CN102934309A - 具有可变旁路阻抗的超导故障电流限制器 - Google Patents

Abstract

提供了一种超导故障电流限制器，包括：配置成以电阻或电感方式限制故障电流的超导元件，以及与超导元件并联电耦合的一个或多个可变阻抗旁路。可变阻抗旁路被配置成在超导元件的超导状态期间呈现第一阻抗，在超导元件的正常电阻状态期间呈现第二阻抗。超导元件响应于故障电流从超导状态变换到正常电阻状态，响应于这种过程，可变阻抗旁路从第一阻抗变换到第二阻抗。可变阻抗旁路的第二阻抗是比第一阻抗更低的阻抗，有助于超导元件从正常电阻状态恢复变换到超导状态期间电流流经可变阻抗旁路，于是，有助于超导元件在负载下恢复。

Description

具有可变旁路阻抗的超导故障电流限制器

相关申请信息

本申请要求享有2010年1月21日提交的题为“SUPERCONDUCTINGFAULT CURRENT-LIMITER WITH VARIABLE SHUNT IMPEDANCE”的美国申请No.12/691325的权益，在此通过引用将其全文并入。

联邦资助研究的声明

本发明一部分是在政府支持下进行的，能源部授予的合同号为DE-F36-03G013033。因此，美国政府可以在本发明中具有一定权利。

技术领域

本发明总体上涉及一种电流限制器，更具体而言，涉及一种超导故障电流限制器，其具有与超导元件并联连接的可变旁路阻抗，以有助于在负载下恢复超导元件。

背景技术

电流限制装置在电力传输和配电系统中是关键性的。出于各种原因，例如雷击，短路状态可能在一段电网中导致电流急剧波动。这个电流波动常常称为故障电流，如果它超过整个电网系统内部署的开关设备的保护能力，可能对电网设备和连接到系统的客户负载造成灾难性伤害。

由于能够操纵其以在特定工作条件下实现“可变阻抗”效应的固有性质，超导体，尤其是高温超导（HTS）材料，非常适用于电流限制装置中。在一定温度和外部磁场范围（即，“临界温度”（T_c）和“临界磁场”（H_c）范围）之内操作时，如果流经的电流低于特定阈值（即，临界电流水平I_c），超导体表现出没有电阻，因此被称为处于“超导状态”中。不过，如果电流超过这个临界电流水平，超导体将经历从其超导状态到“正常电阻状态”的变换。超导体从其超导状态到正常电阻状态的这种变换称为“失超”。如果三个因素，即工作温度、外部磁场或电流水平之一或任何组合超过对应的临界水平，可能会发生失超。利用这三个因素的任一个或组合诱发和/或迫使超导体失超的机制通常称为触发机制。

超导体一旦失超，可以通过使工作环境进入其临界电流、临界温度和临界磁场范围的边界之内使其回到其超导状态，条件是在超导体失超期间未产生热或结构损伤。与工作于液氦温度（4°K）附近的低温超导（LTS）材料相比，HTS材料能够工作在液氮温度（77°K）附近。因此，操控HTS材料的性质容易得多，因为其工作温度范围高而宽。

对于一些HTS材料，例如体BSCCO、YBCO和MgB₂，在超导体体积之内常常有制造工艺导致的不均匀区域。这样的不均匀区域能够在超过超导体临界电流水平的电流浪涌期间演变成所谓的“热点”。实质上，在电流导致的失超初始阶段，由于不均匀的原因，超导体体积的一些区域变得有电阻。电阻区域将在这些不均匀区域从其关联的i²r损耗发热。如果产生的热不能充分快地传播到其周围区域和环境，局部发热将损伤超导体，可能导致整个超导体元件的破坏（烧坏）。

2003年12月16日授权的题为“Matrix-Type Superconducting FaultCurrent-limiter”，转让给本发明受让人的美国专利证No.6664875（在此通过引用将其全文并入本文）使用一种组合了全部三个超导体失超因素（即电流、磁场和温度）的机制，以实现电流限制期间超导体的更均匀失超。这种所谓的矩阵型超导故障电流限制器（MFCL）概念能够显著减小体超导材料中由于超导体体积中存在非均匀性造成的烧坏风险。此外，通过内置矩阵设计以无源方式进行MFCL电流限制阻抗的故障检测和后续激活，无需有源控制机制的辅助。这使得针对宽范围的可能电流限制应用，更容易设计、构造和操作基于MFCL概念的故障电流限制器。

利用旁路阻抗将电流从HTS元件转移到旁路阻抗，使高故障电流造成的HTS材料中的过热最小化。在某些超导故障电流限制器（SCFCL）设计中，使用了两个外部绕组（线圈），一个产生触发磁场，一个作为旁路阻抗。由于每个HTS元件使用两个线圈，造成部件（部分）数量大，增加了设计的复杂性，在可制造性、尺寸、重量、绕组和互连功率损耗以及高压设计方面存在问题。

发明内容

简而言之，在一个方面中，本发明包括超导故障电流限制器，其包括超导元件和至少一个与超导元件并联电耦合的可变阻抗旁路。超导元件被配置成至少部分以电阻或电感方式限制通过其的故障电流，至少一个可变阻抗旁路被配置成在超导元件的超导状态期间呈现第一阻抗，在超导元件从正常电阻状态恢复变换到超导状态期间呈现第二阻抗。在工作中，超导元件响应于故障电流从超导状态变换到正常电阻状态，响应于这种过程，所述至少一个可变阻抗旁路从第一阻抗变换到第二阻抗，其中第二阻抗是比第一阻抗更低的阻抗。所述至少一个可变阻抗旁路从第一阻抗变换到第二阻抗，方便了超导元件在负载下从正常电阻状态恢复变换到超导状态期间电流流经至少一个可变阻抗旁路。

在另一方面中，这里提供了一种超导故障电流限制器，其包括多个串联电连接的电流限制模块。每个电流限制模块包括至少一个超导元件，每个超导元件包括至少一个超导体段，所述超导体段被配置成通过从超导状态变换到正常电阻状态，至少部分限制通过其的故障电流。超导故障电流限制器还包括多个可变阻抗旁路。每个可变阻抗旁路与多个电流限制模块的相应电流限制模块相关联，并被配置成在故障电流期间呈现第一阻抗，在关联电流限制模块的至少一个超导元件的至少一个超导体段从正常电阻状态恢复变换到超导状态期间呈现第二阻抗。多个电流限制模块的超导体段共同通过从超导状态变换到正常电阻状态限制故障电流，响应于这种变换，所述多个可变阻抗旁路从第一阻抗变换到第二阻抗，其中第二阻抗是比第一阻抗更低的旁路阻抗。这样变换到第二阻抗有助于在相应电流限制模块的至少一个超导元件恢复变换到超导状态期间电流流经相应的可变阻抗旁路，由此有助于至少一个超导元件在负载下恢复。

在另一方面中，提供了一种制造超导故障电流限制器的方法。该方法包括并联电连接超导元件和至少一个可变阻抗旁路，所述超导元件被配置成通过从超导状态变换到正常电阻状态至少部分以电阻或电感方式限制通过其的故障电流，制造所述至少一个可变阻抗旁路以在故障电流期间呈现第一阻抗，在所述超导元件从正常电阻状态恢复变换回超导状态期间呈现第二阻抗；并且其中所述至少一个可变阻抗旁路的第二阻抗是比所述第一阻抗更低的阻抗，所述至少一个可变阻抗旁路从所述第一阻抗变换到所述第二阻抗有助于在限制故障电流之后所述超导元件从正常电阻状态变换回超导状态期间电流流经至少一个可变阻抗旁路，由此有助于所述超导元件在负载下恢复。

