CN103283050B

CN103283050B - 超导故障电流限制器

Info

Publication number: CN103283050B
Application number: CN201180063209.7A
Authority: CN
Inventors: 卡森·D·泰克雷特萨迪克
Original assignee: Varian Semiconductor Equipment Associates Inc
Current assignee: Varian Semiconductor Equipment Associates Inc
Priority date: 2010-12-29
Filing date: 2011-12-15
Publication date: 2016-01-13
Anticipated expiration: 2031-12-15
Also published as: CN103283050A; JP5791734B2; KR20140012051A; JP2014508490A; US8862193B2; KR101615667B1; WO2012091941A1; US20120275067A1

Abstract

一种超导故障电流限制器的连接器组装件包含：第一超导带材元件（304）；电连接器（206），在电连接器的第一区域处电耦接到所述第一超导带材元件；以及第二超导带材元件（304），在所述电连接器的第二区域中电耦接到所述电连接器。所述电连接器（206）包括整体结构。所述第一超导带材元件（304）、所述电连接器（206）以及所述第二超导带材元件（304）可包括层。

Description

超导故障电流限制器

此外，在电流在超导区域与非超导区域之间传递时，会发生大量功率损耗。在一些配置中，SCFCL设计可在超导元件与非超导元件之间含有数百个连接点，在所述连接点处，损耗了数百瓦的稳态功率。因此，明显需要对已知SCFCL系统的改进。

技术领域

本发明涉及电流控制装置，更明确地说，涉及用于故障电流限制的设备。

背景技术

故障电流限制器用于（例如）在输电网络中提供保护以防电流浪涌（currentsurge）。超导故障电流限制器（SCFCL）是在低温下操作且通常用于经受高电压和高电流的输配电线路（electricaltransmissionordistributionline）中的一类装置。在电阻型SCFCL中，电流穿过SCFCL的超导体组件，以致在高故障电流出现时，超导体淬灭（quench）而成为正常导体，且电阻急剧地且快速地提高。

明确地说，SCFCL装置的核心可由若干超导元件组成，所述超导元件使用非超导连接器而串联且并联互连，所述非超导连接器会耗散电力且提高低温热负荷。在正常操作模式中，SCFCL装置冷却到低温，以使超导元件（诸如，带材）进入超导状态。在非故障状态下，电流穿过超导带材，且进入连接器区域中，所述连接器区域展现正常状态（即，非超导）电流传导，可由常规金属构成。在电流浪涌沿着输电线路发生时，电流会进入SCFCL，在此处，电流行进穿过超导元件。如果电流浪涌在超导带材中超过临界值，那么超导材料会转变为正常导体（即，淬灭）。一旦处于正常传导状态，超导体材料便对电流展现电阻，这会以可接受的程度限制传导穿过SCFCL的电流，因而调节沿着输电线路传导的电流。

正积极开发的SCFCL尤其包含使用二硼化镁电线、氧化钇钡铜（YBCO）带材或氧化铋锶钙铜（BSSCO）材料的系统，这些材料冷却到低于其相应超导转变温度（T_c）以便按照设计起作用。基于YBCO和BSSCO的装置具有吸引力，这是因为典型商用材料的T_c在90到105K的范围中，从而允许SCFCL装置使用相对低廉的液氮或沸氮冷却来操作。

在使用带材类型结构的已知SCFCL装置中，超导层可与包含金属覆层的其它非超导层一起层压。复合带材可接合到其它带材以形成SCFCL装置。明确地说，一系列超导带材可使用具有正常导电性的导电连接器（诸如，金属元件）而耦接。例如，超导带材可焊接到在带材之间形成互连的金属连接器。然而，这种类型的配置倾向于产生由极其不均匀的电流分布导致的热点（hotspot），且倾向于发生连接功率损耗。

