改进的三相高温超导变压器.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)实用新型专利 (10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 201921425125.3 (22)申请日 2019.08.29 (73)专利权人 南京理工大学 地址 210094 江苏省南京市玄武区孝陵卫 200号 (72)发明人 张晨丹成星辰 (51)Int.Cl. H01F 36/00(2006.01) H01F 6/06(2006.01) H01F 6/04(2006.01) H01F 27/24(2006.01) (54)实用新型名称 一种改进的三相高温超导变压器 (57)摘要 本实用新型公开了一种改进的三相高温超 导变压器， 它。

2、的组成包括： 高压套管(1)， 低压套 管(2)， 液氮导管(3)， 高压管(4)， 铁芯(5)， 杜瓦 (6)， 一次/二次超导绕组(7)， 液氮冷却系统(8)， 所述一次/二次超导绕组， 一次侧采用单螺管绕 组， 二次侧采用双饼绕组两种气隙， 并且气隙从 绕组中部向端部增大或一次侧螺管式绕组分裂 成多个螺管轴向排列的结构， 二次侧等气隙的双 饼式绕组。 本实用新型的技术效果： 二次侧双饼 绕组分别采用了两种气隙和三种气隙以及气隙 从绕组中部向端部逐渐增加和减小， 径向漏磁场 减小了许多； 一次侧螺管式绕组轴向分裂为两段 和三段绕组， 也是径向漏磁场减小了许多。 权利要求书1页 说明书4页 。

3、附图2页 CN 210956422 U 2020.07.07 CN 210956422 U 1.一种改进的三相高温超导变压器， 它的组成包括： 高压套管(1)， 低压套管(2)， 液氮 导管(3)， 高压管(4)， 铁芯(5)， 杜瓦(6)， 一次/二次超导绕组(7)， 液氮冷却系统(8)， 其特征 在于： 所述一次/二次超导绕组， 一次侧采用单螺管绕组， 二次侧采用双饼绕组两种气隙， 并 且气隙从绕组中部向端部增大或一次侧螺管式绕组分裂成多个螺管轴向排列的结构， 二次 侧等气隙的双饼式绕组。 2.根据权利要求1所述的三相高温超导变压器， 其特征在于： 所述的铁芯(5)为芯式变 压器铁芯， 采。

4、用三相三柱式或三相五柱式。 3.根据权利要求1所述的三相高温超导变压器， 其特征在于： 所述的液氮冷却系统(8) 组成： 热交换单元、 主杜瓦单元和液态泵单元。 4.根据权利要求1所述的三相高温超导变压器， 其特征在于： 所述的杜瓦(6)采用玻璃 钢杜瓦。 权利要求书 1/1 页 2 CN 210956422 U 2 一种改进的三相高温超导变压器 技术领域 0001 本实用新型涉及一种变压器， 特别涉及一种改进的三相高温超导变压器。 背景技术 0002 高温超导变压器相较传统变压器， 采用高温超导带材取代铜导线， 使线圈在液氮 环境中运行。 高温超导变压器具有体积小、 重量轻、 效率高， 且没。

5、有潜在的火灾隐患和环境 污染等优点， 符合科技发展和时代的需求。 高温超导变压器漏磁场的大小和分布规律对变 压器特性和参数的影响很大， 对变压器线圈的感抗、 附加损耗及变压器金属构件的损耗起 着决定性作用。 漏磁场还与正常及故障状态下作用在绕组上的电磁力有着密切关系， 对绕 组其他部件的温升也有很大影响。 0003 特别是高温超导变压器的漏磁场减小了绕组的临界电流， 增加了交流损耗。 由于 带材的各向异性， 径向磁场分量对临界电流和交流损耗的影响比轴向分量大很多。 0004 因此， 减小磁场特别是其径向分量对高温超导变压器电磁设计显得尤其重要。 实用新型内容 0005 本实用新型要解决的技术问。

