CN104040743B

CN104040743B - 保护超导物品的技术

Info

Publication number: CN104040743B
Application number: CN201280062669.2A
Authority: CN
Inventors: 葛列格里·西特佛; 希马恩·范桑; 卡森·D·泰克雷特萨迪克; 史考特·尼柯森; 卡尔斯·L·史坦利; 艾立克·D·赫尔曼森
Original assignee: Varian Semiconductor Equipment Associates Inc
Current assignee: Varian Semiconductor Equipment Associates Inc
Priority date: 2011-11-17
Filing date: 2012-11-09
Publication date: 2017-05-10
Anticipated expiration: 2032-11-09
Also published as: KR102006193B1; JP2015500563A; US9008740B2; KR20140114341A; TWI612878B; TW201322911A; JP6190818B2; CN104040743A; WO2013074407A1; US20130130913A1

Abstract

本发明公开了一种用于保护超导(SC)物品(202)的技术，所述技术可实现为用于保护超导(SC)物品(202)的装置。所述装置包括环绕地配合所述超导(SC)物品(202)配置的多孔套筒(204)，所述多孔套筒(204)由非导电的介电材料制成。

Description

保护超导物品的技术

技术领域

本发明涉及一种超导系统，且特别涉及一种保护超导物品的技术。

背景技术

在电力传送和配电网络(electric power transmission and distributionnetwork)中，会发生故障电流情形。故障电流情形是因为网络中的故障或短路所引起的流经网络的电流中的突变突波(abrupt surge)。故障的原因可能包括闪电(lightning)冲击网络，以及由于严重的天气或者倒塌的树木而引起的传送电力线的倒下并接触地面。当发生故障时，会瞬间出现大负载。网络响应地传送大量的电流(即，过电流(overcurrent))到此负载，或者在这种情况下产生故障。突波或者故障电流情形是不想要的，且会损坏网络或者连接到网络的设备。更具体地说，网络以及连接到网络的设备可能燃烧，或者在一些情况下会发生爆炸。

用于保护电力设备防止遭受由故障电流所引起的损毁的一种系统是电路断路器(circuit breaker)。当侦测到故障电流，电路断路器机械地开启电路并中断过电流的流动。因为电路断路器标准上需要3至6功率循环(高达0.1秒)才得以触发，诸如传输线、变压器、及开关装置的各种网络构件仍然会损坏。

限制故障电流及保护电力装置，以免遭受由故障电流所引起的损坏的另一系统为超导故障电流限制器(superconducting fault current limiter,SCFCL)。一般SCFCL系统包含在低于临界温度T_C、临界磁场H_C和临界电流I_C时，呈现几乎零电阻率的超导电路，如果超过这些临界准位情况中的至少一个，则电路受到抑制(quench)并显示电阻率。

于正常运作期间，SCFCL系统的超导电路维持在T_C、H_C与I_C的临界准位状况以下；于故障状期间，超过一种或多种的上述临界准位状况。SCFCL系统中的超导电路立即受到抑制且其电阻突增，因而限制故障电流传输，并保护网络与相关设备以免超载。经过某些时间延迟及在清除故障电流之后，超导电路回到正常运作，即没有超过任何临界准位的情况且电流再次传遍网络与SCFCL系统。

SCFCL系统可在直流电流(DC)或交流电流(AC)的环境下运作。会有稳定的功率消耗(power dissipation)来自于可由冷却系统移除的AC耗损(亦即超导热或是磁滞耗损)。典型以扁平金属线或导电带材(conductive tape)的形式的导体来传送SCFCL系统中的电能或信号，然而传统上用于SCFCL系统中的导电带材会导致实质的热损耗。换言之，这些导电带材的温度会大幅上升，使其膨胀而增加导电带材彼此碰触的可能性。此外，因为由流过导电带材的电流所产生的磁场使导电带材振动。因此在正常或者故障条件下，随着温度的增加，导电带材的振动会增加导电带材间的碰触。即使是微小的碰触也会造成电学或力学上的干扰，导致导电带材的寿命与可靠性减小。因此，保护导电带材以免遭受如此干扰为制造业的人所考虑的重要因素。

