專利名稱：超導故障電流限制器的制作方法
技術領域：
本發明涉及超導故障電流限制器(SCFCL)。
參見附
圖1，可以由繞在鐵質的(或空氣的)芯子3上的初級繞組1和短路的次級繞組2來表示感應SCFCL。短路的繞組是超導材料的一個層或一個圓柱體，而初級繞組構成對所引起的故障電流進行抵消的電路一部分。通常由超導體感生的電流引致的磁通有效地屏蔽(或消除)了來自鐵芯的初級繞組的磁通，并由SCFCL使電路呈低電感。但是，當超導體中的電流密度高于臨界值時，超導體將呈阻性，且感生的超導電流不足以產生足夠的抵消通量。隨之，進入鐵芯的剩余未屏蔽/未抵消的初級磁通量會產生大感生電抗，它自我限制了故障電流。
對于給定臨界電流密度(JC)和給定截面的超導繞組來說，臨界初級電流-故障電流即被確定，在此界限之上，進行值的自我限定。
在圖1的次級電路中的電阻RS代表當初級電流超過故障電流時的超導電阻。
采用所謂高壓超導(HTS)的感應型超導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裝置中所產生的問題是，本來可被容納下來的故障電流卻受到超導通路截面積不適當的限制。通過增加在已有技術裝置中的次級圓柱體的厚度(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，因為超導體的臨界電流密度(JC)隨厚度增加而劣化。此外，需要HTS的薄層，以確保短切換時間，并確保在故障狀態下溫升仍然可控，而在更被保護的電路中無需啟動電路斷路器。
本發明的目的在于提供一個超導故障電流限制器，它大大地克服了已有技術的問題。
根據本發明，一種超導故障電流限制器，它包括一個初級故障電流繞組，一個以超導圓柱體形式的次級繞組，一個搭接在初級和次級繞組上的鐵磁電路，初級和次級繞組被安置成，能在第二組的超導狀態產生基本上抵消鐵磁電路中的初級磁通，其中，超導圓柱體包括一個覆有超導材料的襯層，該襯層至少具有相對于圓柱體的軸而橫向伸展的超導涂層部分。
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涂層接觸。
襯層包括一堆疊的單個墊圈狀的件，在其一面或兩面涂有超導材料。
另外，襯層可以是具有開槽外表面的圓柱體。
在另一實施例中，襯層的厚度和起皺的形狀基本均勻。
超導圓柱體和初級繞組可放在鐵磁電路的同一位置上，且超導圓柱體處在初級繞組內。
圖1為一般SCFCL的電路圖；圖2(a)為根據本發明的SCFCL的截面圖；圖2(b)是圖2(a)的超導圓柱體的放大的細節圖；圖3為圖2的超導圓柱體的部件“墊圈”的正視和側視圖。
參見圖1，初級繞組1與將被保護的電路相串聯。繞組1包著也耦合到由短路的次級所構成的超導繞組2的鐵磁芯3上。次級繞組的阻值是由可變電阻RS代表的，該值取決于超導的狀態。進而取決于電流密度，低于臨界值JC呈超導性，高于該值呈阻性。在正常電流值的超導狀態，在超導圓柱體中感生的電流使安匝與初級線圈中的相等并相反。
可考慮將兩個繞組組合起來以產生一個純零場強，隨后在鐵芯中產生一個純零的通量。
另一方面，可將超導圓柱體2當作一個屏以防止初級磁通“接觸”到鐵芯。這樣，初級電感非常低，且對保護電路呈現出可忽略不計的阻抗。
次級電流隨初級電流升高直至超過用于超導屏蔽的臨界電流IC為止。在此狀態下，次級呈阻性(即RS從零起增加)，兩個磁密度出現不平衡，凈余磁通就會進入鐵芯中，初級繞組電感就會大大增加，且所產生的增加后的阻抗限制了故障電流。
見圖2(a)，其中示出矩形軟鐵芯3，其一邊由初級銅繞組1和構成短路次級繞組的超導圓柱體2包圍。
圓柱體2僅僅是開放的圓柱形的，且由固定有氧化鋯的墊圈形件4(見圖3)的氧化鋯陶瓷管5(見圖2(b)的放大圖)構成，件4在其一面或兩面覆有高溫超導體。在現階段有幾種具有高于77°K臨界溫度的HTS材料可用。
墊圈4再由也為陶瓷的環形隔件6隔開。
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倍的數量級。
總地講，隔件可與涂覆后的墊圈具有類似的尺寸和形狀，以有效地得到一個具有循環的超導環部分的堅硬的厚壁的陶瓷圓柱體。但是，為了使超導性保持到設計的故障電流閾值上，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涂層提供諸如液氮的制冷液的通路，以此來大大提高載流能力。
在使用帶超導涂層分隔墊圈的裝置中，在環形部分間會有漏磁通漏出，使初級磁通與鐵芯有一定程度的耦合，這個問題可通過控制墊圈間距和/或以超導材料厚膜涂覆管襯層5來解決。這樣就不會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之間的超導圓柱體2。
這種電路結構是優選的，以此獲得對襯層5涂覆而帶來的屏蔽益處。
通過將初級繞組1緊靠鐵芯放置，可以清楚地知道，在該實施例中，超導圓柱體不提供屏蔽作用，卻與初級銅繞組結合產生一個純零的外部磁通。然而，還存在從初級繞組上漏出的一定程度的磁通，它將不管平衡超導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，初級和次級“繞組”可放在磁性電路周圍，這樣，它們可包圍鐵芯的不同側邊。然而，總的說來，在繞組放在一起且在銅繞組內放置超導繞組的情況下將獲得最優的結果。
