一种饼式高温超导无感线圈的制作方法

本发明涉及一种高压直流电阻型故障限流器用高温超导无感线圈，特别涉及一种磁通耦合型饼式高温超导无感线圈。

背景技术：

随着国民经济的快速发展，社会对电力的需求不断增加，我国电力行业的规模正在不断扩大，柔性直流输电在国内发展速度一日千里。然而，我国在柔性直流输电系统的保护措施上尚未有良好的解决方案，柔性直流输电系统的稳定性与安全性必将成为制约其大规模应用的首要问题。短路故障是多端柔性直流输电系统中损坏输电设备、导致巨大经济损失的最为严重的故障之一。在高压直流情况下，现有的断路器难以做到在3ms-5ms内开断如此大的电流，因此需要配合限流器共同运行。基于第二代的高温超导带材的高压直流电阻型高温超导限流器串接在电网中，在稳态运行下处于无阻抗状态，损耗为零；在短路故障发生时，高温超导带失超而呈现高电阻状态进行限流，降低断路器的开断要求，具有很好的应用与市场前景。

超导电阻型限流器在制作时，通常是利用单根或多根超导带制作成无感饼式或桶式线圈模块，然后多个无感线圈模块通过串并联形成限流器。传统无感饼式结构均为双绕结构，双绕的相邻两匝超导带电流反向。论文(Development of resistive fault current limiters based on YBCO coated conductors,IEEE Transactions on Applied Superconductivity,vol.19,no.3,pp.1950-1955)采用了中部回旋的八卦型结构制作超导双绕无感线圈。中国发明专利201210057470.2直接采用中部焊接的方式制作超导双绕无感线圈。传统饼式结构的缺点是单饼端口故障电压高，因此难以制作成大饼，需要多个小饼串联才能构造成能承受高电压的限流器，从而增加了接头数量。传统无感桶式结构同样为双绕结构，与饼式结构类似。论文(An analysis and short circuit test of various types of Bi-2223bifilar winding fault current limiting module,IEEE Transactions on Applied Superconductivity,2006,vol.16,no.2,pp.703-706)采用双超导带叠加绕制的方式制作超导无感线圈，叠加绕制更加不利于冲击下的散热。中国发明专利201210057511.8采用了双超导带并向绕制的方式制作超导无感线圈。传统桶式结构的缺点与饼式类似，其径向和轴向并绕的圆筒式无感线圈均存在端口电压过高等问题，难以做成大筒。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术中饼式无感线圈与桶式无感线圈电绝缘水平较低的缺陷，以及桶式无感线圈占用空间较大的问题，提出一种磁通耦合型饼式高温超导无感线圈。本发明在液氮或过冷液氮浸泡的条件下，散热效果好，高压绝缘能力强，在线圈的绕制、冷热循环以及过电流运行中不易损坏高温超导带，可维护性强，可以应用在高压直流电阻型高温超导限流器中。

本发明主要包括外层隔板、内层隔板、饼芯、内连接柱、内连接片、第一外连接柱、第二外连接柱、外连接片、高温超导带和绝缘波纹纸等部件。外层隔板、内层隔板、饼芯、内连接柱、内连接片、第一外连接柱、第二外连接柱、外连接片组成本发明饼式高温超导无感线圈的骨架，高温超导带和绝缘波纹纸绕制在骨架上。

内层隔板前后两侧沿轴向各有一个饼芯，两个饼芯的前后两侧各有一个外层隔板。两个外层隔板、一个内层隔板和两个饼芯均为环形，同轴布置。在两个外层隔板和两个饼芯的内环边缘沿径向开有尺寸相同的凹槽，在内层隔板的内环边缘沿径向开有与凹槽宽度相同的通槽，凹槽与通槽的位置对应，内连接柱插入此凹槽与通槽中。两片内连接片分别固定于内连接柱的两个连接端子上。第一外连接柱、第二外连接柱分别位于外层隔板与内层隔板的外环边缘，沿径向固定在外层隔板与内层隔板之间的夹层中。两片外连接片分别通过螺丝固定在第一外连接柱与第二外连接柱的螺纹孔上。高温超导带环绕饼芯，嵌在外层隔板与内层隔板的夹层中。

外层隔板、内层隔板以及饼芯采用环氧玻璃钢材料制作。饼芯的直径由高温超导带的可弯曲度确定。饼芯的厚度比高温超导带的宽度宽1mm。内层隔板的厚度由稳态运行的磁场、故障运行下的磁场以及内层隔板的滑闪放电等级确定。外层隔板可以与内层隔板采用相同厚度。外层隔板、内层隔板的外径由高温超导带的厚度、匝数以及匝间距来确定。匝间距由绝缘波纹纸和内外层隔板的滑闪放电等级、散热要求、绝缘波纹纸制备难度确定。

