CN102376411A

CN102376411A - 用于电流调节、尤其是故障限流器中的电流调节的方法

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Publication number: CN102376411A
Application number: CN2011102197928A
Authority: CN
Inventors: A·乌苏斯金; H-U·克莱恩
Original assignee: Bruker HTS GmbH
Current assignee: Bruker HTS GmbH
Priority date: 2010-07-02
Filing date: 2011-07-01
Publication date: 2012-03-14
Anticipated expiration: 2031-07-01
Also published as: RU2011127168A; ES2444789T3; JP2012015515A; EP2402961B1; US20120002336A1; CN102376411B; US8411401B2; RU2494486C2; EP2402961A1

Abstract

一种用于电流调节的方法，包括：通过初级线圈(2)输运初级电流(1)，通过共同磁通量使次级线圈(3)耦合到初级线圈(2)，其中该次级线圈(3)包括能够失超的超导体，失超导致超导体从低阻超导态转变到高阻失超态，及在次级线圈(3)的低阻超导态，在铁磁介质(5a)中引导初级线圈(2)和次级线圈(3)的共同磁通量的主要部分(8)，其特征在于失超时，转换共同磁通量使得共同磁通量的主要部分(17)在超导体的高阻失超态下被引导到铁磁介质(5a)的外部。本发明提供一种减小谐波失真的经济且有效的电流调节方法。

Description

用于电流调节、尤其是故障限流器中的电流调节的方法

技术领域

本发明涉及一种用于电流调节的方法，包括：

-通过初级线圈输运初级电流，

-通过共同磁通量使次级线圈耦合到初级线圈，

其中该次级线圈包括能够失超的超导体，失超导致超导体从低阻超导态转变到高阻失超态，

-及在次级线圈的低阻超导态，在铁磁介质中引导初级线圈和次级线圈的共同磁通量的主要部分。

这样的方法基于DE19524579A1。

本发明涉及用于电流调节的方法，尤其可以应用于输电网的能量产生、传输和分配以及防止故障电流的设备保护的领域。

背景技术

电流调节在能量的产生、传输和分配中是必须的。被认为是故障电流(例如，短路电流)电流限制的电流调节不仅允许防止电气设备过流，而且允许在输运能量的较高水平时开发现有设备。

一般地，电流调节可通过多种方法提供，例如，使用磁饱和(饱和电抗器)、机械转换、电子转换(基于固态转换)等的方法。电流调节的最近发展的方法基于超导体从低阻(超导)态到高阻(失超)态的转变和允许对在中和高压下的高电流的调节。使用超导体的转变的最经济的电流调节方法，尤其是关于能量损失和低温消耗，基于用超导体调节电路电流的的感应耦合。这里，没有连接环境温度区域和低温区域的电流导线是必需的；超导体(典型地，短路超导线圈)可以被完全包封，所以热绝缘简单且有效。针对故障电流的限制的若干种电流调节方法在下文中展开。

JP04112620A公开了一种用于电流调节的方法，其中被调节的电路电流(初级电流)通过初级线圈输运，以及在初级线圈中放射状设置的由超导材料制成的次级线圈通过共同磁通量耦合到初级线圈。在次级线圈的低阻(超导)态和高阻(失超)态，在空气中引导共同磁通量。该方法仅允许小的电流调节效应，更具体地，仅允许电流限制的较小效应。

与DE19524579中描述的方法相比，当磁通量的引导在铁磁介质中执行时可达到电流调节的更高水平。这里，电路电流(初级电流)通过初级线圈输运，以及由超导材料制成且被成放射状设置在初级线圈外部的次级线圈通过共同磁通量耦合到初级线圈。在次级线圈的高阻(失超)态和低阻(超导)态，在铁磁变压器芯中引导共同磁通量。然而，在次级线圈的高阻态，该电流调节方法在初级电流中引入严重的谐波失真；总谐波失真可轻易超过20％到30％。这些谐波失真严重威胁到用初级电流供给的电力设备和输电网的安全性。

