500 kV限流器高溫超導磁體的制作與測試

周 濤，李 超，陳 傳，馬 韜，宋 萌

(1.西安聚能超導磁體科技有限公司，陜西 西安 710016) (2.北京交通大學電氣工程學院，北京 100871) (3.廣東電網有限責任公司 電力科學研究院，廣東 廣州 510080)

1 前 言

現階段我國最大的電力系統容量已經超過了10 000 MW，最高輸電電壓為550 kV，最大發電設備容量超過600 MW[1]。隨著經濟的發展，對電能的需求還將進一步增加，電力系統的規模也將越來越大。隨著電網容量的增加和規模的不斷擴大，電力系統的短路容量越來越大。電力系統一旦發生故障，一般短路電流可以達到額定電流的100倍，這樣巨大的短路電流會瞬間產生很高的熱應力，引起導體、線圈、通信設備的損壞，嚴重的短路故障還可能導致發電機失去同步，從而引起電力系統崩潰，造成大面積停電事故[2]。因此，有效限制短路故障時的短路電流并降低斷路器的開斷容量是電力系統所面臨的嚴峻現實問題，而該問題采用超導限流技術有可能得到解決[3]。

超導限流器(superconductive fault current limiter，SFCL)在電力系統中的應用，為現代電力系統發展帶來了一場革命，已經成為當今世界超導技術應用研究的熱點，在能源電力領域具有廣闊的應用前景和不可替代的經濟戰略意義[4]。常規開關設備的限流容量不能滿足當前電網系統發展的要求。SFCL具有超導技術獨到的優勢，在電網系統正常運行時無電阻，在電網系統發生短路故障時迅速產生高阻抗，將故障電流限制到較低水平。當線路故障排除后，超導限流器可自動恢復超導態，為再次限制短路電流做好準備[5]。

超導直流限流器憑借其正常運行時低阻/感態、短路故障時高阻/感態、對電網穩定運行無干擾的特點[6]，可以對直流故障電流進行有效限制。伴隨著柔性直流電網技術的快速發展，超導限流技術在直流領域的相關研究正不斷涌現。超導限流器集短路故障檢測、觸發和限流功能于一身，是電力系統最理想的限流裝置[7]，而超導磁體的設計制作是實現超導限流器制備的關鍵技術。

本工作500 kV飽和鐵芯型超導限流器樣機研究，首先考慮液氮溫區的低溫系統的冷卻方式以保證系統運行的經濟實用性，研究解決高溫超導限流器用低溫系統的制作工藝。其次，針對高溫超導限流器線圈的繞制工藝、線圈制作工藝、絕緣工藝等難點，進行工藝研究以實現超導線圈的絕緣和通流能力需求。最后完成超導磁體系統短樣、接頭、單線圈以及線圈整體制作與測試工作，為高溫超導限流器裝置的工程應用做一些探索研究。本研究中500 kV高溫超導限流器磁體的室溫孔徑為1660 mm，總高度為1960 mm，液氮量為2000 L，中心最大磁場為0.45 T，額定勵磁安匝數468 000安匝(帶鐵芯)，由3組線圈并聯組成，運行電流分別為220 A(YBCO線圈)/1000 A(Bi2223線圈)/220 A(YBCO線圈)，杜瓦注入液氮后冷卻，成功實現勵磁。

2 500 kV限流器高溫超導磁體制作工藝

高溫超導限流器磁體系統結構如圖1所示，內部設置有液氮杜瓦，超導磁體線圈浸泡在液氮杜瓦中實現超導，外部為真空杜瓦腔體，為超導磁體低溫運行提供隔熱環境，而真空杜瓦外壁則作為電抗器油箱的一部分，電抗器鐵芯就安裝在磁體中心的室溫孔中[8]。

圖1 超導磁體杜瓦結構示意圖

2.1 限流器高溫超導磁體線圈繞制技術

本設計選用Type HT-CA型Bi2223高溫超導帶材，帶材橫截面尺寸為4.8 mm×0.34 mm，在溫度77 K且外場0.5 T條件下的臨界電流為220 A。該超導帶材性能見表1。

表1 Bi2223超導帶材基本參數

第二代高溫超導帶材YBCO使用上海超導公司的產品，帶材橫截面尺寸為4.8 mm×0.28 mm，在溫度77 K自場件下的臨界電流為160 A，性能見表2。

表2 YBCO超導帶材基本參數

超導磁體線圈采用多雙餅線圈串并聯組合結構，整個限流器超導磁體線圈結構一共由88個雙餅雙帶線圈組裝而成，根據磁場分布情況把這些雙餅用不同的方式串聯或并聯起來構成繞組，各個雙餅之間放置作為餅間絕緣和構成餅間冷卻通道的絕緣件。超導線圈主要參數見表3。

