CN201733287U - 具有快速开断的电磁控制式超导开关 - Google Patents

具有快速开断的电磁控制式超导开关 Download PDF

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王豫
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Abstract

本实用新型公开了一种具有快速开断的电磁控制式超导开关，在由触发源、触发开关、超导无感线圈构成临界电流式超导开关，在所述超导无感线圈附近设置一由一个励磁电源和一个励磁线圈构成的可向超导线圈提供大小及方向可控的外加磁场的励磁回路。采用本实用新型的结构降低了超导开关的临界电流，解决了磁控式超导开关磁控装置复杂的问题；加速超导开关从超导状态转换成失超状态，具有加速超导开关开断速度，实现快速开断的优点。

Description

具有快速开断的电磁控制式超导开关
所属技术领域
本实用新型属于电力系统超导电工技术领域，具体涉及一种新型快速开断的采用电磁控制的超导开关。
背景技术
超导开关是利用超导体处于超导态时的零电阻，低热导性质，迈斯纳效应以及超导态与常态迅速转变的性质，做成的“开关”装置。当超导开关的导通时电阻为零，很大程度上能降低储能电路中的电流在流过开关时产生的能量损耗；且超导开关开断时间短，电阻变化率比较大，是其它开关器件如GTR，MOSFET等无法做到的。
超导线材运行超导态时具有三个临界参量：临界温度、临界电流、临界磁场。当超导线材的运行参数超过任一临界参量时，超导线材超导特性就会失去，因此可以通过影响超导线材的运行参数来控制超导开关的闭合和开断。传统超导开关的控制方式主要有热控式和磁控式。热控式超导开关是利用线圈中与超导线材接触的加热丝来实现超导态与常态之间的转变；磁控式超导开关则是利用磁场来实现超导态与常态之间的转变，即当外加磁场超过超导开关的临界磁场时，超导开关转变为常态。
热控式超导开关结构简单，易于控制，但其热阻尼效应的弛豫时间较长，限制开关开断速度的提高。磁控式超导开关开断速度受到提供磁场的线圈的自感限制，其开断速度主要与磁场在超导开关线材内的扩散速度限制和磁场的瞬时功率有关，合理的磁体结构能使磁控开关开断速度大大高于热控开关，但是其技术复杂且闭合过程中具有迟滞现象。
在实际应用中，高温超导线材的临界电流都比较大(例如铋系超导线材的临界电流可以高达数百安培)，所以要通入比较大的触发电流才能使超导开关失超。而大触发电流可能使焊接点(外电流的注入、流出点)和超导开关失超的欧姆(焦耳)热效应很明显，造成临界电流式超导开关的温度升高，且严重的局部温升可能导致超导线绝缘，或是接头焊接点融化，从而影响临界电流式超导开关的安全运行。
实用新型内容
鉴于现有技术的以上缺点，本实用新型的目的是降低超导开关的临界电流，从而解决热控式超导开关开断时间长，磁控式超导开关磁控装置复杂，临界电流式超导开关在通入大触发电流时的发热不稳定的缺点，并减少临界电流式超导开关的触发源大小。
本实用新型的目的是通过如下的手段实现的。
一种具有快速开断的电磁控制式超导开关，在由触发源、触发开关、超导无感线圈构成临界电流式超导开关。在所述超导无感线圈附近设置一由一个励磁电源和一个励磁线圈构成的可向超导线圈提供大小及方向可控的外加磁场的励磁回路。
采用本实用新型的手段，通过增加一简单励磁回路，降低了超导开关开断时的临界电流，解决了磁控式超导开关磁控装置复杂的问题；解决了热控式超导开关开断时间较长的问题；解决了临界电流式超导开关焊接点(接头电阻)及超导开关失超电阻发热不稳定的问题，并减少临界电流式超导开关的触发源大小和了冷却媒体的挥发，加速超导开关从超导状态转换成失超状态，从而加速了超导开关开断速度，实现一种具有快速开断能力的超导开关。