因此鉴于前述，可知有关用于超导系统的导电带材的电流技术可能有重大的问题与缺点。

发明内容

本发明揭示一种保护超导物品的技术，在一项特定例示性实施例中，所述技术可实现为用于保护超导物品的装置。所述装置包括环绕地配合所述超导物品配置的多孔套筒，所述多孔套筒由非导电的介电材料制成。

根据此特定例示性实施例的其他观点，上述多孔套筒可处理极端的温度。上述极端的温度可包括低温温度(cryogenic temperature)及故障条件温度(fault conditiontemperature)的至少一个。

此特定例示性实施例的进一步观点，上述多孔套筒可安装来使冷却剂流至上述超导物品。

根据此特定例示性实施例的附加观点，所述非导电的介电材料可为可挠的。

根据此特定例示性实施例的其他观点，上述多孔套筒可防止上述超导物品直接与上述多孔套筒外部的物体接触。且上述外部的物体可为另一超导物品。

根据此特定例示性实施例的进一步观点，上述多孔套筒可包括含有丝、棉和羊毛的至少一种材料。

根据此特定例示性实施例的附加观点，上述多孔套筒可包括含有聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene,PTFE)和聚对苯二甲酸乙二酯(polyethyleneterephthalate,PET)的至少一种材料。

根据此特定例示性实施例的其他观点，上述多孔套筒可安装来用于SCFCL系统、超导磁体系统和超导储存系统的至少一个。

根据此特定例示性实施例的进一步观点，上述多孔套筒与上述超导物件可间隔开来。

在另一特定例示性实施例中，所述技术可实现为用于传送电流的装置。所述装置包括包含于冷却剂中的超导组(array)。所述超导组包括多个超导物品、以及多孔介电层，所述多孔介电层插入两个所述超导物品之间，并让冷却剂流过。

根据此特定例示性实施例的附加观点，上述多孔介电层可与上述超导物品其中之一接触。

根据此特定例示性实施例的其他观点，上述多孔介电层可与上述超导物件间隔开来。

根据此特定例示性实施例的进一步观点，上述多孔介电层可为环绕地配合一个超导物品配置的多孔套筒。

根据此特定例示性实施例的附加观点，上述装置还可包括另一多孔套筒，其环绕地配合另一超导物品配置。

根据此特定例示性实施例的其他观点，上述多孔套筒可耦接上述另一多孔套筒。

根据此特定例示性实施例的进一步观点，上述多孔套筒与上述另一多孔套筒可为堆栈结构。

根据此特定例示性实施例的附加观点，上述多孔套筒与上述另一多孔套筒可为并列结构。

根据此特定例示性实施例的其他观点，上述超导组可处理极端的温度。上述极端的温度可包括低温温度及故障条件温度的至少一个。

根据此特定例示性实施例的进一步观点，上述多孔介电层可为可挠的。

根据此特定例示性实施例的附加观点，上述多孔介电层可防止上述超导物品直接彼此互相接触。

根据此特定例示性实施例的其他观点，上述多孔介电层可包括含有丝、棉、羊毛、PTFE和PET的至少一种材料。

在又一特定例示性实施例中，所述技术可实现为用于传送电流的装置。所述装置可包括箱体、包含于所述箱体中的冷却剂、以及包含于所述箱体中的超导组。所述超导组可包括多个超导物品以及多个多孔介电套筒。每一个所述多孔介电套筒环绕地配合所述超导物品其中之一配置，并安装来让冷却剂流过。