此外，通过本发明的技术实现了额外特征和优点。在这里详细描述了本发明的其他实施例和方面，并且所述其他实施例和方面被认为是所请求发明的一部分。

附图说明

在结束说明书时，在权利要求中具体指出并清楚主张了被视为本发明的主题。结合附图，从以下详细描述，本发明的以上和其他目的、特征和优点将显而易见，在附图中：

图1示出了根据本发明的一方面要用于超导故障电流限制器中的高温超导体段的一个实施例；

图2是根据本发明一方面的电气系统的一个实施例的示意图，所述电气系统例如是配电系统，采用一个或多个超导故障电流限制器；

图3是根据本发明的一方面的超导故障电流限制器的一种操作实施的流程图；

图4是根据本发明的一方面的矩阵型超导故障电流限制器的示意图，其中可变阻抗旁路与矩阵型超导故障电流限制器的每个电流限制模块之内的超导元件并联耦合；

图5A是根据本发明的一方面的另一种矩阵型超导故障电流限制器实施方式的部分正视图；

图5B是根据本发明的一方面图5A的矩阵型超导故障电流限制器的部分分解部分透视图；

图6A-6C示出了根据本发明的一方面，用于诸如图2所示的超导故障电流限制器的可变阻抗旁路的一个实施例；

图7A-7B示出了根据本发明的一方面，用于诸如图2所示的超导故障电流限制器的可变阻抗旁路的替代实施例；

图8A是针对软磁材料和硬磁材料绘示磁性相对于磁场强度的典型磁滞回线的曲线图；

图8B示出了非线性磁性材料，例如铁的典型磁滞回线；

图9示出了根据本发明的一方面，用于诸如图2所示的超导故障电流限制器的可变阻抗旁路的另一实施例；

图10示出了根据本发明的一方面，用于诸如图2所示的超导故障电流限制器的可变阻抗旁路的替代实施例；

图11是根据本发明的一方面超导故障电流限制器另一实施例的示意图，其中饱和控制的可变阻抗旁路与超导元件并联电连接；

图12是根据本发明的一方面超导故障电流限制器替代实施例的示意图，其中饱和控制的可变阻抗旁路和固定阻抗都与超导元件并联电连接；

图13是根据本发明的一方面超导故障电流限制器另一实施例的示意图，其中多个串联连接的可变阻抗旁路级与超导元件并联电连接；

图14是根据本发明的一方面超导故障电流限制器另一实施例的示意图，其中饱和控制器被示为包括DC饱和控制器，其控制与超导元件并联电连接的可变阻抗旁路的饱和；

图15示出了根据本发明的一方面图14的可变阻抗旁路的一个实施例，其中旁路线圈和饱和线圈都部分围绕公共的圆环形可饱和铁芯；

图16是根据本发明的一方面超导故障电流限制器替代实施例的示意图，其中饱和控制器被示为包括AC饱和控制器，其控制与超导元件并联电连接的可变阻抗旁路的饱和；

图17是根据本发明的一方面超导故障电流限制器另一实施例的示意图，其中饱和控制器被示为包括频率饱和控制器，其控制与超导元件并联电连接的可变阻抗旁路的饱和；以及

图18A-18D示出了根据本发明一方面的饱和控制布置的替代实施例，用于间接，磁场触发可变阻抗旁路可饱和铁芯的饱和，以有助于在超导元件的恢复过程期间旁路从第一阻抗变换到第二阻抗。

具体实施方式

各种在先的申请和专利都集中于用于超导故障电流限制器的失超触发机制。例如，参考美国专利证No.6809910、6958893、7283339和7440244，在此通过引用将其每个都全文并入本文。相反，本发明涉及一种超导故障电流限制器，在限制故障电流之后，在负载下超导元件的恢复得到增强。

一些超导故障电流限制器拓扑采用并联阻抗电抗来进一步限制故障电流，并在超导元件将其阻抗状态从超导状态变为正常电阻状态时允许一定量的电流流动。如果采用旁路电抗，需要高阻抗值以便增大故障限制期间的失超动力。不过，在发生故障状态之后以及在超导元件的恢复时间期间，不希望有高旁路电抗，因为它使得从正常电阻状态到超导状态的恢复过程更加困难。于是，下文描述了超导故障电流限制器，具有与其超导元件并联的可变阻抗旁路，在故障变换期间呈现高阻抗，在超导元件恢复过程期间，在故障电流失超之后，呈现出不同的更低（或最小）阻抗。

可以利用任何低温或高温超导材料采用这里描述的超导故障电流限制器。不过，优点是采用高温超导体（HTS）作为这里提出的超导故障电流限制器的超导元件之内的超导体段获得的。当今能够将这样的导体配置成响应于故障电流自我触发，亦即，基于故障电流自身的更高电流值将状态从超导状态变为正常电阻状态，以限制故障电流。在进一步描述超导故障电流限制器之前，下文参考图1描述用于超导元件（例如这里所述）的HTS超导体段。

参考图1，示出了HTS导体100的一般分层结构，根据本发明，可以将其用作超导故障电流限制器的超导元件或超导元件的一部分（例如，与多个这样的超导体段并联）。HTS导体100包括衬底110、覆盖衬底110的缓冲层111、HTS层112，继之以覆盖层114（典型为贵金属层）和稳定器层116（典型为非贵金属）。在图1中所示的实施例中，将缓冲层111、HTS层112、覆盖层114和稳定器层116统称为超导区域，如图所示，它们是沿着衬底110的一个主表面设置的。

衬底110典型为带状配置，具有高的长宽比。例如，带的宽度一般大约为2-12mm的数量级，带的长度通常至少约为100m，最典型地，大于约500m。因此，衬底可以具有相当高的长宽比，大约不小于10³，甚至不小于10⁴。某些实施例更长，长宽比为10⁵甚至更高。如这里使用的，使用术语“长宽比”表示衬底或带的长度与次长的尺度，即衬底或带的宽度之比。

在一个实施例中，处理衬底，以便具有接下来沉积HTS带的组元层希望的表面性质。例如，可以将表面轻度抛光到期望的平坦度和表面粗糙度。此外，可以处理衬底以具有现有技术中理解的双轴纹理，例如通过已知的RABiTS（辊辅助的双轴纹理衬底）技术。

转到缓冲层111，缓冲层可以是单层，或者更常见的，由几个膜构成。最典型地，缓冲层包括双轴纹理膜，其具有晶体织构，一般是沿着膜的面内和面外晶轴对准的。可以通过IBAD实现这样的双轴织构化。如现有技术中所知的，IBAD是离子束辅助沉积的缩写，可以有利地利用这种技术以形成适当织构化的缓冲层，用于接下来形成具有期望结晶取向的HTS层，实现优越的超导性。氧化镁是用于IBAD膜的典型首选材料，可以为大约50到500埃，例如50到200埃。通常，IBAD膜具有岩盐状的晶体结构，如美国专利No.6190752中定义和描述的，在此通过引用将其全文并入。

