CN101841152A

CN101841152A - 利用磁场触发的超导限流器

Info

Publication number: CN101841152A
Application number: CN201010143744A
Authority: CN
Inventors: 罗伯特·杜默克; 瑟奇耶·贝默特
Original assignee: Nexans SA
Current assignee: Nexans SA
Priority date: 2009-03-18
Filing date: 2010-03-17
Publication date: 2010-09-22
Also published as: JP2010219532A; EP2230740A3; EP2230740A2; KR20100105483A; US20110034337A1; DE102009013318A1

Abstract

本发明涉及一种利用磁场触发的超导限流器部件，其具有管状超导体元件(1)，该元件与触发线圈(3)并联，其中，触发线圈从管状超导体元件(1)的第一端在管状超导体元件(1)的侧表面的一侧上沿着管状超导体元件(1)的第二端的方向延伸，在该点向侧表面的另一侧偏转，并且在第一端的方向上延伸回来，如此反复。

Description

利用磁场触发的超导限流器

技术领域

本发明涉及一种磁场触发的超导限流器部件，其中，所述超导体元件插入到线圈中并与该线圈并联。

背景技术

基于高温超导体(HTS)的限流器尤其对于供电系统的安全系统具有很大的益处，尤其是对于高压电网，这是由于例如在短路时可以它们能够防止不均衡大地电流尖脉冲，否则后者会导致设备损坏。

高温超导体通过在电流尖脉冲情况下减小设备所承受的负载而为优化供电系统提供新的措施。

在超导状态下，超导体特性类似于零损耗的导电体。

如果出现如下的情形，所有超导材料会突然损失其超导性能，即：

超过a)临界温度(Tc)；

b)临界磁场(Hc)；或

c)临界电流密度(Ic)或者

d)如果这些情形中的两个或三个情形同时出现。

电阻限流器利用这些特性：只要在超导体任何位置(point)处的电流密度超过临界值，所述超导体就离开其超导状态而变成普通导电状态，结果，限制了电流。从超导状态到普通导电状态的转变通常称作“失超(quenching)”。在系统出现故障后，当电流再次达到其通常值时，超导体返回到超导状态并且为随后的使用做好准备。

但是，实际上，制造超导体部件的超导体材料在整个部件上并非是均匀的。这种非均匀性意味着前述特性，如临界电流密度，会在不部件的不同区域有所不同。结果在于在出现故障的情况下，一些区域已经失超，即变成普通导电状态，而其他区域仍处于超导状态。由于仍处于超导状态的这些区域，使得大电流流过该部件，导致已经处于普通导电状态的区域内的温度升高很大。这种很大的温度升高导致这些区域熔化。因此，为了防止超导体部件损坏或破坏，失超过程需要尽可能均匀和快速地进行，使得在足以防止熔化的充分短的时间内，超导体部件作为整体转变成普通导电状态。

存在各种方法来为将超导体部件均匀且快速转变成普通导电状态提供支持。

因此，将一层普通导电的材料，如银，沿着高温超导体部件的纵向长度施加到高温超导体部件的表面上的方法是已知的，所述层与高温超导体材料在该超导体材料的整个长度上电接触。在限流的情况下如果超导体部件的区域开始失超，电流和热量被传导到该分路(shunt)，并且通过后者耗散。这种传导和耗散防止超导体部件熔化。

根据如EP1524748A1中描述的另一个原理，该专利文件的整个内容引用于此，限流器包括圆柱形的高温超导体部件。围绕该高温超导体部件，包含普通导电材料，如铜或银的线圈，螺旋缠绕，并且相对于高温超导体部件的纵轴线同轴。普通导电线圈在HTS部件的两端处通过电触点与HTS部件电并联。不同于上面描述的方法中的情形，在这种情况下，线圈仅仅物理缠绕高温超导体部件，沿着其整个长度没有电接触。

这样，一旦超导体部件一个位置处的电流密度超过临界值且所述超导体部件局部离开其超导状态，电流被分流到所并联的线圈。电流在线圈中的流动产生磁场，该磁场立即迫使高温超导体部件在其整个长度上成为普通导电状态，从而加速失超过程和限制电流。这个效应称作“磁场触发”。

