饱和铁心型超导限流器的高温超导绕组绝缘

王海珍，洪辉，张敬因，牛潇晔，田波，熊志全，杨昆，朱浩骏，陈辉祥

(1.北京云电英纳超导电缆有限公司，北京 100176；2.广东电网公司电网规划研究中心，广州 510600)

饱和铁心型超导限流器的高温超导绕组绝缘

王海珍1，洪辉1，张敬因1，牛潇晔1，田波1，熊志全1，杨昆1，朱浩骏2，陈辉祥2

(1.北京云电英纳超导电缆有限公司，北京 100176；2.广东电网公司电网规划研究中心，广州 510600)

简要介绍了常用低温绝缘材料的性能参数和作为高温超导绕组绝缘的适用性。详细介绍了聚酰亚胺薄膜胶带作为高温超导绕组匝间绝缘的直流击穿试验，以及饱和铁心型超导限流器的高温超导绕组绝缘结构、制作工艺等。通过220 kV饱和铁心型超导限流器的电气性能试验验证了高温超导绕组绝缘的可靠性，不仅能满足不同运行工况下的技术要求且有较大安全裕度。

饱和铁心型超导限流器；高温超导绕组；低温；绝缘；试验

0 前言

随着超导电力设备在超导电力应用领域中正逐步接近产业化，不论超导故障限流器、超导电机、超导变压器还是超导储能装置都离不开超导绕组和低温绝缘材料。

国内外各种超导限流器 (电阻型、屏蔽型、饱和铁心型等)研制样机和挂网试运行经验证明：饱和铁心型超导故障限流器是目前世界范围内最有可能在高压和超高压电网中解决短路电流问题且实现工业化生产的超导限流器[1-2]。与电阻型超导限流器利用超导体的失超特性实现短路电流限制的原理不同，饱和铁心超导限流器的超导绕组不存在失超过程。其系统原理如图1所示。

图1 饱和铁心型超导限流器系统图

其中电抗系统是设备的主体，是实现限流功能的主要部分，由铁心、交流绕组和超导 (直流)绕组组成。交流绕组串联接入系统中，其感抗随铁心磁饱和程度不同发生非线性变化，从而实现低阻通流、高阻限流的作用。即当稳态运行时，强大的直流偏磁使铁心深度饱和，交流绕组表现出较低的阻抗，设备本身压降低、耗能小；当短路故障发生时，直流励磁被切断，铁心退出饱和，交流绕组呈现高阻抗。

饱和铁心型超导限流器的高压交流绕组通常采用传统的变压器/电抗器制造技术，载流体选用铜或铝，绝缘结构可根据要求设计为干式、油纸或气体绝缘。目前1 000 kV的特高压绝缘结构也已有成功的设计和制造经验。而提供强大直流偏磁的超导绕组通常被置于低温杜瓦中，由高温超导带材绕制。目前国外高温超导带材第一代Bi-2223带材零场下的临界电流可达180 A，几何尺寸仅约5×0.3 mm，因此超导绕组的励磁安匝可以很大，而体积相对较小。直流励磁系统为超导绕组供电，电流可根据励磁要求连续调节。

超导绕组正常工作时电阻几乎为零 (含接触电阻等＜1×10-6Ω)，绕组两端电压很小，此时对绝缘的要求并不高，但当电网短路故障发生，直流被切断，绕组处于释能放电过程时，电流在很短的时间内骤变，绕组两端将产生一个感应电压，即

因此超导绕组的设计应综合考虑上述情况，满足一定的绝缘要求。所选绝缘材料不仅要能保证低温下的电气安全，还应考虑具有较高的机械性，保障在电网发生短路故障时，超导绕组能抵抗电气、机械等负荷的冲击。

1 低温绝缘介质性能

低温绝缘通常有液体绝缘和固体绝缘，目前常用的低温液体绝缘介质主要有液氮和液氦两种，液氮可作为高温超导的绝缘和冷却介质，液氦适用于低温超导，液氮和液氦的性能参数如表1所示。

低温固体绝缘材料则种类较多，包括电绝缘漆、胶、电工薄膜以及层压制品等，可根据不同的使用场合进行选择。电绝缘漆常用来做漆包线绝缘和线圈浸渍，如聚酰亚胺漆。电绝缘胶有包封胶、灌注胶和浇注胶等。电工薄膜则常用作匝间绝缘、层间绝缘等，工艺上常分切成带或制成粘带后使用如聚酰亚胺、聚酯、聚乙烯和聚四氟乙烯等。而层压制品如环氧层压板 (G10)由于其电气和机械性能俱佳，通常被用作骨架结构，除作电气绝缘外还起机械支撑作用。