缓冲层可以包括额外的膜，例如阻挡膜，提供阻挡膜以直接接触并置于IBAD和衬底之间。就此而言，可以有利地由氧化物，例如氧化钇形成阻挡膜，并用于将衬底与IBAD膜隔离开。也可以由非氧化物，例如氮化硅和碳化硅形成阻挡膜。用于沉积阻挡膜的适当技术包括化学气相沉积和物理气相沉积，包括溅射。阻挡膜的典型厚度可以在大约100-200埃的范围之内。再者，缓冲层还可以包括IBAD膜上方形成的外延生长膜。在当前语境中，外延生长膜可用于增大IBAD膜的厚度，理想地，可以在原理上由用于IBAD层的相同材料，例如MgO制造。

在利用基于MgO的IBAD膜和/或外延膜的实施例中，存在着MgO材料和超导层材料之间的晶格失配。因此，缓冲层还可以包括另一缓冲膜，实现这个缓冲膜尤其是为了减小HTS层和下方IBAD膜和/或外延膜之间晶格常数的失配。这个缓冲膜可以由诸如YSZ（氧化钇-稳定二氧化锆）、锶钌酸盐、镧锰酸盐，以及一般地，钙钛矿结构的陶瓷材料形成。可以通过各种物理气相沉积技术沉积缓冲膜。

尽管上文在原则上集中于通过诸如IBAD的织构化过程实现缓冲堆栈（层）中双轴织构膜，或者，衬底表面自身可以是双轴织构的。在这种情况下，一般在织构衬底上外延生长缓冲层，以便保留缓冲层中的双轴织构。一种形成双轴织构衬底的过程是现有技术中一般都知道的过程，如RABiTS（辊辅助双轴织构衬底）。

高温超导体（HTS）层112通常是从在液氮温度，77°K以上表现出超导性质的任何高温超导材料中选择的。这样的材料可以包括，例如，YBa₂Cu₃O_7-x,Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O_10+y,Ti₂Ba₂Ca₂Cu₃O_10+y,和HgBa₂Ca₂Cu₃O_8+y。一类材料包括REBa₂Cu₃O_7-x,其中RE是稀土元素。在前述材料中，可以有利地使用YBa₂Cu₃O_7-x,一般也称为YBCO。HTS层112可以由各种技术的任一种形成，包括厚膜和薄膜形成技术。优选地，可以使用薄膜物理气相沉积技术，例如脉冲激光沉积（PLD）实现高沉积速率，或者可以使用化学气相沉积技术用于更低成本和更大表面面积处理。典型地，HTS层的厚度大约为1到约30微米，最典型地大约为2到约20微米，例如大约2到约10微米，以便得到与HTS层112相关联的期望电流额定值。

一般实施覆盖层114和稳定器层116是为了电气稳定化，亦即，辅助实际使用中的HTS烧坏保护。更具体而言，在冷却失效或超过临界电流密度的情况下，层114和116对电荷沿HTS导体的连续流动有帮助，HTS层从超导状态移动，变为有电阻。典型地，将贵金属用于覆盖层114，以防止稳定器层和HTS层112之间不希望有的相互作用。典型的贵金属包括金、银、铂和钯。由于其成本和常见性，通常使用银。通常将覆盖层114制造得很厚，以防止成分从稳定器层116不希望地扩散到HTS层112中，但出于成本的原因（原材料和处理成本），一般做成较薄。覆盖层114的典型厚度在大约0.1到大约10.0微米的范围中，例如0.5到大约5.0微米。可以使用各种技术沉积覆盖层114，包括物理气相沉积，例如DC磁控溅射。

根据本发明实施例的特定特征，并入了稳定器层116以覆盖超导层112，具体而言，覆盖并直接接触图1中所示实施例中的覆盖层114。稳定器层116充当保护/旁路层，以增强相对于恶劣环境条件和超导失超的稳定性。该层一般是致密的，并且导热导电，用于在超导层中故障时使电流旁路。常规上，通过利用诸如焊锡或焊剂的中间结合材料，通过向超导带上层压预先形成的铜带，来形成这样的层。其他技术集中于物理气相沉积上，典型为溅镀。不过，这样的涂敷技术成本高，对于大尺度生产活动而言经济上并不特别可行。根据实施例的特定特征，通过电镀形成稳定器层116。根据这种技术，可以使用电镀在超导带上迅速构建起厚层材料，这是成本相对较低的过程，能够有效地产生导热导电金属的致密层。根据一个特征，无需利用或依赖于且不使用中间结合层，例如熔点低于约300℃的焊锡层（包括焊剂）来沉积稳定器层。

一般通过在包含要沉积金属的离子的溶液中沉浸超导带来执行电镀（也称为电沉积）。带的表面连接到外部电源，电流通过表面传递到溶液中，导致金属离子（M^z-）与电子（e^-）反应以形成金属（M），其中：

M^z-+ze^-=M

覆盖层114充当用于在其上沉积铜的第二层。在电镀稳定器金属的特定情况下，一般在包含铜离子的溶液中，例如在硫酸铜溶液中沉浸超导带。与覆盖层114形成电接触并传递电流，使得在覆盖层114的表面上发生反应Cu²⁺+2^e-→Cu。覆盖层114充当溶液中的阴极，从而将金属离子还原成Cu金属原子并沉积在带上。另一方面，在溶液中放置含铜的阳极，在此发生氧化反应，使得铜离子进入溶液中，在阴极处发生还原并沉积。

在没有任何二次反应的情况下，在电镀期间提供给导电表面的电流与沉积的金属量成正比（法拉第电解定律）。使用这种关系，能够容易地控制形成稳定器层116的被沉积材料的质量，因此控制其厚度。

尽管前文一般参考了铜，但要指出，也可以利用其他金属，包括铝、银、金和其他导热导电的金属。不过，一般希望利用非贵金属降低形成超导带的总体材料成本。

尽管以上描述和图1描述了沿超导带一侧形成稳定器层116的电镀，但还要指出，也可以涂布超导带的相对主要侧面，实际上，可以涂布结构整体以便将其封装起来。本领域的技术人员将注意到，图1中HTS导体100的以上描述仅仅是通过举例提供的。下文论述的超导元件可以利用任何适当的超导带或体材料，而不脱离随本文提供的权利要求的范围。

图2是根据本发明一方面的电气系统200的一个实施例的示意图，电气系统例如是配电系统或网络，包括一个或多个超导故障电流限制器210。作为一个范例，电气系统为电网，其中跨过传输和/或配电线路（具有系统阻抗221）和超导故障电流限制器210向负载阻抗230供应系统电压220。超导故障电流限制器210包括超导元件240和与其并联电连接的可变阻抗旁路250。如图所示，可以任选地提供控制器260以控制可变阻抗旁路（例如）从第一更高阻抗变换到第二更低阻抗并返回，如下文进一步解释。控制器260的存在和实现取决于所采用的可变阻抗旁路的特定实施。（例如，在各种实施中，控制器260可以包括计算机实现的控制器，以及电流和/或电压传感器，用于通过可变阻抗旁路控制阻抗。）有些可变阻抗旁路将不需要控制机构，因为它们固有地被配置成响应于限制更高的故障电流从第一阻抗变换到第二阻抗。