发明内容

发明目的

本发明的目的是提供一种降低谐波失真的经济的和有效的用于电流调节的方法。

发明概述

为达到本发明的目的，根据本发明，采用如开始介绍的方法，其特征在于

-失超时，转换共同磁通量使得共同磁通量的主要部分在超导体的高阻失超态下被引导到铁磁介质的外部。

发明者发现：当次级线圈的失超超导体在高阻(失超)态时，增加磁通量的被引导到铁磁介质的外部的部分导致总谐波失真(THD)的迅速下降。与采用的铁磁材料无关，当共同磁通量的主要部分在铁磁介质的外部时，产生THD的下降。因此，共同磁通量的一些份额(百分比)在失超时关于铁磁介质从内部到外部空间的转换(再分配)允许阻止至少部分谐波失真。

注意到，根据本发明，在超导体的低阻(超导)态，共同磁通量的主要部分在铁磁介质中被引导，这保证在正常操作时主要在从正常操作方法(低阻态)到高阻态的转变初期时初级和次级线圈的良好耦合。因此，执行本发明方法的设备能保持相对较小。进一步，通过增加初级线圈的感应系数，铁磁介质也提高了在超导体的高阻(失超)态的电流限制效应。

这里，共同磁通量指的是通过初级线圈和次级线圈的闭合磁通量线。这里，主要部分指的是超过50％，优选地至少75％(适用于在失超前铁磁介质中的通量部分，和失超后铁磁介质外部的通量部分；注意，这两个通量部分可以相互独立且典型地具有不同值)。通过在面积A上对磁通密度B(根据μ₀ ^*μ^*H得到)进行积分计算磁通量。这里，μ₀和μ分别代表绝对磁导率和相对磁导率。

这里，如果相对磁导率μ(在非饱和态)为1.1或更大，，优选100或更大(典型地，对于普通铁材料来说，相对磁导率在1000或更大的量级)，则介质被视为铁磁体。在铁磁介质的外部，存在非磁介质，例如真空、气体(例如，空气)、非磁液体(例如，液氮)或非磁固体(例如，黄铜、非磁不锈钢等)，典型地相对磁导率介于0.99和1.01之间。

失超时的转换包括通过铁磁介质引导的共同磁通量的份额(百分比)的降低了典型地至少25％，优选地至少50％，更优选地至少75％(关于总共同磁通量)。换言之，在非磁介质中被引导的共同磁通量的份额(百分比)增加(注意，总共同磁通量在失超时增加)。结果，在失超后，初级线圈和次级线圈的共同磁通量的主要部分被引导到铁磁介质的外部。

本发明的优选变形

本发明的方法的优选的变形特征在于：

-在次级线圈的低阻态，不使铁磁介质饱和，

-和在次级线圈的高阻态，使铁磁介质饱和。通过在低阻态下不使铁磁介质饱和，可以实现初级线圈和次级线圈的良好耦合。这里，不饱和指的是铁磁介质平均起来不饱和；这里可能存在由于局部磁效应(边缘区域、角落等)导致的可能饱和的很小区域(例如＜1体积％)。在高阻态使铁磁介质饱和促进共同磁通量的大部分在失超时转换到铁磁介质的外部。

在另一优选变形中，在次级线圈的低阻态下总共同磁通量(“非平衡通量”)小于在次级线圈的高阻态下被引导到铁磁介质的外部的共同磁通量。因此，可以获得减少谐波失真的良好的电流限制效应。

更优选的是这样的变形，其中初级电流是

-交流电

-或交流电叠加直流电。典型地，交流电是正弦波。这种初级电流(电路电流)可以容易地借助于本发明的方法调节。

有益的变形实施例的特征在于：在铁磁介质的外部在初级线圈和/或次级线圈内设置冷却剂。该冷却剂用来冷却超导体(其尤其可包括临界温度为40K或更高、优选地85K或更高的HTS材料)。典型地，在初级线圈和/或次级线圈内的空间仅部分填充有冷却剂。冷却剂可设置在例如低温保持器或环形杜瓦瓶的容器中。可以在容器中设置次级线圈。例如，冷却剂可以是LN₂或LHe₂或LNe₂。容器可允许更紧凑的结构，和再填充之间的更长的操作时间。应该注意，也可以应用其它冷却次级线圈的方法，例如在线圈外部应用冷却剂和将金属热耦合应用到这些冷却剂，或直接降温(尤其是当使用高温超导体时)。

