CN100456595C - 超导限流装置及其用途 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及超导限流装置及其用途,该装置包括超导体元件(1),其中每个超导体元件(1)具有一个其上缠绕有线圈(3)的超导体本体(2),线圈与超导体本体(2)电连接,其中当超导体由超导状态转变为普通导电状态时,在超导限流装置中产生磁场。

Description

超导限流装置及其用途
技术领域
本发明涉及一种超导限流装置。本发明尤其涉及一种在超导体由超导状态转变至正常导电状态时,产生磁场的感应超导限流装置。
背景技术
为了避免由于诸如短路等故障引起的过大的电流冲击,从而保护电力系统免遭破坏,在新型电力系统,尤其是大功率系统中使用了限流器。
超导体具有作为故障电流限制器的巨大潜力,其使得快速有效限流、自动恢复、正常运行过程中可忽略的阻抗,以及高压应用成为可能。
所有超导材料都可由于以下情形而丧失其超导特性:
a)超过临界温度(Tc),
b)超过临界磁场(Hc),或
c)超过临界电流(Ic),
d)或同时发生上述两种或更多种情形。
对于特定的超导材料来说,临界电流或临界电流密度、临界温度和临界磁场都是特定的。
在故障情况下,由于大的冲击电流,流过超导体的电流超过超导材料的临界电流,并且超导材料由超导状态成为正常导电状态。由超导状态到正常导电状态的这个转变被称为“猝熄(quenching)”。在限流事件后,超导体回到其超导状态从而继续工作。为了良好的进一步运行,需要超导体在转变期间不因猝熄时的局部受热或燃烧而损坏。引起此类损坏的原因是超导体的非均匀猝熄。这种非均匀的区域被称为热点。
实际上,制成超导体的超导材料在整个超导体上不完全均匀,使得诸如临界电流密度的上述特性在超导体的不同区域可能会不相同。因此,在出现故障电流的情况下,一些区域已经成为电阻性的,但其他区域仍旧是超导的。由于该仍旧超导的区域,大电流流过超导体,导致已经电阻性的区域内的大温度增加,并且引起这些区域内的烧毁,如上所述。于是为了避免超导体在猝熄过程中被损坏,猝熄必须尽可能均匀并且迅速地发生,使得超导体在足够短的时间内整体都成为电阻性的,从而避免烧损。
为了协助猝熄,公知的是对超导限流装置的超导体本体施加一外部磁场。通过所述磁场,超导材料的临界电流密度被降低,继而促进了猝熄。
在US6,043,731中公开了一种超导限流装置,其中提供了磁场发生装置,用于在超导状态下的正常工作期间,产生并施加磁场给该超导体,从而保持电流密度处于临界电流密度以下。在故障情况下,调节磁场以降低临界电流密度,从而使超导体成为电阻状态。故障后,通过增加临界电流密度,使超导体返回其超导状态。
根据一实施例,超导体位于与超导体并联连接的分流线圈内。在故障情况下,过剩电流被迫流入分流线圈内,且分流线圈内的电流流动产生磁场,该磁场作用于超导体并且减少临界电流密度,由此协助猝熄。
作为超导体,公开一薄膜超导体在半导电衬底上。根据图示,超导薄膜层和衬底层交替,也就是说该超导体是超导薄膜层和衬底层的叠层。
但是没有给出针对该实施例的特定构造的进一步细节,特别是超导体的最终形状。
在美国公开2003/0021074A1,序列号10/051,671中,公开了一种超导限流装置,其包括触发矩阵(trigger matrix)以及限流矩阵。触发矩阵包括多个由普通的导电线圈环绕的超导体,其中线圈和超导体并联电连接。限流矩阵包括多个由普通的导电线圈环绕的超导体,其中线圈和超导体只是物理地连接而没有并联地电连接。触发矩阵的每个触发元件都与限流矩阵的多个限流元件的线圈串联电连接。在故障情况下,触发元件的超导体迫使电流流入其自身的线圈,同时也流入限流元件的线圈。通过流过这些线圈的电流产生的磁场协助了各个超导体的猝熄。
但是,由于由触发线圈提供的电流是被多个其他的线圈共用的,因此对于驱使超导体成为正常导电状态,特别是在所期望的较短的时间内,产生的磁场仅是低的和不充足的。
