CN1137698A - 超导故障电流限制器 - Google Patents

Abstract

一种感应式超导故障电流限制器，它包括一个绕有初级绕组(1)和短路的超导次级(2)的铁芯(3)。在达到初级中故障电流电平前，次级仍为超导性，随后，次级就变为阻性，初级安匝就未被抵消，且装置呈较高的感性以限制故障电流。本发明提供一种通过使用具有与涂层厚度相比有较大径向宽度的堆叠的涂SC的垫圈，以适当的SC涂覆厚度实现的能增加故障电流阈值而不会超过临界SC电流密度电平的装置。

Description

超导故障电流限制器

本发明涉及超导故障电流限制器(SCFCL)。

参见附图1，可以由绕在铁质的(或空气的)芯子3上的初级绕组1和短路的次级绕组2来表示感应SCFCL。短路的绕组是超导材料的一个层或一个圆柱体，而初级绕组构成对所引起的故障电流进行抵消的电路一部分。通常由超导体感生的电流引致的磁通有效地屏蔽(或消除)了来自铁芯的初级绕组的磁通，并由SCFCL使电路呈低电感。但是，当超导体中的电流密度高于临界值时，超导体将呈阻性，且感生的超导电流不足以产生足够的抵消通量。随之，进入铁芯的剩余未屏蔽/未抵消的初级磁通量会产生大感生电抗，它自我限制了故障电流。

对于给定临界电流密度(J_C)和给定截面的超导绕组来说，临界初级电流-故障电流即被确定，在此界限之上，进行值的自我限定。

在图1的次级电路中的电阻R_S代表当初级电流超过故障电流时的超导电阻。

采用所谓高压超导(HTS)的感应型超导故障电流限制器可从诸如欧洲专利0353449中得知。

在诸如上文提及的已有技术装置中所产生的问题是，本来可被容纳下来的故障电流却受到超导通路截面积不适当的限制。通过增加在已有技术装置中的次级圆柱体的厚度(随之增加截面)而增加故障电流阈值的努力是不能令人满意的，因为超导体的临界电流密度(J_C)随厚度增加而劣化。此外，需要HTS的薄层，以确保短切换时间，并确保在故障状态下温升仍然可控，而在更被保护的电路中无需启动电路断路器。

本发明的目的在于提供一个超导故障电流限制器，它大大地克服了已有技术的问题。

根据本发明，一种超导故障电流限制器，它包括：一个初级故障电流绕组，一个以超导圆柱体形式的次级绕组，一个搭接在初级和次级绕组上的铁磁电路，初级和次级绕组被安置成，能在第二组的超导状态产生基本上抵消铁磁电路中的初级磁通，其中，超导圆柱体包括一个覆有超导材料的衬层，该衬层至少具有相对于圆柱体的轴而横向伸展的超导涂层部分。

所述部分的至少一些部分是暴露的表面，它允许制冷液体与超导涂层接触。

衬层包括一堆叠的单个垫圈状的件，在其一面或两面涂有超导材料。

另外，衬层可以是具有开槽外表面的圆柱体。

在另一实施例中，衬层的厚度和起皱的形状基本均匀。

超导圆柱体和初级绕组可放在铁磁电路的同一位置上，且超导圆柱体处在初级绕组内。

图1为一般SCFCL的电路图；

图2(a)为根据本发明的SCFCL的截面图；

图2(b)是图2(a)的超导圆柱体的放大的细节图；

图3为图2的超导圆柱体的部件“垫圈”的正视和侧视图。

参见图1，初级绕组1与将被保护的电路相串联。绕组1包着也耦合到由短路的次级所构成的超导绕组2的铁磁芯3上。次级绕组的阻值是由可变电阻R_S代表的，该值取决于超导的状态。进而取决于电流密度，低于临界值J_C呈超导性，高于该值呈阻性。在正常电流值的超导状态，在超导圆柱体中感生的电流使安匝与初级线圈中的相等并相反。

