CN105706191A - 用于限流器的设备和包括该设备的限流器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于限流器的设备(10)，该设备(10)包括：至少一个适于运载电流的线圈组合(12)，线圈组合(12)包括第一线圈(14)，其包括第一超导元件，适于运载电流的第一部分，和第二线圈(16)，其包括第二超导元件，适于运载电流的第二部分，其中，第一和第二线圈(14、16)设置为，当第一和第二超导元件均处于超导状态并且线圈组合(12)运载电流时，第一线圈(14)中电流的第一部分产生的磁场被第二线圈(16)中电流的第二部分产生的磁场基本抵消；并且，该设备设置为，在使用时，第一超导元件比第二超导元件运载更高比例的电流。该设备可用于超导故障限流器以在常规操作时提供低电感以及在故障电流情况提供快速且平坦的失超。

Description

用于限流器的设备和包括该设备的限流器

技术领域

本发明涉及用于限流器的设备和包括这种设备的限流器，尤其涉及但不限于使用维持在低温的超导电路的故障限流器。

背景技术

已实现使用超导材料的故障限流器运载电力供应网络中的电流。一般预期这种网络运载数百安培电流，但是如果短路(故障)发生，电流升高至数万安培水平。当故障发生时，超导材料中的电流密度超过该材料的临界电流密度，这使超导停止而变成阻抗。这一过程被称为失超(quenching)。电路中电阻的存在导致电流降低，或被“限制”，从而降低网络中过高电流的潜在破坏性影响。

传送和分配电力的网络通常为三相，因此需要3个导体并且对于每个导体均需要设置限流装置。典型地，如上所述，超导限流器将包括三个限流器，封装在单个容器或多个容器内。

一些类型的超导故障限流器采用超导元件和半导体交换元件(以及相关的电路元件)，使限流器在正常情况和故障情况之间交换。其它类型的超导故障限流器需要铁芯，该铁芯磁链接数个超导线圈。已知一种用于限流器的设备，其包括至少一个适于运载电流的线圈组合，该线圈组合包括第一线圈，该第一线圈包括第一超导元件并适于运载所述电流的第一部分；第二线圈，该第二线圈包括第二超导元件并适于运载所述电流的第二部分，其中所述第一和第二线圈设置为当第一和第二超导元件均处于超导状态并且线圈组合运载电流时，第一线圈中电流的第一部分产生的磁场被第二线圈中电流的第二部分产生的磁场基本抵消。

这种类型的实例被专利EP0350916(US5021914)和WO2012/093042公开(后者内容以引用的方式并入本申请)。

专利US6337785和US2009190274(授权公布为：US7675719)教示了下述设备，其中第一和第二超导元件具有不同“失超特性”，由此一个超导元件比另一个具有较低临界电流。这是通过对两超导元件使用各自不同的超导材料来实现的。专利US2009190274采用半导体交换装置确保状态变化。在专利US6337785中，两线圈串联设置并且因此，在超导状态，通过相同电流，但是当第一线圈失超时，电流反而按路径通过并联分流电阻，导致第二线圈引起的迅速净阻抗。这使得当故障电流产生时，超导元件从超导状态向常规(失超)状态迅速转变，无需单独开关元件或铁芯。因此该设备可以用于超导故障限流器从而在常规操作时提供低电感以及在故障电流情况下迅速失超。

但是，使用不同材料使生产过程复杂化，并且限制了电路设计者对材料的选择。本发明较优实施例寻求克服前述现有技术中一个或更多缺陷。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供一种上述类型的设备，其中所述设备适于，在使用时，第一超导元件比第二超导元件运载更高比例的电流。通过设置成这样，在超导状态使用时，第一超导元件比第二超导元件运载更高比例的总电流使第一超导元件从超导状态向常规传导状态转变。本发明的设备提供的优点在于，当故障电流开始产生时，传导元件从超导状态向常规(失超)状态迅速且平坦的转变。这对于避免“部分”失超问题很重要，其最可能发生在电流仅刚超过临界电流并且可导致先失超的超导元件部分烧尽。可以方便地通过提供并联而不是串联设置的设备而实现，这样其电流可单独预定。