内连接柱、内连接片、第一外连接柱、第二外连接柱、外连接片采用紫铜材料制作。内连接柱穿过两个外层隔板、一个内层隔板和两个饼芯，内连接柱沿径向穿透内层隔板内环后，沿轴向在饼芯上方引出两个端子，两个端子突出饼芯约5mm-8mm，并开有螺纹孔，螺丝穿过内连接片上的通孔将两片内连接片分别固定在两个端子的螺纹孔上。内连接片的两端弯曲，弯曲度小的一端用于焊接高温超导带，弯曲度大的一端在绕制高温超导线圈时能够提供一个坡度的缓冲。第一外连接柱与第二外连接柱在“L”的横边上沿垂直方向开有螺纹孔，用以固定外连接片。内连接柱、第一外连接柱、第二外连接柱均用螺丝固定在内层隔板与外层隔板上。

绝缘波纹纸由聚四氟热压制，其弯曲后的总厚度为高温超导线圈的匝间间隔。

两根高温超导带的首端分别焊接在两片内连接片弯曲度小的一端，两根高温超导带的绕向相反。绝缘波纹纸首端打孔，螺丝依次穿过内连接片的通孔和绝缘波纹纸的孔将绝缘波纹纸固定在内连接柱端子的螺纹孔上。两根高温超导带及两根绝缘波纹纸并行绕成饼式线圈。两根高温超导带的尾端分别焊接在第一外连接柱与第二外连接柱上，同时绝缘波纹纸继续绕制一小段后反折过来夹在第一外连接柱或第二外连接柱与外连接片之间。由于并联的双饼线圈绕向相反，电流大小始终相等，磁场相互抵消，线圈整体呈现零电感。

本发明通过增加内连接柱的连接端子的数量，使内连接柱的连接端子为2n个，使用2n个饼芯与2n-1个内层隔板，可以实现2n根高温超导带组成的n组磁通耦合型饼式无感线圈。沿径向前后两侧的最外层为两个外层隔板，中间依次放置饼芯、内层隔板、饼芯的排列。相邻的两个线圈绕向相反，电流大小始终相等，磁场相互抵消，线圈整体电感为零。n为不小于1的整数。

本发明可以通过匝间间隔来改变无感线圈的耐高压等级。线圈在液氮中时，高温超导带的两侧均与液氮接触，冷却与散热效果好。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

图1a为磁通耦合型饼式无感线圈骨架示意图，图1b为磁通耦合型饼式无感线圈骨架去除一层外层隔板的示意图；

图2a为磁通耦合型饼式无感线圈示意图，图2b为磁通耦合型饼式无感线圈去除一层外层隔板的示意图；

图3a为外层隔板示意图，图3b为内层隔板示意图，图3c为饼芯示意图，图3d为内连接柱示意图，图3e为内连接片示意图，图3f为第一外连接柱示意图，图3g为第二外连接柱示意图，图3h为外连接片示意图；

图4为高温超导带匝间使用的绝缘波纹纸示意图；

图5a为磁通耦合型饼式无感线圈A-A向剖视图，图5b为磁通耦合型饼式无感线圈A向正视图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

本发明实施例采用商业化生产的第二代不锈钢高温超导带的典型产品，尺寸范围为：厚度0.1mm-0.3mm，宽度12mm。在液氮温度、无外磁场条件下，临界电流I_c可以达到260A。本发明采用的所有高温超导带选用相同的外形尺寸，例如厚0.25mm、宽12mm。

本发明主要包括外层隔板4、内层隔板1、饼芯3、内连接柱2、内连接片5、第一外连接柱6、第二外连接柱7、外连接片8等部件。

如图1a和图1b所示，外层隔板4、内层隔板1、饼芯3、内连接柱2、内连接片5、第一外连接柱6、第二外连接柱7和外连接片8组成饼式高温超导无感线圈的骨架。内层隔板1前后两侧沿轴向各有一个饼芯3，两个饼芯3的前后两侧各有一个外层隔板4。两个外层隔板4、一个内层隔板1和两个饼芯3均为环形，同轴布置，在两个外层隔板4和两个饼芯3的内环边缘沿径向开有尺寸相同的凹槽14，在内层隔板1的内环边缘沿径向开有与凹槽14宽度相同的通槽15，凹槽14与通槽15的位置对应，内连接柱2插入此凹槽14与通槽15中。内连接片5上开有通孔18，螺丝穿过该通孔18将内连接片5固定在内连接柱2两个连接端子的螺纹孔17上。第一外连接柱6和第二外连接柱7分别位于外层隔板4与内层隔板1外环边缘，位于外层隔板4与内层隔板1的夹层中，沿径向固定。螺丝穿过两片外连接片8上的通孔22，将两片外连接片8分别固定在第一外连接柱6与第二外连接柱7的螺纹孔21上，如图3f和图3g所示。

