TWI612878B - 用於保護超導物件的裝置與用於傳送電流的裝置 - Google Patents
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Abstract
一種用於保護超導物件的技術，所述技術可實現為用於保護超導物件之裝置。所述裝置包括環繞地沿著所述超導物件配置的多孔套筒，所述多孔套筒由非導電的介電材料製成。
Description
本發明是有關於一種超導系統，且特別是有關於一種保護超導物件的技術。
在電力傳送和配電網路(electric power transmission and distribution network)中，會發生故障電流情形。故障電流情形是因為網路中的故障或短路所引起的流經網路的電流中的突變突波(abrupt surge)。故障的原因可能包括閃電(lightning)衝擊網路，以及由於嚴重的天氣或者倒塌的樹木而引起的傳送電力線的倒下並接觸地面。當發生故障時，會瞬間出現大負載。網路回應地傳送大量的電流(即，過電流(overcurrent))到此負載，或者在這種情況下產生故障。突波或者故障電流情形是不想要的，且會損壞網路或者連接到網路的設備。更具體地說，網路以及連接到網路的設備可能燃燒，或者在一些情況下會發生爆炸。
用於保護電力設備防止遭受由故障電流所引起的損毀的一種系統是電路斷路器(circuit breaker)。當偵測到故障電流，電路
斷路器機械地開啟電路並中斷過電流的流動。因為電路斷路器標準上需要3至6功率循環(高達0.1秒)才得以觸發，諸如傳輸線、變壓器、及開關裝置之各種網路構件仍然會損壞。
限制故障電流及保護電力裝置，以免遭受由故障電流所引起的損壞的另一系統為超導故障電流限制器(superconducting fault current limiter,SCFCL)。一般SCFCL系統包含在低於臨界溫度TC、臨界磁場HC和臨界電流IC時，呈現幾乎零電阻率的超導電路，如果超過這些臨界準位情況中的至少一個，則電路受到抑制(quench)並顯示電阻率。
於正常運作期間，SCFCL系統的超導電路維持在TC、HC與IC的臨界準位狀況以下；於故障狀期間，超過一種或多種的上述臨界準位狀況。SCFCL系統中的超導電路立即受到抑制且其電阻突增，因而限制故障電流傳輸，並保護網路與相關設備以免超載。經過某些時間延遲及在清除故障電流之後，超導電路回到正常運作，即沒有超過任何臨界準位的情況且電流再次傳遍網路與SCFCL系統。
SCFCL系統可在直流電流(DC)或交流電流(AC)的環境下運作。會有穩定的功率消耗(power dissipation)來自於可由冷卻系統移除的AC耗損(亦即超導熱或是磁滯耗損)。典型以扁平金屬線或導電帶材(conductive tape)的形式的導體來傳送SCFCL系統中的電能或訊號，然而傳統上用於SCFCL系統中的導電帶材會導致實質的熱損耗。換言之，這些導電帶材的溫度會大幅上升，
使其膨脹而增加導電帶材彼此碰觸的可能性。此外，因為由流過導電帶材的電流所產生的磁場使導電帶材振動。因此在正常或者故障狀況下，隨著溫度的增加，導電帶材的振動會增加導電帶材間的碰觸。即使是微小的碰觸也會造成電學或力學上的干擾，導致導電帶材的壽命與可靠性減小。因此，保護導電帶材以免遭受如此干擾為製造業者所考量的重要因素。
因此鑒於前述，可知有關用於超導系統的導電帶材的電流技術可能有重大的問題與缺點。
本發明揭露一種保護超導物件的技術，在一項特定例示性實施例中，所述技術可實現為用於保護超導物件之裝置。所述裝置包括環繞地沿著所述超導物件配置的多孔套筒，所述多孔套筒由非導電的介電材料製成。
