[发明专利]超导故障电流限制器

说明书

本发明涉及超导故障电流限制器(SCFCL)。

参见附图1，可以由绕在铁质的(或空气的)芯子3上的初级绕组1和短路的次级绕组2来表示感应SCFCL。短路的绕组是超导材料的一个层或一个圆柱体，而初级绕组构成对所引起的故障电流进行抵消的电路一部分。通常由超导体感生的电流引致的磁通有效地屏蔽(或消除)了来自铁芯的初级绕组的磁通，并由SCFCL使电路呈低电感。但是，当超导体中的电流密度高于临界值时，超导体将呈阻性，且感生的超导电流不足以产生足够的抵消通量。随之，进入铁芯的剩余未屏蔽/未抵消的初级磁通量会产生大感生电抗，它自我限制了故障电流。

对于给定临界电流密度(J_C)和给定截面的超导绕组来说，临界初级电流-故障电流即被确定，在此界限之上，进行值的自我限定。

在图1的次级电路中的电阻R_s代表当初级电流超过故障电流时的超导电阻。

采用所谓高压超导(HTS)的感应型超导故障电流限制器可从诸如欧洲专利0353449中得知。

在诸如上文提及的已有技术装置中所产生的问题是，本来可被容纳下来的故障电流却受到超导通路截面积不适当的限制。通过增加在已有技术装置中的次级圆柱体的厚度(随之增加截面)而增加故障电流阈值的努力是不能令人满意的，因为超导体的临界电流密度(J_C)随厚度增加而劣化。此外，需要HTS的薄层，以确保短切换时间，并确保在故障状态下温升仍然可控，而在要被保护的电路中无需启动电路断路器。

本发明的目的在于提供一个超导故障电流限制器，它大大地克服了已有技术的问题。

根据本发明，一种超导故障电流限制器，它包括：一个初级故障电流绕组，一个以超导圆柱体形式的次级绕组，一个搭接在初级和次级绕组上的铁磁电路，初级和次级绕组被安置成，能在第二组的超导状态产生基本上抵消铁磁电路中的初级磁通，其中，超导圆柱体包括一个覆有超导材料的衬层，该衬层至少具有相对于圆柱体的轴而横向伸展的超导涂层部分。

所述部分的至少一些部分是暴露的表面，它允许制冷液体与超导涂层接触。

衬层包括一堆叠的单个垫圈状的件，在其一面或两面涂有超导材料。

另外，衬层可以是具有开槽外表面的圆柱体。

在另一实施例中，衬层的厚度和起皱的形状基本均匀。

超导圆柱体和初级绕组可放在铁磁电路的同一位置上，且超导圆柱体处在初级绕组内。

图1为一般SCFCL的电路图；

图2(a)为根据本发明的SCFCL的截面图；

图2(b)是图2(a)的超导圆柱体的放大的细节图；

图3为图2的超导圆柱体的部件“垫圈”的正视和侧视图。

参见图1，初级绕组1与将被保护的电路相串联。绕组1包着也耦合到由短路的次级所构成的超导绕组2的铁磁芯3上。次级绕组的阻值是由可变电阻R_s代表的，该值取决于超导的状态。进而取决于电流密度，低于临界值J_C呈超导性，高于该值呈阻性。在正常电流值的超导状态，在超导圆柱体中感生的电流使安匝与初级线圈中的相等并相反。

可考虑将两个绕组组合起来以产生一个纯零场强，随后在铁芯中产生一个纯零的通量。

另一方面，可将超导圆柱体2当作一个屏以防止初级磁通“接触”到铁芯。这样，初级电感非常低，且对保护电路呈现出可忽略不计的阻抗。

次级电流随初级电流升高直至超过用于超导屏蔽的临界电流I_C为止。在此状态下，次级呈阻性(即R_s从零起增加)，两个磁密度出现不平衡，净余磁通就会进入铁芯中，初级绕组电感就会大大增加，且所产生的增加后的阻抗限制了故障电流。

见图2(a)，其中示出矩形软铁芯3，其一边由初级铜绕组1和构成短路次级绕组的超导圆柱体2包围。

圆柱体2仅仅是开放的圆柱形的，且由固定有氧化锆的垫圈形件4(见图3)的氧化锆陶瓷管5(见图2(b)的放大图)构成，件4在其一面或两面覆有高温超导体。在现阶段有几种具有高于77°K临界温度的HTS材料可用。

垫圈4再由也为陶瓷的环形隔件6隔开。

涂层厚度在50-100μm间，并限制到100μm下，以避免使J_C变差。垫圈的涂层表面的径向范围可为涂层厚度的50-100倍的数量级。