6、题是在单相高温超导变压器中应尽可能减小漏磁场 尤其是其径向分量。 0006 本实用新型是通过下述技术方案来解决上述技术问题： 0007 一种改进的三相高温超导变压器， 它的组成包括： 高压套管1， 低压套管2， 液氮导 管3， 高压管4， 铁芯5， 杜瓦6， 一次/二次超导绕组7， 液氮冷却系统8， 其特征在于： 所述一次/ 二次超导绕组， 一次侧采用单螺管绕组， 二次侧采用双饼绕组两种气隙， 并且气隙从绕组中 部向端部增大或一次侧螺管式绕组分裂成多个螺管轴向排列的结构， 二次侧等气隙的双饼 式绕组。 0008 铁芯5为芯式变压器铁芯， 采用三相三柱式或三相五柱式。 0009 液氮冷却系统8组。

7、成： 热交换单元、 主杜瓦单元和液态泵单元。 0010 杜瓦6采用玻璃钢杜瓦。 0011 本实用新型的积极技术效果： 技术效果仅从减小漏磁场的角度特别是径向漏磁场 的角度考虑， 二次侧双饼绕组分别采用了两种气隙和三种气隙以及气隙从绕组中部向端部 逐渐增加和减小， 径向漏磁场减小了许多； 一次侧螺管式绕组轴向分裂为两段和三段绕组， 也是径向漏磁场减小了许多。 附图说明 0012 图1是改进的三相高温超导变压器组成图。 0013 图2是一次/二次超导绕组示意图。 0014 图3是变压器三相三柱式和三相五柱铁芯叠片图。 0015 图4是液氮冷却系统图。 说明书 1/4 页 3 CN 21095642。

8、2 U 3 0016 图5玻璃钢杜瓦结构示意图。 0017 图中： 1为高压套管， 2为低压套管， 3为液氮导管， 4为高压管5为铁芯， 6为杜瓦， 7 为一次/二次超导绕组， 8为液氮冷却系统。 具体实施方式 0018 下面结合附图， 对本实用新型具体实施方式做进一步的说明。 0019 1.改进的单相高温超导变压器整体结构 0020 1)改进的三相高温超导变压器， 它的组成包括： 高压套管1， 低压套管2， 液氮导管 3， 高压管4， 铁芯5， 杜瓦6， 一次/二次超导绕组7， 液氮冷却系统8， 其特征在于： 所述一次/二 次超导绕组， 一次侧采用单螺管绕组， 二次侧采用双饼绕组两种气隙， 。

9、并且气隙从绕组中部 向端部增大或一次侧螺管式绕组分裂成多个螺管轴向排列的结构， 二次侧等气隙的双饼式 绕组。 0021 2)铁芯5为芯式变压器铁芯， 采用三相三柱式或三相五柱式。 0022 3)液氮冷却系统8组成： 热交换单元、 主杜瓦单元和液态泵单元。 0023 4)杜瓦6采用玻璃钢杜瓦。 0024 2.三相变压器铁芯 0025 三相变压器是生产和使用最多的变压器。 因为一台三相变压器的价格比三台单相 变压器组成三相组要低， 同时三相变压器的安装面积比三台单相变压器组成三相组所需的 安装面积要小， 所以一般情况下都使用三相变压器， 只有在运输条件限制或有特殊要求时， 才使用三相组。 但三相变。

10、压器如果需要备用变压器时， 则需要一台三相变压器； 而单相变压 器组成三相组时， 只要一台单相变压器备用即可。 0026 1)三相三柱式铁芯。 应用最多的三相三柱式铁芯， 其叠装工艺简单， 单位质量的铁 损小， 即变压器的损耗系数小。 由于三相在同一平面内， 三相磁路的长度不相等， 两边两相 磁路的磁阻比中间一相磁阻大一些。 当外加三相电压对称时， 各相磁通相等， 但三相的空载 损耗不相等， 三相的空载电流也不对称在大型变压器中， 其不平衡度较小。 但由于空载电流 在变压器负载运行时所占的比例小， 因而不会对变压器的实际运行带来大的影响。 0027 2)三相五柱式铁芯。 由于运输高度的限制， 。

11、三相三柱式铁芯不能满足运输要求， 不 得不降低铁轭高度， 铁芯做成三相五柱式， 这种铁芯在三个中间的铁芯柱上分别套装A、 B、 C 三相绕组， 有三个芯柱和两个各有垂直部分与水平部分的铁轭。 0028 3.复杂过冷液氮冷却系统 0029 过冷液氮冷却系统如图， 它由3个功能单元组成， 分别是热交换单元、 主杜瓦单元 和液氮泵单元。 每个单元之间用柔软的传输管连接。 热交换单元包括真空泵降温的饱和液 氮和使液氮过冷的热交换器两部分； 液氮泵单元包含过冷液氮和循环泵， 循环泵将液氮传 送到杜瓦中； 主杜瓦单元包含过冷液氮和浸在液氮中的变压器。 在杜瓦液面以下， 温度基本 是均匀的。 较之简单过冷液。