如图2a和图2b所示，高温超导带9与绝缘波纹纸10绕制在外层隔板4、内层隔板1、饼芯3、内连接柱2、内连接片5、第一外连接柱6、第二外连接柱7、外连接片8组成的骨架上，组成饼式高温超导无感线圈。外层隔板4、内层隔板1及饼芯3采用环氧玻璃钢材料制作。

如图3c所示，饼芯3沿内环开有六个通孔12，六个通孔12均布，用于饼芯3与外层隔板4、内层隔板1和内连接柱2的固定。饼芯3的内环边缘沿径向开凹槽14，内连接柱2插入此凹槽14。饼芯3的直径由高温超导带9的可弯曲度确定，一般直径大于80mm。饼芯3的厚度比高温超导带9的宽度宽1mm，第二代高温超导带的宽度为12mm，因此饼芯厚度为13mm。

如图3b所示，内层隔板1沿内环开有五个通孔12，五个通孔12的中心线与通槽15的中心线两两相隔60°，五个通孔12用于内层隔板1与外层隔板4和饼芯3的固定。内层隔板1、外层隔板4、饼芯3与内连接柱2的通孔12位置一一对应，外层隔板4和饼芯3的凹槽14与内层隔板1的通槽15位置对应。内层隔板1上，靠近外环处均布六个通孔13，用于内层隔板1与外层隔板4、第一外连接柱6及第二外连接柱7的固定。螺丝穿过第一外连接柱6与第二外连接柱7上的通孔20，以及内层隔板1与两个外层隔板4上的通孔13，将第一外连接柱6固定在内层隔板1与一个外层隔板4之间，将第二外连接柱7固定在内层隔板1与另一个外层隔板4之间。内层隔板1在通孔12与通孔13之间开有六个散热孔11，六个散热孔11均布。绕制的无感线圈放置在液氮中，散热孔用于高温超导带9与液氮的热交换。内层隔板1的内环边缘沿径向开有通槽15，内连接柱2插入此通槽15。内层隔板1的厚度由稳态运行的磁场、故障运行下的磁场以及内层隔板1的滑闪放电等级确定，通常为5mm左右。

如图3a所示，外层隔板4沿内环均布六个通孔12，用于外层隔板4与内层隔板1、饼芯3及内连接柱2的固定；螺丝分别穿过外层隔板4、内层隔板1、饼芯3及内连接柱2的通孔12，将两个饼芯3分别固定在两个外层隔板4与一个内层隔板1之间，同时将内连接柱2固定在外层隔板4与饼芯3上。在外层隔板4上，靠近外环边缘处开有六个通孔13，用于外层隔板4与内层隔板1、第一外连接柱6及第二外连接柱7的固定；螺丝穿过第一外连接柱6、第二外连接柱7的通孔20，以及一个内层隔板1与两个外层隔板4的通孔13，将第一外连接柱6固定在内层隔板1与一个外层隔板4之间，将第二外连接柱7固定在内层隔板1与另一个外层隔板4之间。外层隔板4上开有六个散热孔11，六个散热孔11均布在通孔12与通孔13之间。绕制的线圈放置在液氮中，散热孔11用于高温超导带9与液氮的热交换。外层隔板4的内环边缘沿径向开有凹槽14，内连接柱2插入此凹槽14。外层隔板4的厚度可以与内层隔板1相等。外层隔板4的外径、内层隔板1的外径和散热孔11的大小由高温超导带9的厚度、匝数以及匝间距来确定。第二代高温超导带的厚度在0.1mm-0.3mm之间。匝间距由绝缘波纹纸10、内层隔板1和外层隔板4的滑闪放电等级、散热要求、绝缘波纹纸10制备难度确定，通常在4mm-10mm之间。

