飽和鐵心型超導(dǎo)限流器的高溫超導(dǎo)繞組絕緣

王海珍，洪輝，張敬因，牛瀟曄，田波，熊志全，楊昆，朱浩駿，陳輝祥

(1.北京云電英納超導(dǎo)電纜有限公司，北京 100176；2.廣東電網(wǎng)公司電網(wǎng)規(guī)劃研究中心，廣州 510600)

飽和鐵心型超導(dǎo)限流器的高溫超導(dǎo)繞組絕緣

王海珍1，洪輝1，張敬因1，牛瀟曄1，田波1，熊志全1，楊昆1，朱浩駿2，陳輝祥2

(1.北京云電英納超導(dǎo)電纜有限公司，北京 100176；2.廣東電網(wǎng)公司電網(wǎng)規(guī)劃研究中心，廣州 510600)

簡要介紹了常用低溫絕緣材料的性能參數(shù)和作為高溫超導(dǎo)繞組絕緣的適用性。詳細(xì)介紹了聚酰亞胺薄膜膠帶作為高溫超導(dǎo)繞組匝間絕緣的直流擊穿試驗(yàn)，以及飽和鐵心型超導(dǎo)限流器的高溫超導(dǎo)繞組絕緣結(jié)構(gòu)、制作工藝等。通過220 kV飽和鐵心型超導(dǎo)限流器的電氣性能試驗(yàn)驗(yàn)證了高溫超導(dǎo)繞組絕緣的可靠性，不僅能滿足不同運(yùn)行工況下的技術(shù)要求且有較大安全裕度。

飽和鐵心型超導(dǎo)限流器；高溫超導(dǎo)繞組；低溫；絕緣；試驗(yàn)

0 前言

隨著超導(dǎo)電力設(shè)備在超導(dǎo)電力應(yīng)用領(lǐng)域中正逐步接近產(chǎn)業(yè)化，不論超導(dǎo)故障限流器、超導(dǎo)電機(jī)、超導(dǎo)變壓器還是超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置都離不開超導(dǎo)繞組和低溫絕緣材料。

國內(nèi)外各種超導(dǎo)限流器 (電阻型、屏蔽型、飽和鐵心型等)研制樣機(jī)和掛網(wǎng)試運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)證明：飽和鐵心型超導(dǎo)故障限流器是目前世界范圍內(nèi)最有可能在高壓和超高壓電網(wǎng)中解決短路電流問題且實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的超導(dǎo)限流器[1-2]。與電阻型超導(dǎo)限流器利用超導(dǎo)體的失超特性實(shí)現(xiàn)短路電流限制的原理不同，飽和鐵心超導(dǎo)限流器的超導(dǎo)繞組不存在失超過程。其系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 飽和鐵心型超導(dǎo)限流器系統(tǒng)圖

其中電抗系統(tǒng)是設(shè)備的主體，是實(shí)現(xiàn)限流功能的主要部分，由鐵心、交流繞組和超導(dǎo) (直流)繞組組成。交流繞組串聯(lián)接入系統(tǒng)中，其感抗隨鐵心磁飽和程度不同發(fā)生非線性變化，從而實(shí)現(xiàn)低阻通流、高阻限流的作用。即當(dāng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，強(qiáng)大的直流偏磁使鐵心深度飽和，交流繞組表現(xiàn)出較低的阻抗，設(shè)備本身壓降低、耗能小；當(dāng)短路故障發(fā)生時(shí)，直流勵(lì)磁被切斷，鐵心退出飽和，交流繞組呈現(xiàn)高阻抗。