因此，无需额外组件如半导体开关或分流电阻，本设备可以被用于超导故障限流器以便在常规操作时提供低电感，以及在故障电流情况下提供迅速且平坦的失超。

通过运载较高比例的总电流，当线圈组合运载的电流升高超过第一超导元件的临界电流同时第二超导元件起初保持超导时，第一超导元件将变为常规传导，并且因此为阻抗的。这将引起通过第二线圈的电流比例增加，由此第一和第二线圈产生的磁场不再抵消。因此，在超导元件附近的磁通密度量级迅速升高，引起超导元件从超导状态到常规传导状态的失超更迅速地进行。

本发明的此方面由发明人实现：第一线圈的电流增加可以引起该线圈在另一个之前转换状态，类似地，将其临界电流降低也可以实现，在每种情况下，故障电流在达到第二线圈的临界电流水平之前先达到第一线圈的临界电流水平。但是，此方面还具有的优点是：第一和第二超导元件可以由相同的材料制成，由此简化了工艺并降低成本，同时还增加了设计者对材料的选择。

在较优实施例中，第一和第二线圈是交叠的螺旋形线圈并绕共同的轴以相反旋向缠绕。第一和第二线圈可具有大致相等的长度，但(不同于现有技术，其中两线圈完全相同)，第一线圈可以比第二线圈具有较少圈数(一般为少10％至30％)。据发现，这使在超导状态的线圈磁场基本彼此抵消，同时增加第一线圈的电流的份额。但是，同样可以采用改变电流分配的其他方法(例如设置与两线圈相关的额外不同电路组件)。

在一些情况下，当设置第一超导元件比第二超导元件运载更高比例的电流是足够的时，在一些情况下提高失超的速度是可取的，或者通过进一步设置第一超导元件比第二超导元件具有较低临界电流从而降低所需电流的差异。

在一些实施例中，可以通过如下设置实现：第一超导元件比第二超导元件具有较低的临界电流密度。在一些实施例中，第一超导元件比第二超导元件具有较小的横截面积。例如，如果使用具有相似临界电流密度的超导元件，降低第一超导元件的横截面积将降低其临界电流。

但是，在上述每种情况中，必须使用不同超导线圈(不同材料和/或不同尺寸)。因此，根据本发明的另一方面，设置上述现有技术中一种类型的设备为，当第一和第二线圈热耦合至冷却装置，以冷却第一和第二超导元件至其临界温度以下时，第一和第二超导元件被维持在不同的温度。如同第一方面，当确保第一线圈中的电流在其超过第二线圈中的临界电流之前先超过第一线圈中的临界电流时，本方面允许将相同的材料用于具有相同长度和圈数的两线圈。

有利的是，由于临界电流在某种程度上取决于温度，上述特征可被用于确保第一超导元件比第二超导元件具有较低的临界电流。

本设备可进一步包括热耦合装置，其用于将第一和第二线圈热耦合至冷却装置使所述第一和第二超导元件的温度冷却至其超导临界温度以下，其中所述热耦合装置与第一线圈的热耦合比与第二线圈的热耦合弱。

由于超导元件中交流电损耗引起的加热将导致与冷却装置热接触较弱的第一线圈的温度较高，上述特征可用于确保第一和第二超导元件维持在不同温度。本发明的此方面可与第一方面共同使用以提高失超速度或降低所需电流或温度的差异。

第一和第二线圈可由线圈架支撑，该线圈架适于将第一和第二线圈热耦合至所述冷却装置，其中第二线圈围绕线圈架缠绕，第一线圈围绕线圈架和第二线圈缠绕。

此特征可用于，相对第二线圈和线圈架之间的热耦合，降低第一线圈和线圈架之间的热耦合，由此增加第一线圈相对于第二线圈的温度。

本设备还可包括用于加热第二线圈的装置。

在一些实施例中，线圈组合还包括用于支撑第一和第二线圈的线圈架，其中线圈架适于将所述第一和第二线圈热耦合至冷却装置，以冷却所述第一和第二超导元件至其临界温度以下。

较优地，第一线圈围绕线圈架缠绕，第二线圈围绕线圈架和第一线圈缠绕。

有利地，此特征能够使第一超导元件的温度以致临界电流(其在某种程度上取决于温度)得到更准确地确定和/或控制，由于该特征改善了第一线圈和线圈架以及冷却装置之间的热接触。重要的是，这实现了对故障电流水平更准确的控制，该故障电流触发失超并因此开启电流限制。此电流水平较优地根据具体用途设定。

