多根超導帶製作成無感餅式線圈，然後通過多個無感餅式線圈串並聯組合而成限流線圈(IEEE Transactions on Applied Superconductivity,vol. 19，no.3，2009，ppl950 ；EEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 20，no. 3,2010，pp 1308 ;IEEE Transactions on Applied Superconductivity，vol. 21，no.3，2011，
ppl206)o這種雙繞無感餅式線圈的關鍵技術是匝間的間隔層。因為在故障發生後通過第二代高溫超導的失超電阻進行限流，該過程伴隨有大量的焦耳熱瞬間產生，同時在限流線圈的兩端長生較大的電壓降，使匝間，尤其是並繞雙帶的端部產生高電壓。所以，匝間間隔層起到高電壓絕緣與冷卻通道的雙重作用。但是匝間間隔層的製作工藝繁瑣，加工費用高。並且隨著限流器額定電壓、電流的提高，無感餅式線圈的體積隨之大幅增大，故障發生時對應的電磁作用更為突出，因為間隔層的形狀不規則，對脆性、易碎陶瓷塗層材料的第二代高溫超導帶的不良影響不可避免，導致高溫超導帶的性能退化甚至燒壞。桶式無感線圈有小型模型出現(IEEE Transactions on AppliedSuperconductivity, vol. 16, no. 2,2006, pp703),方法是在同一個螺旋形槽內並列繞兩根高溫超導帶，兩根超導帶中間夾一層絕緣膜進行絕緣。這種技術有兩個很大的缺陷一是兩根並列高溫超導帶的絕緣水平低，在大線圈、高電壓情況下，絕緣能力無法保障；二是兩根高溫超導帶疊在一起並繞，影響散熱效果，尤其是底層的高溫超導被外層的絕緣膜和頂層超導帶裹住，在故障限流時瞬間的大量焦耳熱無法迅速散出，極易燒壞。

發明內容
本發明的目的是克服現有技術中餅式無感線圈的製作工藝繁瑣、加工費用高以及高溫超導帶易損壞的問題，克服現有桶式無感線圈技術中的電絕緣水平和故障限流時瞬間散熱效果差的缺陷，提出一種桶式高溫超導雙繞無感線圈。本發明在液氮浸泡的運行條件下，散熱效果好，高電壓絕緣能力強，在線圈的繞制、冷熱循環以及過電流運行中不易損壞高溫超導帶，可以在高電壓、大容量電阻型高溫超導限流器中。本發明主要包括芯桶、串接紫銅片、紫銅引線、高溫超導帶等部件。芯桶、串接紫銅片和引線組成桶式雙繞無感線圈骨架。芯桶採用玻璃鋼或GlO材質。芯桶外環面上預製有兩條並列布置的螺旋槽，螺旋槽的匝數視需要而定，一般在10匝左右。螺旋槽的寬度w比高溫超導帶的寬度寬1_，螺旋槽的深度h在2 4_之間；為了增加換熱效果，在螺旋槽內開有冷卻孔，冷卻孔直徑為螺旋槽寬度w的2/3，冷卻孔孔距為3 5cm。兩條並列的螺旋槽之間為絕緣間隔，絕緣間隔的寬度為t，絕緣間隔的絕緣強度與單根高溫超導帶的長度L及氮氣的擊穿強度密切相關，絕緣間隔的寬度t滿足如下關係式t = 3+5. 6 · LXKT3 (I)其中t為兩條並列的螺旋槽之間的絕緣間隔寬度，單位為mm ;L為單根高溫超導帶的長度，單位為mm。串接紫銅片的厚度在I. 