发明内容

在一个实施例中，一种超导故障电流限制器的连接器组装件包含：第一超导带材元件；电连接器，在电连接器的第一区域处电耦接到所述第一超导元件；以及第二超导带材元件，在所述电连接器的第二区域中电耦接到所述电连接器。所述电连接器包括整体结构。所述第一超导带材元件、所述电连接器以及所述第二超导带材元件可包括层。

在另一实施例中，一种超导故障电流限制器（SCFCL）包含：低温冷却系统；以及电流限制器模块，经布置以从所述低温冷却系统接收冷却。所述电流限制器模块可包含层的堆叠，所述层形成多个并联电流传导路径。每一层可包括串联布置的多个超导体带材，所述超导体带材使用整体金属连接器而相互电耦接，其中第一带材在所述连接器的第一区域中耦接到所述金属连接器，且其中第二带材在所述连接器的第二区域中耦接到所述金属连接器。

附图说明

为了更好地理解本发明，参考附图，附图以引用的方式并入本文中。

图1a和图1b是连接器实施例的平面图。

图2a是连接器组装件实施例的透视图。

图2b是图2a的连接器组装件的横截面图。

图2c是图2a的连接器组装件中的稳态模式电流流动的横截面图。

图2d是图2a的连接器组装件中的故障模式电流流动的横截面图。

图3a是连接器组装件实施例的透视图。

图3b是图3a的连接器的第一部分中的稳态电流流动的横截面图。

图3c是图3a的连接器的第二部分中的稳态电流流动的横截面图。

图3d是示范性超导体带材的横截面。

图4a和图4b是图1的连接器中的电流分布的平面图。

图5a是另一连接器实施例的平面图。

图5b和图5c是图5a的连接器中的电流分布的平面图。

图6是又一连接器实施例的平面图。

具体实施方式

为了解决前述SCFCL中的一些缺陷，在本文中描述提供改进的SCFCL架构和性能的实施例。

图1说明SCFCL连接器布置100的平面图。在此布置中，整体铜连接器102连接独立超导带材104。带材104可含有已知超导材料，诸如，YBCO、BSCCO或其它超导体。超导（SC）材料可具有高于77K的临界温度T_c，以使得带材在由液氮冷却时可在超导状态下操作。然而，具有较低T_c的其它带材材料可用于布置100中。

在一些实施例中，带材104可具有层压结构，所述层压结构包含超导（SC）层及正常（非超导）金属顶层和/或底层。除非另外注明，否则结合超导层压堆叠而使用的术语“顶”和“底”是一般表示在层压堆叠的相对两侧上的外层的任意表示。术语“超导”或“超导体”在本文中结合带材或材料而使用时，可表示此带材或材料在部署在SCFCL中时在设计操作条件下一般展现超导性。这些设计操作条件可包含在使用来自液氮或沸氮的冷却的情况下操作，这种冷却可产生约77K的环境。然而，此超导体可在经受一事件（诸如，过量电流或过高温度）时经历到正常状态（非超导）导电性的转变。因此，例如，YBCO型材料即使在并不处于其超导状态时，也可称为超导体。

在一些实施例中，层压带材的顶层与底层两者可为正常状态金属。在一些实施例中，顶层可为具有低电阻率的正常状态金属（诸如，铜），且底层可为具有较高电阻率的正常状态金属（诸如，钢合金）。

在图1的实施例中，连接器可具有大体上U形的布置，且带材104可经配置以如图所示与连接器重叠。然而，在其它实施例中，连接器可包括替代形状。明确地说，带材104可各自在重叠区域中在平坦界面处耦接到连接器102。可重复超导带材104的U形连接器布置100，以使得形成了与一串对应超导带材互连的一串连接器。所述串可界定如图1b所描绘的蛇形结构120，蛇形结构120可用于提高可跨越SCFCL而施加的电压。以这种方式，连接器组装件可提供通畅路径，供大电流从超导带材流动到电连接器中，并从电连接器流出。在SCFCL的标准（或“稳态”）操作下（即，在带材104处于超导状态时），每一带材104可携载在250到1000安的范围中的电流。

