[发明专利]具有可变旁路阻抗的超导故障电流限制器

说明书

相关申请信息

本申请要求享有2010年1月21日提交的题为“SUPERCONDUCTING FAULT CURRENT-LIMITER WITH VARIABLE SHUNT IMPEDANCE”的美国申请No.12/691325的权益，在此通过引用将其全文并入。

联邦资助研究的声明

本发明一部分是在政府支持下进行的，能源部授予的合同号为DE-F36-03G013033。因此，美国政府可以在本发明中具有一定权利。

技术领域

本发明总体上涉及一种电流限制器，更具体而言，涉及一种超导故障电流限制器，其具有与超导元件并联连接的可变旁路阻抗，以有助于在负载下恢复超导元件。

背景技术

电流限制装置在电力传输和配电系统中是关键性的。出于各种原因，例如雷击，短路状态可能在一段电网中导致电流急剧波动。这个电流波动常常称为故障电流，如果它超过整个电网系统内部署的开关设备的保护能力，可能对电网设备和连接到系统的客户负载造成灾难性伤害。

由于能够操纵其以在特定工作条件下实现“可变阻抗”效应的固有性质，超导体，尤其是高温超导（HTS）材料，非常适用于电流限制装置中。在一定温度和外部磁场范围（即，“临界温度”（T_c）和“临界磁场”（H_c）范围）之内操作时，如果流经的电流低于特定阈值（即，临界电流水平I_c），超导体表现出没有电阻，因此被称为处于“超导状态”中。不过，如果电流超过这个临界电流水平，超导体将经历从其超导状态到“正常电阻状态”的变换。超导体从其超导状态到正常电阻状态的这种变换称为“失超”。如果三个因素，即工作温度、外部磁场或电流水平之一或任何组合超过对应的临界水平，可能会发生失超。利用这三个因素的任一个或组合诱发和/或迫使超导体失超的机制通常称为触发机制。

超导体一旦失超，可以通过使工作环境进入其临界电流、临界温度和临界磁场范围的边界之内使其回到其超导状态，条件是在超导体失超期间未产生热或结构损伤。与工作于液氦温度（4°K）附近的低温超导（LTS）材料相比，HTS材料能够工作在液氮温度（77°K）附近。因此，操控HTS材料的性质容易得多，因为其工作温度范围高而宽。

对于一些HTS材料，例如体BSCCO、YBCO和MgB₂，在超导体体积之内常常有制造工艺导致的不均匀区域。这样的不均匀区域能够在超过超导体临界电流水平的电流浪涌期间演变成所谓的“热点”。实质上，在电流导致的失超初始阶段，由于不均匀的原因，超导体体积的一些区域变得有电阻。电阻区域将在这些不均匀区域从其关联的i²r损耗发热。如果产生的热不能充分快地传播到其周围区域和环境，局部发热将损伤超导体，可能导致整个超导体元件的破坏（烧坏）。

2003年12月16日授权的题为“Matrix-Type Superconducting Fault Current-limiter”，转让给本发明受让人的美国专利证No.6664875（在此通过引用将其全文并入本文）使用一种组合了全部三个超导体失超因素（即电流、磁场和温度）的机制，以实现电流限制期间超导体的更均匀失超。这种所谓的矩阵型超导故障电流限制器（MFCL）概念能够显著减小体超导材料中由于超导体体积中存在非均匀性造成的烧坏风险。此外，通过内置矩阵设计以无源方式进行MFCL电流限制阻抗的故障检测和后续激活，无需有源控制机制的辅助。这使得针对宽范围的可能电流限制应用，更容易设计、构造和操作基于MFCL概念的故障电流限制器。

利用旁路阻抗将电流从HTS元件转移到旁路阻抗，使高故障电流造成的HTS材料中的过热最小化。在某些超导故障电流限制器（SCFCL）设计中，使用了两个外部绕组（线圈），一个产生触发磁场，一个作为旁路阻抗。由于每个HTS元件使用两个线圈，造成部件（部分）数量大，增加了设计的复杂性，在可制造性、尺寸、重量、绕组和互连功率损耗以及高压设计方面存在问题。

发明内容