飽和鐵心型超導(dǎo)限流器的高壓交流繞組通常采用傳統(tǒng)的變壓器/電抗器制造技術(shù)，載流體選用銅或鋁，絕緣結(jié)構(gòu)可根據(jù)要求設(shè)計(jì)為干式、油紙或氣體絕緣。目前1 000 kV的特高壓絕緣結(jié)構(gòu)也已有成功的設(shè)計(jì)和制造經(jīng)驗(yàn)。而提供強(qiáng)大直流偏磁的超導(dǎo)繞組通常被置于低溫杜瓦中，由高溫超導(dǎo)帶材繞制。目前國外高溫超導(dǎo)帶材第一代Bi-2223帶材零場下的臨界電流可達(dá)180 A，幾何尺寸僅約5×0.3 mm，因此超導(dǎo)繞組的勵(lì)磁安匝可以很大，而體積相對較小。直流勵(lì)磁系統(tǒng)為超導(dǎo)繞組供電，電流可根據(jù)勵(lì)磁要求連續(xù)調(diào)節(jié)。

超導(dǎo)繞組正常工作時(shí)電阻幾乎為零 (含接觸電阻等＜1×10-6Ω)，繞組兩端電壓很小，此時(shí)對絕緣的要求并不高，但當(dāng)電網(wǎng)短路故障發(fā)生，直流被切斷，繞組處于釋能放電過程時(shí)，電流在很短的時(shí)間內(nèi)驟變，繞組兩端將產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電壓，即

因此超導(dǎo)繞組的設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮上述情況，滿足一定的絕緣要求。所選絕緣材料不僅要能保證低溫下的電氣安全，還應(yīng)考慮具有較高的機(jī)械性，保障在電網(wǎng)發(fā)生短路故障時(shí)，超導(dǎo)繞組能抵抗電氣、機(jī)械等負(fù)荷的沖擊。

1 低溫絕緣介質(zhì)性能

低溫絕緣通常有液體絕緣和固體絕緣，目前常用的低溫液體絕緣介質(zhì)主要有液氮和液氦兩種，液氮可作為高溫超導(dǎo)的絕緣和冷卻介質(zhì)，液氦適用于低溫超導(dǎo)，液氮和液氦的性能參數(shù)如表1所示。

低溫固體絕緣材料則種類較多，包括電絕緣漆、膠、電工薄膜以及層壓制品等，可根據(jù)不同的使用場合進(jìn)行選擇。電絕緣漆常用來做漆包線絕緣和線圈浸漬，如聚酰亞胺漆。電絕緣膠有包封膠、灌注膠和澆注膠等。電工薄膜則常用作匝間絕緣、層間絕緣等，工藝上常分切成帶或制成粘帶后使用如聚酰亞胺、聚酯、聚乙烯和聚四氟乙烯等。而層壓制品如環(huán)氧層壓板 (G10)由于其電氣和機(jī)械性能俱佳，通常被用作骨架結(jié)構(gòu)，除作電氣絕緣外還起機(jī)械支撐作用。

低溫固體絕緣材料的性能參數(shù)主要包括熱、電氣和力學(xué)三個(gè)方面。熱性能包括熱收縮率、熱導(dǎo)率和比熱容，選擇絕緣材料時(shí)應(yīng)盡量選用與超導(dǎo)體熱收縮應(yīng)力接近的；電氣性能包括介電常數(shù)、體積電阻率、介質(zhì)損耗正切值、擊穿特性和電老化特性；常規(guī)絕緣材料在77 K溫度下會(huì)喪失柔韌性變硬變脆，尤其吸附的水會(huì)變成冰，使絕緣材料開裂，超導(dǎo)繞組正常是在直流電壓下工作，而且穩(wěn)態(tài)工作電壓較低，因此除電氣性能外，還應(yīng)從機(jī)械性能角度考慮，選擇低溫力、熱學(xué)性能較好的材料。常用低溫電工薄膜的性能參數(shù)見表2。

表1 液氮和液氦的性能[3-4]

表2 常用電工薄膜低溫下的性能參數(shù)[3-5]

2 超導(dǎo)繞組的匝間絕緣試驗(yàn)