根据此特定例示性实施例的附加观点，上述超导组可用于超导故障电流限制器系统、超导磁体系统和超导储存系统的至少一个。

根据此特定例示性实施例的其他观点，上述多孔介电套筒可包括含有丝、棉、羊毛、PTFE和PET的至少一种材料。

现在将参考如附图所示的实施例更详细地说明本发明。虽然以下将参考实施例来说明本发明，但是须知本发明并不局限于此。任何所属领域中具有通常技术的人在研读本说明之后将明瞭额外的施行、修改以及实施例，如同其他的使用领域一样都属于在此所述的本发明的范围，所以本发明可具有极大效用。

附图说明

为了对本发明更完全了解，现将参考附图，附图中相同标号代表相同组件。这些图式不应解释为限制本发明，而仅表示实施例。

图1根据本揭示的一实施例，描述一种利用超导物品的SCFCL系统。

图2根据本揭示的各种实施例，描述一种用于保护超导物品的套筒结构。

图3A根据本揭示的各种实施例，描述一种用于保护超导物品的多套筒组。

图3B根据本揭示的各种实施例，描述一种用于保护超导物品的多套筒组。

符号说明

100：SCFCL系统

110：模块

112：外壳或箱体

112a：外层

112b：内层

114：冷却剂

115：变压器

116：衬套

117：压缩机

118：内部并联电抗器

120：故障电流限制单元

132：绝缘支柱

134：附加支柱

142a、142b：电流线

144、146：端子

148：外部并联电抗器

160：平台

200：套筒结构

202：超导带材

204：套筒

300A、300B：多套筒组

304a、304b：多套筒

具体实施方式

本发明的实施例提供一种用以保护超导物品(SC)的技术。

一种SCFCL系统可包括与地(ground)电性去耦合的外壳，使得外壳与地电位电性隔离。在实施例中，外壳可接地。SCFCL系统亦可含有与一条或多条载流线路(currentcarrying lines)电性连接的第一与第二端子，以及包含于外壳内的第一超导电路，其中第一超导电路可与第一及第二端子电性连接。

参照图1，图中显示依照本揭示的一实施例的一种利用超导物品的示例系统。在本实施例中，表示一种利用超导物品的SCFCL系统100。本实施例虽然强调SCFCL系统100，但本揭示不局限于此。任何所属领域中具有技术的人应明瞭亦可应用于例如电线、电缆、或磁带的包含暴露于变温下的导电物品的其他电子系统。

本实施例的SCFCL系统100可包括一个或多个模块110。为了清晰与简单的目的，依据本揭示，虽然可考虑各种利用多于一相的模块的其他实施例，但SCFCL系统100的描述将限定为一个单相的模块110。

SCFCL系统100的相位模块110可包括界定其空间的外壳或箱体(tank)112。在一实施例中，外壳或箱体112可隔热；在其他实施例中，外壳或箱体112可电性绝缘。外壳或箱体112能以例如纤维玻璃(fiberglass)或其他介电材料的多种材料制造。在其他的实施例中，外壳或箱体112能以诸如金属(例如不锈钢、铜、铝或其他金属)的导电材料制造。外壳或箱体112亦可包含一个外层112a及一个内层112b，且绝缘介质(例如热及/或电绝缘介质)可插入于外层112a及内层112b之间。

在实施例中，外壳或箱体112可接地或者不可接地。在图1所描述的结构中，外壳或箱体112接地因此可称为浮置的箱体结构。在另一实施例中，外壳或箱体112可电性耦接至传送/配电网络电流线142a和142b并维持带电电压(live voltage)。

为了清晰与简单的目的，外壳或箱体112内可能有一个或多个故障电流限制单元120，其表示为一方块。模块110亦可包括一个或多个电性衬套

(electrical bushing)116。衬套116的远程(distal end)经由端子144和146可分别耦接到传送网络电流线142a和142b。此结构允许将模块110耦接到传送/配电网络(未图标)。电流线142a和142b可以是将电力从一位置传到另一位置的传送线(例如传至电流终端使用者的电源)，或者是电力或电流的配电线。