低温固体绝缘材料的性能参数主要包括热、电气和力学三个方面。热性能包括热收缩率、热导率和比热容，选择绝缘材料时应尽量选用与超导体热收缩应力接近的；电气性能包括介电常数、体积电阻率、介质损耗正切值、击穿特性和电老化特性；常规绝缘材料在77 K温度下会丧失柔韧性变硬变脆，尤其吸附的水会变成冰，使绝缘材料开裂，超导绕组正常是在直流电压下工作，而且稳态工作电压较低，因此除电气性能外，还应从机械性能角度考虑，选择低温力、热学性能较好的材料。常用低温电工薄膜的性能参数见表2。

表1 液氮和液氦的性能[3-4]

表2 常用电工薄膜低温下的性能参数[3-5]

2 超导绕组的匝间绝缘试验

众所周知，绝缘材料的击穿电压与电极 (导体)形状、几何结构，电压类型等因素有关。饱和铁心型超导限流器的超导绕组载流体通常选用Bi-2223/Ag超导带材，其截面几何尺寸为4.6× 0.24 mm(宽边×窄边)，边缘处容易电场集中。由于聚酰亚胺薄膜在低温下电气、热收缩和力学性能较优，故超导绕组匝间绝缘选用聚酰亚胺薄膜。

为研究超导绕组匝间绝缘在液氮中，外加直流电压下的击穿特性，在液氮77 K温度下进行匝间绝缘直流击穿试验。

试验采用如图2所示接线。由被试品、液氮储槽、示波器和高压直流电源组成。被试品超导体采用与上述相同截面尺寸的Bi-2223/Ag超导带，绝缘采用0.02 mm厚聚酰亚胺胶带。被试品分为两组，其中一组匝间绝缘为0.04 mm聚酰亚胺胶带，另外一组除0.02 mm聚酰亚胺胶带作导体绝缘，每匝间还设置有1 mm液氮间隙。试验时，被试品分别置于液氮中，施加直流电压，从零开始连续均匀地升高试验电压，升压速率为1 kV/s，直至样品击穿。试验数据见表3。

图2 试验接线图

表3 匝绝缘试验数据

试验结果显示：

a.无液氮间隙匝间绝缘的平均直流击穿电压为20.6 kV，击穿均在窄边边缘发生。

b.1 mm液氮间隙匝间绝缘的局部放电起始电压约20 kV，电压加至直流源的最大值40 kV，被试品均未发生击穿。

相关资料表明，液氮的脉冲击穿电压 (1/50 μs)比交流击穿电压高，脉冲系数为2.5～3.5。在均匀电场下，脉冲击穿电压和直流击穿电压大致相同[3]；不均匀电场下，直流击穿电压较低，脉冲击穿电压比均匀电场下的高。此实验中带材近似平板电极，电场近似均匀电场，可认为直流击穿电压与脉冲击穿电压相近。

3 高温超导绕组的绝缘结构和工艺

超导绕组通常需封闭在低温杜瓦中，饱和铁心型超导限流器的高温超导绕组也不例外。杜瓦作为液氮等低温介质的容器为超导绕组提供低温环境，通常设计有电流引线管、进液和排气绝热管，超导绕组浸泡于液氮中由电流引线管中的引线引出接至励磁电源。带电运行时杜瓦及绝热管接地，如图3所示。

图3 杜瓦结构示意图

图4 超导双饼结构示意图

高温超导绕组设计为双饼叠垒结构。其中超导双饼是绕组的基本结构单元如图4所示。由绕组骨架、超导带材和绝缘构成。绕组骨架采用环氧层压板 (G10)制作，主要承受带材热胀冷缩的内应力和短路时的电动力，同时作为饼间绝缘耐受超导绕组充放电过程的瞬态电压。双饼骨架分为5层，中间层 (3)和最外两层 (1和5)为厚度较薄的环氧薄板，其余两层 (2和4)为适应线材宽度的环氧板，相对较厚。通常双饼骨架径向尺寸较小，而直径尺寸较大 (2 000 mm左右)，为保证骨架的机械强度，克服低温下收缩的不利影响，同时也考虑简化加工工艺，节省加工原料，设计中将骨架分解多个尺寸完全一致的，然后进行粘接组装，如图5所示。设计要求，包覆好绝缘的超导带绕制在骨架上，形成一个双饼，再在每一饼外部包绕一层或几层玻璃纤维带，最后浸渍低温绝缘胶固化成一体，最终与液氮共同形成对地 (杜瓦壁、引线管等接地金属部件)复合绝缘。

