CN102956809B - 双面ybco薄膜结构的超导限流器单元模块 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双面YBCO薄膜结构的超导限流器单元模块，由双面YBCO薄膜和分流电阻组成。双面YBCO薄膜是超导限流器的主体，YBCO薄膜双面多层的结构提高了限流器空间设计的灵活性和集成度；双面多层的结构具有独特的热学特性和电磁特性能提高限流器的关断特性。本发明适用于多模块的串联工作，其整体结构能承受更高的电流和电压等级，并且各个模块自主协同工作，可以实现快速、有效地限制故障短路电流。
Description
技术领域
本发明涉及超导开关元件，尤其是电阻型超导故障电流限流器技术领域。
背景技术
随着经济和社会的发展，电力需求不断增长；同时电网的容量不断扩大。电力系统容量和并网输电的日益增加，电网的潜在短路功率和故障短路电流也随之增大，对电网中各种电器设备的潜在短路电流冲击也越来越高，因此要求在线设备的抗大电流冲击的能力要求越来越高，这给电力系统的建设和运行带来了一系列的问题。更换大容量的断路器，提高电网的安全性，将大大增加成本；更为重要的是现有的断路器限流等级有限，若断路电流超过开断极限，只能被迫利用其他分化系统传输方法。在电网中安装故障限流器，是限制故障断路电流、降低断路器开断容量的有效措施。引入限流器，由于降低了短路电流的水平，可充分利用已有的低压断路器装置，因此避免了低压断路器升级的迫切要求。由于降低了短路电流的水平，亦大大降低了短路瞬间故障电流对整个系统以及所有在线设备的冲击。在目前现有的限流设备中高温超导限流器被认为是最有效的电力短路电流限制设备。
高温超导限流器根据其结构特点可以分为电阻型、电抗型、变压器型和饱和铁芯型等，其中电阻型限流器直接利用超导-正常态转变的电阻特性，来限制电力系统中的故障时的短路电流；它可以自动地将故障检测、限流集于一身，具有低损耗、自动触发、自动复位、可多次动作等特点；相较于其他类型的限流器，电阻型的限流器结构简单、体积更小、制作成本较低，被认为是最有大规模推广意义的限流设备。
目前制作超导限流器的材料有带材、块材、薄膜等，无论选择哪一种材料，单模块的限流器承受的电压和电流等级都有限。解决的办法是，通过并联连接来提高电流等级，通过串联来提高承压等级；多模块连接组装成符合电力标准的超导限流器装置。超导限流元件的开断速度一般要求快速和均匀，但是组装和集成的电阻型限流器中，很难做到在短时间内整体失超，如果开断性不是沿超导体长度方向均匀形成的，而只是局部的话，不能有效地把电流转到分流电阻上，从而使超导体上的热点持续发展并导致导体破坏。为避免限流器件的破坏，这些局部的热点必须通过热传导迅速扩散到整个平面，或者与外界的低温环境进行热交换，将热量散发到导体外部；后者对超导限流器工作的低温环境有很高的要求，而且大量的热耗散会降低限流器的关断电阻，限流电路中会有很大的残余电流。快速有效的关断性能，一直是设计和制作高性能的电阻型超导限流器考虑的重点和难点。
发明内容
鉴于以上陈述的已有方案的不足，本发明旨在提供一种双面YBCO薄膜结构的超导限流器单元模块，并使之具有更为良好的高温超导限流器的工作电流和关断性能。
为了实现上述目的，本发明的技术解决方案是：适合于多模的串联协同于液氮温区工作的双面YBCO薄膜结构的超导限流器单元模块。由分流电阻、非线性电阻双面结构的YBCO薄膜材料限流器的主体和铜电极构成；分流电阻与双面结构的YBCO薄膜材料限流器的主体并联设置在铜电极上；所述YBCO双面薄膜为是Au/YBCO/MgO/YBCO/Au的双面多层结构。