根據此特定例示性實施例之其他觀點，上述多孔套筒可處理極端的溫度。上述極端的溫度包括極低溫溫度及故障狀況溫度的至少一者。
此特定例示性實施例之進一步觀點，上述多孔套筒允許冷卻劑流至上述超導物件。
根據此特定例示性實施例之附加觀點，所述非導電的介電材料為可撓的。
根據此特定例示性實施例之其他觀點，上述多孔套筒防
止上述超導物件直接與上述多孔套筒外部的物體接觸。且上述外部的物體為另一超導物件。
根據此特定例示性實施例之進一步觀點，上述多孔套筒包括含有絲、棉、及羊毛之至少一種材料。
根據此特定例示性實施例之附加觀點，上述多孔套筒包括含有聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene,PTFE)與聚對苯二甲酸乙二酯(polyethylene terephthalate,PET)之至少一種材料。
根據此特定例示性實施例之其他觀點，上述多孔套筒可用於SCFCL系統、超導磁體系統、及超導儲存系統之至少一者。
根據此特定例示性實施例之進一步觀點，上述多孔套筒與上述超導物件間隔開來。
在另一特定例示性實施例中，所述技術可實現為用於傳送電流的裝置。所述裝置包括包含於冷卻劑中的超導組(array)。所述超導組包括多個超導物件、以及多孔介電層，所述多孔介電層插入兩兩所述超導物件之間，並讓冷卻劑流過。
根據此特定例示性實施例之附加觀點，上述多孔介電層與上述超導物件其中之一接觸。
根據此特定例示性實施例之其他觀點，上述多孔介電層與上述超導物件間隔開來。
根據此特定例示性實施例之進一步觀點，上述多孔介電層為環繞地沿著一個超導物件配置的多孔套筒。
根據此特定例示性實施例之附加觀點，上述裝置更包括
另一多孔套筒，其環繞地沿著另一超導物件配置。
根據此特定例示性實施例之其他觀點，上述多孔套筒耦接上述另一多孔套筒。
根據此特定例示性實施例之進一步觀點，上述多孔套筒與上述另一多孔套筒為堆疊結構。
根據此特定例示性實施例之附加觀點，上述多孔套筒與上述另一多孔套筒為並列結構。
根據此特定例示性實施例之其他觀點，上述超導組可處理極端的溫度。上述極端的溫度包括極低溫溫度及故障狀況溫度的至少一者。
根據此特定例示性實施例之進一步觀點，上述多孔介電層為可撓的。
根據此特定例示性實施例之附加觀點，上述多孔介電層防止上述超導物件直接彼此互相接觸。
根據此特定例示性實施例之其他觀點，上述多孔介電層包括含有絲、棉、羊毛、PTFE、以及PET之至少一種材料。
在又一特定例示性實施例中，所述技術可實現為用於傳送電流的裝置。所述裝置可包括箱體、包含於所述箱體中的冷卻劑、以及包含於所述箱體中的超導組。所述超導組可包括多個超導物件以及多個多孔介電套筒。每一個所述多孔介電套筒環繞地沿著所述超導物件其中之一配置，並讓冷卻劑流過。
根據此特定例示性實施例之附加觀點，上述超導組可用
於超導故障電流限制器系統、超導磁體系統、及超導儲存系統之至少一者。
根據此特定例示性實施例之其他觀點，上述多孔介電套筒包括含有絲、棉、羊毛、PTFE、以及PET之至少一種材料。
現在將參考如附圖所示之實施例更詳細地說明本發明。雖然以下將參考實施例來說明本發明，但是須知本發明並不侷限於此。任何所屬技術領域中具有通常知識者在研讀本發明的說明之後將明瞭額外的施行、修改以及實施例，如同其他的使用領域一樣都屬於在此所述之本發明的範圍，所以本發明可具有極大效用。
100‧‧‧SCFCL系統
110‧‧‧模組
112‧‧‧箱體
112a‧‧‧外層