如图所示，负载电流I_L（t）为负载阻抗230供电。在发生故障电流270时，例如短路故障电流I_F（t），由于短路，总电流I_T（t）显著增大。在这里描述的实施例中，超导故障电流限制器，尤其是超导元件240，被配置成通过从超导状态失超或变换到正常电阻状态来以电阻方式限制这种故障电流。

图3是超导故障电流限制器，例如上文结合图2所述的超导故障电流限制器的操作实施例的流程图。如图所示，超导元件通常工作于超导状态中，与其并联的可变阻抗旁路呈现第一高阻抗300。在电气系统310之内出现故障电流时，超导元件通过从超导状态变换到正常电阻状态做出响应，以通过使超导体320的失超限制电流。接下来，在超导元件的恢复过程期间，可变阻抗旁路从表现出第一高阻抗变换（或被变换）到表现第二低阻抗，以有助于电流流经旁路，因此，有助于超导元件在负载330下恢复。一旦超导元件恢复到预定义的最小电流水平（或通常通过超导元件的电流的最小百分比），可变阻抗旁路就从第二低阻抗变换回第一高阻抗340。这样确保了在超导元件完全恢复到超导状态（在限制第一故障电流之后）之前如果发生第二故障电流，可变阻抗旁路处在第一高阻抗水平。

如上所述，（根据本发明的）超导故障电流限制器至少包括一个超导元件，例如HTS元件，与可变阻抗旁路并联耦合。可变阻抗旁路（在一个实施例中）包括与超导元件并联耦合的旁路线圈，以形成超导故障电流限制器的基础结构。如下文进一步所述，可以利用若干不同方式实现旁路线圈的可变阻抗，包括旁路线圈相对于关联铁芯的机械运动，或关联铁芯的受控饱和。

在正常工作条件下，超导元件将没有电阻，于是所有电流将流经它。因此，在整个装置两端没有电压降，并联连接的可变阻抗旁路将没有电流流过。不过，一旦产生了故障电流，电流浪涌将超过超导元件的临界电流水平，导致它立即失超，于是在可变阻抗旁路两端产生充分大的电压降，导致总电流的一部分传输进入旁路中。旁路将用于限制超导体产生的电压，并将分享总的电流负载，以确保超导体不会过热，并能在一旦消除或部分消除故障时迅速返回其正常状态。有利地，控制旁路，使其阻抗在超导体从故障电流恢复过程的至少一部分期间变化。

具体而言，可变阻抗旁路从第一高阻抗水平变换到第二低阻抗水平以有助于初始恢复过程。一旦流经超导元件的恢复电流到达阈值（或阈值百分比），然后可变阻抗旁路的阻抗变换回到第一高阻抗水平。这确保了超导故障电流限制器能够处理后继故障电流，尽管超导元件尚未从第一故障电流中完全恢复（即，仅部分恢复）。在一种实施方式中，一旦通过超导元件恢复正常工作电流水平的10%-90%，可变阻抗旁路就可以变换回第一高阻抗水平。不过，根据应用，可以采用其他阈值百分比或阈值电流水平设置。

使用上述装置作为基础模块，可以将矩阵电流限制器配置成具有至少一行和至少一列这种模块，其中在每列中每个模块彼此并联耦合，每列与每个其他列串联耦合。这种超导故障电流限制器的模块化性质使其适于其连接的电源系统的高压和/或高电流工作环境。

图4示出了矩阵型超导故障电流限制器400的示范性实施例，包括“n”行和“m”列上文结合图2所述的基本电流限制器。在第1行第1列中，由串联的电阻器R₁₁和可变电感器L₁₁示出可变阻抗旁路，它们共同与超导元件RS₁₁的可变电阻并联。在第2行第1列中，由电阻器R₂₁和串联连接的可变电感L₂₁示出可变阻抗旁路，由可变电阻RS₂₁示出超导元件。在第“n”行第1列中，由和可变电感L_n，1串联的电阻器R_n，1和超导元件示出可变阻抗旁路，由可变电阻RS_n,1示出超导元件。对应地，在第“n”行第“m”列中，由和可变电感L_n，m串联的电阻器R_n，m表示可变阻抗旁路，由可变电阻RS_n，m表示超导元件。

从基本故障电流限制器的这种配置逻辑上可知，矩阵故障电流限制器可以是高度模块化和可缩放的，因此设计超导故障电流限制器组件并确定其尺寸以适应各种故障电流限制应用的要求。这种矩阵型超导故障电流限制器的模块化性质使其非常适于其连接的电源系统的高电压和/或高电流工作要求。对于高压应用而言，在矩阵组件的多个列之间分配总电压，这显著简化了矩阵型超导故障电流限制器的电介质设计，以满足各种高压绝缘要求。此外，可以使用不同数量行和列的组合解决既有高电压高电流工作要求，又有不同电流限制要求的应用。

接下来描述结合了矩阵型超导故障电流限制器的电力系统的运行。如上所述，使用旁路限制在其失超之后可能在每个超导元件两端形成的最大电压降。故障电流的一部分将从超导元件被分流到旁路中，从而减少超导元件中以i²r损耗的形式产生的热，针对超导元件的潜在热损伤和机械损伤进行保护。这还改善了超导元件的热恢复，因此改善了一旦消除故障后故障电流限制器的恢复时间，因为发展的电压受到旁路限制，旁路还限制其失超和后续状态期间超导元件的温度升高。有利地，根据本发明，旁路为可变阻抗旁路，控制通过旁路的阻抗，使得在限制故障电流之后，超导元件的恢复阶段期间存在低阻抗。这样通过在超导元件恢复时使更大部分的电流转向通过旁路，使得超导元件能够在负载下更好恢复。

在图4中所示的矩阵配置中，组合式超导体临界电流水平对应于正常工作期间故障电流限制器400的“n”行数，被设计成不小于标称AC工作电流峰值加上电力系统需要的任何过电流容量。每行故障电流限制器中的故障电流限制器模块将负责这一整个系统电流的1/n。在每个故障电流限制器之内，可变阻抗旁路被设计成在正常工作条件期间具有高阻抗，在超导元件恢复过程期间具有低阻抗。这种低阻抗被设计成显著低于超导元件的失超电阻，从而通过可变阻抗旁路引导电流，由此允许超导元件更容易在负载下恢复。如上所述，在电源系统正常工作期间，故障电流限制器不呈现电阻，因为系统电流低于其临界电流水平，导致故障电流限制器两端没有电压降。因此，没有电流转向到可变阻抗旁路中，于是，在正常工作期间可变阻抗旁路中将不产生功率损失。

当电力系统中发生故障时，流经矩阵型超导故障电流限制器的浪涌电流增大到正常工作电流的几倍。因此，超导元件将开始从超导状态变换到正常电阻状态，也称为“失超”。超导元件在这种失超状态中产生的电阻或电感将导致超导元件两端产生电压。这个电压然后将通过可变阻抗旁路产生电流，因为它们与超导元件是并联电耦合的。一旦开始失超，超导元件之内的后继i2r发热对失超过程有贡献。电流浪涌和温度升高一起用于促进超导元件的快速均匀失超并防止由于材料缺陷而烧坏。矩阵型超导故障电流限制器的模块性在设计中提供了内置的冗余性，使得故障电流限制器中的任何个体超导体（或超导元件）不会导致整个装置的故障。

