專(zhuān)利名稱(chēng)：具有浸沒(méi)的相位線(xiàn)圈的高壓故障限流器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高壓故障限流器領(lǐng)域，特別是，公開(kāi)了一種高壓飽和芯型故障限流器。
背景技術(shù)：
飽和鐵芯型故障限流器(FCLs)已經(jīng)是公知的。在授予Darmarm等人的美國(guó)專(zhuān)利 US7193825、Yuan的美國(guó)專(zhuān)利6809910、Boenig的美國(guó)專(zhuān)利US7193825,以及Walker的美國(guó) 專(zhuān)利申請(qǐng)US2002/0018327中，均可看到超導(dǎo)故障限流器裝置的實(shí)例。所述故障限流器通常僅適于干式銅線(xiàn)圈布置。實(shí)際中，所述布置可能僅適用于利 用空氣作為主要絕緣介質(zhì)的DC飽和型FCLs。也就是說(shuō)，介于多相FC1中的AC相位線(xiàn)圈之 間以及介于AC相位線(xiàn)圈和鐵芯、DC線(xiàn)圈、低溫箱以及主結(jié)構(gòu)之間的主靜態(tài)絕緣介質(zhì)由空氣 中的適當(dāng)距離提供。這實(shí)質(zhì)性地將FCL限制在了干式絕緣技術(shù)上。干式技術(shù)通常指這樣的 變壓器構(gòu)造技術(shù)，該技術(shù)利用電絕緣的銅線(xiàn)圈，但僅以正常的靜態(tài)空氣和絕緣的絕緣隔障 材料作為絕緣介質(zhì)平衡。一般的，空氣構(gòu)成設(shè)備的高壓側(cè)和諸如鐵構(gòu)架及其外殼等接地部 件之間的介電絕緣材料主體。干式絕緣的應(yīng)用把設(shè)計(jì)限制在AC線(xiàn)電壓最大達(dá)約39KV的低壓范圍。可商業(yè)應(yīng)用 的干式變壓器和電抗器最大僅達(dá)約39KV的電壓水平。因此，當(dāng)前展示的用DC飽和型FCLs 的技術(shù)并不適于擴(kuò)展到高壓范圍。當(dāng)利用空氣作為絕緣介質(zhì)針對(duì)高壓來(lái)設(shè)計(jì)尺寸大小實(shí) 用的緊湊結(jié)構(gòu)時(shí)，干式設(shè)計(jì)顯得無(wú)能為力。FCLs實(shí)際的主要市場(chǎng)之一是中高壓(33KV 166KV)以及超高壓范圍(166KV 750KV)。在這些電壓范圍內(nèi)，當(dāng)前關(guān)于DC飽和型FCLs 描述的技術(shù)以及文獻(xiàn)描述可能不實(shí)用。主要原因在于靜態(tài)電壓設(shè)計(jì)的問(wèn)題，例如，高壓銅線(xiàn) 圈和低溫箱或鐵芯或DC線(xiàn)圈之間的空氣絕緣介質(zhì)的擊穿。中高壓范圍內(nèi)(大于39KV)的 高壓相位線(xiàn)圈常常需要浸沒(méi)在絕緣氣體中(例如SF6、氮?dú)?、真空(最好l(T3mbar)、液體 諸如合成硅油、植物油、或其他常用于中壓、高壓或超高壓變壓器或電抗器技術(shù)的絕緣油等 中。當(dāng)某一高壓裝置浸沒(méi)在所述的某一絕緣介質(zhì)中，所述介質(zhì)常常被稱(chēng)為“整體絕緣介質(zhì)”， 或“電介質(zhì)”。除了真空的相對(duì)介電常數(shù)為1之外，電介質(zhì)通常將具有約2 4量級(jí)的相對(duì) 介電常數(shù)。如果通過(guò)限制固體絕緣隔障之間的最大距離，并相對(duì)于特定液體或氣體電介質(zhì) 的擊穿性能優(yōu)化填充電介質(zhì)的間距而合理實(shí)施，這些所謂的介電絕緣介質(zhì)具有遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于大 氣中空氣的靜電擊穿強(qiáng)度性能。常用的整體絕緣氣體和液體通常具有量級(jí)為10 20KV/mm的擊穿強(qiáng)度，但是通常 應(yīng)用為平均電場(chǎng)應(yīng)力不超過(guò)約6 10KV/mm。所述擊穿應(yīng)力值的安全裕量是需要的，因?yàn)橛?于各種靜電場(chǎng)的加強(qiáng)效應(yīng)，即使平均靜電電場(chǎng)應(yīng)力為6 10KV/mm，其沿任一等電場(chǎng)線(xiàn)的靜 電電場(chǎng)應(yīng)力峰值可能是平均值的兩到三倍?？傮w而言，諸如變壓器、電抗器、故障限流器等室內(nèi)裝置中，用于高壓整齊絕緣體 要求的介電液體和氣體的主要期望需求有五個(gè) 電介質(zhì)必須具有很高的電阻系數(shù)； 介電損耗必須很低；