此外,该装置的功能依赖于触发元件的无故障工作。如果在触发元件中出现了任何故障,则不能确保连接在该触发元件上的限流元件的均匀猝熄,这会导致由于热点而引起的局部受热或烧损。
发明内容
本发明的目的是提供一种感应超导限流装置,其具有改进的在非常短的时间内产生用于均匀和快速猝熄的大磁场的能力。
本发明的再一目的是提供一种超导限流装置,其是自触发的,也就是说在不使用主动控制或外部控制的情况下检测和限制故障电流。
这些目的通过一种超导限流装置来解决,其包括至少一个超导体元件,其中每个超导体元件都具有至少一个超导体本体和缠绕在该至少一个超导体本体上的线圈,其中线圈与该至少一个超导体本体并联电连接,并且超导体本体的横截面表面区域(cross sectional surface area)的外部形状允许环形屏蔽电流(circular screening current)流动,并且线圈与该至少一个超导体本体的外表面紧密接触。
本发明的超导限流装置是自触发的,这意味着没有检测故障和建立猝熄所需的磁场的外部控制装置。
根据本发明,每个超导体本体或是每组超导体本体设置有一个单独的线圈。在故障情况下,能够产生足够高的磁场,使超导体能在非常短的时间内并且非常均匀地成为普通导电状态。此外,由于每个超导体本体或每组超导体本体具有一个单独的线圈,因此其独立地工作并且产生自身的磁场。
借助线圈的磁场的快速建立、以及快速猝熄要求在发生故障事件时过载电流没有延迟地开始在线圈内流动。也就是说,由于故障事件导致的线圈内的电流流动和超导体本体内的电压建立应该尽可能同时发生。
但是,由于线圈固有的反作用于电流的感应,所以在足够大的电流在线圈内流动和电压在超导体本体内建立之间存在延迟。
根据本发明,通过将线圈尽可能紧密地缠绕在超导体本体上,同时通过使用其横截面表面区域的外部形状允许环形屏蔽电流流动的超导体本体,线圈的这种感应被最小化。
通过环形屏蔽电流,超导体本体的内部能够保持没有磁场,这正是线圈的低电感或零电感所需的。
原则上,本发明的超导体本体能够由任何超导材料制成。
优选的是高温超导材料,如公知的YBCO型超导体、BSCCO(2223,2212)型超导体、以及MgB2型超导体。
超导材料可以包括一种或多种合适的添加和/或置换元素。例如,在BSCCO中,部分铋可被Pb取代,即[(Pb-)Bi-Sr-Ca-CuO]。
超导体本体可以是块体或条带。其可以是空心体或是实心体。
根据本发明,超导体本体具有导致零电感或仅低电感的形状。
如上所述,“零电感或仅低电感形状”是指允许环形屏蔽电流流动或产生的形状。对于电流的环形流动,需要超导体本体的外表面具有连续的周长,即无中断的周长。因此,本发明的超导体本体理想地具有带圆形几何形状的横截面。也就是说,本发明的超导体本体优选地具有圆柱形状,诸如管、杆、双线螺旋或双线线圈(bifilar coil)。
按照本发明,横截面几何形状还包括自理想圆形的偏离或椭圆形几何形状,只要本发明的目的得以实现,即线圈的内部能够保持基本无磁场使得可实现足够低的电感。例如,多边形横截面几何形状也是可以的,诸如方形,或矩形,五边形或六边形横截面几何形状。具有这种横截面几何形状的合适物品的典型示例是棒。
分流线圈可以由普通的导电金属以及超导材料制成。
适合的金属为铜、铜合金、钢等。
超导材料的示例为例如由上述用于超导体本体的BSCCO型材料或YBCO薄膜(可选地具有一种或多种添加和/或置换元素)制成的条带。
在超导材料分流线圈的情形中,应该设置足够大的接触电阻或类似措施,以避免线圈中过早的电流流动。
如果线圈由超导材料制成,那么在电压较低的情况下所产生的磁场已经非常高。这加速了磁场的产生。此外,推测通过由超导材料制成的线圈可以将电流的第一峰值最小化。