眾所周知，絕緣材料的擊穿電壓與電極 (導(dǎo)體)形狀、幾何結(jié)構(gòu)，電壓類型等因素有關(guān)。飽和鐵心型超導(dǎo)限流器的超導(dǎo)繞組載流體通常選用Bi-2223/Ag超導(dǎo)帶材，其截面幾何尺寸為4.6× 0.24 mm(寬邊×窄邊)，邊緣處容易電場集中。由于聚酰亞胺薄膜在低溫下電氣、熱收縮和力學(xué)性能較優(yōu)，故超導(dǎo)繞組匝間絕緣選用聚酰亞胺薄膜。

為研究超導(dǎo)繞組匝間絕緣在液氮中，外加直流電壓下的擊穿特性，在液氮77 K溫度下進(jìn)行匝間絕緣直流擊穿試驗(yàn)。

試驗(yàn)采用如圖2所示接線。由被試品、液氮儲(chǔ)槽、示波器和高壓直流電源組成。被試品超導(dǎo)體采用與上述相同截面尺寸的Bi-2223/Ag超導(dǎo)帶，絕緣采用0.02 mm厚聚酰亞胺膠帶。被試品分為兩組，其中一組匝間絕緣為0.04 mm聚酰亞胺膠帶，另外一組除0.02 mm聚酰亞胺膠帶作導(dǎo)體絕緣，每匝間還設(shè)置有1 mm液氮間隙。試驗(yàn)時(shí)，被試品分別置于液氮中，施加直流電壓，從零開始連續(xù)均勻地升高試驗(yàn)電壓，升壓速率為1 kV/s，直至樣品擊穿。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。

圖2 試驗(yàn)接線圖

表3 匝絕緣試驗(yàn)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)結(jié)果顯示：

a.無液氮間隙匝間絕緣的平均直流擊穿電壓為20.6 kV，擊穿均在窄邊邊緣發(fā)生。

b.1 mm液氮間隙匝間絕緣的局部放電起始電壓約20 kV，電壓加至直流源的最大值40 kV，被試品均未發(fā)生擊穿。

相關(guān)資料表明，液氮的脈沖擊穿電壓 (1/50 μs)比交流擊穿電壓高，脈沖系數(shù)為2.5～3.5。在均勻電場下，脈沖擊穿電壓和直流擊穿電壓大致相同[3]；不均勻電場下，直流擊穿電壓較低，脈沖擊穿電壓比均勻電場下的高。此實(shí)驗(yàn)中帶材近似平板電極，電場近似均勻電場，可認(rèn)為直流擊穿電壓與脈沖擊穿電壓相近。

3 高溫超導(dǎo)繞組的絕緣結(jié)構(gòu)和工藝

超導(dǎo)繞組通常需封閉在低溫杜瓦中，飽和鐵心型超導(dǎo)限流器的高溫超導(dǎo)繞組也不例外。杜瓦作為液氮等低溫介質(zhì)的容器為超導(dǎo)繞組提供低溫環(huán)境，通常設(shè)計(jì)有電流引線管、進(jìn)液和排氣絕熱管，超導(dǎo)繞組浸泡于液氮中由電流引線管中的引線引出接至勵(lì)磁電源。帶電運(yùn)行時(shí)杜瓦及絕熱管接地，如圖3所示。

圖3 杜瓦結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 超導(dǎo)雙餅結(jié)構(gòu)示意圖

