飽和鐵心型超導限流器的高溫超導繞組絕緣

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.北京云電英納超導電纜有限公司，北京 100176；2.廣東電網公司電網規劃研究中心，廣州 510600)

飽和鐵心型超導限流器的高溫超導繞組絕緣

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.北京云電英納超導電纜有限公司，北京 100176；2.廣東電網公司電網規劃研究中心，廣州 510600)

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

飽和鐵心型超導限流器；高溫超導繞組；低溫；絕緣；試驗

0 前言

隨著超導電力設備在超導電力應用領域中正逐步接近產業化，不論超導故障限流器、超導電機、超導變壓器還是超導儲能裝置都離不開超導繞組和低溫絕緣材料。

國內外各種超導限流器 (電阻型、屏蔽型、飽和鐵心型等)研制樣機和掛網試運行經驗證明：飽和鐵心型超導故障限流器是目前世界范圍內最有可能在高壓和超高壓電網中解決短路電流問題且實現工業化生產的超導限流器[1-2]。與電阻型超導限流器利用超導體的失超特性實現短路電流限制的原理不同，飽和鐵心超導限流器的超導繞組不存在失超過程。其系統原理如圖1所示。

圖1 飽和鐵心型超導限流器系統圖

其中電抗系統是設備的主體，是實現限流功能的主要部分，由鐵心、交流繞組和超導 (直流)繞組組成。交流繞組串聯接入系統中，其感抗隨鐵心磁飽和程度不同發生非線性變化，從而實現低阻通流、高阻限流的作用。即當穩態運行時，強大的直流偏磁使鐵心深度飽和，交流繞組表現出較低的阻抗，設備本身壓降低、耗能小；當短路故障發生時，直流勵磁被切斷，鐵心退出飽和，交流繞組呈現高阻抗。

飽和鐵心型超導限流器的高壓交流繞組通常采用傳統的變壓器/電抗器制造技術，載流體選用銅或鋁，絕緣結構可根據要求設計為干式、油紙或氣體絕緣。目前1 000 kV的特高壓絕緣結構也已有成功的設計和制造經驗。而提供強大直流偏磁的超導繞組通常被置于低溫杜瓦中，由高溫超導帶材繞制。目前國外高溫超導帶材第一代Bi-2223帶材零場下的臨界電流可達180 A，幾何尺寸僅約5×0.3 mm，因此超導繞組的勵磁安匝可以很大，而體積相對較小。直流勵磁系統為超導繞組供電，電流可根據勵磁要求連續調節。

超導繞組正常工作時電阻幾乎為零 (含接觸電阻等＜1×10-6Ω)，繞組兩端電壓很小，此時對絕緣的要求并不高，但當電網短路故障發生，直流被切斷，繞組處于釋能放電過程時，電流在很短的時間內驟變，繞組兩端將產生一個感應電壓，即

因此超導繞組的設計應綜合考慮上述情況，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，還應考慮具有較高的機械性，保障在電網發生短路故障時，超導繞組能抵抗電氣、機械等負荷的沖擊。

1 低溫絕緣介質性能

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主要有液氮和液氦兩種，液氮可作為高溫超導的絕緣和冷卻介質，液氦適用于低溫超導，液氮和液氦的性能參數如表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，可根據不同的使用場合進行選擇。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。而層壓制品如環氧層壓板 (G10)由于其電氣和機械性能俱佳，通常被用作骨架結構，除作電氣絕緣外還起機械支撐作用。

低溫固體絕緣材料的性能參數主要包括熱、電氣和力學三個方面。熱性能包括熱收縮率、熱導率和比熱容，選擇絕緣材料時應盡量選用與超導體熱收縮應力接近的；電氣性能包括介電常數、體積電阻率、介質損耗正切值、擊穿特性和電老化特性；常規絕緣材料在77 K溫度下會喪失柔韌性變硬變脆，尤其吸附的水會變成冰，使絕緣材料開裂，超導繞組正常是在直流電壓下工作，而且穩態工作電壓較低，因此除電氣性能外，還應從機械性能角度考慮，選擇低溫力、熱學性能較好的材料。常用低溫電工薄膜的性能參數見表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[3-5]

2 超導繞組的匝間絕緣試驗

眾所周知，絕緣材料的擊穿電壓與電極 (導體)形狀、幾何結構，電壓類型等因素有關。飽和鐵心型超導限流器的超導繞組載流體通常選用Bi-2223/Ag超導帶材，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、熱收縮和力學性能較優，故超導繞組匝間絕緣選用聚酰亞胺薄膜。

為研究超導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溫度下進行匝間絕緣直流擊穿試驗。

試驗采用如圖2所示接線。由被試品、液氮儲槽、示波器和高壓直流電源組成。被試品超導體采用與上述相同截面尺寸的Bi-2223/Ag超導帶，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聚酰亞胺膠帶作導體絕緣，每匝間還設置有1 mm液氮間隙。試驗時，被試品分別置于液氮中，施加直流電壓，從零開始連續均勻地升高試驗電壓，升壓速率為1 kV/s，直至樣品擊穿。試驗數據見表3。

圖2 試驗接線圖

表3 匝絕緣試驗數據

試驗結果顯示：

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，被試品均未發生擊穿。

相關資料表明，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。此實驗中帶材近似平板電極，電場近似均勻電場，可認為直流擊穿電壓與脈沖擊穿電壓相近。