在恢复过程期间可变阻抗旁路从第一高阻抗水平变换到第二低阻抗水平通过临时通过可变阻抗旁路暂时分流系统之内的电流促进个体超导元件的恢复，以允许连续向负载传输电流，同时促进超导元件恢复到超导状态。根据实施，在恢复过程期间的某个定义点，例如，一旦通过超导元件的电流达到定义的水平，就使可变阻抗旁路的阻抗返回到正常工作阻抗，亦即，禁止电流通过旁路的更高阻抗。

这种结构的益处很多。例如，在矩阵型超导故障电流限制器正常工作期间，有可以忽略的i²r损耗，电流限制器对系统正常工作将没有影响。图4中所示和上文所述的实施方式本质上是模块化的，以容易缩放和制造，因为可以将基本故障电流限制器布置成“n”行דm”列矩阵配置，以适应各种应用要求。此外，采用可变阻抗旁路以改善限制故障电流之后的恢复过程，由此能够在负载下更快返回到超导状态。根据实施方式，可以将这里描述的矩阵型超导故障电流限制器配置成执行电流限制功能而无需有源故障感测和限制控制机构。

图5A和5B中示出了矩阵型超导故障电流限制器的一种实际实施方式。在本范例中，每个电流限制模块（或列）采用单个与至少一个超导元件并联的可变阻抗旁路，每个超导元件包括多个超导体段。

首先参考图5A，呈现了矩阵型超导故障电流限制器，其中在这种配置中，电流限制模块500（例如包括一列图4矩阵范例中的故障电流限制器）包括一个或多个串联电连接的超导元件510，每个超导元件包括多个超导体，例如与可变阻抗旁路510并联耦合的多层超导带。这些电流限制模块串联连接于第一基本连接件A和第二基本连接件B之间。根据特定实施方式的高电压和高电流工作要求和不同的电流限制要求，每个电流限制模块500之内的超导体的尺寸、配置和数量可以变化。在一个范例中，每个超导体层（或带）包括HTS导体。

图5B示出了图5A中部分示出的矩阵型超导故障电流限制器的部分分解截面图。在这一实施例中，串联连接在基本接触件A和B之间的个体故障电流限制器模块500是从容器530中分解显示出的，容器530的尺寸适于容纳矩阵。例如，在容器530之内适当位置示出了单个电流限制模块500。如图所示，电力线531、532经由通往矩阵的基本连接件A&B连接到矩阵540。在这种实施方式中，示出了单相故障电流限制结构。在三相实施例中，每相将具有诸如图示的故障电流限制结构。或者，可以重新配置容器，使得针对三相实施方式每一相的故障电流限制结构包含在单个容器之内。在工作中，通过容器泵送冷却剂，例如液氮，以确保超导元件保持在有助于建立并维持在超导状态中的温度。这里描述的超导故障电流限制器利用个体超导元件从超导状态失超到正常电阻状态，以电阻或电感方式限制故障电流。这种电阻或电感限制导致容器之内的温度升高，在通过容器泵送液氮时，消除温度升高。

本领域的技术人员将从以上论述注意到，图5A和5B的具体实施例仅仅是这里给出的矩阵型超导故障电流限制器的一个范例。更一般地，这些图中示出的多个串联故障电流限制模块可以被实现为与单个可变阻抗旁路并联的单个超导元件。根据所述的故障电流限制实施方式，超导体（或超导元件）的数量和可变阻抗旁路的数量可以变化。

图6A-18D示出了根据本发明的故障电流限制器（或其可变阻抗旁路）的各种实施方式。首先，参考图6A-7B，描述了一种机械控制的可变阻抗旁路，其余图呈现出饱和控制的可变阻抗旁路的各种实施例，其中任何一种都可以用于根据本发明的故障电流限制器中。

首先参考图6A-6C，示出了可变阻抗旁路的一个实施例，包括圆柱形铁芯600，其中缠绕螺旋形线圈610以围绕铁芯的至少一部分。在铁芯的帮助下利用不同的技术获得可变阻抗，假设铁芯具有比空气更大的磁导率。在工作中，通常假设铁芯600在螺旋形线圈610之内静止不动，从一开始就具有高阻抗值，该高阻抗值基于铁芯材料和所用线圈的磁导率。在发生故障电流时，如图所示共轴设置的铁芯600和线圈610被分开；例如，采用对超导元件导致的故障电流失超做出响应的机械致动器（未示出）。在图6B和6C中示出了这种运动，其中在铁芯600和线圈610分开时，阻抗持续变低。

在另一种方式中，在没有故障电流的情况下，可以将铁芯设置于线圈外部并静止不动。响应于故障电流，可以使铁芯和线圈发生转移，使得铁芯至少部分在线圈之内。在这种方法中，设计线圈和铁芯，使得铁芯被吸引到线圈中心，根据铁芯材料的磁导率增大电抗值，实现对故障的更大限制。在故障结束时，从线圈机械去除铁芯，例如，通过弹簧的激励，或通过其自身由于重力导致的重量。这些力的任一个都应该比故障之后的磁力更大，但小于故障状态期间的磁耦合力，以便可以将铁芯吸引到线圈中。

在图6A-6C的实施例中，铁芯在其静止正常工作位置期间处于线圈之内，在到达旁路的更低阻抗的恢复过程期间移出，在超导元件返回到超导状态时，铁芯移回线圈之内。通过减小旁路绕组的电抗，更多电流将流经旁路，更少通过超导元件，由此有助于超导元件的恢复过程。于是，无论在线圈之内或线圈外部在正常工作期间采用铁芯，取消原则都是相同的。在故障状态期间旁路呈现出大阻抗，在超导元件恢复过程期间旁路呈现出更低阻抗。

可以由不同的配置和材料制造可变阻抗旁路的线圈和铁芯以提高性能。例如，可以使用锥形形状，其中线圈和铁芯都做成锥形的直径。还可以将分裂线圈和/或分裂铁芯用于同样或相反方向的绕组。如果沿相同方向缠绕线圈，在它们沿着同一轴紧密放置时，它们将耦合由两个线圈产生的磁场。通过这种技术，可以在很大程度上增强线圈的磁场、电感和总阻抗。在这种配置中，也可以使用弹簧来减小在中间相会的两个铁芯的力，如图7A所示。

在图7A中，第一线圈710围绕第一铁芯700，第二线圈711围绕第二铁芯701，铁芯710、711和铁芯700、701被类似地配置并彼此相邻地共轴设置。如上所述，可以在不同模式中使用铁芯和线圈。例如，铁芯与线圈的定位可以使得在超导故障电流限制器正常超导状态工作期间，铁芯完全位于线圈内部，部分位于线圈内部或完全在线圈外部，但在所有情况下，在限制故障状态以降低其阻抗之后，铁芯移动离开线圈，由此促进了超导元件在负载下的恢复过程。

在图7A和7B的实施例中，沿着公共轴对准线圈和铁芯，以进一步耦合周围的任何磁场。磁场和电感的这种耦合将随着对准以及它们之间形成的所得间隔和角度而变化。在发生故障时，在一个实施例中，由于铁芯和绕组之间的吸引，将铁芯移动到线圈内部。可以由线圈绕组的方向确定吸引方向。利用用作弹簧的弹性材料，可以借助于弹力平稳地停止它们。在铁芯位于内部时，它们呈现出更高阻抗，反之亦然。