112b‧‧‧內層
114‧‧‧冷卻劑
115‧‧‧變壓器
116‧‧‧襯套
117‧‧‧壓縮機
118‧‧‧內部並聯電抗器
120‧‧‧故障電流限制單元
132‧‧‧絕緣支柱
134‧‧‧附加支柱
142a‧‧‧電流線
142b‧‧‧電流線
144‧‧‧端子
146‧‧‧端子
148‧‧‧外部並聯電抗器
160‧‧‧平台
200‧‧‧結構
202‧‧‧超導帶材
204‧‧‧套筒
300A‧‧‧多套筒組
300B‧‧‧多套筒組
304a‧‧‧多套筒
304b‧‧‧多套筒
為了對本發明更完全了解，現將參考附圖，附圖中相同標號代表相同元件。這些圖式不應解釋為限制本發明，而僅表示實施例。
圖1根據本揭露的一實施例，描述一種利用超導物件的SCFCL系統。
圖2根據本揭露的各種實施例，描述一種用於保護超導物件的套筒結構。
圖3A根據本揭露的各種實施例，描述一種用於保護超導物件的多套筒組。
圖3B根據本揭露的各種實施例，描述一種用於保護超導物
件的多套筒組。
本發明的實施例提供一種用以保護超導物件(SC)的技術。
一種SCFCL系統可包括與地(ground)電性去耦合的外殼，使得外殼與地電位電性隔離。在實施例中，外殼可接地。SCFCL系統亦可含有與一條或多條載流線路(current carrying lines)電性連接的第一與第二端子，以及包含於外殼內的第一超導電路，其中第一超導電路可與第一及第二端子電性連接。
參照圖1，圖中繪示依照本揭露的一實施例之一種利用超導物件的示例系統。在本實施例中，表示一種利用超導物件的SCFCL系統100。本實施例雖然強調SCFCL系統100，但本揭露不侷限於此。任何所屬技術領域中具有通常知識者應明瞭亦可應用於例如電線、電纜、或磁帶之包含暴露於變溫下的導電物件的其他電子系統。
本實施例之SCFCL系統100可包括一個或多個模組110。為了清晰與簡單的目的，依據本揭露，雖然可考慮各種利用多於一相的模組的其他實施例，但SCFCL系統100的描述將限定為一個單相的模組110。
SCFCL系統100的相位模組110可包括界定其空間的外殼或箱體(tank)112。在一實施例中，外殼或箱體112可隔熱；在
其他實施例中，外殼或箱體112可電性絕緣。外殼或箱體112能以例如纖維玻璃(fiberglass)或其他介電材料的多種材料製造。在其他的實施例中，外殼或箱體112能以諸如金屬(例如不銹鋼、銅、鋁或其他金屬)的導電材料製造。外殼或箱體112亦可包含一個外層112a及一個內層112b，且絕緣介質(例如熱及/或電絕緣介質)可插入於外層112a及內層112b之間。
在實施例中，外殼或箱體112可接地或者不可接地。在圖1所描述的結構中，外殼或箱體112接地因此可稱為浮置的箱體結構。在另一實施例中，外殼或箱體112可電性耦接至傳送/配電網路電流線142a和142b並維持帶電電壓。
為了清晰與簡單的目的，外殼或箱體112內可能有一個或多個故障電流限制單元120，其表示為一方塊。模組110亦可包括一個或多個電性襯套(electrical bushing)116。襯套116的遠端(distal end)經由端子144和146可分別耦接到傳送網路電流線142a和142b。此結構允許將模組110耦接到傳送/配電網路(未圖示)。電流線142a和142b可以是將電力從一位置傳到另一位置的傳送線(例如傳至電流終端使用者的電源)，或者是電力或電流的配電線。
襯套116可包括含有內部導電材料的導體，以連接端子144和146到故障電流限制單元120。同時外層112a可用於將外殼或箱體112與內部的導電材料絕緣，從而使外殼或箱體112以及端子144和146能位於不同的電位。在實施例中，模組110可