在这种情况下，失超过程的速度取决于磁场由线圈建立的速度以及磁场的大小。

因此，为了能够获得尽可能快的失超过程，希望获得一种能够快速产生尽可能大的磁场的利用磁场触发的限流器。

发明内容

本发明借助于具有管状超导体元件的超导体限流器部件实现了这个目的，所述管状超导体元件与导电材料的线圈电并联，其中，所述管状超导体元件具有第一端和第二端，所述线圈绕组在轴向上在所述超导体元件的第一端和第二端之间沿周边在超导体元件的外侧表面和内侧表面上交替地延伸。

根据本发明，线圈的各个匝沿着超导体元件的纵向长度在第一端和第二端之间延伸，使得各个匝沿着纵轴的方向包围外侧和内侧上的侧表面。

在本发明的范围内，基于本发明的缠绕类型被称为方位角缠绕(azimuthal)。

根据本发明使用的管状超导体元件具有管状横截面，该管状横截面具有中空的内部。超导体元件可以具有任何所需的管状或筒状形状。

原则上，可以具有任何理想的基本形状，该适当的基本形状的例子包括圆形、椭圆形和多边形基本形状。

基于本发明的一个优先选择是超导体元件具有圆形基本形状的管状形状或筒状形状。该圆柱或管也可以与理想的圆形基本形状有所偏离。

取决于特定设备的需求，根据本发明的一个或多个限流器可以彼此电并联和/或电串联。根据进一步实施方式，根据本发明的方位角缠绕线圈可以在两个或多个超导体元件上延伸，其中，它从第一超导体元件的第一端延伸到最后一个超导体元件的第二端，并且分别电连接到第一超导体元件的第一端以及最后一个超导体元件的第二端。由线圈缠绕的管状超导体元件彼此电串联。

在管状超导体元件中线圈需要从侧表面的一侧偏转到另一侧(也称为偏转点)的区域中，具有通孔，线圈导线可以通过通孔从一侧穿到另一侧。

优选地是，通孔围绕周边规则地布置在超导体元件上的相同高度上。

根据进一步实施方式，至少线圈和管状超导体元件的侧表面在它们之间以公知方式具有绝缘层。同样，通孔的内表面可以设置有薄绝缘层。

原则上，本发明可以用于所有超导材料。

尤其适用于高温超导材料，该高温超导材料通常临界温度(Tc)高于液氮温度。

这些材料的实例是基于铋、钇、铊和汞的高温超导陶瓷氧化物，如Bi₂Sr₂Ca₁Cu₂O_y(BSCCO 2212)、Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O_y(BSCCO 2223)、Y₁Ba₂Cu₃O_y(YBCO 123)、Tl₂Ba₂Ca₂Cu₃O_y、Tl₁Ba₂Ca₂Cu₃O_y、Hg₁Ba₂Ca₂Cu₃O_y和Hg₁Ba₂Ca₁Cu₂O_y，其中y是在具有超导特性的各个陶瓷氧化物中氧的含量。