高溫超導(dǎo)繞組設(shè)計(jì)為雙餅疊壘結(jié)構(gòu)。其中超導(dǎo)雙餅是繞組的基本結(jié)構(gòu)單元如圖4所示。由繞組骨架、超導(dǎo)帶材和絕緣構(gòu)成。繞組骨架采用環(huán)氧層壓板 (G10)制作，主要承受帶材熱脹冷縮的內(nèi)應(yīng)力和短路時(shí)的電動(dòng)力，同時(shí)作為餅間絕緣耐受超導(dǎo)繞組充放電過程的瞬態(tài)電壓。雙餅骨架分為5層，中間層 (3)和最外兩層 (1和5)為厚度較薄的環(huán)氧薄板，其余兩層 (2和4)為適應(yīng)線材寬度的環(huán)氧板，相對較厚。通常雙餅骨架徑向尺寸較小，而直徑尺寸較大 (2 000 mm左右)，為保證骨架的機(jī)械強(qiáng)度，克服低溫下收縮的不利影響，同時(shí)也考慮簡化加工工藝，節(jié)省加工原料，設(shè)計(jì)中將骨架分解多個(gè)尺寸完全一致的，然后進(jìn)行粘接組裝，如圖5所示。設(shè)計(jì)要求，包覆好絕緣的超導(dǎo)帶繞制在骨架上，形成一個(gè)雙餅，再在每一餅外部包繞一層或幾層玻璃纖維帶，最后浸漬低溫絕緣膠固化成一體，最終與液氮共同形成對地 (杜瓦壁、引線管等接地金屬部件)復(fù)合絕緣。

將若干個(gè)固化好的雙餅線圈按照一定的疊裝方式組裝為一個(gè)桶狀的超導(dǎo)繞組，每兩個(gè)雙餅線圈之間加裝環(huán)氧樹脂襯墊層，用以保證超導(dǎo)體與液氮間擁有足夠換熱空間。雙餅線圈疊裝完成后，使用非導(dǎo)磁金屬拉桿將所有線圈以及端板軸向固緊，最終形成一個(gè)完整的超導(dǎo)繞組。若干雙餅線圈根據(jù)通流需要進(jìn)行串并聯(lián)連接，并聯(lián)引線的出線端接到公共導(dǎo)電銅排上，并采用環(huán)氧層壓板、低溫膠和熱縮管做絕緣。導(dǎo)電銅排再由聚四氟乙烯絕緣套管引出，該絕緣套管的高壓試驗(yàn)結(jié)果顯示其耐壓水平可達(dá)30 kV。

圖5 骨架粘接示意圖

上述結(jié)構(gòu)表明：超導(dǎo)繞組的絕緣——餅與餅之間 (餅間絕緣)、匝與匝之間 (匝間絕緣)以及整個(gè)繞組的外圍 (對地絕緣)，都是由環(huán)氧層壓板、聚酰亞胺薄膜、低溫膠、聚四氟乙烯以及液氮構(gòu)成的復(fù)合絕緣。其中環(huán)氧層壓板提供絕緣層的剛度和強(qiáng)度，基本控制著絕緣層的力學(xué)性能；聚酰亞胺薄膜則作為匝間和對地絕緣的主要介質(zhì)承受可能出現(xiàn)的各種電壓作用；低溫膠則有多種用途，實(shí)現(xiàn)多種目的，包括連接、密封、填充、導(dǎo)熱和絕緣；液氮作為冷卻介質(zhì)的同時(shí)，還承擔(dān)絕緣作用。

4 高溫超導(dǎo)繞組的電氣性能試驗(yàn)

超導(dǎo)繞組需承受各種工況下的電壓作用，因此其電氣性能必須經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，保證安全可靠才能投入運(yùn)行。除通過直流電阻、絕緣電阻等性能指標(biāo)檢測，以及進(jìn)行直流耐壓等穩(wěn)態(tài)性能測試外，還可以通過模擬實(shí)際運(yùn)行工況：速斷直流試驗(yàn)來考核其暫態(tài)下的可靠性。

試驗(yàn)方法：先采用配套的強(qiáng)勵(lì)直流電源使超導(dǎo)繞組在幾十毫秒內(nèi)達(dá)到額定電流，穩(wěn)定一段時(shí)間，再采用配套的滅磁系統(tǒng)，在幾個(gè)毫秒內(nèi)切斷直流供電，同時(shí)測量超導(dǎo)繞組兩端電壓，并采集記錄波形?！翱焖倨饎?lì)-穩(wěn)定-速斷直流釋能”的過程模擬可以檢驗(yàn)在電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生故障產(chǎn)生短路電流時(shí)，迅速切斷超導(dǎo)繞組的直流供電產(chǎn)生的感應(yīng)電壓是否對超導(dǎo)繞組絕緣造成影響。

