TWI611431B - 低溫應用之高電壓襯套 - Google Patents

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卡爾斯 史坦利
希馬恩 飛三
尼可拉斯Ａ 貝努透
史考特 尼柯森
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瓦里安半導體設備公司
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Abstract

揭露一種應用於低溫與高電壓的電氣襯套。襯套包括第一襯套部、第二襯套部及於第一與第二襯套部中沿著縱軸方向配置的電性導體。電性導體包括由第一襯套部延伸的第一終端部，及由第二襯套部延伸的第二終端部。第一終端部可用來耦接於環境溫度下的第一電子構件，且第二終端部可用來耦接於低溫溫度下的第二電子構件。第一與第二襯套部包括底絕緣物，且第一襯套部可更包括配置於底絕緣物上的環境保護罩。

Description

低溫應用之高電壓襯套
本發明的實施例是有關於常見的高電壓襯套，且特別是有關於涉及應用於低溫下的超導裝置的高電壓襯套。
超導故障電流限制器(Superconducting Fault CurrentLimiteds；SCFCL)是一種於低溫(cryogenic temperature)下操作的裝置類型，且通常應用在受限於高壓與高電流下的電子傳輸與分配。超導故障電流限制器通常被用來在電流驟增(current surges)的情況下提供保護機制，例如電力傳輸互聯網(Power transmission network)。
由於超導故障電流限制器於低溫下操作，巨大的溫差常存在於超導故障電流限制器的超導元件與連接於其上的外部設備之間。舉例來說，低溫環境可約為-200℃，而外部設備通常處在環境溫度(ambient temperature)。有鑒於此，須在超導元件與外部設備之間提供連接結構，以適應溫度的轉換且將熱量損失降至最小。
傳統高壓襯套會於在低溫環境下使用時失效(fail)。失效機制起因於環境溫度與低溫環境之間因過大的溫度變化所引起的熱應力(thermal stress)。擁有可靠的高壓襯墊對於具有超導故障電流限制器，變壓器，馬達，能量儲存裝置或其他類似元件的超導體裝置的運作成功是重要的。因此，高壓襯套在低溫環境使用下的改良是必要的。
本內容於詳述實施方式中的簡化形式中用來提供並導入概念的選擇。本內容並不用來識別申請專利範圍中專利標的的主特徵或必要特徵，更不是用來協助決定申請專利範圍中專利標的範圍。
揭露一種電氣襯套。此襯套可包括一第一襯套部、第二襯套部及電性導體。電性導體在第一與第二襯套部中沿著縱軸(longitudinally)方向配置。電性導體可包括由第一襯套部延伸的第一終端部及由第二襯套部延伸的第二終端部。第一終端部可用來耦接於環境溫度下的電子構件，且第二終端部可用來耦接於低溫溫度下的第二電子構件。第一與第二襯套部可包括底絕緣物。第一襯套部更可包括配置於底絕緣物上的環境保護罩。
揭露一種電氣襯套，其包括第一與第二襯套部，及配置於第一與第二襯套部內的一電性導體。電性導體可包括由第一襯套部延伸的第一終端部以耦接於環境溫度下的電子構件。電性導 體可包括由第二襯套部延伸的第二終端部以耦接於低溫溫度下的超導元件。第一與第二襯套部可包括底絕緣物。第一襯套部更可包括配置於底絕緣物上的環境保護罩。
揭露一種電氣襯套，其包括第一與第二襯套部，及配置於其中的電性導體。電性導體可包括鄰近於第一襯套部的第一終端部以耦接於第一電子構件，及由第二襯套部延伸的第二終端部以耦接於第二電子構件。第一電子構件可位於環境溫度而第二電子構件可以是處於低溫溫度下的超導故障電流限制器。第一與第二襯套部以為一個整體件的方式組成底絕緣物。第一襯套部更可包括配置於底絕緣物上的環境保護罩。