本发明的特定优先选择是BSCCO和YBCO类型的超导材料。BSCCO类型的优选超导体材料是例如BSCCO 2212和BSCCO 2223。

为了改进特性，上述化合物可以用其他元素掺杂或替代。例如，在BSCCO中，一部分铋可以用铅替代[(Pb-)Bi]-Sr-Ca-Cu-O和/或Sr可以部分用钡替代。

另外，根据需要，HTS材料可以包含一种或多种适当的化合物，如，碱土金属的硫酸盐，如具有高熔点的硫酸盐，例如BaSO₄、SrSO₄和/或BaSr(SO₄)₂。

管状超导体元件可以是包含超导体材料的实心本体。

它可以由超导体材料的薄层形成，其中，适当的管状支撑件在其内侧和外侧以公知的方式涂敷有超导体材料。

附图说明

下面，利用优选实施方式参照附图更详细描述本发明，图中：

图1a示意性示出穿过具有同轴缠绕线圈的已知限流器的纵截面图；

图1b示意性示出穿过具有同轴线圈绕组的图1a所示的已知限流器的横截面图；

图2a示意性示出穿过根据本发明的具有方位角线圈绕组的限流器的纵截面图；

图2b示意性示出穿过图2A所示的根据本发明的限流器的横截面图；以及

图3示意性示出穿过根据本发明另一实施方式的纵截面图。

附图标记列表：

1第一管状超导体元件

2传统同轴缠绕线圈

3根据本发明的方位角缠绕线圈

4电触点

5偏转点

6磁场的方向

7补偿管

具体实施方式

在图1a和2a中，管状超导体元件由1标识，而线圈由2(现有技术)或3(根据本发明)标识。

另外，如通常已知的那样，超导体元件1的端部具有相应的电触点4，由此，超导体元件1可以电连接到电网或者连接到另一限流器元件。

电触点4包括作为普通电导体的材料，通常是诸如铜、银的金属或者这些金属的合金。用于电触点4的适当材料以及它们的安装方法是普遍公知的并且频繁描述到。

线圈2和3基本上在超导体元件的整个长度上在电触点4之间延伸，但是，根据本发明的线圈3的缠绕方向基本上与线圈2的缠绕方向成直角延伸。

优选地是，如图2a所示，线圈3的偏转点5位于电触点4的区域内或者位于第一管状元件1内正好邻近电触点4的边缘。

线圈2、3的相应端部电连接到电触点4，使得线圈2、3与超导体元件1电并联。

线圈2、3本身与超导体元件1的表面并不电接触，而是物理上围绕其缠绕。这意味着在线圈表面和超导体元件1的表面之间没有电接触，因此没有电流流过。

根据本发明的线圈3可以包括与线圈2相同的材料。它可以包括普通导电材料，如金属，或者超导体材料。

适当的材料是铜、铜合金、钢等。包括超导材料的线圈的实例是带状超导体，例如，包含BSCCO材料或包含YBCO材料薄层。

如果线圈包括超导材料，为了防止在线圈中过早电流流动，它应该设置充分高的接触电阻。

线圈导线可以为任何适当的横截面形状，而圆形或者方形横截面形状如带状形状是优选的。

如同在传统同轴缠绕线圈的情况中，对于根据本发明的线圈，匝数和节距并非特别关键。

根据用途不同，可以改变线圈的匝数，这可以由本领域技术人员轻易确定。

但是，为了快速和均匀失超，已经证明尽可能大的超导体区域被线圈绕组所围绕是有效的。

优选地是，至少90％的侧表面、特别优选的是95％的侧表面、且尤其是100％的侧表面被线圈围绕。

线圈建立磁场的速度基本上受到流过线圈的电流的影响。因此，电流流过线圈应该尽可能快地发生并且电流尽可能大。

被每个匝所围绕的侧表面并因此超导体元件应该尽可能大。优选地是，线圈尽可能紧地缠绕超导体本体。优选地是，线圈靠在超导体元件的表面上。在这种情况下，可以设置绝缘层，以避免超导体元件和线圈之间短路。

方位缠绕的效果在于：与传统线圈2相比，根据本发明的线圈3每单位面积包围更大的超导体面积。如下面计算所演示的，通过根据本发明的线圈可以获得明显更大的磁场。

为了计算，假设在两个实施方式中的线圈2、3具有相同的电感、于是在线圈2、3中存在相同的电流。

因此，当I₁＝I₂(线圈电流)；L₁＝L₂(电感)时：

两个线圈都包含铜。

L_{1} = μ \frac{N_{1}^{2} \times π \times r_{1}^{2}}{l_{1}} = L_{2} = μ \frac{N_{2}^{2} \times d \times l_{2}}{2 \times π \times r_{2}}

N_{2} = \sqrt{\frac{2 \times π^{2} \times r_{1}^{2} \times r_{2}}{d \times l_{1} \times l_{2}}} \times N_{1}

B_{1} = μ \frac{N_{1}}{l_{1}} \times I

B_{2} = μ \frac{N_{2}}{2 π \times r_{2}} \times I

\frac{B_{2}}{B_{1}} = \frac{l_{1} \times \sqrt{\frac{2 \times r_{1}^{2} \times r_{2}}{d \times l_{1} \times l_{2}}}}{2 \times r_{2}}

\frac{B_{2}}{B_{1}} = \frac{l_{1} \times \sqrt{\frac{2 \times r_{1}^{2} \times r_{2}}{d \times l_{1} \times l_{2}}}}{2 \times r_{2}} = \frac{0.26 \times \sqrt{\frac{2 \times {0.067}^{2} \times 0.046}{0.012 \times 0.26 \times 0.27}}}{2 \times 0.046} = 1.98