包括內部並聯電抗器(shunt reactor)118或外部並聯電抗器148，或兩者皆連接包含於電性襯套116的導電材料。
數個絕緣支柱(insulated support)可用於絕緣彼此間不同的電壓。例如，外殼或箱體112內的絕緣支柱132可用來將故障電流限制單元120的電壓與外殼或箱體112絕緣。附加支柱134可用來將平台160及停留在其上的元件與地絕緣。
故障電流限制單元120的溫度可利用外殼或箱體112內的冷卻劑114來維持在希望的溫度範圍。在實施例中，可冷卻故障電流限制單元120並維持在例如77°K或77°K左右的低溫範圍。因此，冷卻劑114可包含液態氮(liquid nitrogen)或其他極低溫流體或氣體。冷卻劑114本身可利用電子冷卻系統來冷卻，其中電子冷卻系統更包括極低溫壓縮機117與變壓器115。也可用其他類型的冷卻系統來將冷卻劑114維持在低溫。
諸如超導(SC)帶材的扁平導電帶材，可用於傳送SCFCL系統100中的電能或訊號。然而任何所屬技術領域中具有通常知識者能理解，本揭露不排除使用電線、電纜、或其他形式的超導物件。如上述，在故障狀況期間，由於功率消耗，超導物件會曝露至極端狀況並呈現過熱。熱會使超導物件膨脹，而造成超導物件碰觸到另一超導物件或其他SCFCL系統100中的物件。隨著熱膨脹，自超導物件中電流的磁場所引起的振動移動，亦會或進一步增加與其他超導物件或物體接觸的可能性。
因為SCFCL系統100的超導物件通常彼此相鄰(例如並
排或堆疊)，這樣的接觸會造成機械的損壞，例如超導物件的碎片與刮痕。這會導致性能、可靠性、及成本的惡化，且這些超導物件高價又累贅以致須取代。另外會有因為與超導物件連續又延長的接觸所致的電性干擾。
根據本揭露的各種實施例，圖2描述用以保護超導物件的套筒結構200。在此結構200中，超導帶材202可包含一套筒204。
超導帶材202可包含多層，其一層或多層可為高溫超導體(HTS)層。層內HTS的實例包括基於氧化銅的超導體，例如釔鋇銅氧化物(YBCO)或其他稀土族的稀土鋇銅氧化物(ReBCO)、鉍鍶鈣銅氧化物(BSCCO)、鉈鋇鈣銅氧化物(TBCCO)、或汞鋇鈣銅氧化物(HgBa2Ca2Cu3Ox)；或其他基於鐵(Fe)的HTS。在HTS層的以上及/或以下，可由多種導電材料形成一層或多層。這些導電材料可包括銅、鋁、銀、鋼、或其他導電材料或複合材料。
套筒204可環繞地沿著超導帶材配置。在實施例中，套筒204緊緊環繞地沿著超導帶材配置，此可避免過多的套筒材料妨礙SCFCL系統100的正常運作。在其他實施例中，套筒204鬆散環繞地沿著超導帶材202配置，此可允許極好的透氣能力(breathability)並使液體及/或氣體流到超導帶材202，因而不會限制超導帶材202的冷卻。
套筒204可用非導電的介電材料形成。換言之，套筒204可提供超導帶材202與外部環境的電性絕緣。
在實施例中，套筒204可處理極端的狀況，這些狀況可包括溫度的波動、振動移動、極端的溫度、或其他環境因素。因為超導帶材202容易受這些極端的狀況影響，套筒204可由能夠抵擋這些狀況的耐用材料形成。
例如，因為極低溫溫度會達到65°K或低於65°K，而故障時的溫度卻可達600°K或高於600°K，故套筒204可由能夠處理這些狀況的耐用材料形成。