表3 超導線圈主要參數

雙餅雙帶線圈繞制技術是研究的關鍵技術，將2組線盤等分對繞在2個線盤上；然后將2組線盤的2個分線盤分別固定在雙餅單元繞制骨架和放線機構上，放線機構側2組線通過導位輪疊加入線，繞線機順時針轉動，繞制正餅；正餅繞完后，將固定在骨架上的2個線盤拆下來再次安裝在放線機構上，繞線機反轉，繞制反餅，從而完成雙餅雙帶繞制過程[9]，如圖2所示。

圖2 雙餅雙帶線圈繞制原理示意圖

為了解決高壓絕緣問題，采用G10高強度玻璃纖維作為雙餅雙帶線圈的骨架材料。考慮到纖維材料的成型工藝會顯著影響材料的抗拉強度和抗壓強度，板材是壓制成型，棒材是卷制成型，沿層壓方向抗拉強度很低，而垂直層壓方向的剪切強度會很低，骨架需要承受向心壓力和周向拉力，因此卷制成型的G10層壓方向垂直指向圓心，以滿足本研究中樣機骨架制作受力要求，如此大尺寸G10環材料通過定制模具卷制G10筒體，然后再分割加工成88個G10骨架，如圖3所示。

圖3 骨架制作照片

線圈的精密繞制技術是磁場本身均勻可靠性保證之一，限流器高溫超導磁體線圈精密繞制技術也一直是磁體制造的難點，需要保證整個繞制過程中線材的張力保持恒定，同時必須保證排線的均勻。根據磁體設計參數，采用高精度數控機床加工制造磁體骨架，繞線機以恒力自動進行繞線，從而保障繞制后超導線圈的性能。

2.2 限流器高溫超導磁體線圈組裝技術

將高溫超導帶繞成88組雙餅雙帶線圈，疊加安裝在精密加工的氮槽筒體上。雙餅線圈在軸向上壓緊力的控制要比圓筒式繞組容易。骨架和筒體上設計有定位槽，嵌入鍵條保證雙餅線圈圓周方向的定位，筒體設置有液氮流動通道，如圖4所示。筒體上下端安裝法蘭，用鈦合金螺桿連接上下法蘭，通過螺栓預緊力拉緊法蘭，壓緊線圈，雙餅線圈外側在外側接頭制作后由卡箍結構進行約束，如圖5所示。

圖4 超導線圈組裝結構示意圖

圖5 繞制完成后雙餅線圈接頭制作照片

線圈組裝過程，用88組雙餅進行線圈組裝，從最底部第一個雙餅開始數起，奇數餅稱為“反餅”，導線由外向里繞制；偶數餅則稱為“正餅”，導線由里向外繞制。一個“反餅”和一個相鄰的“正餅”組成一個單元，稱為“雙餅單元”。單元內“正餅”和“反餅”之間具有絕緣與冷卻的通道，單元之間也具有絕緣與冷卻通道。當雙餅線圈的線匝由2根及以上導線并聯組成時，并聯導線要在“反餅”內側和“正餅”外側的線餅之間的聯線處進行換位，最終使得線圈組裝后達到預期的設計安匝數。

2.3 超導磁體接頭制作工藝研究

影響超導線圈性能的另一重要因素在于線圈中線材性能最薄弱的位置——接頭。接頭位置的溫度、載流密度和磁場強度，即接頭的臨界溫度、臨界電流、臨界磁場，直接影響整個超導線圈的通流能力。因此，超導接頭的制作工藝研究在高溫超導限流器設計制作中十分關鍵。如果受到工作環境中力、熱、電、磁的影響，接頭性能不夠，將直接導致超導材料失超(quench)。局部失超后，電阻升高產生焦耳熱，隨著熱量的傳播，將發生失超傳播(quench propagation)[10]。

超導帶有超導面和非超導面。接頭制作需要注意保證超導面之間的有效搭接，壓接要平整，受力要均勻。任何彎折都有可能會影響到帶材的性能。焊錫填充要均勻而且飽滿，虛焊的空隙有可能引起磁體的超導帶材發生位移，移動就會切割磁感線產生焦耳熱。錫焊完成后不能有鋒利的邊棱和焊錫高點，這些細節對接頭的受力和絕緣都有很大的影響，所以制作工藝的關鍵就是細節的處理。

接頭的搭接結構如圖6所示[11]，接頭的臨界電流和接頭電阻需要進行測試確認，通過固化工藝過程并設計專用工裝控制壓力、壓下量和溫度，保證接頭性能的穩定。

圖6 超導帶材接頭搭接示意圖

2.4 超導磁體杜瓦制作

超導磁體杜瓦在高溫超導限流器磁體系統中具有2個作用。其內部腔體為超導磁體提供低溫運行空間環境，而外壁則作為電抗器油箱的一部分。超導磁體杜瓦制作既要提供超導磁體所需的低溫環境，又要在結構設計上符合飽和鐵芯的工作要求，還應綜合考慮設計指標所需的空間結構尺寸。設計結構如圖7所示。