图例：

L₁：已知线圈的电感

L₂：根据本发明的线圈的电感(在L1＝L2时)

l₁：已知线圈的长度260mm

l₂：根据本发明的线圈的长度270mm

r₁：已知线圈的平均直径67mm

r₂：根据本发明的线圈的平均直径46mm

d：根据本发明的线圈的厚度

结果表明：在两个线圈具有相同的电感的情况下，根据本发明的线圈能够用于获得几乎两倍大的磁场。

相同的电感意味着在相同的时间内建立磁场。鉴于上面的结果，这意味着在根据本发明的线圈的电感减小时，可以在更短的时间内获得与同轴线圈相同大小的磁场。

鉴于根据本发明的一项改进，限流器部件包括第二管状超导体元件7，该第二管状超导体元件7围绕具有方位缠绕线圈的第一管状超导体元件1。也称为补偿管的第二管状超导体元件7优选的在第一管状超导体元件1的两个触点4之间的整个长度上延伸。

图3示意性示出这个改进的结构。超导体元件1的方位线圈3已经被省略，以提供更好的观察。

补偿管7可以用于减小AC损耗，并改进限流器部件的载流容量。

AC损耗的原因为在AC操作过程中，在载流超导体元件内形成的磁场变化。这个磁场越大，AC损耗越大。

在正常工作期间，第一管状超导体元件1的磁场在补偿管7中产生与第一管状超导体元件1的磁场相对应的电压或电流。在补偿管7中感应的电压(或感应电流)其本身(for its part)产生磁场，这个磁场与第一管状超导体元件1的磁场相反，由此补偿或减小在第一管状超导体元件1内的磁场。

第一管状超导体元件1的磁场越小，AC损耗越小。

补偿管可以由与第一管状超导体元件相同的超导材料制成，但是它也可以用不同的材料。

对于第一管状超导体元件，适当的高温超导体材料与上面列出的相同。

基本上在补偿管内流动的电流不会超过补偿管的载流容量Ic。

超导体材料的载流容量Ic所取决的因素本身是公知的，该因素的例子是特定的超导材料本身、管的壁厚、工作温度和围绕磁场。优选地是，补偿管的载流容量大于第一超导体元件的载流容量。

影响补偿管的磁场强度的因素例如是第一管状超导体元件的磁场的大小和第一管状超导体元件的横截面积大小A1及补偿管的横截面积大小A2。

如同第一管状超导体元件，原则上，补偿管可以具有任何理想的形状，如圆形的、椭圆形的或者多边形的基本形状。

优选地是，其具有与第一管状超导体元件相同的基本形状。

圆筒形或基本上圆筒形的基本形状是优选的。如同第一管状超导体元件，补偿管可以在形状和角度上具有差异，尤其是在与圆柱的圆度偏离方面、或者是在与圆柱的轴线与用来确定圆柱的角度的平面的直角偏离方面。

补偿管固定到位的方式本身并不是关键，而是可以采用任何理想的方式。

作为例子，补偿管可以连接到固定器，具有方位线圈角度的第一管状超导体元件也安装在使用它的设备中。

在第一管状超导体元件和补偿管之间没有电连接。

第一管状超导体元件和补偿管之间的间隔原则上可以包含任何理想的不导电介质或真空。

有利地是，这个间隔包含与冷却设备所用的相同的冷却装置，通常是液氮。

有利地是，所述介质应选择成其渗透性μ是1或者大约是1。

下面的文字将更详细解释补偿管如何工作。

在图3中，超导体元件1的磁场B₁的方向由向上指向的箭头示出，而补偿管7的磁场B₂的方向由向下指向的箭头示出。

在超导体元件1的内侧的磁通量Φ₁作为B₁·A₁获得，而管7内侧的磁通量Φ₂作为B₂·A₂获得。

考虑到管7的超导特性，管7的内侧与超导体元件1的总磁通量Φ_g总是零。

以下成立：

Φ_g＝B₁·A₁+B₂·A₂＝0

或者：

B₁·A₁＝B₂·A₂

其中：

Φ_g是总磁通量(Φ₁和Φ₂)