5 2mm之間，長度在5 7cm之間，寬度為2w+t，w為螺旋槽寬度，t為絕緣間隔寬度；串接紫銅片用沉頭螺栓固定在芯桶的一端，使串接紫銅片以絕緣間隔為中心對稱跨在兩條並列的螺旋槽上，並使串接紫銅片的外弧面與螺旋槽底在同一弧面上。一對「L」型的紫銅引線，每個引線的厚度與串接紫銅片厚度的相同，「L」型引線的寬度為w+t，w為螺旋槽寬度，t為絕緣間隔寬度；每個紫銅引線用沉頭螺栓分別固定在芯桶的另一端兩個螺旋槽的埠處，並使紫銅引線的外弧面與螺旋槽底在同一弧面上。兩根高溫超導帶的一端沿螺旋槽方向並列地焊接在串接紫銅片上，接頭的焊接長度在4 7cm之間。兩根高溫超導帶分別繞在並列的兩個螺旋槽內，兩根高溫超導帶的尾端分別焊接在各自對應的紫銅引線上，接頭的焊接長度在4 7cm之間。這樣，線圈的電流在兩根並列的高溫超導帶中，始終大小相等、方向相反，線圈整體電感為零。本發明在芯桶的外環面上可以有並列布置的η組螺旋槽，按上述方法在芯桶的一端固定η個紫銅連接片，芯桶的另一端則固定2η個引線。這樣2η根高溫超導帶組成的η組雙繞無感線圈中，每相鄰的兩根中的電流始終反向，線圈整體呈零電感，η為不小於I的整數。本發明還可以根據需要把多個直徑不同的桶式無感線圈同軸內、外嵌套，通過無感線圈間的串並聯組成所需要的容量。本發明可以通過並列螺旋槽間的絕緣間隔寬度t，可以改變無感線圈的耐高電壓等級；高溫超導帶外側全部浸泡在液氮中，內側有冷卻孔與液氮接觸，冷卻與散熱效果好；高溫超導帶在螺旋槽內，與芯桶桶面為環面接觸，可以承受線圈繞制中的預應力、高溫超導限流線圈預冷過程中的熱收縮應力以及故障限流過程中巨大的過電流衝擊下瞬間電磁作用。


圖I桶式雙繞無感線圈骨架示意圖，圖Ia為雙繞無感線圈骨架，圖Ib為雙繞無感 線圈骨架局部剖視圖，圖中I芯桶，2螺旋槽，3絕緣間隔，4冷卻孔，5串接紫銅片，6沉頭螺栓，7紫銅引線，8沉頭螺栓，9引線連接孔，w螺旋槽2的寬度，h螺旋槽2的深度，t絕緣間隔3的寬度；
圖2桶式雙繞無感線圈示意圖，圖2a為雙繞無感線圈，圖2b為雙繞無感線圈局部剖視圖，圖中10與11高溫超導帶，12串接接頭，13引線接頭，i線圈電流；圖3桶式兩組雙繞無感線圈骨架示意圖；圖4桶式兩組雙繞無感線圈示意圖，圖4a為兩組雙繞無感線圈，圖4b為兩組雙繞無感線圈局部剖視圖，圖中14、15、16和17為高溫超導帶，I1為高溫超導帶14、15組成的雙繞無感線圈電流，i2為高溫超導帶16、17組成的雙繞無感線圈電流；圖5多個桶式無感線圈同軸嵌套示意圖，圖中18外無感線圈，19內無感線圈。
具體實施例方式以下結合附圖和具體實施方式
進一步說明本發明。本發明採用商業化生產的二代高溫超導帶的典型產品尺寸範圍厚度O. I O. 3mm,寬度4 12mm。在液氮溫度、無外磁場條件下，單位寬度的臨界電流I。可以達到210A/cm。本發明採用的所有高溫超導帶10、11、14、15、16、17選用相同的外形尺寸，例如厚