在一些实施例中，可按照垂直方式重复图1的连接器配置，其中一系列连接器100如图2a所说明而配置为堆叠。图2a描绘根据一实施例的SCFCL连接器堆叠布置200，其中六层超导带材204使用堆叠连接器206而以串联和并联方式电连接，连接器206可附着到基材202。在图2a的SCFCL配置中，每一带材204可在顶界面204a与底界面204b两者处连接到金属连接器206。在一些实施例中，一层内的连接器布置可形成如图1所描绘的具有多个连接器的蛇形结构。

图2b说明SCFCL布置220的横截面图，其可表示布置200的一部分。每一带材204的界面204a和204b可附着到设置在顶部和底部上的相应金属连接器。例如，如上文所论述，界面204a和204b可各自为层堆叠的金属外层，在所述层堆叠中，超导层（未图示）包括内层。界面204a和204b可通过焊接或在带材204与连接器206之间提供导电路径的其它便利技术而接合到连接器206。如下文关于图2c和图2d进一步描述，SCFCL布置200的堆叠配置可在标准模式中提供高电流传输的能力，同时在故障模式中提供限制电流浪涌的方式。此外，相比常规SCFCL，布置200的实施例减小电阻损耗。

在一些实施例中，连接器堆叠布置200形成SCFCL设备的电流限制器模块，所述SCFCL设备可含有许多这些模块。在SCFCL的操作期间，所述模块可布置在腔室中，且可由冷却系统冷却，以便将带材204置于其超导状态。冷却系统可包含提供液氮、沸液氮的系统，或可包括其它低温冷却装置。

图2c描绘在稳态操作模式下的图2b的SCFCL堆叠220的横截面。在稳态操作期间，SCFCL堆叠220可作为SCFCL设备的一部分操作，以与输电线路（未图示）串联而传输电流。如上所述，在标准操作中，每一SC带材元件204处于超导状态，且经配置以在无电阻的情况下传输电流。因此，从外部电力线进入堆叠220的电流212被传导穿过SC带材元件，而不会因电阻加热造成大量损耗（I²R损耗）。此外，电流212可行进穿过以并联方式布置的许多带材元件204，其中带材的每一层传导总电流的一部分。电流212可遵循图2c所说明的一般路径，其中电流在进入连接器元件206之前在带材204内延伸直到接近每一带材204的末端214。这是因为电流在超导带材内未遭遇电阻，且仅朝向每一带材的末端离开，而进入较不导电的连接器中。在电流进入连接器206时，当电流行进穿过金属连接器时，会因I²R加热造成大量功率损耗。在图2c的实施例中，会在SC带材与连接器之间发生全部电流转移，而无电流在连接器之间流动。这可帮助减少热点形成和不均匀性。

在故障模式操作中，SCFCL堆叠200设计为限制过量电流，如图2d所说明。在故障模式期间，电力线内的电流浪涌可传输穿过带材204。如果电流浪涌超过带材204的超导材料的临界电流I_C特性，那么超导材料可根据已知机制而转变为正常导体。一旦变为正常导体，带材204便会对电流流动展现显着电阻。相比高导电金属（诸如，铜、银或金），已知超导材料（诸如，YBCO和BBSCO）通常展现较高正常状态电阻。因此，离开带材204且进入连接器206的电流216会倾向于在金属连接器的第一边缘处进入连接器，如图2d所说明。因此，在电流浪涌期间传输穿过SCFCL200的总电流可受带材204到正常状态传导的转变限制。

在一些实施例中，一系列并联电流可在一系列连接器组装件层中建立，以使得电流在层内水平行进而不是在层间垂直行进。明确地说，图中所描绘的U形连接器设计促进层内的电流流动连续性，且因此消除原本由不均匀电流分布导致的热点。在图2c、2d的实例中，电流可离开每一带材204且进入如图所说明设置在带材之上或之下的一对邻近导体206。邻近连接器中的电流可接着返回到设置在相同垂直位置中（沿着z方向）的单个带材204（未图示）中。另外参照图1b，电流可行进穿过串联布置的一组带材204，以使得第一带材中的电流在与第一带材位于同一平面中的连续带材中传播。因此，一系列并联电流可使用连接器200的配置在整个SCFCL中按照大体上平坦的方式传播。