液體必須能容納固體絕緣件，而不損壞那些固體絕緣件(例如，線(xiàn)圈繞組的匝間 絕緣或環(huán)氧樹(shù)脂)； 電擊穿強(qiáng)度必須高； 介質(zhì)必須能去除熱量損耗。對(duì)于諸如變壓器、電抗器、故障限流器等室內(nèi)設(shè)備而言，固體絕緣技術(shù)還不常用于 中高壓(即>39KV)。固體絕緣技術(shù)的缺陷是在固體絕緣的整體(bulk)中，例如線(xiàn)圈絕緣 件和其他固體絕緣材料等不同材料表面之間，不可避免地存在氣隙。眾所周知，由于場(chǎng)強(qiáng)加 強(qiáng)效應(yīng)，高壓下的固體絕緣件內(nèi)部的氣隙會(huì)產(chǎn)生很高的電應(yīng)力，這將導(dǎo)致由于局部放電而 造成的包圍材料的物理?yè)舸?，以及可能最終造成漏電路徑和整個(gè)設(shè)備的損壞。將能認(rèn)識(shí)到的是，采用單個(gè)或多個(gè)DC線(xiàn)圈使鐵芯飽和的DC飽和型故障限流器，例 如在前述現(xiàn)有技術(shù)中所披露的那些，當(dāng)銅的AC相位線(xiàn)圈不再是“干式”構(gòu)造或當(dāng)整個(gè)設(shè)備 中的主絕緣介質(zhì)是空氣時(shí)，造成了很重要的問(wèn)題。所述布置中明顯的問(wèn)題是用于冷卻DC HTS線(xiàn)圈的鐵制低溫箱以及DC HTS線(xiàn)圈自身的存在。相對(duì)于AC相位線(xiàn)圈，低溫箱或線(xiàn)圈以 及鐵芯本質(zhì)上都處于接地電位。作為一個(gè)邊緣性的但提高了用于所有高壓機(jī)器和設(shè)備的絕緣要求的問(wèn)題，常見(jiàn)的 情況是基本絕緣設(shè)計(jì)必須符合某種電工標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)用于測(cè)試各種類(lèi)型的過(guò)電壓和預(yù)定 時(shí)間段內(nèi)雷電脈沖的容許量。在澳大利亞，此類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)實(shí)例如下AS2374第3部分絕緣水平和介電測(cè)試，其包括整個(gè)變壓器的電源頻率(RF)和雷擊 脈沖(LI)測(cè)試AS2374第3. 1部分絕緣水平和介電測(cè)試——處于空氣中的外部間隙AS2374第5部分承受短路電流的能力這些標(biāo)準(zhǔn)不構(gòu)成高壓電設(shè)備必須滿(mǎn)足的標(biāo)準(zhǔn)的所有內(nèi)容。已認(rèn)識(shí)到的是各個(gè)國(guó) 家都有覆蓋相同設(shè)計(jì)領(lǐng)域的本國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，且對(duì)一個(gè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的參考不必排除任何其他國(guó)家的 標(biāo)準(zhǔn)。理想的是，一個(gè)設(shè)備能構(gòu)造為滿(mǎn)足多個(gè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)這些標(biāo)準(zhǔn)的遵守即形成該裝置的BIL(基本絕緣水平)或者通常是許多個(gè)基本 AC線(xiàn)電壓的DIL(設(shè)計(jì)絕緣水平)。例如66KV的中壓變壓器或其他室內(nèi)裝置，諸如可具有 220KV的BIL的FCL。滿(mǎn)足這一標(biāo)準(zhǔn)的要求即形成一靜態(tài)電壓設(shè)計(jì)，比起僅考慮ACAC線(xiàn)電 壓，該設(shè)計(jì)更加積極地滿(mǎn)足實(shí)際要求?？蛇m用的標(biāo)準(zhǔn)以及此類(lèi)要求來(lái)自于這樣的事實(shí)實(shí)際 電裝置所經(jīng)歷的暫時(shí)過(guò)電壓，所述暫時(shí)過(guò)電壓是機(jī)器或設(shè)備可能在一個(gè)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中所經(jīng)歷 的，例如，雷擊過(guò)電壓，和開(kāi)關(guān)過(guò)電壓。因而，電網(wǎng)中的所有設(shè)備具有適于預(yù)期最壞情況下瞬 時(shí)電壓的BIL或DIL。針對(duì)高壓DC飽和型故障限流器的靜態(tài)設(shè)計(jì)問(wèn)題的首先考慮可能導(dǎo)致這樣的結(jié) 果通過(guò)將高壓AC銅線(xiàn)圈置于適宜的電絕緣氣體或液體中而簡(jiǎn)單地解決這一問(wèn)題。然而， 這一技術(shù)的問(wèn)題是；鐵芯必須通過(guò)容納氣體或液體的容器，機(jī)械上難以解決具有較長(zhǎng)壽命 的這一界面的設(shè)計(jì)問(wèn)題。然而，從靜電學(xué)上更重要地解決這一界面問(wèn)題是更復(fù)雜得多的，任 何解決方案可能都趨于失敗或被證明不經(jīng)濟(jì)。問(wèn)題是在容納介電流體的容器和高磁導(dǎo)率 的鐵芯之間必須形成密封。另一種可能性是在相與相之間，以及在相與鐵芯和低溫箱或圍繞銅相位線(xiàn)圈且與 相位線(xiàn)圈緊密接觸的一層高壓絕緣體之間，采用干式固體高壓隔障且緊密接觸相位線(xiàn)圈，而不結(jié)合使用介電液體或氣體。但是，不包括液體或氣體電介質(zhì)有一個(gè)明顯的有害副作用 已知處于空氣和具有相對(duì)較高介電常數(shù)的其他材料組合中的靜電電場(chǎng)總會(huì)在具有較低介 電常數(shù)的材料和流體(即，空氣)中造成電場(chǎng)的增大。例如，設(shè)想導(dǎo)電銅圓筒，其具有一層 常見(jiàn)絕緣體以表示匝間絕緣體，根據(jù)公式1
Ex =X .