根据本发明,线圈与超导体本体紧密接触。即,超导体本体和线圈之间的间隔应该尽可能小,从而使线圈的剩余电感尽可能地小。为此,线圈应该非常紧密且优选地均匀地缠绕在超导体本体上,以减小超导体和线圈之间的间隔。也就是,与线圈横截面区域的直径相比,线圈和超导体本体表面之间的间隔应该尽可能地小。例如,如果超导体本体的直径大约为2厘米,那么间隔不应该超过1毫米。优选地,线圈与超导体本体的表面直接接触。在这种情况下,可以在超导体本体和线圈之间设置绝缘层。
通过将上述间隔做得尽可能小,线圈的电感被大大地降低,因为超导体本体中感应的环形屏蔽电流屏蔽了线圈体积(coil volume),且在线圈内没有或者基本没有磁场。当超导体本体中产生电压时,线圈内的电流流动立即开始,且磁场能非常迅速地建立,使得超导材料非常迅速而且均匀地成为普通导电状态。
本发明的超导体本体之所以成为常态是由以下四个原因引起的:
1.短路电流大于临界电流。在故障情况下,即超过临界电流的情况下,超导体形成电阻以及相应的电压(通量流),这引起部分电流在没有任何外部控制的情况下流入并联连接的线圈中。
2.在限制情况下的功率增长引起温度升高,由此减小了临界电流密度。
3.由线圈建立的磁场降低了超导材料的临界电流密度。
在小电压标准范围内在诸如临界电流的5到10倍的高电流密度下,这种特性是巨大的,并且电压标准越高,因磁场导致的电流密度的减少就越小。
4a)除以上所列效应外,最为重要的是本发明的超导限流装置具有一种构造,借助该构造电流流动没有延迟地在线圈内开始,从而在故障发生时,线圈的磁场导致在超导体本体内立即感应出附加的环形屏蔽电流。由于此附加电流,材料的加热以及猝熄都加快了,因为故障电流和该环形屏蔽电流按照它们的矢量符号相加。
4b)抑制热点形成的又一要点是在超导区域内感生的环形屏蔽电流比在出现普通导电热点的区域内的大。这增强了超导体本体的加热,并且有助于超导体本体形成均匀温度。
4c)在本发明的超导限流装置中,由于线圈的电感率被大大减小,因此磁场在非常短的时间内建立。
对于本发明,电流故障事件可优选地被定义为在至少超过临界电流三倍时产生。但是此限制取决于实际的应用情况。
根据本发明,驱使超导体均匀地呈电阻态的充足的磁场优选地可在从约0.05,最好是从0.1到1特斯拉的范围内。约0.2特斯拉的磁场已经被证实在显著的猝熄阶段是足够的。
线圈内的电阻、于是线圈内的电流和所得的磁场由线圈的横截面以及线圈的匝数或圈数决定。另一方面,磁场决定了感应的环形电流并且因而增强了猝熄。
由线圈产生的磁场可以由下式计算:
B = μ 0 H = μ 0 × I × N L
其中B=磁感强度;μ0=磁场常数;H=磁场强度;I=电流;L=线圈长度;N=匝数
例如,在25∶1的匝比下,由于变压器法则,线圈内的1000A可在超导体本体内感应25000A的环形屏蔽电流。这是理论值,实际电流要小一些。但是,这清楚地表示出了此过程中的大量感应电流。
对于实际应用,通常每2厘米长的超导体本体,线圈应该具有至少一圈或匝,并且每1厘米长的超导体本体,匝数不应该超过10。特别地,如果线圈是由超导材料制成,那么对于每1厘米长的超导体本体,匝数可以超过10匝。
此外,也可以在超导体本体上按两层或更多层施加线圈。层数并没有具体限定,且可以根据需要来选择。
而且,线圈的感应率与线圈的圈数以及平均横截面积A成比例。但是,由于根据本发明,线圈紧密缠绕在超导体表面上并且线圈和超导体本体的外表面之间的间隔尽可能地小,因此线圈的平均横截面积A被最小化,这意味着即使匝数相当高,线圈的感应率也能保持很低。
通常,由普通导电金属制成的线圈的横截面在1到10mm2的范围内。如果线圈由超导材料制成,那么横截面可以小100倍。显然横截面可以依据线圈和超导体的具体材料以及具体的应用需求而改变。
线圈可以在电接点,例如诸如铜的金属接点处固定到超导体本体上,该电接点设置在超导体本体的每一端以供电。固定方式并没有特定的限制。可以采用任何合适的方式,例如焊接。