也可以利用一个或多个静止线圈和一个或多个静止铁芯实现可变旁路电抗（或阻抗）。图8A示出了软磁材料和硬磁材料的典型磁滞回线，而图8B示出了非线性材料，例如铁的典型磁滞回线。在磁滞回线图中，与y轴上的磁通密度相交的线表示剩磁（或更一般地，顽磁性），并被表示为“Br”。这是在施加的磁场强度为零时，饱和之后的磁通密度值。通过相同的方式，其中与x轴上的磁场强度H相交的磁滞线称为矫顽磁性，表示为“Hc”。这个值对应于磁通密度为零的磁场强度。因为B/H线不是线性增大的，所以在H值越来越大之后，材料呈现为饱和。因此，对于增大所施加的磁场强度水平，有效磁导率的任何减小或B-H曲线斜率的减小被称为饱和。

期望具有更锐利磁滞曲线的软材料能避免饱和与反向饱和时间的延迟。不过，可以为系统设计有更硬的饱和曲线，以人为延长饱和时间。对于多种故障序列情形而言这是有用的，其中相继的故障非常接近，时间不足以让超导元件恢复，于是，旁路的可变阻抗应在更长时间内保持很低。软材料具有纤细的回线，容易磁化和去磁化，因为它们具有高磁导率。可以利用具有锐利磁滞回线的材料将饱和时间减少到几纳秒。如果饱和时间过大，由于电路施加的dV/dt和dI/dt不够大，改变铁芯的截面将减小或增大饱和时间。如果饱和时间过大，可以使用多个铁芯，反之亦然。

在诸如实现这里所述的饱和控制的可变阻抗旁路时可以使用不同的铁芯形状。在图9中，示出了圆环形饱和铁芯900，绕着圆环形饱和铁芯部分缠绕着旁路线圈910。在图10中，采用一对静止圆环形饱和铁芯1000、1001，在两个饱和铁芯1000、1001的一部分上都缠绕单个旁路线圈1010。可以利用单层导线或多层绕组来做出这些配置中采用的旁路线圈，以实现更大的电感。

如下文所述，可以采用多个串联连接的旁路级来引入饱和中的延迟。因此，串联的旁路级支配着电路中每个相应铁芯的饱和速率。不过，如果电流足够大，在故障电流事件期间发生时，饱和延迟将不会引人注目，因为旁路线圈将表现出更高的dI/dt速率，还导致更长时间段的饱和以及饱和之后更长的微分剩余电压拖尾。

磁场的大小差异（以及因此其消除）引人注目，电感的减小也引人注目，它被成比例地消除。为了实现高低阻抗之间更大的范围，在铁芯饱和时，低电感值是合乎需要的。因此，对于移除了铁芯的设计而言，低电感值也是合乎需要的。为此目的，可以使用宽度宽且厚度小的导体条来实现低的无铁芯电感或饱和铁芯电感，其截面尺寸适于流经其的所需电流。

静止线圈和铁芯的阻抗大小将随着铁芯的饱和从高阻抗变为低阻抗。这种减小的阻抗将能够使超导元件更快地恢复。在铁芯材料的饱和点期间维持低阻抗。

在饱和时，在将铁芯拿出线圈外部时，如图6A-6C的范例中所述，旁路的阻抗大小相当于铁芯周围线圈的空气芯阻抗。

图11示出了系统，例如电网系统中连接的用于限制故障电流的超导故障电流限制器1100的一个实施例。超导故障电流限制器1100包括超导元件1110和饱和控制的可变阻抗旁路1120。在本范例中，饱和控制的可变阻抗旁路1120包括旁路线圈和可饱和铁芯，例如上文所述的铁芯。可以修改图11的故障电流限制器以包括固定阻抗Z1，例如在图12的超导故障电流限制器1200中所示。在这一实施例中，再次假设超导故障电流限制器1200连接于系统之内，用于限制故障电流。电流限制器包括超导元件1210和与超导元件并联的饱和控制的可变阻抗旁路1220。如图所示，固定阻抗Z11230也与超导元件并联，并通过超导故障电流限制器提供已知的最低阻抗。

在另一实施例中，可以跨过超导故障电流限制器，例如图13所示的超导故障电流限制器的超导元件并联连接不同的串联可变阻抗旁路级，每个级都被配置为具有与其并联的固定阻抗的上述饱和控制的可变阻抗旁路。在这一实施例中，超导故障电流限制器1300被示为包括四个串联连接的饱和控制的可变阻抗旁路级1320，每个级1320都具有并联连接的对应固定阻抗Z1，Z2，Z3和Z4。通过如图所示串联连接多个可变阻抗旁路级，能够容易地匹配任何期望的阻抗分布。整个串联连接电路在任何时刻都将呈现出作为不同级的饱和（或未饱和）铁芯的函数的等效阻抗大小。基于匝数和所选铁芯材料的性质，可以由本领域的技术人员按需调节饱和时间。

图14示出了根据本发明一方面的超导故障电流限制器1400的另一变化。如图所示，超导故障电流限制器1400包括超导元件1410以及与其并联耦合的可变阻抗旁路1420。在这一实施例中，通过流经DC线圈的可变直流电流控制可变阻抗旁路1420，定位DC线圈以控制至少部分被旁路线圈围绕的铁芯。饱和控制器1460控制通过DC线圈馈送的直流电流的量，从而控制铁芯的饱和。尽管在超导故障电流限制器1400之内示出，但控制器1460（在一种实施方式中）位于包含超导故障电流限制器的容器外部。可以采用电流或电压感测来感测故障电流的存在，并控制可变阻抗旁路的铁芯往返于饱和状态的变换，从而控制旁路阻抗从第一高阻抗到第二低阻抗的变换并返回，如这里所述。

可以通过不同方式，例如利用可变阻抗，或控制固态输出电源的开关，来实现可变的控制电流。这种可饱和的拓扑将允许对流经旁路线圈的交流电流进行比例控制。为简单起见，在图14中（以及图16中），示出了可变电阻器。在存在故障电流时，将线圈和铁芯设计成具有高阻抗，使得它们不饱和。在故障期间或故障持续时间之后的任何时刻，铁芯可能会饱和，以切换通过旁路的能量，这将示出比在该点的超导元件更低的阻抗。

图15示出了故障电流限制器，例如图14中所示的故障电流限制器的一种实施方式。在这种实施方式中，圆环形铁芯被旁路线圈1510部分围绕，并被故障电流限制器的可变阻抗旁路的DC线圈1520部分围绕。如下文进一步所述，这代表很多控制铁芯饱和，因此控制通过旁路线圈的阻抗的可能配置的一种配置。

为了控制饱和，可变阻抗旁路的设计应当考虑由于故障电流状态造成的通过旁路线圈电流增大导致的磁场强度增大。故障期间电流的这种增大还可能使铁芯自身饱和（如上所述），亦即，施加大电流的结果是，磁场强度变得大到足以使铁芯饱和。因此，为了能够控制饱和，故障条件期间旁路线圈中电流的增加不应支配线圈的饱和。于是，旁路线圈应当具有比饱和线圈显著更小的电感值和/或控制饱和的电流应当可以与流经旁路线圈的故障电流可比或更高。因此，饱和线圈产生的磁场强度应当始终大于旁路线圈产生的场强，由此能够控制饱和过程。

如图16所示，在一个替代实施例中，超导故障电流限制器1600可以包括可变阻抗旁路1620，与超导元件1610并联连接并通过AC饱和控制器1660控制。在这种方法中，利用AC线圈替代图14实施例的DC线圈，采用AC电流大小在故障恢复过程中的期望点人为地使铁芯饱和。