衬套116可包括含有内部导电材料的导体，以连接端子144和146到故障电流限制单元120。同时外层112a可用于将外壳或箱体112与内部的导电材料绝缘，从而使外壳或箱体112以及端子144和146能位于不同的电位。在实施例中，模块110可包括内部并联电抗器(shunt reactor)118或外部并联电抗器148，或两者皆连接包含于电性衬套116的导电材料。

数个绝缘支柱(insulated support)可用于绝缘彼此间不同的电压。例如，外壳或箱体112内的绝缘支柱132可用来将故障电流限制单元120的电压与外壳或箱体112绝缘。附加支柱134可用来将平台160及停留在其上的组件与地绝缘。

故障电流限制单元120的温度可利用外壳或箱体112内的冷却剂114来维持在希望的温度范围。在实施例中，可冷却故障电流限制单元120并维持在例如77°K或77°K左右的低温范围。因此，冷却剂114可包含液态氮(liquidnitrogen)或其他低温流体或气体(cryogenic fluid or gas)。冷却剂114本身可利用电子冷却系统来冷却，其中电子冷却系统更包括低温压缩机117与变压器115。也可用其他类型的冷却系统来将冷却剂114维持在低温。

诸如超导(SC)带材的扁平导电带材(tape)，可用于传送SCFCL系统100中的电能或信号。然而任何所属技术领域中具有通常知识的人能理解，本揭示不排除使用电线、电缆、或其他形式的超导物品。如上述，在故障条件期间，由于功率消耗，超导物品会曝露至极端状况并呈现过热。热会使超导物品膨胀，而造成超导物品碰触到另一超导物品或其他SCFCL系统100中的物品。随着热膨胀，自超导物品中电流的磁场所引起的振动移动，亦会或进一步增加与其他超导物品或物体接触的可能性。

因为SCFCL系统100的超导物品通常彼此相邻(例如并排或堆栈)，这样的接触会造成机械的损坏，例如超导物品的碎片与刮痕。这会导致性能、可靠性、及成本的恶化，且这些超导物品高价又累赘以致须取代。另外会有因为与超导物品连续又延长的接触所致的电性干扰。

根据本揭示的各种实施例，图2描述用以保护超导物品的套筒结构200。在此结构200中，超导带材202可包含一套筒204。

超导带材202可包含多层，其一层或多层可为高温超导体(HTS)层。层内HTS的实例包括基于氧化铜的超导体，例如钇钡铜氧化物(YBCO)或其他稀土族的稀土钡铜氧化物(ReBCO)、铋锶钙铜氧化物(BSCCO)、铊钡钙铜氧化物(TBCCO)、或汞钡钙铜氧化物(HgBa₂Ca₂Cu₃O_x)；或其他铁(Fe)基的HTS。在HTS层的以上及/或以下，可由多种导电材料形成一层或多层。这些导电材料可包括铜、铝、银、钢、或其他导电材料或复合材料。

套筒204可环绕地配合超导带材配置。在实施例中，套筒204紧紧环绕地配合超导带材配置，此可避免过多的套筒材料妨碍SCFCL系统100的正常运作。在其他实施例中，套筒204松散环绕地配合超导带材202配置，此可允许极好的透气能力(breathability)并使液体及/或气体流到超导带材202，因而不会限制超导带材202的冷却。

套筒204可用非导电的介电材料形成。换言之，套筒204可提供超导带材202与外部环境的电性绝缘。

在实施例中，套筒204可处理极端的状况，这些状况可包括温度的波动、振动移动、极端的温度、或其他环境因素。因为超导带材202容易受这些极端的状况影响，套筒204可由能够抵挡这些状况的耐用材料形成。