图3a描绘另一SCFCL组装件实施例，其中层310经布置以在每一层内而不是在层间传导电流。图3b和图3c描绘沿着连接器组装件的相应“臂”300a和300b在相应横截面C-C'和D-D'中的示范性电流流动。当在正常条件下操作时，电流312可在超导体带材304内行进，且进入邻近连接器层206中。在图3b中，臂300a的每一层310中的电流312通过向上偏转到设置在带材元件之上的连接器部分而从带材元件304传递到连接器206中。图3c说明示范性布置，其中臂300b的每一层310中的电流312从连接器元件206向下传递到带材元件304中，带材元件304可与其在图3b中的对应物设置在同一层310中。因此，电流在其穿过第一带材元件304进入连接器元件206中且穿过第二带材元件304的路程中保持在层310内。

图3d描绘超导带材元件304的一个实施例，其中一系列层布置为堆叠。层304b可为超导层，而层304a可为高导电金属层，诸如，银层。层304c可为另一导体，诸如，半导体或金属层，且层304d可为较高电阻金属层，诸如，钢或其它金属合金层。因为层304d可比层304a更显电阻性，所以从带材304进入连接器206的电流会倾向于穿过高导电层向上偏转，如图3b所说明。

在一些实施例中，在SCFCL堆叠连接器组装件（诸如，组装件300）中，每一臂上的每一带材304可布置为其层在相同方向上定向。因此，层304的堆叠可在每一连接器组装件层310中具有作为顶层（如图3b到图3d中所见）的银层304a。因此，离开连接器206的电流会倾向于向下偏转，这是因为高导电层304a紧接着设置在连接器206之下。

虽然SCFCL200可在标准条件下操作时对SC带材204中的电流流动提供零电阻，且整体连接器结构可改进电流流动，但在电流穿过超导带材之间的正常金属连接器206时，仍由于对电流流动的电阻而发生大量功率损耗。图4a和图4b说明图1的连接器100内的电流流动，说明可导致功率损耗的特征。图4a描绘绘示连接器100内的电流路径CD的平面图，说明跨越连接器102在带材104之间的相对均匀的电流流动。然而，如图4b所说明，这相对均匀的电流流动可仍在带材104之间延伸的区域410中产生电阻加热。在一些实施例中，P可为约几厘米。在具有约300个连接点的SCFCL组装件中，超导元件之间的几厘米的间距会产生穿过正常金属连接器（诸如，铜）的约10米的电流路径。这针对在138千伏、3000安的系统中操作的SCFCL组装件会导致约240瓦的稳态功率损耗。

如图5到图6所说明，SCFCL200的实施例可通过重新配置SCFCL连接器组件而使由连接器电阻（以及热点）引起的功率损耗减小。

图5a描绘另一SCFCL连接器实施例500，其中，“桥接”带材508设置在带材104之间。连接器500可在其它方面与连接器100相同。如图5a所描绘，连接器带材508可横跨带材104之间的横向间隔P的大部分。连接器带材508以及带材104可全部位于同一平面中。在一些实施例中，连接器带材508具有与带材104相同的材料和结构，不同之处在于，与带材104相比，连接器带材508的总横向尺寸不同（在如图5a中所见的x-y平面中）。在特定实施例中，带材508的长度L可为约几厘米或若干厘米。

在一些实施例中，连接器带材508的整个区域A可在界面（未图示）处接合到连接器102。因此，在带材104和508处于超导状态的标准操作中，电流514可行进穿过实质上如图5b所描绘的连接器布置500。在超导体带材104、508可与连接器102共用界面的重叠区域O中，电流可由于连接器102的材料所呈现的对电流的电阻，而实质上在超导体带材内行进。