优选的是另一变形，其中，在次级线圈的高阻态，在次级线圈中感生的次级电流的模数等于或大于初级线圈的绕组数乘以初级电流的模数的1/100(优选等于或大于1/50)。在这种情况下，由于次级线圈感生的电阻损耗，次级线圈可能对电流限制/调节效应作出额外贡献。不管共同磁通量的抑制，总效应仍然相当积极。

同样在本发明的范围之内的是故障限流器，该故障限流器尤其适用于执行如前所述的本发明的方法，包括：

-初级线圈，

-次级线圈，包括能够失超的超导体，和

-铁磁介质的芯，穿过初级线圈和次级线圈，其特征在于芯、初级线圈和次级线圈能够使初级线圈和次级线圈的共同磁通量的大部分在失超时从芯内转换到芯的外部。通过本发明的故障限流器，在中或高压下的高电流可以容易被控制，以及不在高阻(失超)态引入谐波失真。芯、初级线圈(尤其是它的几何形状)和次级线圈(尤其是它的几何形状)被设计使得当次级线圈失超时实现共同磁通量的转换。这里，转换大部分指的是在铁磁介质内被引导的共同磁通量的分数(百分比)在超导体的低温超导态为至少25％，优选地至少50％，更优选地至少75％(相对于总共同磁通量)，高于在起导体的高阻失超态。

在本发明的故障限流器的优选实施例中，初级线圈的截面的主要部分和次级线圈的截面的主要部分不填充铁磁介质。这便于共同磁通量的大部分被引导到芯的外部。这里，截面的主要部分大于50％，优选75％或更多；根据本发明甚至可以为90％或更多。(铁)磁芯典型地占初级线圈和次级线圈的截面的2％到40％，优选3％到30％，更优选5％到20％。注意，涉及截面的百分比典型地也适用于线圈内部体积的百分比。

进一步优选的是这样的实施例，其中芯为闭合形状。这降低了漏磁场。

替代地，在另一优选实施例中，芯为开放形状，尤其是其中初级线圈和次级线圈同轴设置。开放形状需要的铁磁材料更少。这里，“同轴”指的是所述线圈具有旋转对称的公共轴线(注意，线圈的截面可以但不必一定是圆形；例如线圈可以是具有四次对称轴的二次矩阵形(rectangular-quadratic shape))；典型地，它们的一个在另一个中(典型地次级线圈作为内部线圈)。进一步，优选地设置线圈而无轴偏移(例如，非一个在另一个上)。

在另一有益实施例中，所述次级线圈是单圈、短路线圈。这样的次级线圈特别容易制造。

在该实施例的优选进一步发展中，该单圈短路线圈包括多个相互耦合的环。通过使用多个环，次级线圈的绝对临界电流可调至额定值。通过共同磁通量和/或通电地(例如，电气地)完成耦合。

同样优选的是一个实施例，其中故障限流器进一步包括维持屏蔽涡流(screening eddy current)的第三线圈，尤其是其中第三线圈是正常导电的单圈短路线圈。这个线圈允许使调节或限制电流到额定值，并且以该种方式提供标称电流比调节电流的需要比例(“调节”或“限制”因子)。如果第三线圈是单圈的，则它特别容易制造。注意，单圈型的第三线圈可包括多个互相耦合的环，尤其是通过共同磁通量或/和通电地(例如，电气地)耦合的环。

在另一有益实施例中，次级线圈包括高温超导体(HTS)，优选地包括镀层导体型的高温超导体。于是，冷却次级线圈的超导体的成本可以保持较低。高温超导体的临界温度T_c典型地高于40K，优选高于85K。可以使用YBCO材料作为HTS材料。