例如，因为低温温度会达到65°K或低于65°K，而故障时的温度却可达600°K或高于600°K，故套筒204可由能够处理这些状况的耐用材料形成。

在实施例中，套筒204可由纤维或网格状(mesh-like)材料制成，此材料能够吸收并留存冷却剂(例如液态氮或其他制冷剂)，且亦可提供较佳的带材的复原(并缩短复原时间)，亦即在故障条件期间在超导带材周围形成蒸气。另外，随温度上升，纤维的吸收性质有助于防止燃烧。

用以形成套筒204的材料可包括丝、棉、羊毛、(或PTFE)、PET、或其结合。亦可提供纤维、网状织物、以及复合物的其他各种材料。

如下所示，表1提供各种状况下的两个示例材料(铁氟龙与丝)的实例比较。

表1

应理解的是，虽然和丝可具有多样化的好处，但是棉、羊毛和聚对苯二甲酸乙二酯(PET)这些材料的整体优点用于套筒204也同样绰绰有余。

根据本揭示的各种实施例，图3A描述一个用以保护超导物品的多套筒组300A。在此多套筒组300A中，两个超导带材202可彼此接近地放置。在此实例中，超导带材202可以并列结构彼此邻近。因此，多套筒304a可用以保护这些超导带材202。

多套筒304a可包括如上述参考图2的单套筒204的所有特性。然而多套筒304a可以两个以上耦接的套筒有效率地运作。在此情形下，如图3A所示，多套筒304a可以并列结构耦接。如以上所述，超导带材可经常靠近另一超导带材放置。因此，利用多套筒304a可防止与其他超导带材或其他外部物体接触。

应理解的是，当将多套筒组300A引导至适合两个超导带材202的多套筒304a时，可提供较大量的套筒以适合较大量并列的超导带材。

根据本揭示的其他各种实施例，图3B描述一个用以保护超导物品的多套筒组300B。在此多套筒组300B中，六个超导带材202可彼此接近地放置。在此实例中，超导带材202可以堆栈结构彼此邻近。因此，多套筒304b可用以保护这些超导带材。

多套筒304b可包括如上述参考图2的单套筒204的所有特性。然而多套筒304b可以多个连接的套筒有效率地运作。在此情形下，如图3B所示，多套筒304b可以堆栈结构耦接。如以上所述，超导带材可经常靠近另一超导带材放置。因此，利用多套筒304b可防止与其他超导带材或其他外部物体接触。

应理解的是，当多套筒组300B引用适合六个超导带材202的多套筒304b时，可提供更多或更少数目的套筒以适合更多或更少数目并列的超导带材。

应理解的是，当上述实施例引用超导套筒的多个结构时，亦可提供其他的各种结构、排列、型态、和/或设计。例如多套筒组可具有堆栈或并列的结构，亦可实现其它各种结构。因此亦可提供其他各种结构、型态、变化、及其结合。

应理解的是，上述套筒的实施例主要引用各种纤维类的材料，亦可使用其他型的材料。例如亦可使用多孔洞和/或聚合物类的材料；亦可使用诸如玻璃、塑料、橡胶、环氧树脂、环氧树脂类的复合材料、或其他介电材料。这些材料不会提供与如上述纤维类材料相同的结果或优点，但可视为适用于各种应用或情况。

应理解的是，当本发明实施例引用超导带材时，可提供诸如电线、电缆、或其他导体或材料的其他各种物品。

应理解的是，当本发明实施例引用SCFCL系统的应用时，亦可提供其他各种应用与施行，诸如超导磁体、超导储能组件、以及其他超导的应用或利用导电带材或相同成分的其他应用。

藉由以套筒保护的超导物品，超导带材可达到维持较佳的寿命、耐用性、及成本。

本揭示并非限定于藉由在此所描述的特定的实施例的范围。实际上，除了在此所述之外，任何所属技术领域中具有通常知识的人将藉由上述说明及附图轻易明了本发明的其他各种实施例及修改。从而，其它的各种实施例及修改应属于本发明的保护范围。此外，虽然在此所述的本发明为了特殊目的而在特殊环境下以特殊方式施行，但是任何所属技术领域中具有通常知识的人将明了其效益并未局限于此，并且本发明可为了各种目的而在各种环境下有益地施行。因此，应如本说明书中所描述本发明的整个广度及精神来解释所提出的权利要求。