1‧‧‧超導故障電流限制器系統
2‧‧‧電氣襯套
4‧‧‧超導故障電流限制器
6‧‧‧並聯電抗器
8‧‧‧絕緣系統
12‧‧‧起始點
14‧‧‧退出點
16‧‧‧超導元件
18‧‧‧電路徑
20‧‧‧電路徑
2a‧‧‧第一襯套部
2b‧‧‧第二襯套部
22‧‧‧低溫恆溫器殼體
24‧‧‧電性導體
24a‧‧‧第一終端部
24b‧‧‧第二終端部
26‧‧‧頂凸緣
28‧‧‧低溫媒介
30‧‧‧底絕緣物
32‧‧‧環境保護罩
34‧‧‧密封凸緣
36‧‧‧頂表面
38‧‧‧肩部
40‧‧‧第一密封件
42‧‧‧第二密封件
44‧‧‧內周圍表面
46‧‧‧相對外表面
48‧‧‧鎖定板
50‧‧‧徑向溝槽
52‧‧‧鎖固件
54‧‧‧壓蓋密封
56‧‧‧壓蓋螺帽
58‧‧‧封膠
60‧‧‧末端凹陷
62‧‧‧外表面
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
圖1為電流限制系統結合一實施例中所揭露的電氣襯套的示意圖。
圖2為一示例中超導故障電流限制器採用已揭露的多個電氣襯套的示意圖。
圖3為圖2中超導故障電流限制器沿著線3-3方向的剖面圖。
圖4的(a)至4的(c)繪示一實施例已揭露的電氣襯套的一系列步驟。
本發明將搭配相關的圖示進行詳細的描述，其顯示本發明的實施例。然而，本發明可以多種不同的形式被執行，且不應被理解為限制在如下所列出的實施例中。再者，這些實施例的提供使本發明是徹底且完整的，且對本領域技術人員完整傳遞本發明的範圍。於以下圖式中，圖式的相似參考標號完全是指相似的構件。
為解決前述所提及襯套的缺陷，故揭露了一高電壓襯套，其中一端於低溫環境下運作而另一端處於環境溫度下運作。此襯套能適應環境溫度與低溫環境之間因過大的溫度變化所引起的熱應力(thermal stress)。此襯套亦於環境溫度或應用於室外時能夠經受因天氣變化所引起的環境壓力，如雨、雪、沙塵或其他自然與人為的環境傷害而能夠可靠地***作。
請參照圖1，示例中採用已揭露實施例的使用電氣襯套2的超導故障電流限制器(Superconducting Fault Current Limiters；SCFCL)系統1的一般架構，如圖1所示。雖然電氣襯套2將以與示例中的超導故障電流限制器(SCFCL)有關的應用而被描述，但已認可其使用不被限制於此。再者，已被揭露的電氣襯套2將可應用於載流部件(current carrying components)間經歷高溫差的多種用途的任一中找到其應用。
所繪示的超導故障電流限制器系統(SCFCL System)1包 括超導故障電流限制器(Superconducting Fault Current Limiters；SCFCL)4、一並聯電抗器(shunt reactor)6及一絕緣系統8，其中並聯電抗器6可以為傳統並聯電抗器。在運作過程中，超導故障電流限制器系統1藉著限制流經起始點12與退出點14之間的負載電流而提供故障電流保護。在正常運作情況下，負載電流可以為週期性地(periodically)，偶發地(occasionally)或連續地(continuously)流經超導故障電流限制器系統1。負載電流在正常運作模式下顯示出負載電流準位(current level)使超導元件16保持在超導狀態(superconducting state)，因此，當負載電流行經超導故障電流限制器(SCFCL)4時，負載電流經由具有零阻抗的超導元件16而被傳遞。於過多(excessive)負載電流可立即被產生的故障情況下，超導元件16藉由超導狀態轉換至有限電阻狀態(finite resistivity state)而對過多的負載電流產生反應，其對於過多負載電流發生大型總阻抗(overall impedance)，因而於故障情況下限制負載電流。隨後，超導元件16於之後的故障事件(fault event)藉由限制電流可回復至超導狀態以調整(regulate)電流負載。