可考虑将两个绕组组合起来以产生一个纯零场强，随后在铁芯中产生一个纯零的通量。

另一方面，可将超导圆柱体2当作一个屏以防止初级磁通“接触”到铁芯。这样，初级电感非常低，且对保护电路呈现出可忽略不计的阻抗。

次级电流随初级电流升高直至超过用于超导屏蔽的临界电流I_C为止。在此状态下，次级呈阻性(即R_S从零起增加)，两个磁密度出现不平衡，净余磁通就会进入铁芯中，初级绕组电感就会大大增加，且所产生的增加后的阻抗限制了故障电流。

见图2(a)，其中示出矩形软铁芯3，其一边由初级铜绕组1和构成短路次级绕组的超导圆柱体2包围。

圆柱体2仅仅是开放的圆柱形的，且由固定有氧化锆的垫圈形件4(见图3)的氧化锆陶瓷管5(见图2(b)的放大图)构成，件4在其一面或两面覆有高温超导体。在现阶段有几种具有高于77°K临界温度的HTS材料可用。

垫圈4再由也为陶瓷的环形隔件6隔开。

涂层厚度在50-100μm间，并限制到100μm下，以避免使J_C变差。垫圈的涂层表面的径向范围可为涂层厚度的50-100倍的数量级。

总地讲，隔件可与涂覆后的垫圈具有类似的尺寸和形状，以有效地得到一个具有循环的超导环部分的坚硬的厚壁的陶瓷圆柱体。但是，为了使超导性保持到设计的故障电流阈值上，必须使温度保持在低于临界温度的温度。

采用小直径的隔件以为超导涂层提供诸如液氮的制冷液的通路，以此来大大提高载流能力。

在使用带超导涂层分隔垫圈的装置中，在环形部分间会有漏磁通漏出，使初级磁通与铁芯有一定程度的耦合，这个问题可通过控制垫圈间距和/或以超导材料厚膜涂覆管衬层5来解决。这样就不会有可使漏磁通泄出的空隙。

在图2中，示出在铜绕组1和铁芯3之间的超导圆柱体2。

这种电路结构是优选的，以此获得对衬层5涂覆而带来的屏蔽益处。

通过将初级绕组1紧靠铁芯放置，可以清楚地知道，在该实施例中，超导圆柱体不提供屏蔽作用，却与初级铜绕组结合产生一个纯零的外部磁通。然而，还存在从初级绕组上漏出的一定程度的磁通，它将不管平衡超导绕组而与相邻铁芯相耦合。

在磁通被集中于铁芯上的一些情况下，初级和次级“绕组”可放在磁性电路周围，这样，它们可包围铁芯的不同侧边。然而，总的说来，在绕组放在一起且在铜绕组内放置超导绕组的情况下将获得最优的结果。

应当理解，增加次级电流流通路径的截面可通过使用不同于垫圈结构中所用的超导涂层的结构来实现。因此陶瓷圆柱体的表面可以是通过在表面上刻出V形槽而由图2的平面中的层层盘绕形或锯齿形轮廓的构成。再者，如果薄壁的陶瓷圆柱体可以环或其它截面以皱状形成，且在其一端或两端覆以超导材料，则将会使截面增加，同时使制冷更高效。

在另一个方案中，如果金属化的圆柱体具有足够高的电阻，则超导材料可涂到皱状金属化圆柱体上。

所述的实施例通过增加其长度(在同一整体长度规格下)而不增加其厚度，而有效地增加了超导涂层截面。

现在讨论上述结构的理论，屏蔽磁通密度B_P的设计标准是使在超导中每米的总安匝与初级绕组中每米的安匝相等且相反。当B_P超出后，部分或全部磁通进入到铁芯中。

由超导所屏蔽的最大磁通密度为：

B_P＝μ_oJ_Ct               (T)

其中

μ_o＝4π×10^-7           (Hm^-1)

J_O＝超导的临界电流密度(Am^-2)

t＝超导层的厚度(m)

可以发现，J_C·t(Amp m^-1)控制了屏蔽的程度，此外，B_P也是确定铁芯体积的控制参数，V_I用来产生一个特定的电感： $V_I=\frac{{2\mathrm{\μ}}_o{I}_F{V}_F}{\mathrm{\ω}{B}_S{B}_P}\left(m^3\right)$