在實施例中，套筒204可由纖維或網格狀(mesh-like)材料製成，此材料能夠吸收並留存冷卻劑(例如液態氮或其他制冷劑)，且亦可提供較佳的帶材的復原(並縮短復原時間)，亦即在故障狀況期間在超導帶材周圍形成蒸氣。另外，隨溫度上升，纖維的吸收性質有助於防止燃燒。
用以形成套筒204的材料可包括絲、棉、羊毛、鐵氟龍®(或PTFE)、PET、或及其結合。亦可提供纖維、網狀織物、以及複合物的其他各種材料。
如下所示，表1提供各種狀況下的兩個示例材料(鐵氟龍與絲)的實例比較。
根據本揭露的各種實施例，圖3A描述一個用以保護超導物件的多套筒組300A。在此多套筒組300A中，兩個超導帶材202可彼此接近地放置。在此實例中，超導帶材202可以並列結構彼此鄰近。因此，多套筒304a可用以保護這些超導帶材202。
多套筒304a可包括如上述參考圖2的單套筒204的所有特性。然而多套筒304a可以兩個以上耦接的套筒有效率地運作。在此情形下，如圖3A所示，多套筒304a可以並列結構耦接。如以上所述，超導帶材可經常靠近另一超導帶材放置。因此，利用多套筒304a可防止與其他超導帶材或其他外部物體接觸。
應理解的是，當將多套筒組300A引導至適合兩個超導帶材202的多套筒304a時，可提供較大量的套筒以適合較大量並列的超導帶材202。
根據本揭露的其他各種實施例，圖3B描述一個用以保護超導物件的多套筒組300B。在此多套筒組300B中，六個超導帶材202可彼此接近地放置。在此實例中，超導帶材202可以堆疊結構彼此鄰近。因此，多套筒304b可用以保護這些超導帶材。
多套筒304b可包括如上述參考圖2的單套筒204的所有特性。然而多套筒304b可以多個連接的套筒有效率地運作。在此情形下，如圖3B所示，多套筒304b可以堆疊結構耦接。如以上所述，超導帶材可經常靠近另一超導帶材放置。因此，利用多套筒304b可防止與其他超導帶材或其他外部物體接觸。
應理解的是，當多套筒組300B引用適合六個超導帶材202的多套筒304b時，可提供更多或更少數目的套筒以適合更多或更少數目並列的超導帶材。
應理解的是，當上述實施例引用超導套筒的多個結構時，亦可提供其他的各種結構、排列、型態、及/或設計。例如多套筒組可具有堆疊或並列的結構，亦可實現其它各種結構。因此亦可提供其他各種結構、型態、變化、及其結合。
應理解的是，上述套筒的實施例主要引用各種纖維類的材料，亦可使用其他型的材料。例如亦可使用多孔洞及/或聚合物類的材料；亦可使用諸如玻璃、塑膠、橡膠、環氧樹脂、環氧樹脂類的複合材料、或其他介電材料。這些材料不會提供與如上述纖維類材料相同的結果或優點，但可視為適用於各種應用或情況。
應理解的是，當本發明實施例引用超導帶材時，可提供諸如電線、電纜、或其他導體或材料的其他各種物件。
應理解的是，當本發明實施例引用SCFCL系統的應用時，亦可提供其他各種應用與施行，諸如超導磁體、超導儲能元件、以及其他超導的應用或利用導電帶材或相同成份的其他應用。
藉由以套筒保護的超導物件，超導帶材可達到維持較佳的壽命、耐用性、及成本。
本揭露並非限定於藉由在此所描述的特定的實施例的範圍。實際上，除了在此所述之外，任何所屬技術領域中具有通常知識者將藉由上述說明及附圖輕易明瞭本發明的其他各種實施例及修改。從而，其它的各種實施例及修改應屬於本發明的保護範圍。此外，雖然在此所述之本發明為了特殊目的而在特殊環境下以特殊方式施行，但是任何所屬技術領域中具有通常知識者將明瞭其效益並未侷限於此，並且本發明可為了各種目的而在各種環境下有益地施行。因此，應如本說明書中所描述本發明的整個廣度及精神來解釋以下所提出的申請專利範圍。
200‧‧‧結構
202‧‧‧超導帶材
204‧‧‧套筒
Claims (22)
