專利名稱：超導(dǎo)故障電流限制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超導(dǎo)故障電流限制器(SCFCL)。
參見(jiàn)附

圖1，可以由繞在鐵質(zhì)的(或空氣的)芯子3上的初級(jí)繞組1和短路的次級(jí)繞組2來(lái)表示感應(yīng)SCFCL。短路的繞組是超導(dǎo)材料的一個(gè)層或一個(gè)圓柱體，而初級(jí)繞組構(gòu)成對(duì)所引起的故障電流進(jìn)行抵消的電路一部分。通常由超導(dǎo)體感生的電流引致的磁通有效地屏蔽(或消除)了來(lái)自鐵芯的初級(jí)繞組的磁通，并由SCFCL使電路呈低電感。但是，當(dāng)超導(dǎo)體中的電流密度高于臨界值時(shí)，超導(dǎo)體將呈阻性，且感生的超導(dǎo)電流不足以產(chǎn)生足夠的抵消通量。隨之，進(jìn)入鐵芯的剩余未屏蔽/未抵消的初級(jí)磁通量會(huì)產(chǎn)生大感生電抗，它自我限制了故障電流。
對(duì)于給定臨界電流密度(JC)和給定截面的超導(dǎo)繞組來(lái)說(shuō)，臨界初級(jí)電流-故障電流即被確定，在此界限之上，進(jìn)行值的自我限定。
在圖1的次級(jí)電路中的電阻RS代表當(dāng)初級(jí)電流超過(guò)故障電流時(shí)的超導(dǎo)電阻。
采用所謂高壓超導(dǎo)(HTS)的感應(yīng)型超導(dǎo)故障電流限制器可從諸如歐洲專利0353449中得知。
在諸如上文提及的已有技術(shù)裝置中所產(chǎn)生的問(wèn)題是，本來(lái)可被容納下來(lái)的故障電流卻受到超導(dǎo)通路截面積不適當(dāng)?shù)南拗?。通過(guò)增加在已有技術(shù)裝置中的次級(jí)圓柱體的厚度(隨之增加截面)而增加故障電流閾值的努力是不能令人滿意的，因?yàn)槌瑢?dǎo)體的臨界電流密度(JC)隨厚度增加而劣化。此外，需要HTS的薄層，以確保短切換時(shí)間，并確保在故障狀態(tài)下溫升仍然可控，而在更被保護(hù)的電路中無(wú)需啟動(dòng)電路斷路器。
本發(fā)明的目的在于提供一個(gè)超導(dǎo)故障電流限制器，它大大地克服了已有技術(shù)的問(wèn)題。
根據(jù)本發(fā)明，一種超導(dǎo)故障電流限制器，它包括一個(gè)初級(jí)故障電流繞組，一個(gè)以超導(dǎo)圓柱體形式的次級(jí)繞組，一個(gè)搭接在初級(jí)和次級(jí)繞組上的鐵磁電路，初級(jí)和次級(jí)繞組被安置成，能在第二組的超導(dǎo)狀態(tài)產(chǎn)生基本上抵消鐵磁電路中的初級(jí)磁通，其中，超導(dǎo)圓柱體包括一個(gè)覆有超導(dǎo)材料的襯層，該襯層至少具有相對(duì)于圓柱體的軸而橫向伸展的超導(dǎo)涂層部分。
所述部分的至少一些部分是暴露的表面，它允許制冷液體與超導(dǎo)涂層接觸。
襯層包括一堆疊的單個(gè)墊圈狀的件，在其一面或兩面涂有超導(dǎo)材料。
另外，襯層可以是具有開(kāi)槽外表面的圓柱體。
在另一實(shí)施例中，襯層的厚度和起皺的形狀基本均勻。
超導(dǎo)圓柱體和初級(jí)繞組可放在鐵磁電路的同一位置上，且超導(dǎo)圓柱體處在初級(jí)繞組內(nèi)。
圖1為一般SCFCL的電路圖；圖2(a)為根據(jù)本發(fā)明的SCFCL的截面圖；圖2(b)是圖2(a)的超導(dǎo)圓柱體的放大的細(xì)節(jié)圖；圖3為圖2的超導(dǎo)圓柱體的部件“墊圈”的正視和側(cè)視圖。
