超导变压器用杜瓦的制作方法

1.本发明涉及一种超导变压器用杜瓦，属于超导变压器技术领域。


背景技术：

2.超导变压器是超导电力系统中的一个重要组成设备，是超导技术应用的一个重要方面。随着超导线材技术的发展，高温超导带材由于其临界温度在绝对77k以上，可以在廉价的液氮环境中使用，大大降低了运营成本。与常规变压器相比，高温超导变压器采用超导材料取代铜线，液氮取代油作为冷却介质，具有体积小、重量轻、节能、安全环保等优点。目前高温超导变压器在我国电力系统已经有示范应用，其效率可以比常规变压器高0.1%~0.5%。
3.牵引变压器是轨道车辆上的重要部件，用来把接触网上取得的25kv高压电变换为牵引变流器及其他电器工作需要的适合的电压。采用超导变压器代替既有的常规牵引变压器，能够提高电能转换效率、有助于整车轻量化。然而牵引变压器一般安装于车体下方，受空间尺寸限制，超导变压器的绕组与铁芯只能水平布置。而杜瓦作为超导变压器核心部件之一，不仅要承载绕组和换热器的重量，还要存储液氮并隔绝液氮与杜瓦外部的热量，其结构与布置方向必须与绕组和铁芯保持一致。
4.为了避免涡流损耗，超导变压器杜瓦一般采用绝缘的复合材料制作。电力系统常用高的超导变压器一般为竖直方向布置，而安装在轨道车辆上的水平布置的复合材料杜瓦，其技术难度大幅增加，主要体现在两方面：1.安装在轨道车辆上的超导变压器杜瓦需要满足冲击振动性能要求，对绕组和换热器的连接强度要求大幅提高，且超低温环境下不同材料热膨胀系数存在差异，导致绕组和换热器不能两端同时完全固定在杜瓦内腔壁上，需要设计绕组和换热器新的连接方式；2.由于组装与维护需要，超导变压器杜瓦一般将筒体的一端设计为活动端盖，通过机械连接紧固。普通竖直方向布置的杜瓦活动端盖一般设置在顶端，端盖与杜瓦筒体的配合面高于液氮的最高液面，端盖处的密封为气态密封，密封材料不与液氮直接接触；而应用于轨道车辆的超导变压器杜瓦为水平布置，其活动端盖在侧面，密封材料直接与液氮接触，密封难度大幅增加。
5.cn202010143611.7，公开了一种电力装置用杜瓦，包括外筒、第一端盖、第二端盖及内筒，第一和第二端盖均为活动端盖，便于组装，外筒和内筒为采用复合材料。该发明专利采用了水平方向布置，满足了铁芯和液氮的安装要求，进行了隔热设计，但是两个活动端盖设计会带来漏热量增加，针对杜瓦如何连接绕组和换热器可以满足冲击振动要求、活动端盖如何密封没有相应的研究。


技术实现要素：

6.本发明提供的超导变压器用杜瓦，避免安装后杜瓦端部的径向承重悬空，使杜瓦两端的承重沿径向有效传递至变压器骨架上，有效降低杜瓦内部的相对振动，保证超导变
压器能满足轨道车辆运行中的冲击振动要求，有利于真空接头的布局及真空度的检测与维持，实用性高，有效降低杜瓦的漏热量，提高杜瓦的隔热可靠性，有效减少杜瓦的空间占用率，多个杜瓦并排布置的所需空间更小，可有效缩小超导变压器的整体尺寸。
7.为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：超导变压器用杜瓦，包括多层结构的筒体和装在筒体端部的端盖，其特征在于：所述的筒体中具有可容纳铁芯的铁芯层、设置在铁芯层外且可容纳绕组及换热器的液氮层、设置在铁芯层与液氮层之间的内真空层和设置在液氮层外的外真空层，铁芯层与端盖中心孔同轴对接，端盖将筒体密封并对筒体端部形成径向支撑，内真空层和外真空层在筒体一端联通。
8.优选的，所述的筒体包括从内到外依次套装的一层筒、二层筒、三层筒和四层筒，一层筒的内腔形成铁芯层、一层筒与二层筒之间形成内真空层，二层筒与三层筒之间形成液氮层，三层筒与四层筒之间形成外真空层，端盖分为将筒体一端密封的活动端盖和将筒体另一端密封的固定端盖，外真空层和内真空层在固定端盖中联通。
9.优选的，所述的固定端盖包括密封液氮层的液氮层端盖以及密封内真空层和外真空层的真空层端盖，真空层端盖将液氮层端盖覆盖，在液氮层端盖和真空层端盖之间形成联通内真空层和外真空层的真空腔。