B₁是超导体元件的磁场(补偿后)

A₁是超导体元件的内横截面积

B₂是补偿管的磁场

A₂是补偿管的内横截面积

对于大小相同但方向相反的磁场B₁和B₂，它遵从上面的方程，即，磁通量的完全补偿需要超导体元件1的内横截面积A₁等于补偿管7的内横截面积A₂。为了形成这种理想情况，超导体元件1和补偿管7需要具有无限薄的壁厚并且一个直接位于另一个上。

实际上，如图3所示，超导体元件的内径r₁小于补偿管7的内径r₂(包括超导体元件的壁厚)。

如果在这种情况下磁场B₁和B₂具有相同的绝对值，那么虽然完全补偿超导体元件1内侧的磁场B₁，在由r₂-r₁所限定的补偿管7内侧的环形围绕区域中仍然存在磁场B₂和磁通量Φ，且

在AC模式下，这个未补偿的磁场B₂将自身部分导致AC损失，该AC损失与由未补偿的磁场B₁所产生的AC损失具有相同的大小量级。

结果，AC损失没有减小。

但是，已经发现，AC损耗与磁场不成正比，而是成指数增长，为Bⁿ，其中n＞1。指数n的大小取决于特定超导体材料并且通常是3的数量级。

基于n＞1并尤其是n≈3的指数相关性，因此，磁场相对小的减弱就已经导致不成比例地高的AC损耗降低，n越大，AC损耗的降低越明显。

换句话说，对于磁场B₁给定的减小，n越大，在AC损耗中所获得的降低越高，其中，AC损耗的绝对值成指数降低。

原则上，在超导体元件1内的磁场B₁可以被控制在几乎完全补偿的大约0值和未补偿的最大值之间。使用实际情况的补偿处于这两个末端之间。如所述，因此对于磁场B₁的完全补偿是不可能的，并且由于A₁＝A₂不实际，因此，本发明包含最优性能，该最优性能也将在管7和超导体元件1之间的环形间隙中的磁场B₂考虑在内。因此，实际获得的补偿对于相应的各种情况而有所变化。

本发明的一个重要的先决条件为补偿管7具有超导特性，并因此在没有电流流过线圈的正常工作中，没有电阻或者电阻变为零。

为了本发明的安排和设计，这意味着在补偿管7内感应的电流不能超过管7的载流容量Ic。

例如，影响磁场B₂的强度的因素是超导体元件的磁场大小以及横截面积A₁和A₂的大小。

因此，通过调节补偿管7的横截面积A₂，本发明使得对于给定横截面积A₁以及给定的超导体元件1的磁场B₁，AC损耗的降低最佳。

下面，利用具有圆形横截面积的超导部件的例子，来更详细解释本发明所实现的超导体元件1中的AC损耗降低的优化。

根据这个实施方式，这是根据本发明的优选实施方式，超导体元件1的磁场B₁减小50％。

已经发现，对于磁场B₁中减小50％，考虑到AC电流损耗对磁场强度的相关性，可以获得最优的AC损耗降低。

倘若：

Φ_g＝B₁·A₁+B₂·A₂＝0

且

B₁(被补偿的)＝B₂

对于圆形横截面积A₁和A₂，以下成立：

因此：

或

r₂ ²＝2r₁ ²

由此得到：为了减小超导体元件1内侧的磁场50％，横截面积A₂需要为超导体元件的横截面积A₁的两倍大小。

这个结果与超导体元件1和管7的横截面的形状相关，并因此也可以应用到其形状不同于圆形形状的横截面，如椭圆形、正方形、多边形等形状。

基于AC损耗对磁场的相关性，其中Bⁿ(n＞1)，在总的损耗中导致不成比例高的降低。

上面的实施方式表明在超导体元件内侧和外侧的合成磁场以及由其获得的AC损耗中的降低可以通过调节补偿管7的横截面积A₂来控制。

补偿管7应该在整个超导体元件本体上在电触点4之间延伸。

补偿管7也可以完全或局部在一个或两个电触点4上延伸。

如果两个电触点4之间的区域没有被补偿管7包围，例如，如果补偿管7完全没有在两个电触点4之间延伸，没有被补偿管7包围的这些线圈区域将遇到AC损耗，这会导致加热并尤其导致所述区域的载流容量Ic降低。

