CN110112719A - 一种基于双面超导薄膜的可重构限流器 - Google Patents

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严仲明
梁乐
王豫
何应达
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Abstract

本发明公开了一种基于双面超导薄膜的可重构限流器，包括基底和对称设置在基底两侧结构相同的第一超导层和第二超导层；第一超导层与基底接触面设置有通过光刻得到的多个限流单元；限流单元包括用于电流流入的第一接口和用于电流流出的第二接口，及设置在第一接口和第二接口之间的电流路径；第一接口和第二接口之间的两条电流路径左右对称设置；本发明通过单面超导限流单元的可重构，可实现不同的限流效果及限流单元之的同步失超；通过双面超导薄膜限流单元之间的可重构可应对不同的工作需求及限流容量的扩展。

Description

一种基于双面超导薄膜的可重构限流器
技术领域
本发明涉及电阻型超导限流技术领域，具体涉及一种基于双面超导薄膜的可重构限流器。
背景技术
为了满足日益增长的生产以及生活中的电力需求，电力系统的规模和容量在不断扩大，系统的互联也日益增强。同时为了实现绿色、协调以及可持续发展，新能源发电以及分布式电源接入电网也逐渐引起人们的关注。因此，系统的短路电流水平也在不断上升，目前，国际上的断路器能开断的最大电流为100kA，而国内断路器目前最大的开断能力仅为63kA。目前的断路器不能满足开断短路电流的要求。
为了限制电网中过大的短路电流，使其不超过线路断路器的开断能力，在电力系统中安装故障电流限制装置是一种行之有效的措施。常用的故障电流限制装置主要为高阻抗变压器型限流器以及串联电抗器型限流器。随着高温超导技术以及超导电工技术的发展，超导故障电流限流器（超导限流器）是短路故障电流限制方面最活跃的研究方向之一。
超导限流器的种类很多，其中电阻型超导限流器是利用超导体的“超导态-正常态”的转变来对故障电流进行限制，原理简单容易实现（Lin Ye, and Archie Campbell.Behavior Investigations of Superconducting Fault Current Limiters in PowerSystems. IEEE Transactions On Applied Superconductivity, 16 (2), Jun, 2006）。在电力系统中安装超导型限流器是降低短路电流水平，满足断路器可靠开断以及提高电力系统暂态稳定性的有效措施（Lin Ye, Liangzhen Lin, and Klaus-Peter Juengst.Application Studies of Superconducting Fault Current Limiters in ElectricPower Systems. IEEE Transactions On Applied Superconductivity, 12 (1), Mar,2002）。但是现有的超导限流器不能同时满足不同的运行工况，不同运行工况条件下需要更换超导限流器，使用麻烦。
发明内容
本发明公开了一种可适用于不同电压电流工况要求的基于双面超导薄膜的可重构限流器。
本发明采用的技术方案是：
一种基于双面超导薄膜的可重构限流器，包括基底和对称设置在基底两侧结构相同的第一超导层和第二超导层；第一超导层与基底接触面设置有通过光刻得到的多个限流单元；限流单元包括用于电流流入的第一接口和用于电流流出的第二接口，及设置在第一接口和第二接口之间的电流路径；第一接口和第二接口之间的两条电流路径左右对称设置。
进一步的，所述第二接口为一个或两个。
进一步的，所述第一超导层远离基底一面设置有第一金属保护层，第二超导层远离基底一侧设置有第二金属保护层；第一金属保护层和第二金属保护层厚度为100～300nm。
进一步的，所述基底为铝酸镧制备，厚度为0.5cm。
进一步的，所述电流路径为n条首尾相连的相互平行的条状刻蚀结构构成，n≥1的整数。
进一步的，所述第一超导层和第二超导层为YBCO制备，厚度为300～500nm。
本发明的有益效果是：
（1）本发明可适用于不同电压电流工况；
（2）本发明通过双面不同限流单元的可重构，使超导薄膜的限流保护容量得到扩充；
（3）本发明结构简单、节省了空间和制冷成本。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为本发明实施例中超导薄膜表面限流单元结构示意图。
图3为本发明第一超导薄膜或第二超导薄膜的等效电路图。
图4为本发明实施例中第一超导薄膜和第二超导薄膜中限流单元串联形成的等效电路图。
图5为本发明实施例中第一超导薄膜和第二超导薄膜中限流单元并联形成的等效电路图。
图中：1-基底，2-第一超导层，3-第一金属保护层，4-第二超导层，5-第二金属保护层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
如图1所示，一种基于双面超导薄膜的可重构限流器，包括基底1和对称设置在基底1两侧结构相同的第一超导薄膜和第二超导薄膜；第一超导薄膜2与基底1接触面设置有通过光刻得到的多个限流单元；限流单元包括用于电流流入的第一接口和用于电流流出的第二接口，及设置在第一接口和第二接口之间的电流路径；第一接口和第二接口之间的两条电流路径左右对称设置。第一超导层2远离基底1一面设置有第一金属保护层3，第二超导层4远离基底1一侧设置有第二金属保护层5；第一金属保护层3和第二金属保护层5厚度为100～300nm。基底1为铝酸镧制备，厚度为0.5cm。第一超导层2和第二超导层4为YBCO制备，厚度为300～500nm。电流路径为n条首尾相连的相互平行的条状刻蚀结构构成，n≥1的整数。
第二接口为一个或两个。图2为单面可重构限流单元一种形式，a为第一接口，b为第二接口，c1和c2为第二接口，d1和d2为第二接口；若a为第一接口，电流从a流入，b为第二接口，电流从b流出，此时有一个电流出口即b电流路径中n为1；也可以从第一接口a流入，电流经电流路径分别从c1和c2流出，此时有两个电流出口，此时电路路径中n为2；若从第一接口a流入，电流经电流路径分别从d1和d2流出，此时也有两个电流出口，此时电流路径中n为3。当然也可以有其他限流单元形式，第一接口和第二接口之间的两条电路路径只要对称，即其构成的等效电路中的RS1和RS2为并联形式，。
不同的限流单元之间其电流路径的长度不同，其临界电流、失超电阻、响应时间均不同，可实现不同的限流效果。根据不同的工作需求可对限流单元中电路路径的长度及宽度进行设计。同一超导薄膜上每个限流单元的电流路径是并联关系，因而当其中一条电流路径失超时，电流会自动转移到与其并联的另一个电流路径中，加速另一电流路径失超。当两条电流路径均失超后，电流会随着两条电流路径的失超而动态分布，最终两条电流路径达到失超程度相同。上述电流在两条电流路径之间动态转移的过程，即为两条电流路径之间的失超转移，所以两条电流路径的并联连接为，电流路径间的失超转移提供了另外一种途径。
双面超导薄膜的可重构限流单元集成在基底1两侧，失超产生的焦耳热可以快速地通过基底1传递到另外一面，使两面的限流单元实现同步失超。
本发明可根据需要选择第一超导层2和第二超导层4之间限流单元的连接方式，实现双面限流单元之间的可重构，实现不同的限流效果。通过双面超导薄膜限流单元之间的可重构以及基底1的热耦合实现双面超导薄膜限流器的失超同步性及限流容量的扩展。
图4为第一超导层2和第二超导层4中限流单元串联形成的等效电路图；图5为第一超导层2和第二超导层4中限流单元并联形成的等效电路图。RS1和RS2为第一超导薄膜中的限流单元构成的等效电阻，RS3和RS4为第二超导层4中的限流单元构成的等效电阻。RS1和RS2及RS3和RS4均可通过选择不同长度的电流路径，其相应的等效电阻不同。如图4所示的串联结构，适用于电压较高的情况；图5所示的并联结构适用于电流较高的情况。由于双面超导薄膜限流器双面之间的热耦合，当一面的超导限流单元失超时，产生的焦耳热会通过基底1快速地传递到另外一面对称的超导限流单元中，加速另外一面的超导限流单元的失超，实现双面超导薄膜限流器的同步失超。
本发明通过单面超导限流单元的可重构（不同长度电流路径的选择），可实现不同的限流效果及限流单元之的同步失超。通过双面超导薄膜限流单元之间的可重构（串联和并联形式的选择）可应对不同的工作需求及限流容量的扩展。