220 kV飽和鐵心型超導(dǎo)限流器已在現(xiàn)場試驗(yàn)時(shí)根據(jù)上述方法進(jìn)行了模擬測量。測得切斷直流時(shí)超導(dǎo)繞組兩端產(chǎn)生的操作沖擊電壓峰值約9 kV。試驗(yàn)后，檢查超導(dǎo)繞組外觀，無任何損壞和異常；進(jìn)行72h穩(wěn)態(tài)通流能力測試，通流期間，性能穩(wěn)定，一切正常。

本文第3節(jié)超導(dǎo)繞組匝間絕緣試驗(yàn)顯示，77K液氮溫度下，0.04 mm厚聚酰亞胺薄膜匝間絕緣的直流擊穿電壓可達(dá)20.6 kV。而相關(guān)資料[6]指出，玻璃布與低溫膠的復(fù)合絕緣擊穿電壓(交流)在室溫下可達(dá)40 kV，且根據(jù)資料和經(jīng)驗(yàn)，環(huán)氧膠和玻璃環(huán)氧復(fù)合材料在低溫下的絕緣性能更好，另外材料的沖擊耐壓值高于交流擊穿值。因此采用聚酰亞胺薄膜、環(huán)氧層壓板以及低溫膠等做低溫絕緣材料的餅式結(jié)構(gòu)高溫超導(dǎo)繞組絕緣，其電氣強(qiáng)度是足夠滿足要求的。220 kV飽和鐵心型超導(dǎo)限流器的超導(dǎo)繞組設(shè)計(jì)為5組并聯(lián)，每組9個(gè)雙餅，共504匝。校核在最大沖擊電壓(峰值)下的匝間擊穿電壓的安全系數(shù)為：1 151。也就是說飽和鐵心型限流器超導(dǎo)繞組的絕緣材料、結(jié)構(gòu)和工藝選擇都是安全可靠的。

5 結(jié)束語

飽和鐵心型超導(dǎo)限流器的超導(dǎo)繞組絕緣不僅是提供可靠的電氣性能，還是繞組的主要機(jī)械支撐，尤其在電網(wǎng)故障發(fā)生短路時(shí)，因此設(shè)計(jì)中應(yīng)綜合考慮各種工況下的性能要求，選擇合適的絕緣材料和加工工藝。

匝間絕緣試驗(yàn)和220 kV限流器的超導(dǎo)繞組性能試驗(yàn)以及相關(guān)資料結(jié)果表明采用聚酰亞胺薄膜、環(huán)氧層壓板等做低溫絕緣材料、低溫膠浸漬工藝的餅式結(jié)構(gòu)高溫超導(dǎo)繞組，滿足各種工況下的性能要求且具有較高的安全可靠性。

[1] Gong W Z，Niu X Y，Wang H Z，et al.Factory and type tests of a 220 kV/300MVA saturated iron-core superconducting fault current limiter.ISS2011，unpublished[C].

[2] Xin Y，Gong W Z，Niu X Y，et al.Development of saturated iron core HTS fault current limiters.IEEE Transactions on Applied Superconductivity[J].2007，17(2)：1760-1763.

[3] 機(jī)械工業(yè)部桂林電器研究所.低溫電工絕緣 [M].機(jī)械工業(yè)出版社.1983.

[4] 張國強(qiáng)，王贊基，胡啟凡，等.低溫絕緣材料的性能和超導(dǎo)磁體絕緣制造技術(shù)綜述 [J].電氣應(yīng)用.2002(9)：1 -3.