圖7 組裝完成后的超導磁體杜瓦設計示意圖

根據國家標準電力變壓器溫升標準GB 1094.2—1996中對油浸式電抗器溫升的規定[12]，頂層油溫升限值為60 K。考慮最高環境溫度為310 K，液氮工作溫區溫度為77 K，則在設計時接觸變壓器油的側壁要按照400 K溫度進行漏熱校核。為了實現上述功能，本研究中限流器超導磁體的杜瓦結構由液氮內腔、中間真空層腔體和外杜瓦3層組合而成。其中最內側杜瓦室溫孔用于與限流器飽和鐵芯進行裝配，限流器最外側壁需要浸泡在變壓器油中，屬于第一層結構，主要工作在400 K溫區。外側壁需要設計較大尺寸的窗口用來引出內側杜瓦的電流引線、控制檢測信號線，還需要設置液氮的輸入以及氮氣的排除管道接口，另外需要設置有給真空腔體進行抽空的連接接口。此外，外側壁窗口設計有密封結構，用于隔離變壓器油。中間層為真空環境，用于隔絕內側低溫環境和外側高溫環境的傳導熱。考慮到空間尺寸的限制，中間層內壁和外杜瓦內壁需要共用，增大了漏熱設計的難度。最內層結構為封閉的液氮腔體，屬于液氮低溫溫區，超導線圈就是浸泡在液氮腔體內實現超導的，整個液氮腔懸掛在真空腔內，以最大限度地降低接觸傳導熱[13]。

本研究中采用減壓降溫方式進行制冷，因此杜瓦液氮腔正常運行壓力小于標準大氣壓。設計時已充分考慮負壓運行時可能帶來的風險，杜瓦正常運行時產生的氣體要直接排空，因此設計有安全閥，保證杜瓦內部不出現過壓。為減小杜瓦漏熱，杜瓦蓋板處設計為真空夾層結構，降低杜瓦對流漏熱，同時增加了杜瓦高度。但該結構需要將超導磁體封閉在杜瓦內部，這樣的多層結構設計使得系統制作變得復雜，導致系統維護的靈活性變差。杜瓦腔體設計參數詳見表4。

表4 杜瓦腔體設計參數

超導磁體設計有支撐結構，用于內杜瓦與外杜瓦間的連接和定位。支撐結構的材料需要降低傳導漏熱，同時可以承受較大的壓力，以確保磁體系統在運輸或轉運過程中抵抗外力作用，保證磁體系統結構的安全。綜合考慮強度和導熱因素，強度越高、導熱性越差的材料越適合作為支撐材料，本研究分別選擇鈦合金TC4作為拉桿材料、G10用作壓桿支撐材料[14]。

采用鎢極惰性氣體保護焊進行杜瓦結構的焊接時，焊接技術需要控制真空密封的同時控制焊接熱量，以保證內部線圈結構和絕熱層材料不會過熱損壞。杜瓦焊接過程需要綜合考慮不銹鋼和銅等不同結構材料的材質、薄厚、應力分布因素，采取不同的焊接坡口形式和尺寸。通過合理安排焊接順序、設計焊接工裝，針對不同的焊縫類型，分別采用對稱焊、分段退焊等措施，減少焊接內應力，使結構應力分布均勻。

3 500 kV限流器超導磁體的測試研究

3.1 超導磁體制作測試指標

對超導限流器系統主要進行以下性能指標的測試試驗：

(1)超導帶材短樣性能測試；

(2)超導接頭制作性能測試；

(3)超導磁體單線圈在77 K下的穩定通流電流；

(4)超導磁體在77 K下的絕緣耐壓測試；

(5)超導磁體在77 K下的穩定通流電流測試；

(6)測量超導磁體在72 K(抽空減壓到51 kPa)下的穩定通流電流測試。

Type HT-CA型Bi2223高溫超導帶材性能數據來源文獻較多，本研究主要對國產的第二代高溫超導帶材YBCO性能進行測試確認。各項測試指標如表5所示。

表5 超導YBCO線圈測試技術參數

3.2 超導磁體YBCO帶材短樣性能

搭建測試平臺，測試平臺主要元件包含計算機采集系統、Keithley2000表、Keithley2182表、電源系統、分流器，勵磁至目標電流(160±20)A，設置失超判據1 μV/cm，測得YBCO超導帶材短樣臨界電流為158 A，理論上雙帶并聯臨界電流能夠達到316 A。