将若干个固化好的双饼线圈按照一定的叠装方式组装为一个桶状的超导绕组，每两个双饼线圈之间加装环氧树脂衬垫层，用以保证超导体与液氮间拥有足够换热空间。双饼线圈叠装完成后，使用非导磁金属拉杆将所有线圈以及端板轴向固紧，最终形成一个完整的超导绕组。若干双饼线圈根据通流需要进行串并联连接，并联引线的出线端接到公共导电铜排上，并采用环氧层压板、低温胶和热缩管做绝缘。导电铜排再由聚四氟乙烯绝缘套管引出，该绝缘套管的高压试验结果显示其耐压水平可达30 kV。

图5 骨架粘接示意图

上述结构表明：超导绕组的绝缘——饼与饼之间 (饼间绝缘)、匝与匝之间 (匝间绝缘)以及整个绕组的外围 (对地绝缘)，都是由环氧层压板、聚酰亚胺薄膜、低温胶、聚四氟乙烯以及液氮构成的复合绝缘。其中环氧层压板提供绝缘层的刚度和强度，基本控制着绝缘层的力学性能；聚酰亚胺薄膜则作为匝间和对地绝缘的主要介质承受可能出现的各种电压作用；低温胶则有多种用途，实现多种目的，包括连接、密封、填充、导热和绝缘；液氮作为冷却介质的同时，还承担绝缘作用。

4 高温超导绕组的电气性能试验

超导绕组需承受各种工况下的电压作用，因此其电气性能必须经过试验验证，保证安全可靠才能投入运行。除通过直流电阻、绝缘电阻等性能指标检测，以及进行直流耐压等稳态性能测试外，还可以通过模拟实际运行工况：速断直流试验来考核其暂态下的可靠性。

试验方法：先采用配套的强励直流电源使超导绕组在几十毫秒内达到额定电流，稳定一段时间，再采用配套的灭磁系统，在几个毫秒内切断直流供电，同时测量超导绕组两端电压，并采集记录波形。“快速起励-稳定-速断直流释能”的过程模拟可以检验在电网系统发生故障产生短路电流时，迅速切断超导绕组的直流供电产生的感应电压是否对超导绕组绝缘造成影响。

220 kV饱和铁心型超导限流器已在现场试验时根据上述方法进行了模拟测量。测得切断直流时超导绕组两端产生的操作冲击电压峰值约9 kV。试验后，检查超导绕组外观，无任何损坏和异常；进行72h稳态通流能力测试，通流期间，性能稳定，一切正常。

本文第3节超导绕组匝间绝缘试验显示，77K液氮温度下，0.04 mm厚聚酰亚胺薄膜匝间绝缘的直流击穿电压可达20.6 kV。而相关资料[6]指出，玻璃布与低温胶的复合绝缘击穿电压(交流)在室温下可达40 kV，且根据资料和经验，环氧胶和玻璃环氧复合材料在低温下的绝缘性能更好，另外材料的冲击耐压值高于交流击穿值。因此采用聚酰亚胺薄膜、环氧层压板以及低温胶等做低温绝缘材料的饼式结构高温超导绕组绝缘，其电气强度是足够满足要求的。220 kV饱和铁心型超导限流器的超导绕组设计为5组并联，每组9个双饼，共504匝。校核在最大冲击电压(峰值)下的匝间击穿电压的安全系数为：1 151。也就是说饱和铁心型限流器超导绕组的绝缘材料、结构和工艺选择都是安全可靠的。

5 结束语

饱和铁心型超导限流器的超导绕组绝缘不仅是提供可靠的电气性能，还是绕组的主要机械支撑，尤其在电网故障发生短路时，因此设计中应综合考虑各种工况下的性能要求，选择合适的绝缘材料和加工工艺。

匝间绝缘试验和220 kV限流器的超导绕组性能试验以及相关资料结果表明采用聚酰亚胺薄膜、环氧层压板等做低温绝缘材料、低温胶浸渍工艺的饼式结构高温超导绕组，满足各种工况下的性能要求且具有较高的安全可靠性。

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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，硕士，工程师，研究方向为超导电力设备的研制及其应用。

洪辉 (1979)，男，博士，高级工程师，研究方向为超导电力设备的研制及其应用。

资金资助项目：国家 863计划课题 2006AA03Z234，2009AA03Z228和2009AA035403；云南省匹配国家重点项目2010GA003。