顯而易見地，超導故障電流限制器系統1形成兩平行電路徑18、20，其分支(branch)於起始點12與退出點14之間。因此，超導故障電流限制器(SCFCL)4與並聯電抗器6以電性並聯(electrically parallel)的方式於超導故障電流限制器系統1中沿著個別電路徑18、20的方式排列。在正常運作情況下，超導故障電 流限制器系統1是用來汲取(draw)流經超導故障電流限制器(SCFCL)4近乎百分之百的負載電流與流經並聯電抗器6近乎於零的負載電流。然而，當故障情況或事件發生時，並聯電抗器6是用來汲取大多數的負載電流，藉此以限制流經超導故障電流限制器(SCFCL)4的電流。
由於超導故障電流限制器(SCFCL)4的超導元件16通常被潛浸(submerged)於一低溫媒介(cryogenic medium)中，鄰近於超導元件16的至少部份的電氣襯套2將受制於約200℃，其溫度低於超導故障電流限制器(SCFCL)4所連接的外部電氣設備(electrical equipment)。圖2繪示圖1中具有多個電氣襯套2的超導故障電流限制器(SCFCL)的部份，其多個電氣襯套2包括設置於一低溫恆溫器殼體(cryostat enclosure)22外的一第一襯套部2a及設置於一低溫恆溫器殼體22內的一第二襯套部2b。
在一實施例中，低溫恆溫器殼體22的溫度及壓力受到控制，特別是低溫地冷卻(cryogenically cooled)以維持對超導元件16適合的溫度。可以理解的是，此溫度能藉由液態氮(liquid nitrogen)或其他適合的液態致冷劑(liquid cryogen)而維持。一般而言，電氣襯套2電性耦接至外部發電，電力輸送與分配裝置，而位於低溫恆溫器殼體22內的電氣襯套2電性耦合至超導元件16。各電氣襯套2包圍住一電性導體24以將位於低溫溫度(cryogenic temperature)下的超導故障電流限制器(SCFCL)4的超導元件16耦 接至位於環境溫度(ambient temperature)下的外部設備，如圖1所描述。電性導體24可以是銅，鋁或其他適合的材料。低溫恆溫器殼體22包括一頂凸緣26，其將殼體內部低溫部分與外部環境分隔，使在操作過程中第一襯套部2a暴露於環境溫度而第二襯套部2b受制於低溫溫度。於確保熱傳導所損失的熱量很少時，電氣襯套2應被用來適應如上所述的溫度轉換，以便防止用於冷卻超導元件16的低溫液體(cryogenic liquid)的沸騰，及/或防止冷卻元件時成本的增加。
圖3顯示圖2中具有低溫媒介28的低溫恆溫器殼體22內一電氣襯套2的內部結構，其低溫媒介如液態氮。需注意的是，電氣襯套2的第一襯套部2a暴露於環境溫度(ambient temperature)，即外部；而電氣襯套2的至少部份第二襯套部2b潛浸(submerged)於低溫媒介28中。電氣襯套2包圍貫穿電氣襯套2整體長度的電性導體24，以將超導故障電流限制器(SCFCL)4的超導元件16耦接至外部設備，如前述所討論。