在一些实施例中，本设备还可以包括多个上述线圈组合，其中所述线圈组合的第一线圈串联连接，所述线圈组合的第二线圈串联连接，并且所述串联连接的第一线圈与所述串联连接的第二线圈并联连接。

通过设置多个线圈组合，本设备可适于在较高电压水平操作。如上所述，通过分别串联连接第一和第二线圈，当在故障电流状况下第一线圈的一个或以上开始失超时，高电流将继续流经第二线圈足够长时间以迅速增加超导元件周围的磁场并且驱使所有超导元件快速且平坦失超。

根据本发明的第三方面，提供一种限流器，其包括至少一个如上限定设备，还包括用于冷却第一和第二超导元件至其超导性临界温度以下的冷却设备。

根据本发明的第四个方面，提供一种限流器，其包括多个上述设备，用于限制多相供电电源的对应多相的电流。

附图说明

本发明的较优实施例将以示例而不是任何限制的形式说明如后，同时参考下述附图如下：

图1示出根据本发明实施例一的设备；

图2示出根据本发明实施例二的设备；

图3示出根据本发明实施例三的设备的线圈组合。

具体实施方式

实施例一

参见图1，根据本发明实施例一的设备10包括适于运载电流的线圈组合12。该线圈组合12包括两个线圈14、16，每个线圈包括超导元件，两线圈串联连接以致每个线圈14、16运载一部分穿过线圈组合12的电流。设置两线圈14、16为，当线圈14、16的超导元件各自处于超导状态并且电流流经线圈组合12时，由两线圈14、16产生的磁场基本相互抵消。在此实施例中，这是通过如下设置实现的：线圈14、16为两同心，尤其是同轴螺旋状线圈14、16，具有相近的直径和长度串联连接并且反向缠绕，这样两线圈14、16中的电流围绕线圈轴以相反旋向流动。这降低线圈组合12区域的磁通密度，由此减少交流电损耗。理想地，两线圈14、16应设计为在操作频率(一般为50Hz或60Hz)供给最低可能的电感，并且这可由下述设计实现：通过使线圈的直径和长度在物理上尽可能完全一致确保线圈间的紧密磁性耦合。设置第一线圈14比第二线圈16具有较少的圈数(一般为10％-30％)，两线圈的电感未被此设置严重影响。

线圈中所用的超导元件可由任意合适的超导材料形成，如二硼化镁，并且可以以任意合适的形式提供，如胶带、电线、或多股(如辫状复丝的)或多芯排列。

两线圈14、16围绕电绝缘的圆柱体线圈架18的外侧缠绕，该线圈架18具有连接有第一外部连接件22的第一端电极20。两线圈14、16分别连接第一端电极20的一端。第二端电极24连接两线圈14、16的另一端。第二外部连接件26连接第二端电极24。在两线圈14、16交叉点28处设置电绝缘用于防止两线圈14、16之间的电接触。

当设备10并入故障限流器时，线圈架18可用于将线圈14、16热偶联至制冷机，由此线圈14、16可被冷却至其各自临界温度以下。在本实施例中，线圈架18包括由下述材料形成的中空管：该材料具有合适地高热传导性和特定热容，以及合适地高电阻率，例如氧化铝。

在其临界温度以上，线圈14、16的超导元件常规传导，因此是阻抗的。在其临界温度以下，线圈14、16的超导元件处于超导状态。当被冷却至超导状态，如果线圈14、16各自超导元件的电流密度处于各自超导元件的临界电流密度以下，线圈14、16对于在端电极20、24之间流经的电流有效地呈现零电阻路径。

用作线圈14、16中之一的超导元件中的电流低于用作线圈14、16中另一的超导元件中的电流。这是通过以下设置实现的：设置两线圈14、16具有不同的圈数，尤其设置第一线圈的圈数比第二线圈的少，由此当第一和第二超导元件各自处于超导状态并且线圈组合运载电流时，链接第一和第二线圈的互感引起电流在第一和第二线圈中不均等分摊，由此，具有较少圈数的第一线圈运载更高比例的电流。