￡2/… 1其中，Um =相對(duì)地的AC相電壓R =包括外側(cè)絕緣件的銅圓筒的半徑(mm)r =裸露的銅圓筒的半徑(mm)d=從圓筒中心到最近的地平面的距離(mm)e 2 =覆蓋圓筒的絕緣體的相對(duì)介電常數(shù)e工=圓筒浸沒(méi)于其中時(shí)整體絕緣體(空氣的話(huà)=1)的相對(duì)介電常數(shù)X=從圓筒中心到圓筒外某一點(diǎn)的距離(mm)Ex =點(diǎn)X處的靜電電場(chǎng)梯度(KV/mm)電場(chǎng)加強(qiáng)效應(yīng)用因子e 2/ ￡工表示，除相對(duì)介電常數(shù)等于1的真空情況之外，日常 常用材料的電場(chǎng)加強(qiáng)效應(yīng)為2 4量級(jí)。因而，通過(guò)提供額外的固體或其他絕緣材料(具 有比空氣高的介電常數(shù))，可以提高FC1的整體空氣絕緣體中的靜電電場(chǎng)應(yīng)力。高電壓絕緣 性能越好，電場(chǎng)加強(qiáng)效應(yīng)就越強(qiáng)。因而，通過(guò)僅采用固體介電絕緣隔障，而不浸沒(méi)到介電液體或氣體中，而是空氣絕 緣的FCL，對(duì)于高于39KV的高壓FCLs來(lái)說(shuō)，技術(shù)上不是理想的選擇，實(shí)際中也還沒(méi)有看到過(guò) 利用這種技術(shù)制造高壓干式變壓器，例如高于39KV。事實(shí)上，至今還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)有什么技術(shù)特 別合適，這就是為什么39KV以上的高壓變壓器采用介電液體或氣體絕緣。上述所討論的是為什么封裝高壓電設(shè)備常常整體浸沒(méi)在電絕緣的介電流體或氣 體中的原因。也就說(shuō)，電抗器和變壓器的絕緣銅線(xiàn)圈和鐵芯封裝在一容器中，之后將該容器 中全部注滿(mǎn)流體介電介質(zhì)。這實(shí)質(zhì)性地弱化了上述討論中所詳細(xì)描述的靜電壓設(shè)計(jì)問(wèn)題。 絕緣介質(zhì)(例如，油、真空或SF6)充滿(mǎn)了所有的空隙以及在高壓部件和基本上處于接地電 位或中性電位的部件之間的大塊距離。在這種情況下，可以將固體絕緣隔障合并到整體絕 緣電介質(zhì)中。對(duì)于諸如油等很多液體，采用固體絕緣件分割長(zhǎng)的間距，通過(guò)提高介電流體的 擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度而提高了整體靜電絕緣性能。這是因?yàn)椋秃凸腆w絕緣體的相對(duì)介電常數(shù)相 互非常接近(所以與空氣相比電場(chǎng)加強(qiáng)效應(yīng)被弱化了)，且由于絕緣隔障間的間距較小，整 體電介質(zhì)的擊穿電壓(以KV/mm表示)提高。然而，全部浸沒(méi)技術(shù)的問(wèn)題是其不容易適用于DC飽和型FCL設(shè)計(jì)以及其他需要 并入超導(dǎo)線(xiàn)圈作為DC飽和元件的設(shè)計(jì)。這是因?yàn)槌瑢?dǎo)線(xiàn)圈以及其低溫箱、或真空容器是 也必須要浸沒(méi)到介電流體中的FCL的部件。申請(qǐng)文件中關(guān)于現(xiàn)有技術(shù)的討論絕不應(yīng)被視為認(rèn)可上述現(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)眾所周知 或已構(gòu)成本領(lǐng)域的普通公知常識(shí)。
Um
In — In A r . R

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種高壓故障限流器的改進(jìn)結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明的第一方面，其提供了一種故障限流器，該限流器包括鐵磁線(xiàn)路，該 鐵磁線(xiàn)路由鐵磁材料制成，且包括至少第一芯柱和第二芯柱；圍繞所述第一芯柱的飽和機(jī) 構(gòu)，以使所述鐵磁材料磁飽和；卷繞所述第二芯柱的相位線(xiàn)圈；包圍所述相位線(xiàn)圈的介電 流體；以及包圍所述飽和機(jī)構(gòu)的氣體環(huán)境。在某些實(shí)施例中，飽和機(jī)構(gòu)可包括互連至DC電源的冷卻的超導(dǎo)線(xiàn)圈，該超導(dǎo)線(xiàn)圈 可處于低溫箱中。該限流器還可包括用于容納限流器部件的外部容器，安裝在外部容器上的一系列 端子，其中相位線(xiàn)圈優(yōu)選包括互連到所述端子中的預(yù)定端子的AC輸入引線(xiàn)和AC輸出引線(xiàn)。 該限流器還包括互連到所述飽和機(jī)構(gòu)的低溫制冷劑供應(yīng)軟管。該限流器還可用于多相電源，以限制電源的各相。在某些實(shí)施例中，單個(gè)飽和機(jī)構(gòu) 圍繞多相電源的每個(gè)相的鐵磁線(xiàn)路。所述飽和機(jī)構(gòu)和相位線(xiàn)圈優(yōu)選繞鐵磁材料的同一細(xì)長(zhǎng) 部分形成。所述飽和機(jī)構(gòu)可繞所述細(xì)長(zhǎng)部分的近端形成，相位線(xiàn)圈可繞所述細(xì)長(zhǎng)部分的遠(yuǎn) 端形成。鐵磁線(xiàn)路可包括鐵材料的單個(gè)細(xì)長(zhǎng)部分。