其中

I_F＝初级绕组的故障电流(A)

V_F＝故障时SCFCL两端的电压(V)

B_S＝铁芯中的磁通密度(T)

ω＝2π×频率(rad)

若要V_I小，B_P和J_C·t就应大。

涂在衬层材料上的HTS使J_C值随涂层厚度的增加而变差。此外，需要一个HTS薄层，以确保短切换时间，也确保在故障状态下，温升也受控，而不需要启动保护电路断路器来防止烧坏。

对于50-100μm的膜厚来说，需要J_C·t的值为2×10⁴Am^-1或更高。结果，5×10⁹-1×10¹⁰Am^-2的J_C就足够了。J_C的这个幅值在77K的HTS材料中仅对薄膜(＜1μm)来说是可行的。

本发明提供一种方法，通过该方法可有效地获得乘积J_C·t，同时满足膜厚≤100μm时的要求。

图2在衬层上的超导体的结构的重要意义在于“有效厚度”，超导体的t现约为垫圈的环形宽度。通过使环形部分加宽来获得较低J_C材料的所需乘积J_C·t。此外，为了冷却和切换，超导层的厚度可保持在100μm以下。

对于制造来讲，这种“垫圈”的设计自然增加了额外的好处。在衬层上大规模地制造厚膜超导体可简化沉积和溶炼的需求。

制造感性的带有堆叠厚HTS膜的环形衬层材料的SCFCL甚至在当J_C适中时，仍可提供适当的磁通量的屏蔽，甚至采用当今的技术，可获得的电流密度(对于厚膜来说＜10Am^-2)对于制造大SCFCL仍具有潜在的可能性。

参照图2所描述的设计采用通过在垫圈4之间液气的循环而直接制冷。在另一方案中，可采用冷气制冷机。在此方法中，使热分流器紧靠要被冷却的垫圈放置，且远离垫圈的热分流器的末端由诸如氦的冷气所冷却。热分流器可以为用作以超导涂覆的垫圈4之间分隔器的垫圈的形式。这种热分流器最好径向地伸到垫圈4外，以提供制冷气体的良好通路。对于热分流器适用的材料为具有良好导热性和较差导电性的铝、红宝石和钻石。

Claims (12)

1.一种超导故障电流限制器，包括：

一个初级故障电流绕组(1)；

一个以超导圆柱体形式的次级绕组(2)；和

一个搭接在初级和次级绕组上的铁磁电路(3)，初级和次级绕组被安置成，能在第二组的超导状态产生基本上抵消铁磁电路中的初级磁通；

其中，超导圆柱体包括一个覆有超导材料的衬层，该衬层至少具有相对于圆柱体的轴而横向伸展的超导涂层部分(4)。

2.如权利要求1的限制器，其中，所述部分的至少一些部分是暴露的表面，它允许制冷液体与超导涂层接触。

3.如权利要求1或2的限制器，其中，衬层包括一堆叠的单个垫圈状的组(4)，在其一面或两面涂有超导材料。

4.如权利要求3的限制器，其中，所述垫圈状件与隔件(6)交叠，以使制冷液与超导涂层接触。

5.如权利要求3的限制器，其中，所述垫圈状件(4)与导热但绝缘的材料制成的隔件交叠，所述分隔件伸入制冷液。

6.如权利要求3至5的限制器，其中，所述垫圈状件装设在涂有超导材料的管形衬层(5)上。

7.如前述任一权利要求所述的限制器，其中，所述衬层为氧化锆。

8.如权利要求1或2的限制器，其中所述衬层为具有开槽的外表面的圆柱体。

9.如权利要求1或2的限制器，其中所述衬层的厚度和起皱的形状基本均匀。

10.如前述任一权利要求所述的限制器，其中超导圆柱体和初级绕组被放置在铁磁电路的同一位置上。

11.如权利要求10所述的限制器，其中超导圆柱体设在初级绕组内。

12.如前述权利要求1-9任一权利要求所述的限制器，其中超导圆柱体和初级绕组放置在铁磁电路的不同部位上。