如果线圈与电接点的重迭区域很大,那么电接点内就可能感应环形电流,这应该是被避免的。通常可以认为,线圈应该在不超过5毫米的长度上围绕电接点缠绕。但是,显然可允许的重迭范围取决于超导体元件的具体设计。
本发明的超导限流装置内出现的超导体元件的数量可以根据需求来选择,并且没有特别的限制。例如,这样的元件可以有50个或更多个,且可达几千个,例如3000个或更多。
超导元件可以彼此串联和/或并联连接。这没有特定的限制。
根据本发明的优选实施例,超导体元件可以包括由公共线圈围绕的超过一个超导体本体。在该实施例中,超导体本体彼此串联连接,且线圈通过将线圈与第一超导体本体的输入端和最后一个超导体本体的输出端电连接而并联连接。通过这种将一公共线圈用于多个超导体本体的特殊设计,对所有超导体本体能实现均匀的猝熄行为。如果在一个超导体本体中由损坏区域例如热点区域引起电压,那么不仅所产生的磁场包括该特定超导体本体,而且所产生的均匀磁场还包括所有超导体本体。为了说明的目的,超导体本体的合适数量可以是10。
作为用于超导体本体的材料,尤其优选的是由熔铸工艺,特别是例如BE-A-3830092、EP-A-0451532、EP-A-0462409、以及EP-A-0477493中公开的离心浇铸法生产的超导体本体,在此对这些文献进行参考引用。
例如,在EP-A-0462409中公开了一种用于生产管形超导体本体的方法,其中允许氧化物初始混合物在900至1100℃的温度以预定的化学计量成分进入围绕其水平轴旋转的铸造区。从铸造区取出凝固的成形本体,并在含氧气氛中在700至900℃下热处理该成形本体4至150小时。此工艺尤其适用于BSCCO基超导体本体。
本发明的感应超导限流器特别有益于AC应用。
附图说明
下面将参照描述本发明优选实施例的附图对本发明进行进一步阐述,本发明不限于此。
图1示出了体现原理的本超导限流装置的超导体元件的一个实施例;
图2a和2b示出了本发明的超导体元件的超导体本体的不同实施例;
图3a和3b示出了本发明的超导体元件的超导体本体的又一实施例;
图4示出了本发明的超导体元件的超导体本体的再一实施例;以及
图5示出了阐述限流情况的曲线图。
具体实施方式
图1示出了本发明中使用的超导体元件1的优选实施例,其为管形或杆形。在超导体本体2上缠绕线圈3,线圈3固定于超导体本体2的两相对端处的电接点4、5上。电接点4、5设置有诸如螺纹的装置7,以允许在用于供电的电线上以及附加元件的连接件上的固定。
在此实施例中,在每个电接点4、5内设置有孔6,以允许诸如液氮的冷却介质也在超导体本体2的内部区域中流动。由此可以加速再冷却过程。
具有管形或杆形的超导体本体的长度可以在15毫米至约500毫米之间。在实际应用中,根据具体超导限流装置的需要来选择该长度。
通常,杆情形下的直径在约5至约30mm之间,管情形下的直径在约15至约100mm之间。如长度的情形那样,直径也可以根据需要来选择。
超导体本体的实际尺寸取决于所需的超导材料的量。例如,通过优选的熔铸工艺获得的BSCCO-2212型材料可以用于高于0至10Vrms/cm或更高的电场,尤其是1至10Vrms/cm或更高的电场。在这种高电场下需要较少的材料,这导致更低的AC损失。最大电场也取决于每次应用所需的限制时间。
在诸如管的空心体的情况下,为了获得短的恢复时间,壁厚应该较小。例如,壁厚可以小至1mm。为了提高机械稳定性,这种具有较小壁厚的超导空心体可以设置有机械增强物。增强材料应该具有与超导材料相同或至少近似相同的热膨胀,从而避免冷却或加热过程中形成开裂。适合的增强材料对于本领域技术人员来讲是公知的。例如纤维增强塑料(FRP)。
用于这样的超导体本体的增强材料对于磁场是隐匿的,并且不会从磁场中屏蔽超导体本体。增强材料可以应用在外部和/或内部。
在根据图2和3的实施例中,在内部应用增强材料8、9。
优选地增强材料是多孔的,从而获得更高表面积,以用于为了更快恢复时间的冷却介质。
例如如图2a所示,增强材料8可以以条的形式应用在内部。