應當理解，增加次級電流流通路徑的截面可通過使用不同于墊圈結構中所用的超導涂層的結構來實現。因此陶瓷圓柱體的表面可以是通過在表面上刻出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成。再者，如果薄壁的陶瓷圓柱體可以環或其它截面以皺狀形成，且在其一端或兩端覆以超導材料，則將會使截面增加，同時使制冷更高效。
在另一個方案中，如果金屬化的圓柱體具有足夠高的電阻，則超導材料可涂到皺狀金屬化圓柱體上。
所述的實施例通過增加其長度(在同一整體長度規格下)而不增加其厚度，而有效地增加了超導涂層截面。
現在討論上述結構的理論，屏蔽磁通密度BP的設計標準是使在超導中每米的總安匝與初級繞組中每米的安匝相等且相反。當BP超出后，部分或全部磁通進入到鐵芯中。
由超導所屏蔽的最大磁通密度為BP＝μoJCt (T)其中μo＝4π×10-7(Hm-1)JO＝超導的臨界電流密度(Am-2)t＝超導層的厚度(m)可以發現，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，VI用來產生一個特定的電感VI=2μoIFVFωBSBP(m3)]]>其中IF＝初級繞組的故障電流(A)VF＝故障時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HTS薄層，以確保短切換時間，也確保在故障狀態下，溫升也受控，而不需要啟動保護電路斷路器來防止燒壞。
對于50-100μm的膜厚來說，需要JC·t的值為2×104Am-1或更高。結果，5×109-1×1010Am-2的JC就足夠了。JC的這個幅值在77K的HTS材料中僅對薄膜(＜1μm)來說是可行的。
本發明提供一種方法，通過該方法可有效地獲得乘積JC·t，同時滿足膜厚≤100μm時的要求。
圖2在襯層上的超導體的結構的重要意義在于“有效厚度”，超導體的t現約為墊圈的環形寬度。通過使環形部分加寬來獲得較低JC材料的所需乘積JC·t。此外，為了冷卻和切換，超導層的厚度可保持在100μm以下。
對于制造來講，這種“墊圈”的設計自然增加了額外的好處。在襯層上大規模地制造厚膜超導體可簡化沉積和溶煉的需求。
制造感性的帶有堆疊厚HTS膜的環形襯層材料的SCFCL甚至在當JC適中時，仍可提供適當的磁通量的屏蔽，甚至采用當今的技術，可獲得的電流密度(對于厚膜來說＜10Am-2)對于制造大SCFCL仍具有潛在的可能性。
參照圖2所描述的設計采用通過在墊圈4之間液氣的循環而直接制冷。在另一方案中，可采用冷氣制冷機。在此方法中，使熱分流器緊靠要被冷卻的墊圈放置，且遠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。對于熱分流器適用的材料為具有良好導熱性和較差導電性的鋁、紅寶石和鉆石。
權利要求
1.一種超導故障電流限制器，包括一個初級故障電流繞組(1)；一個以超導圓柱體形式的次級繞組(2)；和一個搭接在初級和次級繞組上的鐵磁電路(3)，初級和次級繞組被安置成，能在第二組的超導狀態產生基本上抵消鐵磁電路中的初級磁通；其中，超導圓柱體包括一個覆有超導材料的襯層，該襯層至少具有相對于圓柱體的軸而橫向伸展的超導涂層部分(4)。
2.如權利要求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涂層接觸。
3.如權利要求1或2的限制器，其中，襯層包括一堆疊的單個墊圈狀的組(4)，在其一面或兩面涂有超導材料。
4.如權利要求3的限制器，其中，所述墊圈狀件與隔件(6)交疊，以使制冷液與超導涂層接觸。
5.如權利要求3的限制器，其中，所述墊圈狀件(4)與導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.如權利要求3至5的限制器，其中，所述墊圈狀件裝設在涂有超導材料的管形襯層(5)上。
7.如前述任一權利要求所述的限制器，其中，所述襯層為氧化鋯。
8.如權利要求1或2的限制器，其中所述襯層為具有開槽的外表面的圓柱體。
9.如權利要求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.如前述任一權利要求所述的限制器，其中超導圓柱體和初級繞組被放置在鐵磁電路的同一位置上。
11.如權利要求10所述的限制器，其中超導圓柱體設在初級繞組內。
12.如前述權利要求1-9任一權利要求所述的限制器，其中超導圓柱體和初級繞組放置在鐵磁電路的不同部位上。
全文摘要
一種感應式超導故障電流限制器，它包括一個繞有初級繞組(1)和短路的超導次級(2)的鐵芯(3)。在達到初級中故障電流電平前，次級仍為超導性，隨后，次級就變為阻性，初級安匝就未被抵消，且裝置呈較高的感性以限制故障電流。本發明提供一種通過使用具有與涂層厚度相比有較大徑向寬度的堆疊的涂SC的墊圈，以適當的SC涂覆厚度實現的能增加故障電流閾值而不會超過臨界SC電流密度電平的裝置。
文檔編號H01F6/06GK1137698SQ9610255
公開日1996年12月11日 申請日期1996年1月26日 優先權日1995年1月28日
發明者F·J·蒙福德 申請人:Gec阿爾斯特霍姆有限公司