參見(jiàn)圖1，初級(jí)繞組1與將被保護(hù)的電路相串聯(lián)。繞組1包著也耦合到由短路的次級(jí)所構(gòu)成的超導(dǎo)繞組2的鐵磁芯3上。次級(jí)繞組的阻值是由可變電阻RS代表的，該值取決于超導(dǎo)的狀態(tài)。進(jìn)而取決于電流密度，低于臨界值JC呈超導(dǎo)性，高于該值呈阻性。在正常電流值的超導(dǎo)狀態(tài)，在超導(dǎo)圓柱體中感生的電流使安匝與初級(jí)線圈中的相等并相反。
可考慮將兩個(gè)繞組組合起來(lái)以產(chǎn)生一個(gè)純零場(chǎng)強(qiáng)，隨后在鐵芯中產(chǎn)生一個(gè)純零的通量。
另一方面，可將超導(dǎo)圓柱體2當(dāng)作一個(gè)屏以防止初級(jí)磁通“接觸”到鐵芯。這樣，初級(jí)電感非常低，且對(duì)保護(hù)電路呈現(xiàn)出可忽略不計(jì)的阻抗。
次級(jí)電流隨初級(jí)電流升高直至超過(guò)用于超導(dǎo)屏蔽的臨界電流IC為止。在此狀態(tài)下，次級(jí)呈阻性(即RS從零起增加)，兩個(gè)磁密度出現(xiàn)不平衡，凈余磁通就會(huì)進(jìn)入鐵芯中，初級(jí)繞組電感就會(huì)大大增加，且所產(chǎn)生的增加后的阻抗限制了故障電流。
見(jiàn)圖2(a)，其中示出矩形軟鐵芯3，其一邊由初級(jí)銅繞組1和構(gòu)成短路次級(jí)繞組的超導(dǎo)圓柱體2包圍。
圓柱體2僅僅是開(kāi)放的圓柱形的，且由固定有氧化鋯的墊圈形件4(見(jiàn)圖3)的氧化鋯陶瓷管5(見(jiàn)圖2(b)的放大圖)構(gòu)成，件4在其一面或兩面覆有高溫超導(dǎo)體。在現(xiàn)階段有幾種具有高于77°K臨界溫度的HTS材料可用。
墊圈4再由也為陶瓷的環(huán)形隔件6隔開(kāi)。
涂層厚度在50-100μm間，并限制到100μm下，以避免使JC變差。墊圈的涂層表面的徑向范圍可為涂層厚度的50-100倍的數(shù)量級(jí)。
總地講，隔件可與涂覆后的墊圈具有類似的尺寸和形狀，以有效地得到一個(gè)具有循環(huán)的超導(dǎo)環(huán)部分的堅(jiān)硬的厚壁的陶瓷圓柱體。但是，為了使超導(dǎo)性保持到設(shè)計(jì)的故障電流閾值上，必須使溫度保持在低于臨界溫度的溫度。
采用小直徑的隔件以為超導(dǎo)涂層提供諸如液氮的制冷液的通路，以此來(lái)大大提高載流能力。
在使用帶超導(dǎo)涂層分隔墊圈的裝置中，在環(huán)形部分間會(huì)有漏磁通漏出，使初級(jí)磁通與鐵芯有一定程度的耦合，這個(gè)問(wèn)題可通過(guò)控制墊圈間距和/或以超導(dǎo)材料厚膜涂覆管襯層5來(lái)解決。這樣就不會(huì)有可使漏磁通泄出的空隙。
在圖2中，示出在銅繞組1和鐵芯3之間的超導(dǎo)圓柱體2。
這種電路結(jié)構(gòu)是優(yōu)選的，以此獲得對(duì)襯層5涂覆而帶來(lái)的屏蔽益處。
通過(guò)將初級(jí)繞組1緊靠鐵芯放置，可以清楚地知道，在該實(shí)施例中，超導(dǎo)圓柱體不提供屏蔽作用，卻與初級(jí)銅繞組結(jié)合產(chǎn)生一個(gè)純零的外部磁通。然而，還存在從初級(jí)繞組上漏出的一定程度的磁通，它將不管平衡超導(dǎo)繞組而與相鄰鐵芯相耦合。
在磁通被集中于鐵芯上的一些情況下，初級(jí)和次級(jí)“繞組”可放在磁性電路周圍，這樣，它們可包圍鐵芯的不同側(cè)邊。然而，總的說(shuō)來(lái)，在繞組放在一起且在銅繞組內(nèi)放置超導(dǎo)繞組的情況下將獲得最優(yōu)的結(jié)果。