10.优选的，所述的液氮层盖端塞入至液氮层中，真空层端盖塞入至内真空层和外真空层中，液氮层端盖和真空层端盖径向对齐使筒体端部形成由内而外的刚性径向支撑，液氮层端盖与二层筒之间形成与绕组及换热器一端径向支撑配合的环形承载腔。
11.优选的，所述的真空层端盖上沿轴向开设联通真空腔与内真空层以及真空腔与外真空层的轴向联通小孔，所述的真空腔中填充有分子塞，在内真腔层、外真腔层和真空腔中均铺设至少层的隔热薄膜，真空腔中的分子塞设置在隔热薄膜的轴向内侧。
12.优选的，所述的活动端盖包括密封内真空层的内法兰塞、密封外真空层的外法兰塞和密封液氮层的端盖本体，端盖本体与内法兰塞和外法兰塞分别同轴固定，内法兰塞塞入至内真空层中，外法兰塞塞入至外真空层中，端盖本体塞入至液氮层中，内法兰塞、外法兰塞和端盖本体径向对齐使筒体端部形成由内而外的刚性径向支撑。
13.优选的，所述的端盖本体包括塞入至液氮层中的塞环，所述的塞环的内壁与二层筒外壁贴合接触，外壁与三层筒内壁贴合接触，塞环的内端面上具有与绕组及换热器连接的连接螺杆。
14.优选的，所述的内法兰塞和外法兰塞的结构相同，均包括密封法兰和固定在密封法兰上的螺纹套，螺纹套沿轴向设置且在密封法兰周向均匀分布，端盖本体上开有与螺纹套相对应的螺纹沉孔，端盖本体沿轴向压在密封法兰上，螺栓穿过螺纹沉孔并紧固在螺纹套中将端盖本体和密封法兰固定。
15.优选的，所述的端盖本体与外法兰塞的密封法兰之间设有端面密封环，塞环上套有径向密封环，径向密封环与三层筒内壁贴合，端面密封环位于径向密封环外侧，径向密封环为泛塞密封圈且开口朝向端面密封环一侧。
16.优选的，所述的端盖本体和固定端盖上均具有与变压器骨架固定的安装支座，安装支座在端盖本体和固定端盖上均为对称设置，且安装支座的底面高度高于筒体的底部高度。
17.发明的有益效果是：本发明的超导变压器用杜瓦，包括筒体和端盖，筒体中由内至外具有铁芯层、内真空层、液氮层和外真空层，铁芯层可容纳超导变压器的铁芯，液氮层盛装液氮并容纳超导变压器的绕组及换热器，内真空层和外真空层起到真空隔热的作用，筒体端部被端盖密封且径向支撑，避免安装后杜瓦端部的径向承重悬空，使杜瓦两端的承重沿径向有效传递至变压器骨架上，有效降低杜瓦内部的相对振动，保证超导变压器能满足轨道车辆运行中的冲击振动要求；内真空层和外真空层在筒体一端联通，简化真空接头的数量，有利于真空接头的布局及真空度的检测与维持，实用性高。
18.固定端盖包括液氮层端盖和真空层端盖，液气层端盖塞入液氮层中，真空层端盖塞入至内、外真空层中，形成固定端盖对筒体一端内由至外的径向支撑，在液氮层端盖中设置环形承载腔，绕组及换热器的一端对应伸入至环形承载腔中，形成绕组及换热器端部与杜瓦端部的刚性接触，使绕组及换热器端部的重量经杜瓦端部有效传递至变压器骨架上，相对振动小，稳定性更高。液氮层端盖和真空层端盖之间形成联通内真空层和外真空层的真空腔，只需在真空端盖上设置一个真空接头，在真空腔中设置分子塞有效维持真空度，在真空腔和内外真空层中均铺设多层隔热膜薄，有效降低杜瓦的漏热量，提高杜瓦的隔热可靠性。
19.活动端盖包括内法兰塞、外法兰塞和端盖本体，端盖本体塞入液氮层中进行密封及支撑，内法兰塞塞入内真空层中进行密封及支撑，外法兰塞塞入外真空层中进行密封及支撑，形成活动端盖对筒体一端内由至外的径向支撑，活塞端盖上塞环的内端部具有连接螺杆与绕组及换热器固定，保证绕组及换热器端部的重量经杜瓦端部有效传递到变压器骨架，杜瓦内部的相对振动小，端部不悬空，稳定性高，结构可靠性高。
20.径向密封圈与端面密封圈之间形成密封路径，径向密封圈选用泛塞密封圈，开口方向朝着端面密封圈一侧，如果液氮通过径向密封圈渗漏至径向密封圈与端面密封圈形成的密封路径中，会导致密封路径中的压力增加，使径向密封圈开口张开压紧在环塞和三层筒上，从而提高密封效果，阻止渗漏，有效减少液氮的泄漏，提高结构可靠性。