在某些實(shí)施例中，鐵磁線(xiàn)路優(yōu)選可包括相互平行的第一芯柱、第二芯柱和第三芯 柱，所述相位線(xiàn)圈的一部分卷繞在所述第一芯柱和第二芯柱，所述飽和機(jī)構(gòu)卷繞著所述第 三芯柱。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，其提供了一種故障限流器，該限流器包括鐵磁線(xiàn)路，該 鐵磁線(xiàn)路由鐵磁材料制成，且包括至少第一芯柱、第二芯柱、第三芯柱和第四芯柱；圍繞所 述芯柱的飽和機(jī)構(gòu)，以使所述鐵磁材料磁飽和；卷繞所述第二芯柱的第一相位線(xiàn)圈；卷繞 所述第三芯柱的第二相位線(xiàn)圈；卷繞所述第四芯柱的第三相位線(xiàn)圈；包圍所述相位線(xiàn)圈的 介電流體；以及包圍所述飽和機(jī)構(gòu)的氣體環(huán)境。所述飽和機(jī)構(gòu)可包括在低溫箱內(nèi)卷繞第一 芯柱的超導(dǎo)線(xiàn)圈。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，其提供了一種故障限流器，該限流器包括鐵磁線(xiàn)路，該 鐵磁線(xiàn)路由鐵磁材料制成，且包括至少第一芯柱和第二芯柱；圍繞所述第一芯柱的飽和機(jī) 構(gòu)，用于使所述鐵磁材料在無(wú)故障狀態(tài)下磁飽和；至少一個(gè)卷繞所述第二芯柱的相位線(xiàn)圈； 以及包圍所述相位線(xiàn)圈的介電流體。在一些實(shí)施例中，所述第一和第二芯柱優(yōu)選彼此相互 靠近，飽和機(jī)構(gòu)和相位線(xiàn)圈優(yōu)選具有大致相同的尺寸或范圍。


以下將僅以實(shí)例形式，結(jié)合附圖，說(shuō)明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，其中圖1示出了第一實(shí)施例的單相高壓DC飽和型故障限流器的側(cè)視立體圖；圖2示出了第二實(shí)施例的單相高壓DC飽和型故障限流器的側(cè)視立體3示出了第一三相高壓DC飽和型故障限流器的側(cè)視立體圖；圖4示出了具有冷卻液注入口的另一三相高壓DC飽和型故障限流器的側(cè)視立體 圖；圖5示出了具有水平線(xiàn)圈的三相高壓DC飽和型故障限流器的側(cè)視立體圖；圖6示出了具有緊鄰超導(dǎo)線(xiàn)圈的相位線(xiàn)圈的另一改進(jìn)實(shí)施例的側(cè)視立體圖7示出了包括用于各相位線(xiàn)圈的單個(gè)細(xì)長(zhǎng)鐵芯的另一改進(jìn)實(shí)施例的側(cè)視立體 圖；圖8示出了另一改進(jìn)實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，提供了一種高壓、DC飽和型FCL，其基本沒(méi)有上述討論的 整體絕緣上的問(wèn)題。AC相位線(xiàn)圈連接至高壓AC電源。DC線(xiàn)圈是由DC電源提供電壓的相 對(duì)低壓線(xiàn)圈，其用于使芯飽和。首先請(qǐng)參見(jiàn)圖1，其示出了通過(guò)第一單相高壓故障限流器1的剖切部分的側(cè)視立 體圖。該限流器設(shè)計(jì)為基本依據(jù)Darmarm等人的美國(guó)專(zhuān)利US7193825的工作原理而工作， 該專(zhuān)利的內(nèi)容以交叉引用的方式并入本文，并擴(kuò)展至高壓工作。限流器1包括兩個(gè)鐵制的 方形芯環(huán)2，所述芯環(huán)具有上部，超導(dǎo)線(xiàn)圈3纏繞在該上部，線(xiàn)圈3放置在一個(gè)用于冷卻的低 溫箱中，并在正常工作中作用，以使芯環(huán)2磁飽和。AC相位線(xiàn)圈5、6卷繞在各個(gè)鐵芯上。線(xiàn)圈通過(guò)具有固體絕緣件，例如13的導(dǎo)體而 互連到高壓套管或端子，例如7、8上。鐵芯的下部浸入電介質(zhì)流體或氣體10中。通過(guò)與套管例如11互連的電流引線(xiàn)12向超導(dǎo)線(xiàn)圈3提供外部電源。在該優(yōu)選實(shí)施例中，套管AC相位線(xiàn)圈5、6反向卷繞并直接串聯(lián)。DC飽和電流負(fù)載線(xiàn)圈3作為用于高磁導(dǎo)率鐵芯，例如2的飽和機(jī)構(gòu)，并圍繞這鐵芯 的芯柱。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，電流負(fù)載線(xiàn)圈3是可由多層熱絕緣體9包圍的超導(dǎo)線(xiàn)圈，并 放置在真空容器低溫箱4中。低溫箱中所需的真空度僅要適于有效地?zé)峤^緣，而不用適于 靜電絕緣。真空容器低溫箱4可以采用不銹鋼、塑料、玻璃纖維強(qiáng)化塑料或任何其他合適的 材料制造，以保持真空。對(duì)各相均需要線(xiàn)圈對(duì)5、6，以有效地限制故障電流波形的兩個(gè)半循環(huán)上的故障電流。Darmarm等的美國(guó)專(zhuān)利US7193825所提出的關(guān)于DC飽和型故障限流器的基本理論 仍然適用。也就是說(shuō)，整個(gè)鐵芯飽和到這樣的磁場(chǎng)水平AC相管套處各相的終端阻抗最小。 例如，對(duì)于采用M6層疊的鐵制層疊鐵芯，飽和水平可以是2. 05特斯拉。在此飽和水平，鐵 芯的相對(duì)磁導(dǎo)率為約1. 6。FCL的相終端阻抗由下面的公式2給出。義=|^/./7。/1]^.