当常规负载电流通过线圈14、16时，两线圈14、16之间的互感确保电流不均等分摊。两线圈14、16中的电流部分地取决于线圈14相对于线圈16的线圈数反比。线圈间良好的耦合确保两线圈14、16产生的磁场几乎完全彼此抵消。这为维持低水平交流电损耗和最小化线圈中的热产生提供了必要条件。

在电流超过预定的故障电流水平的极早期，即是网络中的故障情况刚发生时，运载较高电流的线圈14(下文中称作“第一线圈”14)中的电流将超过第一线圈14中的临界电流并且缠绕成第一线圈14的超导材料变为阻抗的。这将引起更多电流流进运载较低电流的第二线圈16(下文中称作“第二线圈”16)，该线圈16在第一线圈14失超(quench)后的短时期内保持在超导状态。两线圈14、16在这段时期内不再根据线圈数反比成比例分摊电流并且由此导致两线圈14、16中流动的电流产生的磁场不再抵消。这形成了两线圈14、16区域中的净磁场，其促进整个组件超导材料从超导状态迅速转变。

由于第一线圈14运载更高电流，是由第一线圈14确定引发失超并开启电流限制的故障电流水平。设定此故障电流水平将根据具体用途，但重要的是引发失超的故障电流水平保持恒定。第一线圈14的临界电流在某种程度上取决于第一线圈14的超导元件被保持的温度。因此较优地用最里面的第一线圈14缠绕线圈组合12，这样其最接近线圈架18。这改善了准确性和温度性，由此控制第一线圈14的温度以致临界电流。冷却第二线圈16可能起效较慢，因为它被缠绕在线圈架18的最外面，围绕第一线圈14。但是，对具有较高临界电流的第二线圈16的准确温度控制是次要的。

本实施例中的两线圈从上游电路节点并联设置，没有串联的或并联的无源组件如分流电阻器，或有源组件如半导体开关，并且无需铁芯。尽管能够存在不打乱设备操作的额外电路元件，本实施例的一个优点是无需这样的元件。这里提及的“组件”可以理解为不包括必然固有的电路接线的电阻、电感、电容或支撑表面。

实施例二

参见图2，根据本发明实施例二的设备10'包括串联连接的多个线圈组合12'从而例如允许设备10'在较高电压水平操作。上述实施例一中已述及的部件用相同的标号表示。在需要串联连接多个线圈组合12'的地方，穿过第一和第二线圈14、16的传导路径保持各自单独地贯穿串联连接的装置12'，通过串联连接所有第一线圈14(较高电流或较低临界电流Ic)，串联连接所有第二线圈16(较低电流或较高临界电流Ic)，以及仅在两组串联连接的线圈14、16的末端形成该两组线圈的并联连接。此用于两串联连接的线圈组合12'的设置如图2所示。线圈组合12'之间的连接件30、32可用合适的传导或超导材料制成。均连接于第一和第二线圈14、16端部的第一端电极20，如同实施例一，设置于连接有外部连接件22、26的线圈组合12'的端部。两单独第二端电极34、36设置于线圈组合12'的另一端用于分别终止第一线圈14和第二线圈16从而促进线圈组合12'的第一和第二线圈14、16的独立串联连接。

实施例三

图3示出了线圈组件12"的另一实施例，其用于连接实施例二中涉及需要两个以上串联连接时，线圈组合12'之间的连接。上述实施例一或实施例二中已述及的部件用相同的标号表示。一对第一端电极38、40和一对第二端电极34、36使随后的线圈组合12"、12'在线圈组合12"两端的独立连接。为了简化制造工艺，可取的是以此方式构建所有线圈组合并且在两组串联连接的线圈末端，在设置外部连接件22、26处，链接端电极(如链接端电极34、36，或链接端电极38、40)。

本领域技术人员可以理解此互相连接的方法是用于确保在任何故障条件下，包括较小量级的故障，通过强制电流进入每个线圈组合的第二线圈(较低电流或较高临界电流Ic)促使所有超导材料失超。如果线圈组合12仅简单地串联连接，如图1所示终止，存在的风险是其中一个线圈组合12将失超，充分地限制电流从而阻止其它组合12也失超。然后失超的线圈组合12将要吸收所有与故障限制过程相关的能量并由此可能受到热损伤，或至少变得非常热以延长限流器的故障后重置时间至无法接受的程度。