除了上述饱和现象之外，特定铁磁材料的磁导率也可能受到频率的严重影响。这样的材料在比其他频率高的频率呈现出显著更低的磁导率。可以将这用作AC饱和控制，其中可以通过增加在侧面之一（或沿着铁芯长度）施加到其上的AC电流大小来使铁芯饱和，AC线圈缠绕在铁芯周围。在图17中，图示的超导故障电流限制器1700包括可变阻抗旁路1720，与超导元件1710并联电连接，并受到可变频率控制器1760的控制以在故障恢复过程中的期望点使铁芯饱和。

注意，图14-17的任一种设计可以用于包括两个或更多可变可饱和电抗（可变阻抗旁路）的故障电流限制器，如图13所示，有或者没有并联的固定电抗。

可饱和铁芯的饱和还可以伴随有施加线圈产生的间接磁场，线圈未必缠绕在由旁路线圈部分围绕的可饱和线圈上。无论开始饱和的饱和线圈缠绕在铁芯周围（如上所述）还是在铁芯之外，无论是否缠绕在另一铁芯周围，都可以使用上文论述的所有可饱和选择，以产生必要的磁场，以开始可变阻抗旁路的饱和。也可以利用任何动磁铁或可控外部磁场施加外部磁场来实现这个目的。铁芯可以是直的或具有类似于圆环形配置的形状。可以将可饱和线圈和旁路线圈放置成无限不同组合和位置及形状，以实现旁路线圈围绕的铁芯之内饱和的间接触发。例如，在图18A-18D中示出了这些组合的一些。

在图18A中，第一铁芯1800被旁路线圈1810部分围绕，第二铁芯1801被饱和线圈1811部分围绕，如上文结合图14-17所述受到控制。在图18B中，圆柱形铁芯1800′被旁路线圈1810′部分围绕，通过饱和线圈1811′建立磁场，从而间接控制饱和。在图18C中，圆环形铁芯1800被旁路线圈1810部分围绕，由饱和线圈1811″控制饱和，饱和线圈1811″被视为通过圆环形铁芯1800。在图18D中，圆环形铁芯1800和旁路线圈1810被饱和线圈1811′包封。

尽管这里将可变阻抗旁路描述为与可变电感器相关，但所述可变阻抗涉及通过其可以改变阻抗的三种可能方式的任一种，亦即，改变旁路的电阻、电感和/或电容值。当前存在大量具有电阻、电感和电容部件的可变阻抗设计。尽管本方面描述了一些可变电感替代方案，但也可以采用任何可变电阻或电容阻抗。可以将可变阻抗旁路分成组以匹配阻抗斜率，如这里利用饱和电感负载所述。因此，给出的概念涉及使用与超导元件并联的任何可变阻抗旁路，（如这里所述）超导元件要用于任何拓扑的超导故障电流限制器中。如这里使用的，可以采用任何可变电容器、电感器或电阻器设计，这会增强所给出装置的动力。而且，可以使用叠层铁芯，厚度相当于电流频率的趋肤深度，以避免任何电流损耗。

此外，可以在具有例如计算机可用介质的制品（例如，一个或多个计算机程序产品）中包括本发明的一个或多个控制方面。介质中具有例如计算机可读程序代码段或逻辑（例如指令、代码、命令等），以提供并促进本发明的能力。可以包括制品作为计算机系统的一部分，或者单独销售。

结合本发明一个或多个控制方面的制品或计算机程序产品的一个范例包括，例如一种或多种计算机可读介质，以在其上存储计算机可读程序代码段或逻辑，从而提供并促成本发明的一个或多个方面。该介质可以是电子的、磁性的、光学的、电磁的、红外的或超导体系统（或设备或装置）或传播介质。计算机可读介质的范例包括超导体或固态存储器、磁带、可移除计算机盘、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、刚性磁盘和光盘。光盘的范例包括紧致盘–只读存储器（CD-ROM）、紧致盘–读/写（CD-R/W）和DVD。

由一个或多个计算机可读程序代码段或逻辑定义的程序指令序列或一个或多个相互有关的模块的逻辑组件指导本发明一个或多个控制方面的执行。

尽管上文描述了各种实施例，但这些仅仅是范例。

此外，可以使用适于存储和/或执行程序代码的数据处理系统，其包括至少一个处理器，通过系统总线直接或间接耦合到存储元件。存储元件包括，例如在实际执行程序代码期间采用的局部存储器、大容量存储器和高速缓冲存储器，提供至少一些程序代码的暂时存储，以便减少执行期间必须从大容量存储器检索代码的次数。

可以直接或通过居间的I/O控制器将输入/输出或I/O装置（包括，但不限于键盘、显示器、定点装置、DASD、磁带、CD、DVD、拇指驱动器和其他存储介质等）耦合到系统。网络适配器也可以耦合到系统以使数据处理系统能够变为通过居间的私有或公共网络耦合到其他数据处理系统或远程打印机或存储装置。调制调解器、电缆调制解调器和以太网卡仅仅是一些现有类型的网络适配器。

可以在软件、固件、硬件或其一些组合中实现本发明一个或多个控制方面的能力。可以提供至少一种机器可读的程序存储装置，包含可以由机器执行的至少一个指令程序以执行本发明的能力。

这里描绘的流程图仅仅是一个范例。这里所述的这幅图或步骤（或操作）可以有很多变化而不脱离本发明的精神。例如，可以按照不同次序执行某些步骤，或者可以增加、删除或修改步骤。所有这些变化都被视为所请求的发明一部分。

尽管这里已经详细示出并描述了实施例，但对于相关领域中技术人员而言，显然，可以做出各种修改、增加、替换等而不脱离本发明的精神，因此这些被认为处于以下权利要求中定义的本发明范围之内。

Claims (22)

1.一种超导故障电流限制器，包括：

超导元件，所述超导元件被配置成至少部分以电阻或电感方式限制通过其中的故障电流；以及

与所述超导元件并联电耦合的至少一个可变阻抗旁路，所述至少一个可变阻抗旁路被配置成在所述超导元件的超导状态期间呈现第一阻抗，在所述超导元件从正常电阻状态恢复变换到所述超导状态期间呈现第二阻抗，所述超导元件响应于故障电流从所述超导状态变换到所述正常电阻状态，响应于这种变换，所述至少一个可变阻抗旁路从所述第一阻抗变换到所述第二阻抗，所述至少一个可变阻抗旁路的所述第二阻抗是比所述第一阻抗更低的阻抗，所述至少一个可变阻抗旁路从所述第一阻抗变换到所述第二阻抗有助于电流在所述超导元件从正常电阻状态恢复变换到所述超导状态期间流经所述至少一个可变阻抗旁路，由此有助于所述超导元件在负载下恢复。

2.根据权利要求1所述的超导故障电流限制器，其中所述至少一个可变阻抗旁路响应于所述超导元件至少部分从受限故障电流恢复而随后从所述第二阻抗变换到所述第一阻抗，所述至少部分恢复包括在所述超导元件从正常电阻状态变换回到超导状态期间达到流经所述超导元件的阈值电流。