應(yīng)當(dāng)理解，增加次級(jí)電流流通路徑的截面可通過(guò)使用不同于墊圈結(jié)構(gòu)中所用的超導(dǎo)涂層的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此陶瓷圓柱體的表面可以是通過(guò)在表面上刻出V形槽而由圖2的平面中的層層盤繞形或鋸齒形輪廓的構(gòu)成。再者，如果薄壁的陶瓷圓柱體可以環(huán)或其它截面以皺狀形成，且在其一端或兩端覆以超導(dǎo)材料，則將會(huì)使截面增加，同時(shí)使制冷更高效。
在另一個(gè)方案中，如果金屬化的圓柱體具有足夠高的電阻，則超導(dǎo)材料可涂到皺狀金屬化圓柱體上。
所述的實(shí)施例通過(guò)增加其長(zhǎng)度(在同一整體長(zhǎng)度規(guī)格下)而不增加其厚度，而有效地增加了超導(dǎo)涂層截面。
現(xiàn)在討論上述結(jié)構(gòu)的理論，屏蔽磁通密度BP的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是使在超導(dǎo)中每米的總安匝與初級(jí)繞組中每米的安匝相等且相反。當(dāng)BP超出后，部分或全部磁通進(jìn)入到鐵芯中。
由超導(dǎo)所屏蔽的最大磁通密度為BP＝μoJCt (T)其中μo＝4π×10-7(Hm-1)JO＝超導(dǎo)的臨界電流密度(Am-2)t＝超導(dǎo)層的厚度(m)可以發(fā)現(xiàn)，JC·t(Amp m-1)控制了屏蔽的程度，此外，BP也是確定鐵芯體積的控制參數(shù)，VI用來(lái)產(chǎn)生一個(gè)特定的電感VI=2μoIFVFωBSBP(m3)]]>其中IF＝初級(jí)繞組的故障電流(A)VF＝故障時(shí)SCFCL兩端的電壓(V)BS＝鐵芯中的磁通密度(T)ω＝2π×頻率(rad)若要VI小，BP和JC·t就應(yīng)大。
涂在襯層材料上的HTS使JC值隨涂層厚度的增加而變差。此外，需要一個(gè)HTS薄層，以確保短切換時(shí)間，也確保在故障狀態(tài)下，溫升也受控，而不需要啟動(dòng)保護(hù)電路斷路器來(lái)防止燒壞。
對(duì)于50-100μm的膜厚來(lái)說(shuō)，需要JC·t的值為2×104Am-1或更高。結(jié)果，5×109-1×1010Am-2的JC就足夠了。JC的這個(gè)幅值在77K的HTS材料中僅對(duì)薄膜(＜1μm)來(lái)說(shuō)是可行的。
本發(fā)明提供一種方法，通過(guò)該方法可有效地獲得乘積JC·t，同時(shí)滿足膜厚≤100μm時(shí)的要求。
圖2在襯層上的超導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)的重要意義在于“有效厚度”，超導(dǎo)體的t現(xiàn)約為墊圈的環(huán)形寬度。通過(guò)使環(huán)形部分加寬來(lái)獲得較低JC材料的所需乘積JC·t。此外，為了冷卻和切換，超導(dǎo)層的厚度可保持在100μm以下。
對(duì)于制造來(lái)講，這種“墊圈”的設(shè)計(jì)自然增加了額外的好處。在襯層上大規(guī)模地制造厚膜超導(dǎo)體可簡(jiǎn)化沉積和溶煉的需求。
制造感性的帶有堆疊厚HTS膜的環(huán)形襯層材料的SCFCL甚至在當(dāng)JC適中時(shí)，仍可提供適當(dāng)?shù)拇磐康钠帘?，甚至采用?dāng)今的技術(shù)，可獲得的電流密度(對(duì)于厚膜來(lái)說(shuō)＜10Am-2)對(duì)于制造大SCFCL仍具有潛在的可能性。