实施例四

在前述实施例中，两线圈运载不同电流。在实施例四中，图1至3的全部均会在下文中述及，交换(switching)是通过下述设置实现的：设置具有相同圈数的两线圈并运载相同电流但用做线圈14、16中之一的超导元件的临界电流Ic低于用作线圈14、16中另一的超导元件的临界电流Ic。超导元件的临界电流是在指超过该电流，超导元件将经历从超导状态到常规传导状态的转变。如果发生故障，由于上升的电流先到达较低的临界电流，一个将在另一个前失超。

本实施例是通过如下文所述的一系列方式实现的。在常规负载电流穿过线圈14、16的通路时，两线圈14、16之间的互感确保电流均等分摊并且两线圈14、16t产生的磁场几乎完全抵消。这为维持低水平的交流电损耗并最小化线圈中的热产生提供了必要条件。

在电流升至预定故障电流水平之上的极早期，即是网络中的故障情况刚发生时，具有较低临界电流的线圈14(下文中称作“第一线圈”14)中的电流将超过第一线圈14中的临界电流并且缠绕成第一线圈14的超导材料将变为阻抗的。这将引起更多电流流进具有较高临界电流的第二线圈16(下文中称作“第二线圈”16)，该线圈16在第一线圈14失超后的短时期内保持在超导状态。两线圈14、16在这段时期内不再均摊电流并且由此导致两线圈14、16中流动的电流产生的磁场不再抵消。这形成了两线圈14、16区域中的净磁场，其促进整个组件超导材料从超导状态迅速转变。

由于第一线圈14具有较低临界电流，是由第一线圈14确定引发失超并开启电流限制的故障电流水平。设定此故障电流水平将根据具体用途，但重要的是故障电流水平保持恒定。第一线圈14的临界电流在某种程度上取决于第一线圈14的超导元件被保持的温度。因此较优地用最里面的第一线圈14缠绕线圈组合12，这样其最接近线圈架18。这改善了准确性和温度性，由此控制第一线圈14的温度以致临界电流。冷却第二线圈16可能起效较慢，因为它被缠绕在线圈架18的最外面，围绕第一线圈14。但是，对具有较高临界电流的第二线圈16的准确温度控制是次要的。

第一和第二线圈14、16的超导元件的临界电流的差异可通过一系列方法获得。

例如，两线圈14、16的超导元件可以具有不同的横截面积。根据所使用的超导元件的形式，不同的横截面积可以通过以下方式实现：例如改变胶带的宽度和/或厚度、电线的直径、或多股或多芯排列的股数或芯数。

然而，由于临界电流取决于温度，另一选择是将两线圈14、16维持在不同的温度。这可以通过调整每一线圈14、16和冷却装置之间的热耦合实现，如在线圈14、16间设置部分隔热材料以降低最外线圈和线圈架18之间的热耦合。任何对线圈14、16的加热，例如线圈中交流电损耗导致的加热，会引起外面的线圈具有较高温度并且因此具有较低临界电流。此外，热源(较优为放射热源)可被引入以增加一个线圈的温度，尽管通常情况是努力保持超导元件处于低温，优先对一个线圈(如第一线圈)加热可让其尽快失超。

参见图1-3的上述设备和线圈组合可用于故障限流器限制多相供电电源的一相的电流。本领域技术人员能理解在多相限流器中，可根据需要复制上述实施例中的超导路径，如在单个多相限流器中设置多个装置12。

本领域技术人员能够理解上述事实例仅以示例的方式得以描述，而不是任何方式的限制，并且允许各种变换和修饰。本发明意图保护的是在此揭示的任何及所有新特征及其组合，尤其是不同实施例中特征的随意组合。术语“包括”在这里指的是广义的“包括”，其不排除存在清楚指明的元件之外的其他元件。

Claims (20)

1.用于限流器的设备，该设备包括：

至少一个适于运载电流的线圈组合，该线圈组合包括：

第一线圈，其包括第一超导元件，适于运载所述电流的第一部分，和

第二线圈，其包括第二超导元件，适于运载所述电流的第二部分，其中，

所述第一和第二线圈设置为，当所述第一和第二超导元件均处于超导状态并且所述线圈组合运载所述电流时，所述第一线圈中所述电流的第一部分产生的磁场被所述第二线圈中所述电流的第二部分产生的磁场基本抵消；并且，