- 一種用於保護超導帶材的裝置，所述裝置包括：多孔套筒，其環繞地沿著該超導帶材配置，其中該多孔套筒由非導電的介電材料製成，其中該多孔套筒與該超導帶材間隔開來，該超導帶材包含：高溫超導體層；以及由導電材料形成的一層或多層，該導電材料包括銀或鋼。
- 如申請專利範圍第1項所述的裝置，其中該多孔套筒是安裝來處理極端的溫度，其中該極端的溫度包括極低溫溫度及故障狀況溫度的至少一者。
- 如申請專利範圍第1項所述的裝置，其中該多孔套筒是安裝來使冷卻劑流至該超導帶材。
- 如申請專利範圍第1項所述的裝置，其中該非導電的介電材料為可撓的。
- 如申請專利範圍第1項所述的裝置，其中該多孔套筒防止該超導帶材直接與該多孔套筒外部的物體接觸。
- 如申請專利範圍第5項所述的裝置，其中該外部的物體為另一超導帶材。
- 如申請專利範圍第1項所述的裝置，其中該多孔套筒包括含有絲、棉、及羊毛之至少一種材料。
- 如申請專利範圍第1項所述的裝置，其中該多孔套筒包括含有聚四氟乙烯與聚對苯二甲酸乙二酯之至少一種材料。
- 如申請專利範圍第1項所述的裝置，其中該多孔套筒用於超導故障電流限制器系統、超導磁體系統、及超導儲存系統之至少一者。
- 一種用於傳送電流的裝置，所述裝置包括：超導組，包含於冷卻劑中，該超導組包括：多數個超導帶材，其中各該超導帶材包括一第一平面與一第二平面；以及多數個多孔介電套筒，其中各該多孔介電套筒圍繞各該超導帶材的該第一平面與該第二平面，而插入兩兩所述超導帶材之間，並安裝來鬆散環繞地配合各該超導帶材的該第一平面與該第二平面，而允許透氣能力並讓該冷卻劑流過該些超導帶材中的各該超導帶材。
- 如申請專利範圍第10項所述的裝置，其中該多孔介電套筒與該超導帶材其中之一接觸。
- 如申請專利範圍第10項所述的裝置，其中該多孔介電套筒與該超導帶材間隔開來。
- 如申請專利範圍第10項所述的裝置，其中該些多孔介電套筒中的一個耦接至另一多孔介電套筒。
- 如申請專利範圍第13項所述的裝置，其中該些多孔介電套筒中的一個與該另一多孔介電套筒為堆疊結構。
- 如申請專利範圍第13項所述的裝置，其中該些多孔介電套筒中的一個與該另一多孔介電套筒為並列結構。
- 如申請專利範圍第10項所述的裝置，其中該超導組是安裝來處理極端的溫度，其中該極端的溫度包括極低溫溫度及故障狀況溫度的至少一者。
- 如申請專利範圍第10項所述的裝置，該多孔介電套筒為可撓的。
- 如申請專利範圍第10項所述的裝置，其中該多孔介電套筒防止該超導帶材直接彼此互相接觸。
- 如申請專利範圍第10項所述的裝置，其中該多孔介電套筒包括含有絲、棉、羊毛、聚四氟乙烯、以及聚對苯二甲酸乙二酯之至少一種材料。
- 一種用於傳送電流的裝置，所述裝置包括：箱體；冷卻劑，包含於該箱體中；超導組，包含於該箱體中，該超導組包括：多數個超導帶材，其中各該超導帶材包括一第一平面與一第二平面；以及多數個多孔介電套筒，其中各該多孔介電套筒圍繞各該超導帶材的該第一平面與該第二平面，而插入兩兩所述超導帶材之間，並安裝來鬆散環繞地配合，各該超導帶材的該第一平面與該第二平面，而允許透氣能力並讓該冷卻劑流過該些超導帶材中的各該超導帶材。
- 如申請專利範圍第20項所述的裝置，其中該超導組可用 於超導故障電流限制器系統、超導磁體系統、及超導儲存系統之至少一者。
- 如申請專利範圍第20項所述的裝置，其中該多孔介電套筒包括含有絲、棉、羊毛、聚四氟乙烯、以及聚對苯二甲酸乙二酯之至少一種材料。
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