Claims

1.一种用于保护超导物品的装置，所述装置包括：

多孔套筒，其环绕地配合该超导物品配置，其中该多孔套筒由非导电的介电材料制成，其中该多孔套筒与该超导物品间隔开来，且该超导物品包含：

高温超导体层；以及

由导电材料形成的一层或多层，该导电材料包括银、或钢。

2.根据权利要求1所述的装置，其中该多孔套筒是安装来处理极端的温度，其中该极端的温度包括低温温度及故障条件温度的至少一个。

3.根据权利要求1所述的装置，其中该多孔套筒是安装来使冷却剂流至该超导物品。

4.根据权利要求1所述的装置，其中该非导电的介电材料为可挠的。

5.根据权利要求1所述的装置，其中该多孔套筒防止该超导物品直接与该多孔套筒外部的物体接触。

6.根据权利要求5所述的装置，其中该外部的物体为另一超导物品。

7.根据权利要求1所述的装置，其中该多孔套筒包括含有丝、棉和羊毛的至少一种材料。

8.根据权利要求1所述的装置，其中该多孔套筒包括含有聚四氟乙烯和聚对苯二甲酸乙二酯的至少一种材料。

9.根据权利要求1所述的装置，其中该多孔套筒是安装来用于超导故障电流限制器系统、超导磁体系统和超导储存系统的至少一个。

10.一种用于传送电流的装置，所述装置包括：

超导组，包含于冷却剂中，该超导组包括：

多数个超导带材，每一个所述超导带材包括第一与第二平面；以及

多数个多孔介电套筒，每一个所述多孔介电套筒围绕每一个所述超导带材的该第一与第二平面而插入两个所述超导带材之间，并安装来松散环绕地配合每一个所述超导带材的该第一与第二平面，而允许透气能力并让液体的该冷却剂流到所述多数个超导带材中的各个超导带材。

11.根据权利要求10所述的装置，其中该些多孔介电套筒与该些超导带材其中之一接触。

12.根据权利要求10所述的装置，其中该些多孔介电套筒与该些超导带材间隔开来。

13.根据权利要求10所述的装置，其中所述多孔介电套筒中的一个多孔介电套筒耦接至另一个多孔介电套筒。

14.根据权利要求13所述的装置，其中所述多孔介电套筒中的一个多孔介电套筒与另一多孔介电套筒为堆栈结构。

15.根据权利要求13所述的装置，其中所述多孔介电套筒中的一个多孔介电套筒与另一多孔介电套筒为并列结构。

16.根据权利要求10所述的装置，其中该超导组是安装来处理极端的温度，其中该极端的温度包括低温温度及故障条件温度的至少一个。

17.根据权利要求10所述的装置，该多孔介电套筒为可挠的。

18.根据权利要求10所述的装置，其中该多孔介电套筒防止该超导带材直接彼此互相接触。

19.根据权利要求10所述的装置，其中该多孔介电套筒包括含有丝、棉、羊毛、聚四氟乙烯和聚对苯二甲酸乙二酯的至少一种材料。

20.一种用于传送电流的装置，所述装置包括：

箱体；

冷却剂，包含于该箱体中；

超导组，包含于该箱体中，该超导组包括：

多数个超导带材，每一个所述超导带材包括第一与第二平面，且每一个所述超导带材包括超导体层以及形成在该超导体层上由导电材料形成的一层或多层；以及

21.根据权利要求20所述的装置，其中该超导组可用于超导故障电流限制器系统、超导磁体系统和超导储存系统的至少一个。

22.根据权利要求20所述的装置，其中该多孔介电套筒包括含有丝、棉、羊毛、聚四氟乙烯和聚对苯二甲酸乙二酯的至少一种材料。