同样在本发明的范围之内的是，如前描述的本发明的故障限流器在如前描述的本发明的方法中的应用。

由说明书和附图的内容可发现更多的优势。前后提及的特征根据本发明可以单独地或者选择地组合使用。提及的实旋例不理解为穷尽列举，而是具有本发明描述的示例性特征。

附图说明

在附图中示出本发明。

图1a示意性示出了在次级线圈的低阻(超导)态执行本发明方法的本发明故障限流器的一个实施例；

图1b示出了附图1a的故障限流器，在次级线圈的高阻(失超)态；

图2示出了解释作为在故障限流器中被引导到铁磁介质的外部的共同磁通量的部分的函数的计算的总谐波失真的示图，与图1b所示的相比较；

图3示出了解释在次级线圈的高阻(失超)态下，对于被引导到铁磁介质的外部的共同磁通量的不同分数，在图1b所示的相较的故障限流器的初级线圈处计算的电流和电压作为时间的函数的示图；

图4a、4b图示了本发明的具有封闭芯的故障限流器的另一实施例的截面示意图；

附图5a、b图示了本发明的具有开放芯的故障限流器的另一实施例的截面示意图。

具体实施方式

附图1a示出了本发明的故障限流器20，其可被用于执行本发明的电流调节的方法。

该故障限流器20包括运送(输运)初级电流(或电路电流)1的初级线圈2、运送(即输运)次级电流4的次级线圈3和铁磁介质5a的芯5。

这里，初级线圈2包括多个绕组(如图1a所示的带有五个绕组)，而次级线圈3为单圈短路型。次级线圈3包括能够失超的超导体，使得在次级线圈3中的次级电流4可以在低阻态(如图1a所示)在超导电流通路上流动、或在高阻(失超)态在正常导电电流通路上流动。为了冷却次级线圈到(或低于)超导体的临界温度T_c，次级线圈3典型地设置在填充低温溶液(例如液氮(这里为了简化没有示出))的容器中。

次级线圈3(或其各自的次级电流4)通过磁通量的共同部分(“共同磁通量”)感生耦合到初级线圈2(或其各自的初级电流1)，对照虚线磁通线。初级电流1在初级线圈2内部和外部产生磁通密度。磁通量的在初级线圈2内部和次级线圈3内部的部分被视为共同部分。初级线圈2和次级线圈3设置为同轴的，相应轴线在图1a中垂直分布。

芯5由铁磁介质(材料)制成，典型地为铁，优选为软铁，并且可以是磁封闭或开放的(在图1a中，芯被示出为截顶)。在芯5周围以及次级线圈3内的剩余区域填充非磁介质(这里指空气)。在示出的例子中，芯5占该级线圈3的截面(垂直于垂直轴)的大约5％。

在正常操作中(如图1a所示)，当初级电流1(电路电流)低于导致次级线圈3的超导体中的失超的阈值(例如，当超导体在低阻超导态)，超导屏蔽(遮蔽)次级线圈3的内部体积10。于是，仅少量磁通量在该内部体积10中穿透(见虚线磁力线)。这些穿透的磁通量(共同磁通量)的主要部分8(这里为大约90％)在铁磁介质5a的内部被引导(即通过铁磁芯5)，其在该状态下磁不饱和，因此可表现相对高的磁导率(例如，从100到4000或更大)。共同磁通量的较小部分7(这里为大约10％)被引导到铁磁介质5a的外部。该状态下穿透的磁通量导致“漏”感，但比较小(与非屏蔽态下穿过的磁通量相比，见下文)。漏感的一部分源自在初级线圈2和次级线圈3之间产生的磁通量9。磁通量7、8的和有时称为“非平衡通量”。