其中所述设备设置为，在使用时，所述第一超导元件比所述第二超导元件运载更高比例的所述电流。

2.用于限流器的设备，该设备包括：

至少一个适于运载电流的线圈组合，该线圈组合包括：

第一线圈，其包括第一超导元件，适于运载所述电流的第一部分，

第二线圈，其包括第二超导元件，适于运载所述电流的第二部分，和

冷却装置，用于冷却所述第一和第二超导元件至它们的临界温度以下，其中，

所述第一和第二线圈设置为，当所述第一和第二超导元件均处于超导状态并且所述线圈组合运载所述电流时，所述第一线圈中所述电流的第一部分产生的磁场被所述第二线圈中所述电流的第二部分产生的磁场基本抵消；并且，

其中所述设备设置为，在使用时，当所述第一和第二线圈热耦合至所述冷却装置时，所述第一和第二超导元件被维持在不同的温度，这样所述第一超导元件比所述第二超导元件具有更低的超导状态向常规传导状态转变的临界电流。

3.根据前述任一权利要求所述的设备，其中第一超导元件的横截面积等于或小于第二超导元件的横截面积。

4.用于限流器的设备，该设备包括：

至少一个适于运载电流的线圈组合，该线圈组合包括：

第一线圈，其包括第一超导元件，适于运载所述电流的第一部分，和

第二线圈，其包括第二超导元件，适于运载所述电流的第二部分，

所述第一超导元件的横截面积小于所述第二超导元件的横截面积，

其中，使用时，所述第一超导元件比所述第二超导元件具有更低的从超导状态向常规传导状态转变的临界电流。

5.根据前述任一权利要求所述的设备，其中所述第一和第二线圈是交叠的螺旋形线圈并绕共同的轴以相反旋向缠绕。

6.根据权利要求5所述的设备，其中所述第一和第二线圈的长度大致相等。

7.根据权利要求5或6所述的设备，其中所述第一线圈的圈数少于所述第二线圈的圈数。

8.根据前述任一权利要求所述的设备，其中所述第一和第二线圈由相同超导材料构成。

9.根据前述任一权利要求所述的设备，其中所述线圈组合还包括用于支撑所述第一和第二线圈的线圈架，其中所述线圈架设置为将所述第一和第二线圈热耦合至冷却装置，以冷却所述第一和第二超导元件至其临界温度以下。

10.根据权利要求9所述的设备，其中所述第一线圈围绕所述线圈架缠绕，所述第二线圈围绕所述线圈架和所述第一线圈缠绕。

11.根据前述任一权利要求所述的设备，其中第一超导元件的临界电流密度等于或小于第二超导元件的临界电流密度。

12.根据前述任一权利要求所述的设备，其中所述设备设置为，当所述第一和第二线圈热耦合至冷却装置以冷却所述第一和第二超导元件至它们的临界温度以下时，所述第一和第二超导元件被保持于不同的温度。

13.根据前述任一权利要求所述的设备，还包括热耦装置，其用于将所述第一和第二线圈热耦合至冷却装置以冷却所述第一和第二超导元件至其超导性临界温度以下；其中，所述热耦合装置与所述第一线圈的热耦合比与所述第二线圈的热耦合弱。

14.根据权利要求11至13之一所述的设备，还包括加热器。

15.根据权利要求14所述的设备，其中所述加热器加热所述第二线圈。

16.根据前述任一权利要求所述的设备，其中所述第一线圈与所述第二线圈并联连接。

17.根据权利要求16所述的设备，其不包括与所述线圈串联的任何无源或有源电子组件。

18.根据权利要求16所述的设备，其包括多个线圈组合，其中，

所述线圈组合的所述第一线圈串联连接，

所述线圈组合的所述第二线圈串联连接，以及

所述串联连接的第一线圈与所述串联连接的第二线圈并联连接。

19.限流器，其包括至少一个根据上述任一权利要求所述的设备，并且还包括用于冷却所述第一和第二超导元件至其超导性临界温度以下的冷却设备。

20.根据权利要求19所述的或包括多个根据权利要求1-16之一所述的设备的限流器，设置为限制多相供电电源的对应多相的电流。