凡單位=Q公式 2其中， X是當(dāng)沒(méi)有故障電流情況下通過(guò)工作網(wǎng)絡(luò)所看到的FCL的AC穩(wěn)態(tài)終端阻抗； f是頻率； n是各相位線(xiàn)圈上的ac匝數(shù)； A是高磁導(dǎo)率鐵芯的橫截面積； L是每相的高磁導(dǎo)率鐵芯的有效磁長(zhǎng)度； 是自由空間的介電常數(shù)； 是飽和狀態(tài)中高磁導(dǎo)率鐵芯的相對(duì)介電常數(shù)。通過(guò)實(shí)施圖1所示的設(shè)計(jì)，對(duì)于任何給定的AC相電壓，該裝置的占據(jù)空間 (footprint)都最小化，這點(diǎn)在處于接近市中心的變電站中特別重要。FCLs的重要市場(chǎng)是作為現(xiàn)有變電站或其他設(shè)施的改進(jìn)。通常，在現(xiàn)有的變壓器間之間僅有小占據(jù)空間可用?，F(xiàn)請(qǐng)參見(jiàn)圖2。其中示出了單相故障限流器的替換實(shí)施例20。在替換實(shí)施例20 中，兩個(gè)高壓AC相位線(xiàn)圈22、23安裝在進(jìn)一步與一體互連到鐵芯21上的芯柱25、26上。鐵 芯21還包括貫通水平安裝的超導(dǎo)線(xiàn)圈27的芯柱，所述線(xiàn)圈具有多層熱絕緣體30以及包圍 的單壁式低溫箱31。通過(guò)軟管28、29向低溫箱31中填充氦氣。由于例如22、23的兩個(gè)相位線(xiàn)圈安置在與鐵芯21相連接的相似高磁導(dǎo)率的鐵芯 軛上，對(duì)于提供較小的占據(jù)空間而言，設(shè)計(jì)20特別有利。布置1的另一優(yōu)點(diǎn)是低壓超導(dǎo)偏 置線(xiàn)圈27與高壓AC相位線(xiàn)圈之間的物理分隔。對(duì)高壓工程師來(lái)說(shuō)，這點(diǎn)簡(jiǎn)化了靜電設(shè)計(jì)。有利的是，應(yīng)用在高壓繞組線(xiàn)圈的常用技術(shù)和技巧可實(shí)施用于制造常見(jiàn)的相位線(xiàn) 圈。實(shí)際上，相位線(xiàn)圈通常可是紙絕緣銅線(xiàn)圈，電介質(zhì)可是合成硅油，使FCL的底部本質(zhì)上 象傳統(tǒng)的電抗器或開(kāi)路變壓器。
圖1和圖2中的布置的另一優(yōu)點(diǎn)是低溫箱和饋入(feedthrough)元件(用于電 流、冷卻劑、傳感器、真空口)不必浸沒(méi)在液體電介質(zhì)中，而是可以從整個(gè)容器的頂端接近。 這使得所述布置對(duì)于必須針對(duì)低溫箱所進(jìn)行的日常檢修、更換或改進(jìn)等實(shí)際應(yīng)用更加實(shí)用。此外，所述布置沒(méi)有任何內(nèi)在特點(diǎn)會(huì)限制或引導(dǎo)整個(gè)裝置的寬高比成為任何特定 構(gòu)造。如果空間允許，在任何設(shè)計(jì)中，占據(jù)空間都可以增加為更大，如果需要，F(xiàn)CL的高度都 可以做得如需要的那樣小，以避開(kāi)由上面進(jìn)入的高壓線(xiàn)。理想地，在圖2的布置中，下部芯柱25、26具有減小的截面積。這點(diǎn)確保了的整個(gè) 鐵芯的充分飽和，所述鐵芯包括相位線(xiàn)圈居于其上的所有芯柱在內(nèi)。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，DC飽和線(xiàn)圈是超導(dǎo)線(xiàn)組。DC超導(dǎo)線(xiàn)圈的冷卻可由強(qiáng)制的冷 卻氣體(例如，開(kāi)氏溫度20K時(shí)的氦氣以及開(kāi)氏溫度30K氖氣)或具有適當(dāng)熱性能的其他 適合的冷卻氣體實(shí)現(xiàn)。冷卻氣體在采用氦氣作為制冷劑或工作流體的低溫箱的熱交換器中 依次被冷卻。熱交換器/低溫箱可安置于故障限流器的外部，例如達(dá)5米遠(yuǎn)，且處于與AC 管套的電壓相稱(chēng)的距離處。通過(guò)遠(yuǎn)遠(yuǎn)地安置低溫箱/熱交換器，也可以在FCL工作時(shí)進(jìn)行 日常維護(hù)程序、檢修工作、檢查以及更換。此外，通過(guò)采用單獨(dú)的、額外的低溫箱/熱交換器來(lái)冷卻超導(dǎo)線(xiàn)圈的冷卻流體，可 以獲得內(nèi)生的牢固性，這對(duì)于在變電站和其他重要的供電基礎(chǔ)設(shè)施中的限流器的實(shí)際應(yīng)用 來(lái)說(shuō)是既必須的也是有吸引力的。在一個(gè)替換實(shí)施例中，所需的制冷強(qiáng)度以及高可靠性可通過(guò)采用諸如液態(tài)氮、液 態(tài)氖或液態(tài)氦等液體冷卻劑實(shí)現(xiàn)。為了實(shí)踐上將液體冷卻超導(dǎo)線(xiàn)圈一體并入FCL設(shè)計(jì)， 低溫箱在實(shí)踐上大多是雙層壁式低溫箱。這使得從大氣環(huán)境電饋入制冷環(huán)境的設(shè)計(jì)變得 簡(jiǎn)單。由于所述電饋入的低壓/低電流，其可脫離來(lái)自諸如Ceramaseal、Kurt J Lesker, Leybold、以及ISI等的配電盤(pán)的擱架。在實(shí)際情況中的優(yōu)選實(shí)施例中，采用液體冷卻劑的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是該裝置對(duì)于機(jī)械 損壞的敏感性變小。冷卻劑可以存儲(chǔ)在單獨(dú)的存儲(chǔ)容器中，在低溫箱自身內(nèi)部，可以設(shè)計(jì)內(nèi) 在的緩沖物。