但是增强材料8也可以是连续体,诸如图2b所示的连续管,通过采用打孔或相似的方式其对冷却介质可以是可渗透的。
下面将参照具有管形超导体本体的优选实施例,更详细阐述本发明的超导限流装置的构造的基本原理。下面解释的这些原理和变形也适用于不同形状和尺寸的超导部件。
图1示出了具有由BSCCO-2212制成的管形超导体本体2的超导体元件1的示例,该本体优选通过熔铸工艺获得。
外径为24mm,壁厚为1mm,导致超导横截面为72mm2。管2的两端设置有铜制的金属接点4和5。围绕超导体本体2缠绕由铜制成的线圈3,其中对于10cm长的管,线圈具有约25匝、以及2mm2的导体横截面。
在77K的工作温度,此横截面上的临界电流为1080A(临界电流密度1500A/cm2)。考虑到峰值电流和安全系数1.2,则额定电流(均方根(rms)电流)为1080A/(1.414×1.2)636A。在65K的工作温度,额定电流为约2000A。
根据优选实施例,增强材料8是插入超导体本体2的中空内部的管9,该超导体本体本身也是管,如图3所示。在超导体本体2的整个长度上,增强管9的外径小于超导体本体2的中空内部的内径。此外,在超导体本体2的整个长度上,在增强管9的壁中设置诸如孔或槽的装置,允许流动的冷却介质渗进增强管的外表面和超导体本体2的中空内部的内表面之间的间隙内。例如,如果超导体本体的内径为约20mm,那么增强管9的外径可以为约10mm。
在此实施例中的超导体本体2的整个长度上,在超导体本体2的中空内部的内表面与由增强材料8制成的管9之间没有物理接触。
增强材料制成的管9在超导体元件上的固定发生在电接点4和5的区域内。此处,由增强材料制成的管9的外径和接点4、5的区域内的中空内部的内径可以彼此适合,使得表面之间有物理接触。可以通过合适的固定装置(诸如螺丝或粘合剂)来进行该固定。
根据一种变型,也可以将超导体本体2插入增强管9内。
根据制作工艺,获得的超导体本体例如超导管的外和/或内表面可能出现不均匀性,譬如裂纹、断裂、块状物(lunker)等。此外,获得的本体在横截面上可能具有微观结构不同的区域。在此情形中,可以去除各个表面,直至其中所获得的超导材料具有最佳性能的区域。例如,在上面描述的特定实施例中,将外表面去除大约0.8毫米的程度是有益的,在那里区域开始具有最好的性能。
可以通过任何合适的方式,例如机械加工去除等,对有缺陷的超导材料进行去除。
为了提供电接点4、5与超导体本体材料的良好连接和粘合,超导体本体的其上将要施加电接点4、5的端部设置有接触电阻10,如图4所示。例如在上述特定实施例中,在熔铸工艺后得到的BSCCO管的两端可通过喷射施加液体银(liquid silver)。然后在超导体材料退火过程期间的预烧工艺中,银熔化并与BSCCO材料混合成通过焊接能容易地施加接点到其上的低电阻材料。对于本BSCCO管,使用优选地能通过InBi66/33焊料被焊接的铜接点。
当然任何其他高导电金属都可以用于接触电阻10,诸如铜、金、钯、铂、铑、铱、钌、锇、以及它们和银的合金,其中银合金是优选的。
在退火工艺和施加接触电阻10之后,如果需要,具有接触电阻的两端之间的那段超导体本体2在直径上被减小以除去缺陷材料,由此获得如图4所示的在两端具有接触电阻10的区域的超导体本体2。接触电阻10的区域和减小的超导体本体2之间的过渡区的直径可以朝向接触电阻连续增加,从而获得平滑的过渡。
上述类型的超导体元件的工作温度优选地在65K到85K之间。在这个温度范围内,临界电流密度上升10倍。此外,为了减小限流事件的第一峰值,诸如65K的低温是有益的。
图5中示出了由外径为23毫米的熔铸工艺制成的BSCCO-2212超导管构成的超导体元件的限流事件。其中临界电流为1200A。工作温度为77K。在10倍于额定电流时,峰值电流达7kA(7倍的额定电流),且受限电流达3kA,限流时间为100毫秒,电场为5Vrms/cm。