附图说明
图1为本实用新型电磁控制式超导开关的基本原理图
图2为本实用新型电磁控制式超导开关的结构示意图
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
图中，触发电源(1)、触发开关(2)、励磁电源(3)、杜瓦(4、励磁线圈(5)、外加磁场(6)、超导无感线圈(7)。
由图1和图2可看到，此超导开关是将励磁回路引入临界电流式超导开关中，当触发开关(2)断开时，励磁线圈(5)不通电，触发源(2)无法向超导无感线圈(7)放电，励磁线圈(5)与触发源(1)对超导开关无影响，流经超导开关的电流小于其临界电流，开关对外仍呈超导态；触发开关(2)闭合后，励磁电源(3)对励磁线圈(5)供电，从而励磁线圈(5)向超导线圈7提供一大小、方向可控的外加磁场(6)，所述外加磁场(6)根据需要加到超导线圈(7)上，降低了超导线圈(7)的临界电流，同时与超导开关并联的触发源(1)向超导开关放电，使流经超导线圈(7)的电流超过超导线圈(7)的临界电流，此时超导开关K失超变为常态，在开断过程中加速超导开关从超导状态转换成失超状态，从而加速了超导开关开断速度。
所述励磁回路由励磁电源(3)，励磁线圈(5)和触发开关(2)组成。励磁线圈(5)可采用超导线材绕制也可以采用普通导线绕制。励磁线圈套在超导线材绕制的无感线圈的外部。在强磁场、大场角的工作环境中，临界电流随磁场增加下降较慢，而在弱磁场、大场角工作环境中，临界电流随磁场增加下降较快。在同样的外磁场作用下，场角(背景磁场与带面夹角)越大，其临界电流值越小，因此与弱磁场、大场角相比，在弱磁场、小场角时，临界电流随磁场的增加衰减得较慢。所以我们把励磁线圈(5)套在超导线材绕制的无感线圈的外部，放置在低温冷源容器(杜瓦)中，此种结构外磁场场角最大为90°，无感线圈的临界电流随外磁场的增加下降最快。
当触发开关(2)闭合时，励磁电源(3)向励磁线圈(5)提供励磁电流，励磁线圈(5)向超导线圈(7)提供一大小、方向可控的外加磁场，从而降低了超导线圈(7)的临界电流，同时与超导开关并联的触发源(1)向超导开关放电，使流经超导线圈(7)的电流超过超导线圈(7)的临界电流，此时超导开关K失超变为常态，电阻相对变大，超导开关呈现为电阻态，相当于开断状态；断开触发开关(2)后，触发源(1)和励磁电源(3)停止放电，励磁线圈(5)与触发源(1)对超导开关无影响，流经超导开关的电流低于超导开关临界电流，此时K进入超导态，电阻变的相对小，相当于闭合状态。
本实用新型实施例提供的电磁控制式超导开关，在液氮环境下，载流能力为100A，其断路时间小于5ms。它可以广泛用于高温超导储能脉冲功率系统，以及其他需要快速断路开关的电路系统之中。
本实用新型所述的电磁控制式的超导开关，上述针对较佳实施例的描述过于具体，本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本实用新型的原理，应被理解为实用新型的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。凡是根据上述描述做出各种可能的等同替换或改变，均被认为属于本实用新型的权利要求的保护范围。

Claims (2)

1.具有快速开断的电磁控制式超导开关，在由触发源、触发开关、超导无感线圈构成临界电流式超导开关，其特征在于：在所述超导无感线圈附近设置一由一个励磁电源和一个励磁线圈构成的可向超导线圈提供大小及方向可控的外加磁场的励磁回路。
2.根据权利要求1所述之具有快速开断的电磁控制式超导开关，其特征在于：所述励磁线圈套在超导线材绕制的无感线圈的外部。
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