顯而易見地，電氣襯套2包括一底絕緣物30，其與填充於低溫恆溫器殼體22內部的低溫媒介28相容(compatible)。在一實施例中，底絕緣物30可以是低溫陶瓷材料。一非限制性示例中列出用於底絕緣物30的其他合適材料，包括纖維玻璃(fiber glass)，鐵氟龍(Teflon)，縮醛樹脂(Delrin)或其他相容於低溫溫度與低溫媒介的介電材料。電氣襯套2的第一襯套部2a可提供一環 境保護罩32。環境保護罩32能保護電氣襯套2免於殘酷的外界環境所帶來的影響，包括下雨、下雪、陽光或其他類似的環境。在一實施例中，環境保護罩32包括一矽橡膠複合物(silicon rubber compound)。一非限制性示例中列出用於環境保護罩32的其他合適材料，包括瓷(procelain)，玻璃(glass)，橡膠(rubber)或一般用於電氣襯套2的其他材料。電氣襯套2的第二襯套部2b不包括環境保護罩32，使底絕緣物30直接暴露於低溫恆溫器殼體22中的低溫媒介28。
電氣襯套2耦接於低溫恆溫器殼體22的頂凸緣26的中央點(midpoint)或靠近中央點處，使第一襯套部2a暴露於殼體外，且第二襯套部2b放置於殼體內。電氣襯套2藉由一密封凸緣34以防漏(leak tight)的方式耦接於頂凸緣26，密封凸緣34焊接或固定於頂凸緣26。密封凸緣34具有讓電氣襯套2的肩部38抵靠的一頂表面36。第一密封件40可被設置於頂表面36與肩部38之間以用來密封兩表面。第二密封件42可被設置於密封凸緣34的內周圍表面44與電氣襯套2的一相對外表面46之間。第一密封件40與第二密封件42可以是O形環(O-rings)或密封墊(gasket)，其設置於形成在密封凸緣34及/或電氣襯套2的合適凹陷(recesses)處。一個或多個鎖定板48可被設置對應於電氣襯套2的徑向溝槽50內。鎖定板48可經由如頭帽螺釘(head cap screw)的鎖固件52而被固定於密封凸緣34上。如此的排列，密封凸緣34被夾擠於 電氣襯套2的肩部38與鎖定板48之間，以將電氣襯套2固定且密封於低溫恆溫器殼體22的頂凸緣26上。
如前述所指出的，電性導體24將超導故障電流限制器(SCFCL)4的超導元件16耦接至如圖1所示的外部設備。因此，電性導體24可包括由電氣襯套2的第一襯套部2a延伸的一第一終端部24a，及由電氣襯套2的第二襯套部2b延伸的一第二終端部24b。在所繪示的實施例中，第二終端部24b設置於低溫恆溫器殼體22內，且耦接至超導故障電流限制器(SCFCL)4的超導元件16。電性導體24鄰近於第一終端部24a的一部份可被固定且密封至電氣襯套2的第一襯套部2a。在一實施例中，一壓蓋密封54可將電氣襯套2的第一襯套部2a固定且密封至電性導體24上。壓蓋密封54可包括一壓蓋螺帽56及一封膠58，如密封墊(gasket)或O形環(O-ring)。壓蓋螺帽56可貫穿地容納於電氣襯套2的一末端凹陷60處，使得當壓蓋螺帽56拴緊時，封膠58將電性導體24固定且密封至電氣襯套2。如此的配置允許電性導體24與電氣襯套2間膨脹與收縮的差異，以減少傳遞至系統元件的應力(stress)。
圖4的(a)至圖4的(c)顯示已揭露的電氣襯套2的製作步驟。首先，一底絕緣物30藉由射出成型(molding)、機械加工(machining)或其他適合的技術製作，如圖4的(a)所示。如前述所指出的，底絕緣物30的材料可以是能抵抗低溫溫度且相容於低溫 流體(cryogenic fluids)的低溫陶瓷材料。第一與第二襯套部2a、2b可以一為一個整體件(unitary piece)的方式形成。又或者，第一與第二襯套部2a、2b可由相異的元件(separate pieces)接合而成。電氣襯套2的第一襯套部2a，即暴露於環境溫度下的部份，可受制於化學表面處理(chemical surface preparation)以將外表面62粗糙化(roughen)，如圖4的(b)所示。一環境保護罩32可適用於第一襯套部2a的預備表面(prepared surface)。