3.3 超導磁體YBCO帶材接頭制作性能測試

并聯的雙餅雙帶制作好接頭，在測量程序界面設置超導帶材接頭的長度為30 cm、勵磁電流升流速度為1 A/s，勵磁至目標電流(300±20)A，設置失超判據1 μV/cm，測得短樣接頭的U-I曲線如圖8所示，計算接頭電阻3.5 nΩ。

圖8 超導帶材接頭測試曲線

3.4 超導磁體YBCO帶材單線圈在77 K下的穩定通流電流

本研究將YBCO帶材繞制的單線圈勵磁至目標電流(250±20)A，失超判據0.1 μV/cm，測得雙餅線圈的U-I曲線如圖9所示，計算整個線圈的電阻為1618 nΩ，滿足設計要求。

圖9 雙餅線圈測試曲線

整個測試過程中需要壓緊線圈并做好固定，避免超導帶測試過程中低溫收縮產生很大張力，回溫后張力釋放導致線圈發生位移變形。帶材測試電壓引線和帶材接頭都需要進行有效固定，防止磁場下受力發生移動。線圈電壓引線設置在距離帶材加電的電流引線50 mm處，可以有效保證采集數據的準確。線圈和測試杜瓦底部有液氮流通通道，線圈內部接頭位置都焊接有電壓引線監測點，接頭和電壓引線必須同時引出，分別進行電流信號和電壓信號的采集。為了盡量降低降溫過程冷縮不均勻可能導致的受力風險，降溫速率要控制，先用氮氣降溫0.5 h，再用液氮冷卻底板0.5 h，最后開始積液，降溫速率控制在5 K/min。

3.5 超導磁體絕緣耐壓測試

聚酰亞胺薄膜在液氮中的交流和直流擊穿場強分別為274.91和422.93 kV/mm[15]。因此選擇采用25 μm厚聚酰亞胺膠帶對超導帶材進行雙帶半截疊包繞，此時的交流擊穿場強約為25 kV，可以滿足超導磁體整體10 kV耐壓的技術指標要求。

試驗時，分段測試，待測試線圈兩端短接后與儀表連接，其他線圈接頭短路后與鐵芯在同一地點單點接地。選擇測試電壓從500 V逐步過渡到2500 V。注意低溫管道和鐵芯需要可靠接地，除了繞組以外其他聯接部件均需要短路并可靠接地，如圖10所示。測試前檢查測量保護設備，接好試驗線路的高壓引線，并注意對地距離不小于1 m。加載試驗電壓，待電阻值穩定后記錄此時的絕緣電阻，引線對地交流絕緣電阻在2.5 kV測試電壓下，電阻值大于1 GΩ。

圖10 絕緣電阻測量試驗接線圖

3.6 磁體系統整體低溫下勵磁測試

完成超導磁體和杜瓦部件的制作和測試后，可以進行超導磁體系統的集成，如圖11所示。氮槽需要抽空減壓，實現72 K液氮溫區。內、外杜瓦上端板間采用真空密封，包含真空絕熱管道在內，系統僅具有一個真空夾層，設置有真空計進行真空度的監測。

圖11 超導磁體系統液氮測試設備照片

本工作對制作完成的超導磁體進行4次勵磁測試。分別為線圈單獨測試一次、線圈整體測試一次、組裝后的整體按照70%裕度測試一次，以及最終按照設計指標進行勵磁測試，最終測試運行電流分別為220 A(YBCO線圈)/1000 A(Bi2223線圈)/220 A(YBCO線圈)(圖12)，此時的中心場B0=0.45 T，額定勵磁安匝數為468 000安匝。

圖12 超導限流器磁體線圈分段勵磁時的磁場分布

4 結 論

本工作研制了500 kV飽和鐵芯型超導限流器樣機，運行電流分別為220 A(YBCO線圈)/1000 A(Bi2223線圈)/220 A(YBCO線圈)，實現了超導磁體在限流器中的作用和目標。

實施過程中，針對高溫超導限流器線圈的繞制工藝、線圈制作工藝、絕緣工藝等難點問題進行實驗研究，最后完成超導磁體系統短樣、接頭、單線圈以及線圈整體的制作與測試，裝入鐵芯后進行500 kV高溫超導限流器磁體系統整體測試，為高溫超導帶材研究的大科學工程應用研究提供一些經驗和數據。

為解決大電力系統中熔斷器開斷容量不足問題提供超導思路，為今后進一步研究電力系統最理想的限流超導限流器裝置提供一些工程經驗。

飽和鐵芯型超導限流器存在的問題是超導體正常態電阻值有限，而且在正常態下承載大電流時，會散發熱量，且故障發生后超導態恢復需要一段時間，以上問題有待進一步研究解決。