采用本发明，由于双面结构的YBCO薄膜具有独特的热学特性和电磁特性，采用双面的导电层并联载流，可以提高超导限流器单元模块的通流能力；MgO是一种良好的导热材料，MgO基底层作为热媒介时，在超导层之间存在良好的热交换。这样的超导限流器在正常工作态下，由于超导层间有电、磁、热场的耦合，限流器对短路电流具有更高的敏感度；关断时双面超导层之间电、磁、热场耦合的实际效果是重新平衡热场分布和临界电流密度分布，使一个单元的超导限流器快速、均与地断开。
高温超导限流器工作在液氮温区(77K)，根据液氮的沸腾工况，双面结构的YBCO薄膜具有比单面的薄膜更强的热力学惰性，限流器断开后会长时间地保持正常态，如果串联的多个限流器模块不能同时断开，电路中有残余的短路电流会使超导薄膜持续地升温，甚至超过最高耐温值烧蚀超导材料。针对这样的问题，本发明在超导薄膜的两端并联分流电阻，构成一个单元的超导限流器模块。这样的有益效果是，在一个单元模块中可以分流保护超导薄膜，除此之外，在多模块串联时分流电阻有均压的作用，能保证多个模块的失超的同步性。超导限流器的多模块协同工作方式在具体实施方式中予以详述。
附图说明如下：
图1(a)是双面YBCO薄膜多层结构的横截面图。图中1为镀金层(100nm-300nm)，2为YBCO超导层(300nm-500nm)，3为MgO基底层(0.5mm)。(b)是双面YBCO薄膜超导限流器的单元模块的三维效果图，图中4为双面YBCO超导薄膜，5为分流电阻，6为铜电流电极。
图2多模块限流器的协同工作电路。图中4为双面YBCO超导薄膜，5为分流电阻，8为交流电源，9为线路阻抗，10为断路开关，11为负载阻抗，12为杜瓦。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
在图1中可看到，YBCO超导层2生长在MgO基底层3两面，这种结构由双倒筒靶溅射法制备得到，用相同的技术在YBCO薄膜的表面镀金1，这样构成了双面YBCO薄膜结构超导限流器的主体；将分流电阻和双面薄膜并联连接在6为铜电流电极，组成一个超导限流器的单元模块。一般情况下，双面YBCO薄膜多层结构的镀金层100nm-300nm，YBCO超导层300nm-500nm，MgO基底层0.5mm。
图2是多模块限流器的协同工作电路，限流器工作在低温杜瓦12中，当电路正常工作时，闭合回路中的电流很小或稳定于一个额定值，限流器中的超导部分处于超导态，电流只通过双面YBCO薄膜4而不通过分流电阻5，电路工作在低损耗的状态。当回路中出现短路故障时，线路中的电流会在5ms内激增到3-5倍于超导薄膜的临界电流，双面超导薄膜会瞬间失超，但由于超导薄膜的均匀度和各个模块间相对位置的不同，几个模块很难同步失超或者失超的程度不同，各模块的分压效果也不同。如果有分流电阻的存在，这种情况会有不同，假设超导限流器的模块是从一个方向开始失超，分流电阻会保证已经失超的模块两端不会承受高压，残余电流使余下的模块顺序失超，这个过程会在瞬间完成，各模块的失超过程也同时完成。线路电阻最后是串联的分流电阻，这个电阻能限制线路中的电流，并且分担了断路器10断开时两端的高压，使较低电压、电流等级的断路器能顺利断开。
凡是根据发明的技术方案及其发明构思，加以等同替换与改变，均被认为属于发明的权利要求的保护范围。
Claims (2)
1.双面YBCO薄膜结构的超导限流器单元模块，适合于多模块的串联协同于液氮温区工作，其特征在于，由分流电阻、双面结构的YBCO薄膜材料限流器的主体和铜电极构成；分流电阻与双面结构的YBCO薄膜材料限流器的主体并联设置在铜电极上；所述YBCO双面薄膜为是Au/YBCO/MgO/YBCO/Au的双面多层结构。
2.根据权利要求1所述的超导限流器单元模块，其特征在于，所述双面YBCO薄膜多层结构的镀金层100nm-300nm，YBCO超导层300nm-500nm，MgO基底层0.5mm。
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