3 高溫超導繞組的絕緣結構和工藝

超導繞組通常需封閉在低溫杜瓦中，飽和鐵心型超導限流器的高溫超導繞組也不例外。杜瓦作為液氮等低溫介質的容器為超導繞組提供低溫環境，通常設計有電流引線管、進液和排氣絕熱管，超導繞組浸泡于液氮中由電流引線管中的引線引出接至勵磁電源。帶電運行時杜瓦及絕熱管接地，如圖3所示。

圖3 杜瓦結構示意圖

圖4 超導雙餅結構示意圖

高溫超導繞組設計為雙餅疊壘結構。其中超導雙餅是繞組的基本結構單元如圖4所示。由繞組骨架、超導帶材和絕緣構成。繞組骨架采用環氧層壓板 (G10)制作，主要承受帶材熱脹冷縮的內應力和短路時的電動力，同時作為餅間絕緣耐受超導繞組充放電過程的瞬態電壓。雙餅骨架分為5層，中間層 (3)和最外兩層 (1和5)為厚度較薄的環氧薄板，其余兩層 (2和4)為適應線材寬度的環氧板，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)，為保證骨架的機械強度，克服低溫下收縮的不利影響，同時也考慮簡化加工工藝，節省加工原料，設計中將骨架分解多個尺寸完全一致的，然后進行粘接組裝，如圖5所示。設計要求，包覆好絕緣的超導帶繞制在骨架上，形成一個雙餅，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)復合絕緣。

將若干個固化好的雙餅線圈按照一定的疊裝方式組裝為一個桶狀的超導繞組，每兩個雙餅線圈之間加裝環氧樹脂襯墊層，用以保證超導體與液氮間擁有足夠換熱空間。雙餅線圈疊裝完成后，使用非導磁金屬拉桿將所有線圈以及端板軸向固緊，最終形成一個完整的超導繞組。若干雙餅線圈根據通流需要進行串并聯連接，并聯引線的出線端接到公共導電銅排上，并采用環氧層壓板、低溫膠和熱縮管做絕緣。導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結果顯示其耐壓水平可達30 kV。

圖5 骨架粘接示意圖

上述結構表明：超導繞組的絕緣——餅與餅之間 (餅間絕緣)、匝與匝之間 (匝間絕緣)以及整個繞組的外圍 (對地絕緣)，都是由環氧層壓板、聚酰亞胺薄膜、低溫膠、聚四氟乙烯以及液氮構成的復合絕緣。其中環氧層壓板提供絕緣層的剛度和強度，基本控制著絕緣層的力學性能；聚酰亞胺薄膜則作為匝間和對地絕緣的主要介質承受可能出現的各種電壓作用；低溫膠則有多種用途，實現多種目的，包括連接、密封、填充、導熱和絕緣；液氮作為冷卻介質的同時，還承擔絕緣作用。

4 高溫超導繞組的電氣性能試驗

超導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過試驗驗證，保證安全可靠才能投入運行。除通過直流電阻、絕緣電阻等性能指標檢測，以及進行直流耐壓等穩態性能測試外，還可以通過模擬實際運行工況：速斷直流試驗來考核其暫態下的可靠性。

試驗方法：先采用配套的強勵直流電源使超導繞組在幾十毫秒內達到額定電流，穩定一段時間，再采用配套的滅磁系統，在幾個毫秒內切斷直流供電，同時測量超導繞組兩端電壓，并采集記錄波形。“快速起勵-穩定-速斷直流釋能”的過程模擬可以檢驗在電網系統發生故障產生短路電流時，迅速切斷超導繞組的直流供電產生的感應電壓是否對超導繞組絕緣造成影響。

220 kV飽和鐵心型超導限流器已在現場試驗時根據上述方法進行了模擬測量。測得切斷直流時超導繞組兩端產生的操作沖擊電壓峰值約9 kV。試驗后，檢查超導繞組外觀，無任何損壞和異常；進行72h穩態通流能力測試，通流期間，性能穩定，一切正常。

本文第3節超導繞組匝間絕緣試驗顯示，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20.6 kV。而相關資料[6]指出，玻璃布與低溫膠的復合絕緣擊穿電壓(交流)在室溫下可達40 kV，且根據資料和經驗，環氧膠和玻璃環氧復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、環氧層壓板以及低溫膠等做低溫絕緣材料的餅式結構高溫超導繞組絕緣，其電氣強度是足夠滿足要求的。220 kV飽和鐵心型超導限流器的超導繞組設計為5組并聯，每組9個雙餅，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為：1 151。也就是說飽和鐵心型限流器超導繞組的絕緣材料、結構和工藝選擇都是安全可靠的。

5 結束語

飽和鐵心型超導限流器的超導繞組絕緣不僅是提供可靠的電氣性能，還是繞組的主要機械支撐，尤其在電網故障發生短路時，因此設計中應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。

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

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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，研究方向為超導電力設備的研制及其應用。

洪輝 (1979)，男，博士，高級工程師，研究方向為超導電力設備的研制及其應用。

資金資助項目：國家 863計劃課題 2006AA03Z234，2009AA03Z228和2009AA035403；云南省匹配國家重點項目2010GA003。