在故障电流工作中(如图1b所示)，初级电流(电路电流)1导致超过失超(如超导跳到高阻态)的阈值的次级线圈3中的次级电流4。结果，失超的超导体使次级线圈3的内部体积10不再(或至少不全部)屏蔽(遮蔽)磁通量。磁通量开始显著穿透该内部体积10(见虚线磁力线)和导致磁通量分数的再分配(或换言之，再转换)：穿过的磁通量的主要分数17(这里为大约70％)现在被引导到铁磁介质5a的外部，同时通量的较小分数18(这里为大约30％)仍然在铁磁介质5a内被引导。铁磁介质5a在这种条件下变饱和。

在图示的实施例中，在铁磁介质5a内被引导的共同磁通量的分数在失超时从大约90％降到大约30％(相对于各总磁通量)，指的是共同磁通量的大约(90-30)％＝60％的部分从铁磁介质5a的内部转换到铁磁介质5a的外部。

典型地，当能够失超的超导体在高阻态时出现的磁通量的主要分数17的绝对值超过当能够失超的超导体在低阻态时出现的非平衡通量(通量分数7和8的和)。

由于总的绝对磁通量的显著增加(通量17和18的和与通量7和8的和相比)，初级线圈2的感应系数增加，导致初级线圈1遭受的阻抗增加。因此，初级电流(电路电流)1开始被调节。进一步，当能够失超的超导体在高阻态时在次级线圈3中感生大量的次级电流4，这对初级线圈2的阻抗作出额外贡献；这个电流4主要基于连接到能够失超的超导体的分路(shunt)的电导率。

当铁磁介质5a开始磁饱和，磁导率基本上时间/场独立。这可导致在初级线圈2处的电压馈入的正弦周期间的非线性，其可能潜在地导致产生谐波，以及最终的显著的初级电流1的正弦波的总谐波失真。

THD一般被定义为基频之上的总谐波频率的功率的总和与基频功率的比：

依据本发明，当用合适方式执行通量部分的再转换时，THD可保持在足够低水平。使用本发明的通量部分的转换，当铁磁介质典型地饱和时在超导体的高阻态时在铁磁介质中被引导的共同磁通量的贡献被限制。因此，由饱和的铁磁介质引入的非线性也被限制。反而，共同磁通量主要源于铁磁介质的外部，即源于非磁介质，其没有被非线性效应恶化。因此，在故障电流操作中较少的谐波失真在初级线圈内产生。因此，附接到初级线圈的电力网和设备面对较小的高频漏电，其即使在相对低的电流强度下也十分危险。

图2示出了在次级线圈的超导体的高阻态下被引导到铁磁介质的外部的共同磁通量的不同分数fr的在故障限流器中初级电流的总谐波失真(THD)值(与在图1a、1b所示的相比较)。从图中可以看出，在该例子中，当被引导到铁磁介质的外部的磁通量的分数fr为大约65％或更大时，THD降低。在计算和实验验证的例子中，对于N＝40个绕组、长为0.5m和直径为20厘米的初级线圈，选择U₀＝5000V和频率为50Hz的正弦波电压，进一步采用相当于0.2欧姆的初级线圈的串联电阻，进一步采用由Si掺杂变压器钢制成的圆形铁芯。在正常操作和电流限制方式的状态下铁芯内的涡流可以被忽略。

图3示出了在次级线圈的高阻态下，对于与如图1a所示的相较的故障限制器，作为时间t的函数的初级线圈的电压V(正弦形式，虚线)和初级线圈中产生的初级电流A，其中被引导到铁磁介质的外部的共同磁通量的分数fr为0％(粗连续线)和90％(细连续线)，均以任意单位(a.u.)。电流A在两种情况下与电压V相比相移大约1/4个重复周期。fr＝0％的电流在零点附近区域显示为平行进(flat progression)，这是严重谐波失真的指示。fr＝90％的电流在零点附近区域未显示为平行进，而是在十分近似的正弦波的全重复周期之上，表明无严重谐波失真。