為了清楚起見(jiàn)而未在圖1中示出的是在鐵芯和AC相位線(xiàn)圈之間、不同相的AC相 位線(xiàn)圈之間、所有相位線(xiàn)圈和基本處于接地電位的容納容器之間的圓筒形或其他理想外形的靜電相隔障。將能認(rèn)識(shí)到的是該低溫箱與所建議的鐵芯結(jié)構(gòu)的一體化是直截了當(dāng)?shù)脑O(shè) 計(jì)，且高壓相隔障與介電流體的明智的結(jié)合使用使得其成為高壓FCL實(shí)際可靠的設(shè)計(jì)。在超高壓設(shè)計(jì)中，相位線(xiàn)圈相互間可處于甚至更遠(yuǎn)的距離，以更有利于實(shí)際的靜 電設(shè)計(jì)。在這樣的布置中，使鐵芯和相位線(xiàn)圈保持更遠(yuǎn)的距離，以允許高壓工程師裝進(jìn)額外 的需要的靜電絕緣隔障。這允許介電絕緣液體或氣體被精細(xì)地分為甚至多個(gè)通道，這為優(yōu) 化電應(yīng)力以及使用的特定介電流體時(shí)優(yōu)化介電擊穿應(yīng)力提供了相當(dāng)大的范圍。在所有考慮過(guò)的設(shè)計(jì)變型中，任何情況下，如果DC飽和元件出現(xiàn)任何故障，本領(lǐng) 域技術(shù)人員將能認(rèn)識(shí)到的是，故障限流器本質(zhì)上作為鐵芯電抗器，且如果設(shè)計(jì)合理，不需要 使FCL結(jié)構(gòu)停止運(yùn)行。可能的故障機(jī)構(gòu)包括電源、超導(dǎo)線(xiàn)圈、低溫冷卻器、真空容器?，F(xiàn)將對(duì)于高壓設(shè)計(jì)領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的是介電流體和正常大氣之間的介面是高 電應(yīng)力的區(qū)域，并受到電場(chǎng)加強(qiáng)效應(yīng)。該加強(qiáng)與介電流體和空氣之間的介電常數(shù)的比成比 例。這里所述的高電壓或超電壓FCL整體布置允許高壓設(shè)計(jì)工程師在相當(dāng)大的范圍內(nèi)設(shè)計(jì) 合適的靜電隔障和成形蠕變應(yīng)力絕緣體，以應(yīng)付所述效應(yīng)。此外，低溫箱(其處于接地電 位)和介電流體的表面之間的距離可以根據(jù)需要做得足夠長(zhǎng)，以應(yīng)付預(yù)期的電場(chǎng)應(yīng)力。當(dāng)然，如本領(lǐng)域所熟知的，設(shè)計(jì)良好的固體型電場(chǎng)應(yīng)力絕緣隔障的使用也可以用 在低溫箱的下表面(接地電位)和電介質(zhì)的表面之間。所述隔障必須設(shè)計(jì)成使得蠕變電壓 和最大應(yīng)力處于所選材料的容許范圍內(nèi)。此外，如在傳統(tǒng)高壓變壓器中常常采用的那樣，流體電介質(zhì)和整個(gè)包覆容器上部 之間的空間可填充干的惰性氣體。典型地，在高壓變壓器的液體電介質(zhì)(例如合成油)的 頂部和容納容器的頂蓋之間使用例如氣態(tài)氮。這對(duì)靜電設(shè)計(jì)而言賦予其優(yōu)勢(shì)。對(duì)于高壓工 程師來(lái)說(shuō)，相位線(xiàn)圈導(dǎo)體的合理路徑是另一設(shè)計(jì)問(wèn)題，由于用于每對(duì)線(xiàn)圈上的相導(dǎo)體和管 套處于相同電壓電位，它們可設(shè)置為彼此相對(duì)接近。但是，每對(duì)相導(dǎo)體之間的距離和靜電絕 緣隔障必須設(shè)計(jì)為與所使用的介電流體相適應(yīng)。也將能注意到的是，不像高壓變壓器中那樣，高壓管套的容器側(cè)將需要自始至終 圍繞高壓導(dǎo)體并向下直到介電流體的合適的電應(yīng)力隔障。所述布置的另一優(yōu)點(diǎn)是在本設(shè)計(jì)中使用的高壓相管套的頂部可以是標(biāo)準(zhǔn)高壓管 套，而沒(méi)有任何真空饋入或低溫饋入的要求或定制。僅需要定制電導(dǎo)體的電應(yīng)力隔障的介 電側(cè)的延伸部。該延伸部可可以是陶瓷或其他適當(dāng)?shù)牟牧?。電?yīng)力隔障可延伸到介電流體 中，因而所選的材料必須與這種情況下的流體相稱(chēng)，但這不是實(shí)質(zhì)性的。如所熟知的，應(yīng)該避免如所述現(xiàn)有技術(shù)中高壓設(shè)備中出現(xiàn)的尖銳的角。因而，相導(dǎo) 體必須制造為半徑適合于設(shè)計(jì)電壓(即BIL)、所使用的介電流體，以及所選低溫箱和相位 線(xiàn)圈的特定幾何布置的相導(dǎo)體。此外，如果由不銹鋼或其他適合的導(dǎo)電性材料制造，低溫箱 殼體應(yīng)該制造為與相電壓、BIL、或考慮中的距離相適應(yīng)的具有最小半徑的圓角。如果低溫箱采用GFRP、塑料或其他基本不導(dǎo)電的材料制成，那么靜電電場(chǎng)分布需 要如此布置和設(shè)計(jì)使得穿過(guò)低溫箱表面的蠕變電壓處于絕緣體/電介質(zhì)介面的設(shè)計(jì)容許 度內(nèi)。如果低溫箱采用混合技術(shù)制成，例如不銹鋼的外部殼體和采用GFRP或其他不導(dǎo) 電材料制成的內(nèi)部殼體，由于針對(duì)所有適當(dāng)靜電效應(yīng)的考慮，那么靜電電場(chǎng)必須如此設(shè)計(jì)， 即包括但不限于以下因素高壓導(dǎo)體和低溫箱導(dǎo)電部分之間的適宜介電間隙、低溫箱金屬部分尖銳角度的消除、固體絕緣材料的適宜布置以使得橫穿低溫箱電絕緣部分的蠕變電壓 與鎖使用的電介質(zhì)及絕緣材料相適應(yīng)。