[5] Gerhold，J.，Properties of cryogenic insulants[J].Cryogenics，1998，38(11)：1063-1081.

[6] 王壽泰.低溫絕緣技術(shù) [J].低溫與超導(dǎo).1978(3)：33-41.

[7] 邱昌榮，曹曉瓏.電氣絕緣測試技術(shù) [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

[8] Hara，M.，Gerhold，J.，Electrical insulation specification and design method for superconducting power equipment. Cryogenics.1998，38

[9] Evans， D.， Turn layer and ground insulation for superconducting magnets[J].Physica C.2001，354 (1)：136-142.

[10] Hara，M.，Kurihara，T.，Nakano，R.and Suehiro，J.，Medium factor of electrical insulation systems in high temperature superconducting power apparatus with coil structure for equivalent ac withstand voltage test at room temperature[J].Cryogenics.2005，45(10-11)：705-717.

[11] 林良真.我國超導(dǎo)技術(shù)研究進(jìn)展及展望 [J].電工技術(shù)學(xué)報(bào).2005，20(1)：1-7.

[12] 王銀順，趙祥，韓軍杰，等.高溫超導(dǎo)變壓器高壓繞組的絕緣設(shè)計(jì)和試驗(yàn) [J].高電壓技術(shù).2007，33(9)：1 -5.

[13] 王之瑄，邱捷，吳招座，等.冷絕緣超導(dǎo)電纜絕緣材料測試綜述 [J].低溫與超導(dǎo).2008，36(12)：14-18.

[14] 牛田野，張貴鋒，張皓.液氮中絕緣材料的擊穿特性研究 [J].電工文摘.2010(5)：68-70.

[15] 楊鑫，李衛(wèi)國，郭昱延，等.液氮中絕緣體表面形狀對沿面閃絡(luò)電壓的影響 [J].電網(wǎng)技術(shù).2012，36(11)：260-263.

[16] 楊鑫，李衛(wèi)國，郭昱延，等.液氮環(huán)境中3種聚合物薄膜老化和拉伸狀態(tài)下的絕緣強(qiáng)度 [J].電網(wǎng)技術(shù). 2013，37(3)：759-764.

[17] 屠幼萍，譚榮，張貴鋒，等.聚酰亞胺在低溫真空環(huán)境下的直流電氣特性 [J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào).2013，33 (4)：194-200.

Insulation of HTS Windings in Saturated Iron Core Superconducting Fault Current Limiter

WANG Haizhen，HONG Hui，ZHANG Jingyin，NIU Xiaoye，TIAN Bo，XIONG Zhiquan，YANG Kun，ZHU Haojun，CHEN Huixiang
(Innopower Superconductor Cable Co.，Ltd.，Beijing 100176，China)

The performance of cryogenic dielectric materials which are co mmonly used in superconducting power application and the applicability of them as turn and ground insulation were described briefly.And a DC breakdown test of Polyimide as turn-to-turn insulation，the insulation structure，manufacturing process of HTS windings in saturated iron core superconducting fault current limiter(SI-SFCL)were mainly introduced combined with property test of HTS windings in the 220 kV SISFCL.The relevant data show that the insulation(material，structure and process)of HTS windings in SISFCL is satisfied and reliable and safe for operation.

saturated iron core superconducting fault current limiter(SISFCL)；HTS windings；cryogenic；insulation；test

TM80

B

1006-7345(2015)03-0083-05

2015-01-09

王海珍 (1982)，女，碩士，工程師，研究方向?yàn)槌瑢?dǎo)電力設(shè)備的研制及其應(yīng)用。

洪輝 (1979)，男，博士，高級工程師，研究方向?yàn)槌瑢?dǎo)電力設(shè)備的研制及其應(yīng)用。

資金資助項(xiàng)目：國家 863計(jì)劃課題 2006AA03Z234，2009AA03Z228和2009AA035403；云南省匹配國家重點(diǎn)項(xiàng)目2010GA003。