通常，限流器必须能够承载高于设备额定电流的电流特定时间那么长，这被已知为过电流。包括在限流器内的超导部件也需要针对该过电流设计。对于目前的超导体元件，这意味着不仅过电流本身而且它所产生的磁场都要被考虑在内。这个磁场减小超导体元件的超导特性，这又对其设计带来直接影响。

根据本发明的具有补偿管的改进的进一步优点在于：补偿管减小了超导体元件的磁场，并因此，可以增加超导体元件的载流容量。对于给定的超导体元件，因此带有补偿管的超导体元件与不带有补偿管的相比具有更大的载流容量。因此，可以表明补偿管能够用于使得超导体部件承载过电流的时间加倍。

结果，可以表明具有补偿管的超导体元件不仅具有降低的AC损耗，而且同时呈现出改进的增大的载流容量。

补偿管带来的AC损耗的降低也对超导设施所需的冷却容量带来直接影响。AC损耗的降低和相关的温升的降低意味着对设备的冷却容量的需求减小。结果，不仅可以减小例如适当的冷却设备的购置成本，而且同时也减少设备的操作成本。

由此，补偿管的改进是本发明的限流器部件之外的一个构思，本发明的限流器部件带有超导体元件，该超导体元件具有方位角缠绕的线圈。

在正常工作过程中，补偿管促进AC损耗的降低。在发生故障的情况下，线圈的方位角效应有助于超导体部件的失超。

Claims

1.一种超导限流器部件，具有第一管状超导体元件(1)，该超导体元件与导电材料的线圈(3)电并联，其中，第一管状超导体元件(1)具有第一和第二端，线圈绕组在轴向上在第一管状超导体元件(1)的第一端和第二端之间在超导体元件(1)的外侧表面和内侧表面上交替地延伸并且绕着超导体元件(1)的周边延伸。

2.如权利要求1所述的超导限流器部件，其中，第一管状超导体元件(1)在线圈(3)从一个侧表面向另一个侧表面偏转的位置处具有通孔(5)，线圈(3)通过该通孔延伸。

3.如权利要求1或2所述的超导限流器部件，其中，第一管状超导体元件(1)在端部具有电触点(4)，该线圈(3)分别在电触点(4)的区域内偏转。

4.如上述权利要求中任一项所述的超导限流器部件，其中，用于偏转线圈(3)的通孔(5)围绕第一管状超导体元件(1)的周边规则地布置在相同高度处。

5.如上述权利要求中任一项所述的超导限流器部件，其中，所述线圈绕组为使得超过90％的第一管状超导体元件(1)的侧表面被线圈(3)围绕。

6.如上述权利要求中任一项所述的超导限流器部件，其中，所述外侧表面和内侧表面设置有绝缘材料层，所述线圈(3)直接靠在所述绝缘材料上。

7.如上述权利要求中任一项所述的超导限流器部件，其中，所述线圈(3)包括从金属和超导体材料中选择的材料。

8.如上述权利要求中任一项所述的超导限流器部件，其中，所述第一管状超导体元件(1)与线圈(3)一起定位在第二管状超导体元件(7)内。

9.如权利要求8所述的超导限流器部件，其中，所述第二管状超导体元件(7)至少在第一管状超导体元件(1)的整个长度上、在第一管状超导体元件的第一端和第二端之间延伸。

10.如上述权利要求中任一项所述的超导限流器部件，其中，第一管状超导体元件(1)是包括超导体材料的实心元件，或者第一管状超导体元件(1)是由管状支撑件形成，在该管状支撑件的外侧表面和内侧表面上设置有超导体材料薄层。

11.如权利要求8到10中任一项所述的超导限流器部件，其中，所述第二管状超导体元件(7)是包括超导体材料的实心元件，或者第二管状超导体元件(7)是由管状支撑件形成，在该管状支撑件的外侧表面和内侧表面具有施加于其上的超导体材料薄层。

12.如上述权利要求中任一项所述的超导限流器部件，其中，超导体材料是高温超导陶瓷氧化物。

13.如权利要求12所述的超导限流器部件，其中，所述高温超导陶瓷氧化物是从BSCCO和YBCO类型的超导体材料中选出的。