所披露的提供用于高壓FCL的布置允許高壓設(shè)計(jì)工程師有機(jī)會(huì)采用高壓工程中 的現(xiàn)有技術(shù)制造DC飽和型高壓FCL。由于現(xiàn)有高壓設(shè)計(jì)技術(shù)可以直接用于實(shí)現(xiàn)具有DC飽 和線(xiàn)圈的高壓FCL設(shè)計(jì)，這里提出的設(shè)計(jì)是有利的。一種設(shè)計(jì)能夠容易地使用非定制部件 來(lái)制造高壓FCL。明顯的是，在需要的時(shí)候，當(dāng)前布置可以擴(kuò)展到低壓系統(tǒng)。此外，如將要描述的，優(yōu) 選實(shí)施例可擴(kuò)展到多相布置。圖3示出了可能在實(shí)際中利用的多相布置的一種形式的側(cè)視立體圖。在布置40 中，具有41 46六個(gè)相位線(xiàn)圈，各相均具有輸入線(xiàn)圈和輸出線(xiàn)圈。各相位線(xiàn)圈通過(guò)例如48 的高壓AC導(dǎo)線(xiàn)與相應(yīng)的例如49的高壓管套和端子互連。各相位線(xiàn)圈圍著相應(yīng)的例如51 的鐵芯卷繞。DC偏置線(xiàn)圈52構(gòu)造在低溫箱53中，線(xiàn)圈52通過(guò)端子56、57而得到供電，液 體氮通過(guò)軟管58、59供入低溫箱。相位線(xiàn)圈41 46保持在介電流體介質(zhì)60中，而低溫箱保持在介電流體介質(zhì)60 的上方。圖4示出了與圖3中布置相近似的布置。但是如圖4所示，在該布置中，低溫箱70 是通過(guò)冷卻劑注入口 71，而不是通過(guò)冷卻氣體軟管填充?，F(xiàn)請(qǐng)參見(jiàn)圖5，其示出了另一改進(jìn)實(shí)施例81，其中，相位線(xiàn)圈82圍繞鐵芯的下芯柱 設(shè)置。此布置具有的優(yōu)點(diǎn)為可能僅需填充可能較少的介電流體以完全覆蓋AC線(xiàn)圈，因而 可獲得更緊湊的結(jié)構(gòu)。當(dāng)然，本領(lǐng)域技術(shù)人員將能認(rèn)識(shí)到，該布置的靜電設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)可不同于前面所述 的布置。進(jìn)一步改進(jìn)實(shí)施例是可能的。下面將結(jié)合圖6描述實(shí)例的改進(jìn)實(shí)施例。實(shí)施例90 旨在使通過(guò)高磁導(dǎo)率結(jié)構(gòu)的磁力線(xiàn)密度損耗最小化。所述損耗一般由于下面兩個(gè)主要效 應(yīng)1.圍繞DC偏置線(xiàn)圈91的磁場(chǎng)的磁力線(xiàn)的邊緣化(fringing)以及通過(guò)純大氣通 道的返回；2.部分空氣/鐵芯磁力線(xiàn)返回，其中，磁力線(xiàn)進(jìn)入頂軛，但通過(guò)大氣通道而不是完 整的高磁導(dǎo)率通道返回。通過(guò)初步調(diào)查，針對(duì)下述結(jié)構(gòu)進(jìn)行了 FEA分析窗口尺寸寬度=450mm，窗口尺寸 高度=650，材料M6層疊鐵芯，用于構(gòu)造鐵芯的層疊結(jié)構(gòu)0. 35階梯互搭鐵芯結(jié)構(gòu)，鐵芯的 最終橫截面積100mmX 100mm，鐵芯總高度850mm，鐵芯總寬度650mm。通過(guò)這樣的模擬結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)在遠(yuǎn)的芯柱和軛中，磁力線(xiàn)密度損耗如下內(nèi)部芯柱 磁力線(xiàn)密度=2. 35特斯拉，軛的磁力線(xiàn)密度=1.97特斯拉，外部芯柱磁力線(xiàn)密度=1.95 特斯拉?？朔鲜鲂?yīng)的一種方法是提供額外的安培匝，以使得外部芯柱部分偏置對(duì)于 FCL工作達(dá)到令人滿(mǎn)意的水平(例如1.95特斯拉)。但是，作為這一方式(例如，采用更多 的偏置安培匝)的替換，實(shí)用的是在靠近偏置線(xiàn)圈91的近側(cè)邊芯柱上設(shè)置例如93的AC線(xiàn) 圈，如圖6所示。以這種方式，AC線(xiàn)圈下面緊挨著的芯柱中的磁力線(xiàn)密度與DC線(xiàn)圈下面緊挨著的芯柱基本相同。這一技術(shù)的附加優(yōu)點(diǎn)是在故障限制瞬間，AC線(xiàn)圈中的磁力線(xiàn)更有 效地抵消了鐵芯中的磁力線(xiàn)，這具有多個(gè)好處更小的占據(jù)空間、將鐵芯偏置到使整個(gè)鐵芯 有效飽和所需水平上所需的導(dǎo)體減少。在另一個(gè)改進(jìn)實(shí)施例中，實(shí)際的飽和鐵芯型FCL還可構(gòu)造為在部分鐵芯布置中僅 有中心芯柱。在該部分鐵芯實(shí)施例中，各鐵芯的外芯柱和軛可以取消。 現(xiàn)請(qǐng)參見(jiàn)圖7，其中示出了另一改進(jìn)實(shí)施例，其中，例如101的鐵芯由采用M6層疊 結(jié)構(gòu)的單個(gè)細(xì)長(zhǎng)層疊鐵芯構(gòu)成。在每個(gè)鐵芯的一端，形成有例如102的高壓AC相位線(xiàn)圈， 六個(gè)鐵芯中的每個(gè)均通過(guò)可包括DC超導(dǎo)線(xiàn)圈103的飽和線(xiàn)圈。超導(dǎo)線(xiàn)圈103保持所述鐵 芯飽和。