图4a示出了本发明故障限流器20的实施例的垂直截面，故障限流器20包括铁磁材料5a的封闭环形芯5。芯5穿过具有八个绕组且同轴设置的短路单圈型的次级线圈3的初级线圈2的中心，其中次级线圈3设置在填充有冷却液体的容器21中。图4b示出了图4a的故障限流器在线B处的水平截面图。次级线圈3的截面面积的大约20％被芯5占据。

图5a示出了本发明的故障限流器20的实施例，本发明的故障限流器20与图4a所示的类似，但是具有开放的杆形芯5。进一步，如图5a在线B处的水平截面图5b所示可以看出，故障限流器的水平面为椭圆形。

Claims

1.一种用于电流调节的方法，包括：

-通过初级线圈(2)输运初级电流(1)，

通过共同磁通量使次级线圈(3)耦合到初级线圈(2)，其中该次级线圈(3)包括能够失超的超导体，失超导致超导体从低阻超导态转变到高阻失超态，

-及在次级线圈(3)的低超导态，在铁磁介质(5a)中引导初级线圈(2)和次级线圈(3)的共同磁通量的主要部分(8)，

其特征在于

-失超时，转换共同磁通量使得共同磁通量的主要部分(17)在超导体的高阻失超态下被引导到铁磁介质(5a)的外部。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于

-在所述次级线圈(3)的低阻态，不使铁磁介质(5a)饱和，

-及在所述次级线圈(3)的高阻态，使铁磁介质(5a)饱和。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述次级线圈(3)的低阻态下的总共同磁通量小于所述次级线圈(3)的高阻态下被引导到铁磁介质(5a)的外部的共同磁通量。

4.如前面任一权利要求所述的方法，其特征在于所述初级电流(1)是

-交流电

-或交流电叠加直流电。

5.如前面任一权利要求所述的方法，其特征在于在铁磁介质(5a)的外部在所述初级线圈(2)和/或所述次级线圈(3)内设置冷却剂。

6.如前面任一权利要求所述的方法，其特征在于在所述次级线圈(3)的高阻态，在所述次级线圈(3)中感生的次级电流(4)的模数等于或大于所述初级线圈(2)的绕组数(N)乘以所述初级电流(1)的模数的1/100，在所述次级线圈(3)中感生的次级电流(4)的模数优选等于或大于所述初级线圈(2)的绕组数(N)乘以所述初级电流(1)的模数的1/50。

7.故障限流器(20)，尤其适用于执行如前面任一权利要求所述的方法，包括：

-初级线圈(2)，

-次级线圈(3)，包括能够失超的超导体，及

-铁磁介质(5a)的芯(5)，穿过所述初级线圈(2)和所述次级线圈(3)，

特征在于

所述芯(5)、所述初级线圈(2)和所述次级线圈(3)能够使所述初级线圈(2)和所述次级线圈(3)的共同磁通量的大部分在失超时从所述芯(5)内转换到所述芯(5)的外部。

8.如权利要求7所述的故障限流器(20)，特征在于所述初级线圈(2)的截面的主要部分和所述次级线圈(3)的截面的主要部分没有用铁磁介质(5a)填充。

9.如权利要求7或8所述的故障限流器(20)，特征在于所述芯(5)是封闭形的。

10.如权利要求7或8所述的故障限流器(20)，特征在于所述芯(5)是开放形的，尤其是其中所述初级线圈(2)和所述次级线圈(3)被同轴设置。

11.如权利要求7-10之一所述的故障限流器(20)，其特征在于所述次级线圈(3)是单圈短路线圈。

12.如权利要求11所述的故障限流器(20)，特征在于所述单圈短路线圈包括多个相互耦合的环。

13.如权利要求7-12任一所述的故障限流器(20)，特征在于所述故障限流器(20)进一步包括维持屏蔽涡流的第三线圈，尤其是其中所述第三线圈是正常导电的单圈短路线圈。

14.如权利要求7-13任一所述的故障限流器(20)，特征在于所述次级线圈(3)包括高温超导体，优选镀层导体型。

15.如权利要求7-14之一所述的故障限流器(20)在如权利要求1-6之一的所述的方法中的应用。