在一實施例中，環境保護罩32為可以經由鑄件(cast)，模製(molded)或其他可應用於電氣襯套2的第一襯套部2a中已蝕刻的外表面62的矽橡膠材料(silicon rubber)。在一實施例中，當電氣襯套2被用來在4萬5千伏特(45KV)下操作，則完成的第一襯套部2a的外徑(Outer diameter)約為8英吋，而完成的第二襯套部2b的外徑約為6英吋。可以理解的是，然而，完成的尺寸、比例與材料則視電氣襯套2的特殊製程而定。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
2‧‧‧電氣襯套
2a‧‧‧第一襯套部
2b‧‧‧第二襯套部
22‧‧‧低溫恆溫器殼體
24‧‧‧電性導體
24a‧‧‧第一終端部
24b‧‧‧第二終端部
26‧‧‧頂凸緣
28‧‧‧低溫媒介
30‧‧‧底絕緣物
32‧‧‧環境保護罩
34‧‧‧密封凸緣
36‧‧‧頂表面
38‧‧‧肩部
40‧‧‧第一密封件
42‧‧‧第二密封件
44‧‧‧內周圍表面
46‧‧‧相對外表面
48‧‧‧鎖定板
50‧‧‧徑向溝槽
52‧‧‧鎖固件
54‧‧‧壓蓋密封
56‧‧‧壓蓋螺帽
58‧‧‧封膠
60‧‧‧末端凹陷

Claims (14)

  1. 一種電氣襯套，包括：第一襯套部與第二襯套部；電性導體，沿著縱軸方向配置於所述第一襯套部與所述第二襯套部內，所述電性導體包括由所述第一襯套部延伸的第一終端部以及由所述第二襯套部延伸的第二終端部，所述第一終端部用以耦接於環境溫度下的第一電子構件，所述第二終端部用以耦接於低溫溫度下的第二電子構件；其中所述第一襯套部與所述第二襯套部更包括底絕緣物，且其中所述第一襯套部更包括僅設置於所述底絕緣物上且直接接觸所述底絕緣物的環境保護罩；壓蓋密封，設置於所述第一襯套部的末端，所述壓蓋密封包括壓蓋螺帽及封膠，所述壓蓋螺帽可貫穿地容納於所述第一襯套部的末端凹陷處，使得當所述壓蓋螺帽拴緊時，所述封膠將所述電性導體固定且密封至所述第一襯套部；密封凸緣，用以將所述第二襯套部耦接於低溫恆溫器殼體內，所述密封凸緣包括頂表面，所述頂表面接觸所述第二襯套部的肩部；以及鎖定板，所述鎖定板設置於所述電氣襯套的徑向溝槽內，所述鎖定板藉由鎖固件可安裝於所述密封凸緣，其中所述密封凸緣被夾擠於所述電氣襯套的所述肩部與所述鎖定板之間，以將所述電氣襯套固定於所述密封凸緣上。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的電氣襯套，所述密封凸緣包括第一密封件及第二密封件，且所述密封凸緣還包括內周圍表面，其中所述第一密封件設置於所述頂表面及所述電氣襯套的所述肩部之間，且所述第二密封件設置於所述內周圍表面及所述電氣襯套的相對外表面之間。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的電氣襯套，其中所述第一密封件及所述第二密封件設置於對應所述密封凸緣及所述電氣襯套的至少其中之一的凹陷內。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的電氣襯套，其中所述第一密封件與所述第二密封件包括O形環(O-rings)。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的電氣襯套，其中所述第一襯套部與所述第二襯套部以為一個整體件的方式組成。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的電氣襯套，其中所述第一電子構件為超導元件。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的電氣襯套，其中所述環境保護罩為矽橡膠複合物以及橡膠的其中一種。