此另一改進(jìn)實(shí)施例具有額外的優(yōu)點(diǎn)通過(guò)不具有軛和外部芯柱，需要較小的質(zhì)量、 較小的占據(jù)空間，因此建造費(fèi)用減小。圖7還示出了另一多相實(shí)施例109，其中示出了例如110的完整浸沒(méi)的DC線(xiàn)圈低 溫箱以及例如111的AC相位線(xiàn)圈。在該優(yōu)選實(shí)施例中，AC線(xiàn)圈分別穿過(guò)DC和AC芯柱的 最大高度延伸。這確保了 與AC線(xiàn)圈不延伸到鐵芯窗框?qū)嶋H允許的最大高度的情況相比， 在故障時(shí)最大體積的磁導(dǎo)鐵芯材料能被去飽和，并能得到更好的故障處理能力。前述內(nèi)容描述了本發(fā)明的優(yōu)選特征，在不脫離本發(fā)明保護(hù)范圍的前提下，可進(jìn)行 對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言明顯的改進(jìn)。
權(quán)利要求
一種故障限流器，包括鐵磁線(xiàn)路，其由鐵磁材料制成，且包括至少第一芯柱和第二芯柱；圍繞所述第一芯柱的飽和機(jī)構(gòu)，用于磁飽和所述鐵磁材料；繞所述第二芯柱卷繞的相位線(xiàn)圈；包圍所述相位線(xiàn)圈的介電流體；以及包圍所述飽和機(jī)構(gòu)的氣體環(huán)境。
2.如權(quán)利要求1所述的故障限流器，其中，所述飽和機(jī)構(gòu)包括互連至DC電源的冷卻的 超導(dǎo)線(xiàn)圈。
3.如權(quán)利要求2所述的故障限流器，其中，所述超導(dǎo)線(xiàn)圈在低溫箱內(nèi)。
4.如權(quán)利要求1所述的故障限流器，還包括 用于容納限流器部件的外部容器，安裝在所述外部容器上的一系列端子，其中所述相位線(xiàn)圈包括互連到所述端子中的預(yù) 定端子上的AC輸入引線(xiàn)和AC輸出引線(xiàn)。
5.如權(quán)利要求4所述的故障限流器，還包括互連到所述飽和機(jī)構(gòu)的低溫制冷供應(yīng)軟管。
6.如權(quán)利要求1所述的故障限流器，其中，所述限流器還用于多相電源，以限制所述電 源的各相。
7.如權(quán)利要求6所述的故障限流器，其中，單個(gè)飽和機(jī)構(gòu)圍繞所述多相電源的每個(gè)相 的鐵磁線(xiàn)路。
8.如權(quán)利要求1所述的故障限流器，其中，所述飽和機(jī)構(gòu)和所述相位線(xiàn)圈圍繞所述鐵 磁材料的同一細(xì)長(zhǎng)部分形成。
9.如權(quán)利要求8所述的故障限流器，其中，所述飽和機(jī)構(gòu)圍繞所述細(xì)長(zhǎng)部分的近端形 成，相位線(xiàn)圈圍繞所述細(xì)長(zhǎng)部分的遠(yuǎn)端形成。
10.如權(quán)利要求8所述的故障限流器，其中，所述鐵磁線(xiàn)路包括鐵磁材料的單個(gè)細(xì)長(zhǎng)部分。
11.如權(quán)利要求1所述的故障限流器，其中，所述鐵磁線(xiàn)路包括相互平行的第一芯柱、 第二芯柱和第三芯柱，所述相位線(xiàn)圈的一部分卷繞所述第一芯柱和第二芯柱，所述飽和機(jī) 構(gòu)卷繞所述第三芯柱。
12.—種故障限流器，包括鐵磁線(xiàn)路，其由鐵磁材料形成，且包括至少第一芯柱、第二芯柱、第三芯柱和第四芯柱；圍繞所述芯柱的飽和機(jī)構(gòu)，用于磁飽和所述鐵磁材料； 繞所述第二芯柱卷繞的第一相位線(xiàn)圈； 包裹所述第三芯柱的第二相位線(xiàn)圈； 包裹所述第四芯柱卷繞的第三相位線(xiàn)圈；以及 包圍所述相位線(xiàn)圈的介電流體；以及 包圍所述飽和機(jī)構(gòu)的氣體環(huán)境。
13.如權(quán)利要求12所述的限流器，其中，所述飽和機(jī)構(gòu)包括在低溫箱內(nèi)繞所述第一芯 柱卷繞的超導(dǎo)線(xiàn)圈。
14.一種故障限流器，包括鐵磁線(xiàn)路，其由鐵磁材料制成，且包括至少第一芯柱和第二芯柱； 圍繞所述第一芯柱的飽和機(jī)構(gòu)，用于在無(wú)故障狀態(tài)下磁飽和所述鐵磁材料； 至少一個(gè)卷繞所述第二芯柱的相位線(xiàn)圈；以及 包圍所述相位線(xiàn)圈的介電流體。
15.如權(quán)利要求14所述的故障限流器，其中所述第一和第二芯柱彼此相互靠近，所述飽和機(jī)構(gòu)和所述相位線(xiàn)圈具有大致相同的尺 寸或范圍。
16.如上述權(quán)利要求中任一權(quán)利要求所述的故障限流器，其還具有大致為33KV 750KV的正常工作范圍。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種故障限流器，該限流器包括鐵磁線(xiàn)路，該鐵磁線(xiàn)路由鐵磁材料制成，且包括至少第一芯柱和第二芯柱；圍繞所述一個(gè)芯柱的飽和機(jī)構(gòu)，用于使所述鐵磁材料磁飽和；卷繞所述第二芯柱的相位線(xiàn)圈；包圍所述相位線(xiàn)圈的介電流體，包圍所述飽和機(jī)構(gòu)的氣體環(huán)境。
文檔編號(hào)H01L39/24GK101878572SQ200880118087
公開(kāi)日2010年11月3日 申請(qǐng)日期2008年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月27日
發(fā)明者弗朗西斯·安東尼·達(dá)曼 申請(qǐng)人:全能智電力股份有限公司