内连接柱2、内连接片5、第一外连接柱6、第二外连接柱7和外连接片8采用紫铜材料制作。

如图3d所示，内连接柱2为“工”字形，“工”字底部横边的一端延长，在此延长端上开有通孔16，通孔16作为骨架连接端口，与外部电路连接。内连接柱2的“工”字竖边的中间开有通孔12，用以与外层隔板4和饼芯3的固定。内连接柱2“工”字上横边两端沿垂直方向开有两个螺纹孔17，用于固定内连接片5。如图5a与5b所示，内连接柱2的厚度与凹槽14和通槽15的宽度相等，内连接柱2的“工”字竖边位于内层隔板1的通槽15中，内连接柱2的“工”字下横边内侧位于饼芯3的凹槽14中，内连接柱2的“工”字下横边外侧位于外层隔板4的凹槽14中，螺丝穿过内连接片5的通孔，将两片内连接片5分别固定在内连接柱2的“工”字上横边两端的两个螺纹孔17上。

如图3e所示，内连接片5为窄片状，两端弯曲，中间开有通孔18，螺丝穿过通孔18将内连接片5固定在内连接柱2的螺纹孔17上。内连接片5共有两片，如图5a和图5b所示，从图5b的正视方向观察，近端的一片内连接片5弯曲度大的一端在弯曲度小的一端的右侧，另一片内连接片5固定的方向相反，弯曲度大的一端在弯曲度小的一端的左侧。内连接片5弯曲度小的一端用于焊接高温超导带9，弯曲度大的一端在绕制线圈时可以提供一个坡度的缓冲。

如图3f与3g所示，第一外连接柱6为“L”形，“L”形的竖边的上端部水平引出一延长段，此延长段平行于“L”形的横边，此延长段上开有垂直方向的通孔19，作为骨架连接端口。第二外连接柱7为“L”形，“L”的竖边的上端部水平引出一延长段，引出的延长段的厚度为内层隔板1的厚度，该延长段用于第一外连接柱6与第二外连接柱7在内层隔板外环外侧的电气连接。第一外连接柱6与第二外连接柱7在“L”的竖边均开通孔23，第二外连接柱7通过通孔23固定在第一外连接柱6上。第一外连接柱6与第二外连接柱7在“L”的转折处均开通孔20，螺丝通过通孔20与通孔13将第一外连接柱6固定在内层隔板1与外层隔板4之间，保证第一外连接柱6的骨架连接端口与内连接柱2的骨架连接端口同在在骨架的一侧，如图5a所示。将第二外连接柱7固定在内层隔板1的另一侧和另一个外层隔板4之间，并且第二外连接柱7“L”形的横边方向与第一外连接柱6的“L”形横边方向相反，即形成背靠背的形状。第一外连接柱6与第二外连接柱7在“L”的横边上沿垂直方向开有螺纹孔21，用于固定外连接片8。第一外连接柱6与第二外连接柱7的厚度均与饼芯3的厚度相等。

如图3h所示，外连接片8的中央开有通孔22，螺丝穿过通孔22将两片外连接片8分别固定在第一外连接柱6与第二外连接柱7的螺纹孔21上。

如图4所示，绝缘波纹纸10由聚四氟材料热压制备，宽度为12mm，其弯曲后的总厚度为高温超导线圈的匝间间隔。

如图2所示，两根高温超导带9的首端分别焊接在两片内连接片5弯曲度小的一端，两根高温超导带9的绕向相反。绝缘波纹纸10的首端打孔，螺丝依次穿过内连接片5的通孔18和绝缘波纹纸10的孔将绝缘波纹纸10固定在内连接柱2端子的螺纹孔17上。两根高温超导带9以及两根绝缘波纹纸10并行绕成饼式线圈，分别绕制在两个饼芯3上。两根高温超导带9的尾端分别焊接在第一外连接柱6与第二外连接柱7上，同时绝缘波纹纸10继续绕制一小段后反折过来分别夹在第一外连接柱6与外连接片8之间和第二外连接柱7与外连接片8之间。由于并联的双饼线圈绕向相反，电流大小始终相等，磁场相互抵消，线圈整体呈现零电感。

本发明通过增加内连接柱2的连接端子的数量，使内连接柱2的连接端子为2n个，使用2n个饼芯3与2n-1个内层隔板1，可以实现2n根高温超导带9组成的n组磁通耦合型饼式无感线圈。沿径向前后两侧的最外层为两个外层隔板，中间依次放置饼芯、内层隔板、饼芯。相邻的两个线圈绕向相反，电流大小始终相等，磁场相互抵消，线圈整体电感为零。n为不小于1的整数。

本发明可以通过匝间间隔来改变无感线圈的耐高压等级。线圈浸泡在液氮中时，高温超导带9的两侧均与液氮接触，冷却与散热效果好。