参照描绘连接器布置500的电流流动的其它细节的图5c，在一些实施例中，电流CF仅在带材未设置在连接器102上的区域510、512中流动到连接器102中。这些区域对应于电流路径长度P2和P3，在一些实施例中，电流路径长度P2和P3可小达几毫米。因此，与组装件100相比，可在连接器组装件500中减小总电阻加热损耗。

虽然，组装件500的电流损耗可减小，但如上所述，仍在电流在超导带材104、508与正常导体102之间传递的界面中以及在电流整体在正常导体内的区域（诸如，对应于P2和P3的那些区域）中发生电阻加热。明确地说，如图5b所说明，电流可随着其在超导体与正常导体区域之间行进而变得箍缩。在图5b的实施例中，电流514可在最初随着其在第一带材104a内在第一（y）方向上行进而实质上均匀地分布。然而，电流倾向于更改其方向且在第二方向（X）上实质上正交于其第一方向而行进，以便完成其电路且离开而进入第二带材104b中。在图5b的配置中，电流可离开带材104a，且随着电流急剧改变方向而变得箍缩。这可导致在所箍缩的区域中的加热增多。因此需要在SCFCL组装件的连接器部分中优化电流流动几何结构，以便将此加热减到最小。

图6呈现连接器组装件600的一个实施例，其中带材604和连接器带材608各自斜接。如图所描绘，随着电流离开带材604而进入连接器602中且从连接器602进入带材608，斜接的几何结构促进电流614的较均匀的分布。如图所描绘，电流也会在带材608内较均匀地分布。

在一些实施例中，本文中所描绘的SCFCL布置（诸如，连接器组装件200、300）可包括一起充当一个SCFCL设备的许多模块中的一个模块。在一个实施例中，SCFCL设备可包括约300个连接点，在所述连接点处，SC带材接合到导电连接器。与具有300个连接点的常规SCFCL配置相比，本发明的实施例可实现约90%的连接损耗减少。在具有300个铜连接点的以138千伏、3000安操作的SCFCL的一个实施例中，与常规配置的约240瓦相比，总连接损耗可为约24瓦，从而表示约216瓦的减少为稳态功率损耗。

概括地说，本文中所揭示的SCFCL实施例提供会改进SCFCL技术的性能的若干益处。通过减小连接损耗，可实现低温冷却成本和维护的大量减少。通过改进电流流动的均匀性，本发明的实施例可减小或消除热点，且因而减少或消除由这些热点诱发的超导体故障。

本发明在范围上不受本文所述的具体实施例限制。实际上，除本文所述的实施例之外，根据上述描述和附图，本发明的其它各种实施例和修改对于所属领域的技术人员来说将为明显的。因此，这些其它实施例和修改希望落入本发明的范围内。此外，尽管本文中已在特定实施方案的上下文中在特定环境中针对特定目的描述了本发明，但所属领域的技术人员应认识到，其用处不限于此且本发明可有益地在任何数目个环境中针对任何数目个目的而实施。因此，本文阐述的权利要求书应鉴于如本文所述的本发明的全宽度和精神来解释。

Claims

1.一种超导故障电流限制器的连接器组装件，包括：

第一超导带材元件；

电连接器，在所述电连接器的第一区域处电耦接到所述第一超导带材元件；

第二超导带材元件，在所述电连接器的第二区域中电耦接到所述电连接器；以及

第三超导带材元件，设置在所述第一超导带材元件与所述第二超导带材元件的末端部分之间，且所述第三超导带材元件具有设置在所述电连接器上的第一平坦表面，其中所述电连接器包括整体结构，且所述第一超导带材元件、所述电连接器、所述第二超导带材元件以及所述第三超导带材元件包括层，其中所述第一超导带材元件、所述第二超导带材元件与所述第三超导带材元件位于所述电连接器的同一表面上。