Claims (6)

1.一种基于双面超导薄膜的可重构限流器，其特征在于，包括基底(1)和对称设置在基底(1)两侧结构相同的第一超导层(2)和第二超导层(4)；第一超导层(2)与基底(1)接触面设置有通过光刻得到的多个限流单元；限流单元包括用于电流流入的第一接口和用于电流流出的第二接口，及设置在第一接口和第二接口之间的电流路径；第一接口和第二接口之间的两条电流路径左右对称设置。
2.根据权利要求1所述的一种基于双面超导薄膜的可重构限流器，其特征在于，所述第二接口为一个或两个。
3.根据权利要求1所述的一种基于双面超导薄膜的可重构限流器，其特征在于，所述第一超导层(2)远离基底(1)一面设置有第一金属保护层(3)，第二超导层(4)远离基底(1)一侧设置有第二金属保护层(5)；第一金属保护层(3)和第二金属保护层(5)厚度为100～300nm。
4.根据权利要求1所述的一种基于双面超导薄膜的可重构限流器，其特征在于，所述基底(1)为铝酸镧制备，厚度为0.5cm。
5.根据权利要求1所述的一种基于双面超导薄膜的可重构限流器，其特征在于，所述电流路径为n条首尾相连的相互平行的条状刻蚀结构构成，n≥1的整数。
6.根据权利要求1所述的一种基于双面超导薄膜的可重构限流器，其特征在于，所述第一超导层(2)和第二超导层(4)为YBCO制备，厚度为300～500nm。
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