21.端盖本体和固定端盖上均安装支座，安装支座的底面高度高于筒体的底部高度，安装支座与变压器骨架固定后，杜瓦整体的高度和宽度均不超过筒体的外径，可有效减少杜瓦的空间占用率，多个杜瓦并排布置的所需空间更小，可有效缩小超导变压器的整体尺寸。
附图说明
22.图1为发明的超导变压器用杜瓦的结构示意图。
23.图2为图1的分解示意图。
24.图3为超导变压器用杜瓦的局部剖视图。
25.图4为图3的局部放大图。
26.图5为端盖本体的示意图。
27.图6为内法兰塞或外法兰塞的示意图。
28.图7为端盖本体与外法兰塞固定的局部放大图。
具体实施方式
29.下面结合图1~7对本发明的实施例做详细说明。
30.超导变压器用杜瓦，包括多层结构的筒体1和装在筒体端部的端盖2，其特征在于：所述的筒体1中具有可容纳铁芯的铁芯层3、设置在铁芯层3外且可容纳绕组及换热器的液氮层4、设置在铁芯层3与液氮层4之间的内真空层5和设置在液氮层外4的外真空层6，铁芯层3与端盖2中心孔同轴对接，端盖2将筒体1密封并对筒体端部形成径向支撑，内真空层2和外真空层6在筒体一端联通。
31.以上所述的超导变压器用杜瓦，包括筒体1和端盖2，筒体1中由内至外具有铁芯层3、内真空层5、液氮层4和外真空层6，铁芯层3可容纳超导变压器的铁芯，液氮层4盛装液氮并容纳超导变压器的绕组及换热器，内真空层5和外真空层6起到真空隔热的作用，筒体1端部被端盖2密封且径向支撑，避免安装后杜瓦端部的径向承重悬空，使杜瓦两端的承重沿径向有效传递至变压器骨架上，有效降低杜瓦内部的相对振动，保证超导变压器能满足轨道车辆运行中的冲击振动要求；内真空层5和外真空层6在筒体一端联通，简化真空接头的数量，有利于真空接头的布局及真空度的检测与维持，实用性高。
32.其中，所述的筒体1包括从内到外依次套装的一层筒11、二层筒12、三层筒13和四层筒14，一层筒11的内腔形成铁芯层3、一层筒11与二层筒12之间形成内真空层5，二层筒12与三层筒13之间形成液氮层4，三层筒13与四层筒14之间形成外真空层6，端盖2分为将筒体1一端密封的活动端盖7和将筒体另一端密封的固定端盖8，外真空层5和内真空层6在固定端盖8中联通。活动端盖7和固定端盖8密封筒体的两端，使内真空层5、外真空层6和液氮层4均处于密封状态，固定端盖8联通内、外真空层，即将杜瓦中的真空结构形成为一体，简化真空接头的数量和结构。
33.其中，所述的固定端盖8包括密封液氮层4的液氮层端盖81以及密封内真空层5和外真空层6的真空层端盖82，真空层端盖82将液氮层端盖81覆盖，在液氮层端盖81和真空层端盖82之间形成联通内真空层5和外真空层6的真空腔83。从附图中可以看出液氮层端盖81塞入至液氮层4的一端中，真空层端盖82塞入至内、外真空层中，且液氮层端盖81和真空层端盖82轴向隔开形成真空腔83，真空腔83联通内真空层5和外真空层6，在真空层端盖82上设置真空接头，进行抽真空即可实现内真空层5、外真空层6和真空腔83的同步真空度，结构简化且操作简单。
34.其中，所述的液氮层盖端81塞入至液氮层4中，真空层端盖82塞入至内真空层5和外真空层6中，液氮层端盖81和真空层端盖82径向对齐使筒体1端部形成由内而外的刚性径向支撑，液氮层端盖81与二层筒12之间形成与绕组及换热器一端径向支撑配合的环形承载腔84。绕组及换热器的一端对应伸入至环形承载腔84中，形成绕组及换热器端部与杜瓦端部的刚性接触，使绕组及换热器端部的重量经杜瓦端部有效传递至变压器骨架上，相对振动小，稳定性更高。
35.其中，所述的真空层端盖82上沿轴向开设联通真空腔83与内真空层5以及真空腔与外真空层6的轴向联通小孔821，所述的真空腔83中填充有分子塞85，在内真腔层5、外真腔层6和真空腔83中均铺设至少层的隔热薄膜，真空腔83中的分子塞85设置在隔热薄膜的轴向内侧。轴向联通小孔821在真空层端盖82上均匀开设多个，保证内、外真空层和真空腔可实现同步抽真空，在真空腔83中设置分子塞85有效维持真空度，在真空腔83和内、外真空