O.2mm、寬 12mm。本發明主要包括芯桶I、串接紫銅片5、紫銅引線7、高溫超導帶10與11等部件。如圖I所示，芯桶I、串接紫銅片5和紫銅引線7組成桶式雙繞無感線圈骨架。芯桶I採用玻璃鋼或GlO材質。芯桶I的外桶面上有兩條並列布置的螺旋槽2，螺旋槽2的匝數視需要而定，一般在10匝左右。螺旋槽2的寬度w比高溫超導帶10或11的寬度寬1mm，本發明採用的多根外形尺寸、臨界電流以及基帶相同的高溫超導帶。螺旋槽2的深度h在2 4mm之間；為了增加換熱效果，在螺旋槽2的底面開有直徑為2w/3的冷卻孔4，w為螺旋槽寬度，冷卻孔4之間的孔距為3 5cm。兩條並列的螺旋槽2之間為絕緣間隔3，絕緣間隔3的寬度為t，其絕緣強度與單根高溫超導帶10或11的長度L及氮氣的擊穿強度密切相關，間隔層3寬度t滿足所述的關係式(I)。串接紫銅片5的厚度在I. 5 2mm之間，長度在5 7cm之間，寬度為2w+t，w為螺旋槽寬度，t為絕緣間隔寬度；串接紫銅片5用兩個沉頭螺栓8固定在芯桶I的一端，串接紫銅片5以絕緣間隔3為中心對稱地跨 在兩條並列螺旋槽2上，串接紫銅片5的外弧面與螺旋槽2的底面在同一弧面上。紫銅引線7為「L」形，每個紫銅引線的厚度與串接紫銅片5厚度的相同，紫銅引線7的寬度為w+t，w為螺旋槽寬度，t為絕緣間隔寬度；一對紫銅引線7用三個沉頭螺栓6分別固定在芯桶I另一端的兩個螺旋槽2的埠處，紫銅引線7的外弧面與螺旋槽2的底面在同一弧面上。如圖2所示，高溫超導帶10和11的一端沿螺旋槽2方向並列地焊接在串接紫銅片5上，串接接頭12的焊接長度在4 7cm之間。高溫超導帶10與11分別繞在並列的兩個螺旋槽2內，高溫超導帶10與11的尾端分別焊接在各自對應的紫銅引線7上，引線接頭13的焊接長度在4 7cm之間。這樣,線圈電流i在高溫超導帶10和11中始終大小相等、方向相反，線圈整體電感為零。本發明還可以在芯桶I的外桶面上有並列布置的η組螺旋槽2。按上述方式在芯桶I的一端固定η個紫銅連接片5，在芯桶I的另一端則固定2η個紫銅引線7。這樣2η根高溫超導帶10組成了 η組雙繞無感線圈，η為不小於I的整數，每兩根相鄰的高溫超導帶中的線圈電流i始終反向，線圈整體呈零電感。
η等於2時為桶式兩組雙繞無感線圈，線圈骨架如圖3所示。兩組雙繞無感線圈如圖4所示，高溫超導帶14和15通過紫銅連接片5傳接成一組雙繞無感線圈，高溫超導帶14和15中的電流I1始終方向相反；高溫超導帶16和17通過紫銅連接片5組成另一組雙繞無感線圈，高溫超導帶16和17中的電流i2始終方向相反。本發明還可以根據需要把m個直徑不同的桶式無感線圈同軸內、外嵌套組成組合線圈。組合線圈中，無感線圈間串聯或並聯。如圖5所示，直徑最大的雙繞外無感線圈18在組合線圈的最外側，直徑最小的第m個雙繞內無感線圈19在組合線圈的最內側，m為不小於I的整數。直徑最小的無感線圈19的芯桶外直徑不小於高溫超導帶的最小彎曲直徑，最小彎曲直徑一般在5 IOcm之間。組合線圈中的每一個無感線圈還可以是如圖4所示的多組雙繞無感線圈。權利要求
1.一種桶式高溫超導無感線圈，其特徵在於，所述的無感線圈包括芯桶(I)、串接紫銅片(5)、紫銅引線(7)和高溫超導帶(10、11);所述的芯桶(I)、串接紫銅片(5)和紫銅引線(7)組成桶式雙繞無感線圈骨架；芯桶(I)的外環面上有兩條並列布置的螺旋槽(2)，螺旋槽(2)的底面開有冷卻孔⑷；兩條並列的螺旋槽⑵之間為絕緣間隔(3);串接紫銅片(5)固定在芯桶⑴的一端，串接紫銅片(5)以絕緣間隔(3)為中心對稱地跨在兩條並列螺旋槽(2)上，串接紫銅片(5)的外弧面與螺旋槽(2)的底面在同一弧面上；一對「L」形的紫銅引線(7)分別固定在芯桶(I)另一端的兩個螺旋槽(2)的埠處，紫銅引線(7)的外弧面與螺旋槽(2)的底面在同一弧面上；高溫超導帶(10、11)的一端沿螺旋槽(2)並列地焊接在串接紫銅片(5)上，高溫超導帶(10、11)分別繞在並列的兩個螺旋槽(2)內，高溫超導帶(IOUl)的另一端分別焊接在各自對應的紫銅引線(7)上。