3.根据权利要求1所述的超导故障电流限制器，其中所述至少一个可变阻抗旁路包括至少一个被配置成至少部分围绕至少一个铁芯的可变阻抗旁路，并且其中所述至少一个可变阻抗旁路线圈和所述至少一个铁芯共轴对准并且能够相对于彼此运动，从而有助于改变通过所述至少一个可变阻抗旁路线圈的阻抗，所述超导故障电流限制器还包括控制器，用于控制所述至少一个铁芯相对于所述至少一个可变阻抗旁路线圈的位置，从而有助于所述至少一个可变阻抗旁路的阻抗在所述第一阻抗和所述第二阻抗之间变换。

4.根据权利要求3所述的超导故障电流限制器，其中所述至少一个可变阻抗旁路包括多个被配置成至少部分围绕多个铁芯的可变阻抗旁路线圈，每个可变阻抗旁路线圈被配置成至少部分围绕所述多个铁芯中的相应铁芯，并且其中所述控制器控制每个铁芯相对于其相应的可变阻抗旁路线圈的位置，从而有助于所述至少一个可变阻抗旁路的阻抗在所述第一阻抗和所述第二阻抗之间变换。

5.根据权利要求1所述的超导故障电流限制器，其中所述至少一个可变阻抗旁路包括至少一个可变阻抗旁路线圈，所述可变阻抗旁路线圈至少部分围绕至少一个可饱和铁芯，其中随着所述至少一个可饱和铁芯的饱和，通过所述至少一个可变阻抗旁路线圈的阻抗从所述第一阻抗变换到所述第二阻抗。

6.根据权利要求5所述的超导故障电流限制器，其中每个可变阻抗旁路线圈至少部分围绕多个可饱和铁芯。

7.根据权利要求5所述的超导故障电流限制器，还包括与所述超导元件和所述至少一个可变阻抗旁路并联电耦合的固定阻抗，所述固定阻抗确保与所述超导元件并联的最低阻抗。

8.根据权利要求5所述的超导故障电流限制器，还包括与所述超导元件并联电耦合的多个串联连接可变阻抗旁路，所述多个串联连接可变阻抗旁路中的每个可变阻抗旁路包括至少部分围绕相应可饱和铁芯的可变阻抗旁路线圈。

9.根据权利要求8所述的超导故障电流限制器，其中所述多个串联连接可变阻抗旁路中的每个可变阻抗旁路还包括与所述可变阻抗旁路线圈并联的相应固定阻抗，其中所述多个串联连接可变阻抗旁路中的至少两个可饱和铁芯包括不同的饱和特性。

10.根据权利要求5所述的超导故障电流限制器，还包括饱和控制器，用于主动控制至少部分由所述至少一个可变阻抗旁路线圈围绕的所述至少一个可饱和铁芯的饱和，从而有助于所述至少一个可变阻抗旁路从所述第一阻抗变换到所述第二阻抗。

11.根据权利要求10所述的超导故障电流限制器，其中所述饱和控制器包括DC饱和控制器、AC饱和控制器或频率饱和控制器中的一个。

12.根据权利要求10所述的超导故障电流限制器，其中所述饱和控制器包括永磁体或饱和线圈中的一个，所述永磁体被设置成选择性地磁耦合到所述至少一个可饱和铁芯，以控制所述至少一个可饱和铁芯的饱和，所述饱和线圈被设置成在电流流经其中时磁耦合到所述至少一个可饱和铁芯，以控制所述至少一个可饱和铁芯的饱和，由此有助于所述至少一个可变阻抗旁路从所述第一阻抗变换到所述第二阻抗。

13.根据权利要求12所述的超导故障电流限制器，其中所述饱和控制器包括所述饱和线圈，所述饱和线圈至少部分围绕所述至少一个可饱和铁芯。

14.根据权利要求12所述的超导故障电流限制器，其中所述饱和控制器包括所述饱和线圈，所述饱和线圈被设置成与所述至少一个可饱和铁芯相邻但并不围绕所述至少一个可饱和铁芯。

15.根据权利要求14所述的超导故障电流限制器，其中所述饱和线圈围绕所述至少一个至少部分围绕所述至少一个可饱和铁芯的可变阻抗旁路线圈，或者至少部分通过所述至少一个可饱和铁芯。

16.根据权利要求1所述的超导故障电流限制器，还包括多个超导元件，所述多个超导元件串联连接并且被配置成以电阻或电感方式限制故障电流，其中每个超导元件包括多个并联耦合的超导体段。

17.一种超导故障电流限制器，包括：

多个串联电连接的电流限制模块，每个电流限制模块包括至少一个超导元件，每个超导元件包括至少一个超导体段，所述超导体段被配置成通过从超导状态变换到正常电阻状态而至少部分限制流过其的故障电流；以及

多个可变阻抗旁路，每个可变阻抗旁路与所述多个电流限制模块中的相应电流限制模块相关联，每个可变阻抗旁路被配置成在故障电流期间呈现第一阻抗，在相关联的电流限制模块的所述至少一个超导元件的所述至少一个超导体段从正常电阻状态恢复变换到超导状态期间呈现第二阻抗，其中所述多个电流限制模块的超导体段一起通过从所述超导状态变换到正常电阻状态使故障电流失超，并且作为其响应，所述多个可变阻抗旁路从所述第一阻抗变换到所述第二阻抗，所述第二阻抗是比所述第一阻抗低的旁路阻抗，有助于在所述相应电流限制模块的至少一个超导元件从正常电阻状态恢复变换到超导状态期间电流通过其流动，由此有助于所述至少一个超导元件在负载下恢复。

18.根据权利要求17所述的超导故障电流限制器，其中每个超导元件包括并联电连接的多个超导体段。

19.根据权利要求17所述的超导故障电流限制器，其中每个电流限制模块包括至少一个串联电连接的超导元件，每个超导元件包括多个并联电连接的超导体段。

20.根据权利要求17所述的超导故障电流限制器，其中每个可变阻抗旁路响应于所述相关联的电流限制模块之内的所述至少一个超导元件的至少一个超导体段至少部分从所述故障电流恢复而从所述第二阻抗变换到所述第一阻抗，所述至少部分恢复包括在所述至少一个超导体段从其正常电阻状态变换到负载下的超导状态期间达到通过所述至少一个超导体段的阈值电流。

21.一种制造超导故障电流限制器的方法，包括：

并联电连接超导元件和至少一个可变阻抗旁路，所述超导元件被配置成通过从超导状态变换到正常电阻状态而至少部分以电阻或电感方式限制通过其的故障电流，制造所述至少一个可变阻抗旁路以在故障电流期间呈现第一阻抗，在所述超导元件从正常电阻状态恢复变换回超导状态期间呈现第二阻抗；并且

其中所述至少一个可变阻抗旁路的所述第二阻抗是比所述第一阻抗更低的阻抗，所述至少一个可变阻抗旁路从所述第一阻抗变换到所述第二阻抗有助于在限制故障电流之后所述超导元件从正常电阻状态变换回超导状态期间电流流经所述至少一个可变阻抗旁路，由此有助于所述超导元件在负载下恢复。

22.根据权利要求21所述的方法，其中所述至少一个可变阻抗旁路被制造成接下来响应于所述超导元件至少部分从所述故障电流恢复而从所述第二阻抗变换回所述第一阻抗，所述至少部分恢复包括在所述超导元件从其正常电阻状态变换到负载下的超导状态期间达到流经所述超导元件的阈值电流。

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