层中均铺设多层隔热膜薄，有效降低杜瓦的漏热量，提高杜瓦的隔热可靠性。
36.其中，所述的活动端盖7包括密封内真空层5的内法兰塞71、密封外真空层6的外法兰塞72和密封液氮层4的端盖本体73，端盖本体73与内法兰塞71和外法兰塞72分别同轴固定，内法兰塞71塞入至内真空层5中，外法兰塞75塞入至外真空层6中，端盖本体73塞入至液氮层4中，内法兰塞71、外法兰塞72和端盖本体73径向对齐使筒体1端部形成由内而外的刚性径向支撑。内法兰塞71塞入内真空层5一端进行密封并形成径向支撑，外法兰塞塞入外真空层6一端进行密封并形成径向支撑，端盖体73塞入液氮层4的一端进行密封并形成径向支撑，从而使活动端盖7与筒体端部配合形成由内至外的径向刚性接触，安装后可有效传递承重，将铁芯、绕组及换热器重量传递至骨架上，不会形成重量传递的悬空，有效减少内部结构的相对振动。
37.具体的，所述的端盖本体73包括塞入至液氮层4中的塞环74，所述的塞环72的内壁与二层筒12外壁贴合接触，外壁与三层筒13内壁贴合接触，塞环74的内端面上具有与绕组及换热器连接的连接螺杆75。塞环74密封液氮层4将有效支撑二层筒12和三层筒13，塞环74的内端部具有连接螺杆75与绕组及换热器固定，杜瓦的两端均形成由内至外的径向刚性支撑，保证绕组及换热器端部的重量经杜瓦端部有效传递到变压器骨架，杜瓦内部的相对振动小，端部不悬空，稳定性高，结构可靠性高。
38.其中，所述的内法兰塞71和外法兰塞72的结构相同，均包括密封法兰9和固定在密封法兰9上的螺纹套10，螺纹套10沿轴向设置且在密封法兰9周向均匀分布，端盖本体73上开有与螺纹套10相对应的螺纹沉孔731，端盖本体73沿轴向压在密封法兰9上，螺栓穿过螺纹沉孔731并紧固在螺纹套10中将端盖本体73和密封法兰9固定。密封法9上固定螺纹套10，端盖本体73抵在密封法兰9的外端面上，螺纹套10伸入至螺纹沉处孔中，将螺栓从螺纹沉孔731中旋入并旋紧至螺纹套10中，螺栓的头部与螺纹沉孔的沉台抵靠，从而将端盖本体73与密封法兰9固定，使端盖本体73、内法兰塞71和外法兰塞72形成整体，将筒体一端可靠密封并形成由内而外的有效径向支撑。
39.其中，所述的端盖本体73与外法兰塞72的密封法兰9之间设有端面密封环91，塞环74上套有径向密封环92，径向密封环92与三层筒13内壁贴合，端面密封环91位于径向密封环92外侧，径向密封环92为泛塞密封圈且开口朝向端面密封环91一侧。从附图中可以看出，径向密封环92套在塞环74上，且开口朝外设置，径向密封环92位于端面密封环91的内侧，使端面密封环91与径向密封环92之间形成密封路径，从端面密封环91一侧可能有空气进入至密封路径中，从径向密封环92一侧可能有液氨挥发出的氮气进入至密封路径中，无论是空气还是氮气进入至密封路径中，都会使密封路径中的压力增加，由于径向密封环92为泛塞密封圈且开口向外，因此密封路径中气压的增大会使径向密封圈92开口张开压紧在环塞74和三层筒13上，从而提高密封效果，阻止渗漏，有效减少液氮的泄漏，提高结构可靠性。
40.其中，所述的端盖本体73和固定端盖8上均具有与变压器骨架固定的安装支座75，安装支座75在端盖本体73和固定端盖8上均为对称设置，且安装支座的底面高度高于筒体的底部高度。安装支座75与变压器骨架固定后，杜瓦整体的高度和宽度均不超过筒体1的外径，可有效减少杜瓦的空间占用率，多个杜瓦并排布置的所需空间更小，可有效缩小超导变压器的整体尺寸。
41.以上结合附图对本发明的实施例的技术方案进行完整描述，需要说明的是所描述
的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。