2.按照權利I所述的桶式高溫超導無感線圈，其特徵在於，所述的螺旋槽(2)的寬度w比高溫超導帶的寬度寬1mm，螺旋槽⑵的深度h在2 4mm之間。
3.按照權利I所述的桶式高溫超導無感線圈，其特徵在於，所述的冷卻孔(4)的直徑為螺旋槽寬度w的2/3，冷卻孔(4)的孔距為3 5cm。
4.按照權利I所述的桶式高溫超導無感線圈，其特徵在於，所述的絕緣間隔(3)的寬度為t，絕緣間隔的絕緣強度與單根高溫超導帶的長度L及氮氣的擊穿強度密切相關，絕緣間隔寬度t滿足如下關係式t = 3+5. 6 · LX10_3式中t為兩條並列的螺旋槽之間的絕緣間隔寬度；L為單根高溫超導帶的長度。
5.按照權利I所述的桶式高溫超導無感線圈，其特徵在於，所述的串接紫銅片的厚度在I. 5 2mm之間，長度在5 7cm之間，寬度為2w+t，w為螺旋槽寬度，t為絕緣間隔寬度。
6.按照權利I所述的桶式高溫超導無感線圈，其特徵在於，所述的芯桶(I)採用玻璃鋼或GlO材質。
7.按照權利I所述的桶式高溫超導無感線圈，其特徵在於，所述的芯桶(I)的外環面上有並列布置的η組螺旋槽(2)，芯桶(I)的一端固定η個紫銅連接片，芯桶(I)的另一端固定2η個紫銅引線，η為不小於I的整數。
8.按照權利I所述的桶式高溫超導無感線圈，其特徵在於，所述的無感線圈由m個直徑不同的桶式無感線圈同軸內、外嵌套組成組合線圈，組合線圈中的無感線圈串聯或並聯；直徑最大的雙繞外無感線圈(18)在組合線圈的最外側，直徑最小的第m個雙繞內無感線圈(19)在組合線圈的最內側；所述的第m個雙繞內無感線圈(19)的芯桶外直徑不小於高溫超導帶的最小彎曲直徑，m為不小於I的整數。
9.根據權利要求8所述的桶式高溫超導無感線圈，其特徵在於，所述的組合線圈是多組雙繞無感線圈的組合體。
全文摘要
一種桶式高溫超導無感線圈，其芯桶(1)、串接紫銅片(5)和紫銅引線(7)組成桶式雙繞無感線圈骨架。芯桶(1)外環面上有兩條並列的螺旋槽(2)，螺旋槽(2)的底面開有冷卻孔(4)。兩條並列的螺旋槽(2)之間為絕緣間隔(3)。串接紫銅片(5)固定在芯桶(1)的一端，以絕緣間隔(3)為中心對稱地跨在兩條並列螺旋槽(2)上。一對紫銅引線(7)分別固定在芯桶(1)另一端的兩個螺旋槽(2)的埠處。高溫超導帶(10、11)的一端沿螺旋槽(2)並列地焊接在串接紫銅片(5)上，分別繞在並列的兩個螺旋槽(2)內。高溫超導帶(10、11)的尾端分別焊接在各自對應的紫銅引線(7)上。
文檔編號H01F6/04GK102637502SQ20121005751
公開日2012年8月15日 申請日期2012年3月6日 優先權日2012年3月6日
發明者吳明建, 周微微, 張東, 張京業, 張志豐, 徐小飛, 戴少濤, 施飛, 林良真, 滕玉平, 王子凱, 肖立業, 許熙, 趙連岐 申請人:中國科學院電工研究所, 江蘇中天科技股份有限公司