12、氮冷却系统， 这一系统较为复杂， 但108kPa液氮的使用使系统中 超导变压器的绝缘性能大大提高。 0030 4.杜瓦设计 0031 超导绕组工作于低温环境， 如果采用铁芯与绕组同处于低温环境中， 即所谓的冷 铁芯结构， 超导变压器与常规油式变压器相似， 制造比较容易。 但是变压器铁芯空载损耗始 说明书 2/4 页 4 CN 210956422 U 4 终存在， 在低温下铁芯材料电阻率将减小， 涡流损耗将增加。 在液氮温度下消耗1W的功率相 当于室温下消耗15W的功率， 给低温制冷带来很大负担， 降低变压器的效率， 所以铁芯与绕 组必须分开， 绕组置于与铁芯隔开的低温杜瓦容器中。 0032 热。

13、交换有三种基本方式： 固体热传导、 对流热交换和热辐射。 固体热传导热量的大 小与其截面成正比， 减小截面可以极大地降低固体导热； 对流热交换是气体分子相互碰撞， 将热量向温度低的区域传递， 真空度增加即气体分子的减少可以减小对流产生的热传递； 任何物质， 只要温度高于0都会通过热辐射向外辐射热量， 光滑的金属波箔膜可以将热辐射 反射出去， 减小辐射漏热。 传统的低温杜瓦采用不锈钢材料， 强度高， 杜瓦内壁可以很薄， 有 效减小固体热传导； 不锈钢密度高、 不放气， 能够维持真空度， 有效减小对流热交换； 在杜瓦 内外夹层间包绕多层光滑金属箔作为辐射屏， 有效地防止热辐射的传播； 同时在夹层中。

14、间 还放置一定量的活性炭以吸附多余的气体分子。 所以传统的低温杜瓦一般都采用不锈钢材 料制备， 具有强度高、 真空维持时间长、 绝热性能好等优点， 不锈钢杜瓦真空度可抽到10Pa 以上， 真空度可维持两年以上。 但是超导变压器用低温杜瓦包围铁芯磁路， 因此变压器用杜 瓦不能使用任何金属材料， 应选用绝缘性能好的玻璃钢材料。 在内外杜瓦壁夹层内， 防辐射 屏的使用与常规杜瓦不同， 辐射屏光滑金属箔应该采用带有切口的薄金属箔以免在杜瓦夹 层内形成短路环， 如图5所示。 由于玻璃钢材料的放气特性， 杜瓦真空不能维持很长时间， 所 以超导变压器用低温玻璃钢杜瓦需要定期抽真空。 0033 玻璃钢杜瓦的尺。

15、寸和绕组的尺寸有关， 杜瓦内壁要和铁芯以及高压绕组保持一定 距离， 外壁要和最外面的低压绕组保持一定距离， 630kVA的杜瓦设计高度为680mm， 内、 外直 径分别是 410mm、 760mm。 0034 5.一次/二次超导绕组 0035 1)饼式绕组 0036 饼式绕组有几种不同的型式， 但具有相同特点的线饼型式。 它是把导线沿绕组的 辐向排列成圆饼状， 而后把各个圆饼状的线饼用不同的方式串联起来构成不同型式的绕 组。 饼式绕组在轴向的压紧力的控制要比圆筒式绕组容易， 在一般情况下， 饼式绕组的轴向 机械强度比圆筒式绕组大。 因此， 饼式绕组在大、 中型变压器中已被大量采用。 下面分别介。

16、 绍各种类型的饼式绕组。 0037 连续式绕组是绕组在绕制时， 导线不间断地由第一个饼式过渡到第二个、 第三 个， 直至最后一个线饼。 连续式绕组的这种绕制方法比较简单， 便于操作。 奇数线饼的 导线从外侧依次绕至内侧， 称为反饼。 偶数线饼的导线从内侧依次绕至外侧， 称为正饼。 0038 一个反饼和一个正饼组成一个单元， 所以连续式绕组的线饼数必须是偶数。 总线 饼数一般在30-100， 且为偶数， 但当中部出线时， 则是4的倍数。 当线饼的匝数由两根及以上 导线并联组成时， 并联导线要在反饼内侧和正饼外侧进行换位。 连续式绕组使用的电压范 围比较广 (3-110kVA)， 容量可大可小(8。