下面将参照由超导材料制成线圈的特定实施例,对本发明中使用的超导体元件的构造原理(诸如线圈和管的参数)进一步进行阐述。
超导体元件具有管形的超导体本体,其由通过熔铸工艺获得的BSCCO-2212制成。
外径为24毫米,壁厚为1毫米,因此超导横截面为72平方毫米。在工作温度为77K时,该BSCCO管的临界电流为1080A(临界电流密度1500A/cm2)。考虑到峰值电流和安全系数1.2,则额定电流(均方根(rms)电流)为1080A/(1.414x1.2)=636A。
如图1所示,管的两端设置铜制的金属接点。围绕超导体本体缠绕由BSCCO 2223超导带(PIT,银基(Matrix Ag),导体尺寸为0.2毫米厚和5毫米宽)制成的线圈。对于30厘米长的管,线圈具有10层约600匝。这导致导体长度为46米。因此,仅在4.6mV时,线圈会到达其临界电流(例如100A)。这对应于0.25T的磁场,这对于超导体本体的安全猝熄是足够的。
在本实施例中,每一厘米长的超导体本体,匝数为20。
超导线圈的进一步优点是大大地减小了第一电流峰值,这是由于已经非常低的电压导致在线圈内出现很高的电流。

Claims (17)

1.一种超导限流装置,包括至少一个超导体元件(1),其中每个超导体元件(1)具有至少一个超导体本体(2)和缠绕在所述至少一个超导体本体(2)上的线圈(3),其中所述线圈(3)与所述至少一个超导体本体(2)并联电连接,其中所述至少一个超导体本体(2)的横截面表面区域的外部形状允许环电流流动,并且其中所述超导体本体的超导材料在超导体本体的横截面区域的整个周长上延伸,并且其中,所述线圈(3)与所述至少一个超导体本体(2)的外表面紧密接触以减小线圈的感应。
2.根据权利要求1的超导限流装置,其特征在于:
该超导体本体(2)的该横截面表面区域具有圆形或椭圆形几何形状。
3.根据权利要求1或2的超导限流装置,其特征在于:
该超导体本体(2)具有选自管、杆、条或双线线圈的形状。
4.根据权利要求1或2的超导限流装置,其特征在于:
所述超导材料选自YBCO型、MgB2型和BSCCO型中的一种。
5.根据权利要求4的超导限流装置,其特征在于:
该超导体材料包括一种或多种添加和/或置换元素。
6.根据权利要求1或2的超导限流装置,其特征在于:
该超导体本体(2)由熔铸加工的材料制成。
7.根据权利要求6的超导限流装置,其特征在于:
该超导体本体(2)是BSCCO型材料。
8.根据权利要求1或2的超导限流装置,其特征在于:
该线圈(3)由从金属或超导材料中选出的材料制成。
9.根据权利要求1或2的超导限流装置,其特征在于:
该线圈(3)缠绕在该超导体本体(2)上,每2cm长的超导体本体至少一圈,每1cm长的超导体本体最多10圈。
10.根据权利要求1或2的超导限流装置,其特征在于:
该超导体本体(2)的外表面被去除。
11.根据权利要求1或2的超导限流装置,其特征在于:
该超导体本体(2)设置有增强材料。
12.根据权利要求11的超导限流装置,其特征在于:
该增强材料是多孔的。
13.根据权利要求11的超导限流装置,其特征在于:
具有管(9)的形状的增强材料和管形的超导体本体(2)相互插入,其中两个管具有不同的直径从而在两个管之间形成间隙。
14.根据权利要求1或2的超导限流装置,其特征在于:
该超导体本体的工作温度在85K至65K之间。
15.根据权利要求1或2的超导限流装置,其特征在于:
该至少一个超导体元件包括2个或更多个串联连接的超导体本体(2),这些超导体本体与一个将所有超导体本体(2)包含在内的线圈并联连接。
16.根据权利要求1或2的超导限流装置,其特征在于:
在该超导限流装置中,该超导体元件(1)彼此串联和/或并联连接。
17.根据上述权利要求中的任一项的超导限流装置在AC应用中的用途。
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