2.根据权利要求1所述的超导故障电流限制器的连接器组装件，所述连接器组装件包括模块，所述模块包含布置为堆叠的一个或一个以上额外层，每一额外层包含所述第一超导带材元件和所述第二超导带材元件，所述第一超导带材元件和所述第二超导带材元件通过电连接器而相互电耦接。

3.根据权利要求1所述的超导故障电流限制器的连接器组装件，其中所述电连接器包括整体主体。

4.根据权利要求1所述的超导故障电流限制器的连接器组装件，其中所述电连接器包括高导电金属。

5.根据权利要求1所述的超导故障电流限制器的连接器组装件，其中所述电连接器包括U形结构。

6.根据权利要求2所述的超导故障电流限制器的连接器组装件，其中每一超导带材元件电耦接到设置在所述超导带材元件的相应第一平坦表面以及第二平坦表面上的一对电连接器。

7.根据权利要求1所述的超导故障电流限制器的连接器组装件，其中所述第三超导带材元件具有第一有角边缘和第二有角边缘，且所述第一超导带材元件与所述第二超导带材元件各自具有接近所述第一有角边缘和所述第二有角边缘的有角边缘，其中所述第一超导带材元件到所述第三超导带材元件相互界定斜接结构。

8.根据权利要求1所述的超导故障电流限制器的连接器组装件，其中所述第一超导带材元件与所述第二超导带材元件各自包括分层结构。

9.根据权利要求8所述的超导故障电流限制器的连接器组装件，其中所述分层结构包括：

内层，包括超导材料；

第一外层，形成所述第一超导带材元件与所述第二超导带材元件各自的第一表面；以及

第二外层，形成所述第一超导带材元件与所述第二超导带材元件各自件的第二表面。

10.根据权利要求9所述的连接器组装件，其中所述第一外层为具有第一导电性的正常金属，且其中所述第二外层为具有低于所述第一导电性的第二导电性的正常金属。

11.一种超导故障电流限制器，包括：

低温冷却系统；以及

电流限制器模块，经布置以从所述低温冷却系统接收冷却且包含层的堆叠，所述层形成多个并联电流传导路径，每一所述层包括串联布置的多个超导带材元件，所述超导带材元件使用整体金属连接器而相互电耦接，其中第一超导带材元件在所述连接器的第一区域中耦接到所述金属连接器，且第二超导带材元件在所述连接器的第二区域中耦接到所述金属连接器，其中相应的所述第一超导带材元件和所述第二超导带材元件中的每一者的末端部分的平坦表面接合到所述金属连接器的平坦表面，以及第三超导带材元件设置在所述第一超导带材元件与所述第二超导带材元件的所述末端部分之间所述金属连接器的所述平坦表面上。

12.根据权利要求11所述的超导故障电流限制器，其中每一所述超导带材元件包括以下各者中的一者：YBCO带材和BSSCO带材。

13.根据权利要求11所述的超导故障电流限制器，其中所述金属连接器包括高导电金属。

14.根据权利要求11所述的超导故障电流限制器，其中所述第三超导带材元件具有第一有角边缘和第二有角边缘，且所述第一超导带材元件与所述第二超导带材元件各自具有接近所述第一有角边缘和所述第二有角边缘的有角边缘，其中所述第一超导带材元件到所述第三超导带材元件相互界定斜接结构。

15.根据权利要求11所述的超导故障电流限制器，其中每一超导带材元件包括分层结构，所述分层结构具有：

内层，包括超导材料；

第一外层，形成所述超导带材元件的第一表面；以及

第二外层，形成所述超导带材元件的第二表面。

16.根据权利要求15所述的超导故障电流限制器，其中所述第一外层为具有第一导电性的正常金属，且其中所述第二外层为具有低于所述第一导电性的第二导电性的正常金属。

17.根据权利要求11所述的超导故障电流限制器，其中所述多个超导带材元件在由金属连接器形成的多个连接点处串联接合，其中所述超导故障电流限制器可操作以支持在100千伏到200千伏的范围中的电压。