參照?qǐng)D2所描述的設(shè)計(jì)采用通過(guò)在墊圈4之間液氣的循環(huán)而直接制冷。在另一方案中，可采用冷氣制冷機(jī)。在此方法中，使熱分流器緊靠要被冷卻的墊圈放置，且遠(yuǎn)離墊圈的熱分流器的末端由諸如氦的冷氣所冷卻。熱分流器可以為用作以超導(dǎo)涂覆的墊圈4之間分隔器的墊圈的形式。這種熱分流器最好徑向地伸到墊圈4外，以提供制冷氣體的良好通路。對(duì)于熱分流器適用的材料為具有良好導(dǎo)熱性和較差導(dǎo)電性的鋁、紅寶石和鉆石。
權(quán)利要求
1.一種超導(dǎo)故障電流限制器，包括一個(gè)初級(jí)故障電流繞組(1)；一個(gè)以超導(dǎo)圓柱體形式的次級(jí)繞組(2)；和一個(gè)搭接在初級(jí)和次級(jí)繞組上的鐵磁電路(3)，初級(jí)和次級(jí)繞組被安置成，能在第二組的超導(dǎo)狀態(tài)產(chǎn)生基本上抵消鐵磁電路中的初級(jí)磁通；其中，超導(dǎo)圓柱體包括一個(gè)覆有超導(dǎo)材料的襯層，該襯層至少具有相對(duì)于圓柱體的軸而橫向伸展的超導(dǎo)涂層部分(4)。
2.如權(quán)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，它允許制冷液體與超導(dǎo)涂層接觸。
3.如權(quán)利要求1或2的限制器，其中，襯層包括一堆疊的單個(gè)墊圈狀的組(4)，在其一面或兩面涂有超導(dǎo)材料。
4.如權(quán)利要求3的限制器，其中，所述墊圈狀件與隔件(6)交疊，以使制冷液與超導(dǎo)涂層接觸。
5.如權(quán)利要求3的限制器，其中，所述墊圈狀件(4)與導(dǎo)熱但絕緣的材料制成的隔件交疊，所述分隔件伸入制冷液。
6.如權(quán)利要求3至5的限制器，其中，所述墊圈狀件裝設(shè)在涂有超導(dǎo)材料的管形襯層(5)上。
7.如前述任一權(quán)利要求所述的限制器，其中，所述襯層為氧化鋯。
8.如權(quán)利要求1或2的限制器，其中所述襯層為具有開(kāi)槽的外表面的圓柱體。
9.如權(quán)利要求1或2的限制器，其中所述襯層的厚度和起皺的形狀基本均勻。
10.如前述任一權(quán)利要求所述的限制器，其中超導(dǎo)圓柱體和初級(jí)繞組被放置在鐵磁電路的同一位置上。
11.如權(quán)利要求10所述的限制器，其中超導(dǎo)圓柱體設(shè)在初級(jí)繞組內(nèi)。
12.如前述權(quán)利要求1-9任一權(quán)利要求所述的限制器，其中超導(dǎo)圓柱體和初級(jí)繞組放置在鐵磁電路的不同部位上。
全文摘要
一種感應(yīng)式超導(dǎo)故障電流限制器，它包括一個(gè)繞有初級(jí)繞組(1)和短路的超導(dǎo)次級(jí)(2)的鐵芯(3)。在達(dá)到初級(jí)中故障電流電平前，次級(jí)仍為超導(dǎo)性，隨后，次級(jí)就變?yōu)樽栊裕跫?jí)安匝就未被抵消，且裝置呈較高的感性以限制故障電流。本發(fā)明提供一種通過(guò)使用具有與涂層厚度相比有較大徑向?qū)挾鹊亩询B的涂SC的墊圈，以適當(dāng)?shù)腟C涂覆厚度實(shí)現(xiàn)的能增加故障電流閾值而不會(huì)超過(guò)臨界SC電流密度電平的裝置。
文檔編號(hào)H01F6/06GK1137698SQ9610255
公開(kāi)日1996年12月11日 申請(qǐng)日期1996年1月26日 優(yōu)先權(quán)日1995年1月28日
發(fā)明者F·J·蒙福德 申請(qǐng)人:Gec阿爾斯特霍姆有限公司