17、00-10000kVA及以上)， 且高、 中、 低压绕组均可采 用。 0039 2)螺旋管式绕组 0040 当绕组的电压等级为10kV及以下而容量又很大时， 这时绕组的匝数很少， 但导线 所需的截面积又非常大， 这种绕组做成螺旋管式的。 所谓螺旋管式绕组就是把符合设计要 求的截面积相等的许多根导线螺成一(二、 三、 四)组， 然后像卷制弹簧把这组导线做成 说明书 3/4 页 5 CN 210956422 U 5 一个绕组。 这组导线在绕线模上旋转一周， 就构成绕组中的一匝， 一般情况下， 螺旋管式绕 组的总匝数在几十匝到150匝之间。 螺旋管式绕组结构的特点如下： 0041 (1)螺旋管式绕组。

18、中的每一匝， 其形状很像圆饼状， 因此， 把螺旋管式绕组归结在 饼式绕组中。 0042 (2)必须根据并绕组数的不同， 选择不同的方式对绕组中的导线进行换位， 以使绕 组中各个导线之间的循环电流值最低。 0043 (3)为把螺旋管式绕组在轴向均匀压紧， 必须根据螺旋管式绕组的特点螺旋 管型的线饼和不同的换位方式等十分细致地布置螺旋管式绕组的内部。 0044 螺旋管式绕组有单螺旋管、 双螺旋管、 三螺旋管和四螺旋管等几种。 0045 (1)单螺旋管绕组。 单螺旋管绕组就是把所有导线螺成一组， 绕成螺旋管结构。 0046 (2)双螺旋管和四螺旋管绕组。 双螺旋管和四螺旋管由于换位的要求， 每匝并联。

19、的 导体数应分别是2和4的倍数。 其中双螺旋管就是把所有并联的导线分成匝数相等的两列， 然后一起按螺旋管方式进行绕制。 整个双螺旋管式绕组要在两列导线之间进行交叉换位， 一次完全换位的次数等于并联导线的根数。 整个双螺旋管绕组可以进行一次或多次完全换 位。 四螺旋管和双螺旋管绕制方法类似， 即把所有并联的导线分成匝数相等的四列， 然后同 双螺旋管式绕组绕制方式一样进行绕制。 还有一种方法是把四列导线分成两个两列， 并各 自进行交叉换位， 并且根据绕组的具体情况决定完全换位的次数。 0047 (3)三列螺旋管式绕组。 三列螺旋管式绕组是螺旋管式绕组的一种型式， 其结构特 点与双螺旋管基本上没有什。

20、么区别。 三列螺旋管式绕组导线的总根数可以是3的整数倍， 一 般情况下， 取6的整数倍。 它和双螺旋管一样进行上下交叉换位， 但它必须遵循三列螺旋管 式特有的规律， 即第一次换位在同一匝的第1、 2线饼之间进行， 将第1个线饼的最上面的一 根导线换位到第 2个线饼的最上面， 同时将第2个线饼的最下面一根导线换位到第1个线饼 的最下面； 第二次换位在同一匝的第2、 3线饼之间进行， 将第3个线饼的最上面的一根导线 换位到第2个线饼的最上面， 同时将第2个线饼的最下面一根导线换位到第3个线饼的最下 面； 然后重复上述的换位顺序， 一直到完成一次等距完全换位。 0048 (4)多列螺旋管式绕组。 多列螺旋管式绕组是指并绕的线饼数大于4的螺旋管绕 组。 这种多列螺旋管式绕组往往在特大容量的变压器上作为调压绕组被采用。 此时绕组可 以不进行换位， 但是为了方便各个分接引线的连接， 也可以在绕组的中部进行一次标准换 位。 说明书 4/4 页 6 CN 210956422 U 6 图1 图2 说明书附图 1/2 页 7 CN 210956422 U 7 图3 图4 图5 说明书附图 2/2 页 8 CN 210956422 U 8 。