  8. 一種電氣襯套，包括：第一襯套部與第二襯套部；電性導體，配置於所述第一襯套部與所述第二襯套部內，所述電性導體包括由所述第一襯套部延伸的第一終端部以耦接於環境溫度下的電子構件，所述電性導體包括由所述第二襯套部延伸 的第二終端部以耦接於低溫溫度下的超導元件；其中所述第一襯套部與所述第二襯套部包括底絕緣物，且所述第一襯套部更包括僅設置於所述底絕緣物上且直接接觸所述底絕緣物的環境保護罩；壓蓋密封，嵌合於所述第一襯套部，所述壓蓋密封包括壓蓋螺帽及封膠，所述壓蓋螺帽可貫穿地容納於所述第一襯套部的末端凹陷處，使得當所述壓蓋螺帽拴緊時，所述封膠將所述電性導體固定且密封至所述第一襯套部；密封凸緣，用以將所述第二襯套部耦接於低溫恆溫器殼體內，所述密封凸緣包括頂表面，所述頂表面接觸所述第二襯套部的肩部；以及鎖定板，所述鎖定板設置於所述電氣襯套的徑向溝槽內，所述鎖定板藉由鎖固件可安裝於所述密封凸緣，其中所述密封凸緣被夾擠於所述電氣襯套的所述肩部與所述鎖定板之間，以將所述電氣襯套固定於所述密封凸緣上。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的電氣襯套，更包括第一密封件及第二密封件，且所述密封凸緣還包括內周圍表面，其中所述第一密封件設置於所述頂表面及所述電氣襯套的所述肩部之間，且所述第二密封件設置於所述內周圍表面及所述電氣襯套的相對外表面之間。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的電氣襯套，其中所述第一 密封件及所述第二密封件設置於對應所述密封凸緣及所述電氣襯套的至少其中之一的凹陷內。
  11. 如申請專利範圍第8項所述的電氣襯套，其中所述第一襯套部與所述第二襯套部以相異件的方式組成所述底絕緣物。
  12. 如申請專利範圍第8項所述的電氣襯套，其中所述第一襯套部與所述第二襯套部以為一個整體件的方式組成所述底絕緣物。
  13. 一種電氣襯套，包括：第一襯套部與第二襯套部及設置於所述第一襯套部與所述第二襯套部內的電性導體；其中所述電性導體包括第一終端部及第二終端部，所述第一終端部相鄰於所述第一襯套部以耦接於第一電子構件，所述第二終端部由所述第二襯套部延伸以耦接於第二電子構件；其中所述第一電子構件位於環境溫度下且所述第二電子構件是處於低溫溫度下的超導故障電流限制器(Superconducting Fault Current Limiter)；其中所述第一襯套部與所述第二襯套部以一個整體件的方式組成底絕緣物，且所述第一襯套部更包括僅設置於所述底絕緣物上且直接接觸所述底絕緣物的環境保護罩；以及密封凸緣，用以將所述第二襯套部耦接於低溫恆溫器殼體內，所述密封凸緣包括頂表面，所述頂表面用以嵌合於所述第二 襯套部的肩部；以及鎖定板，所述鎖定板設置於所述電氣襯套的徑向溝槽內，所述鎖定板藉由鎖固件可安裝於所述密封凸緣，其中所述密封凸緣被夾擠於所述電氣襯套的所述肩部與所述鎖定板之間，以將所述電氣襯套固定於所述密封凸緣上。
  14. 如申請專利範圍第13項所述的電氣襯套，更包括第一密封件及第二密封件，且所述密封凸緣還包括內周圍表面，其中所述第一密封件設置於所述頂表面及所述電氣襯套的所述肩部之間，且所述第二密封件設置於所述內周圍表面及所述電氣襯套的相對外表面之間。
TW103108673A 2013-03-13 2014-03-12 低溫應用之高電壓襯套 TWI611431B (zh)

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