[实用新型]双面YBCO薄膜结构的超导限流器单元模块

说明书

技术领域

本实用新型涉及超导开关元件，尤其是电阻型超导故障电流限流器技术领域。 

背景技术

随着经济和社会的发展，电力需求不断增长；同时电网的容量不断扩大。电力系统容量和并网输电的日益增加，电网的潜在短路功率和故障短路电流也随之增大，对电网中各种电器设备的潜在短路电流冲击也越来越高，因此要求在线设备的抗大电流冲击的能力要求越来越高，这给电力系统的建设和运行带来了一系列的问题。更换大容量的断路器，提高电网的安全性，将大大增加成本；更为重要的是现有的断路器限流等级有限，若断路电流超过开断极限，只能被迫利用其他分化系统传输方法。在电网中安装故障限流器，是限制故障断路电流、降低断路器开断容量的有效措施。引入限流器，由于降低了短路电流的水平，可充分利用已有的低压断路器装置，因此避免了低压断路器升级的迫切要求。由于降低了短路电流的水平，亦大大降低了短路瞬间故障电流对整个系统以及所有在线设备的冲击。在目前现有的限流设备中高温超导限流器被认为是最有效的电力短路电流限制设备。 

高温超导限流器根据其结构特点可以分为电阻型、电抗型、变压 器型和饱和铁芯型等，其中电阻型限流器直接利用超导-正常态转变的电阻特性，来限制电力系统中的故障时的短路电流；它可以自动地将故障检测、限流集于一身，具有低损耗、自动触发、自动复位、可多次动作等特点；相较于其他类型的限流器，电阻型的限流器结构简单、体积更小、制作成本较低，被认为是最有大规模推广意义的限流设备。 

目前制作超导限流器的材料有带材、块材、薄膜等，无论选择哪一种材料，单模块的限流器承受的电压和电流等级都有限。解决的办法是，通过并联连接来提高电流等级，通过串联来提高承压等级；多模块连接组装成符合电力标准的超导限流器装置。超导限流元件的开断速度一般要求快速和均匀，但是组装和集成的电阻型限流器中，很难做到在短时间内整体失超，如果开断性不是沿超导体长度方向均匀形成的，而只是局部的话，不能有效地把电流转到分流电阻上，从而使超导体上的热点持续发展并导致导体破坏。为避免限流器件的破坏，这些局部的热点必须通过热传导迅速扩散到整个平面，或者与外界的低温环境进行热交换，将热量散发到导体外部；后者对超导限流器工作的低温环境有很高的要求，而且大量的热耗散会降低限流器的关断电阻，限流电路中会有很大的残余电流。快速有效的关断性能，一直是设计和制作高性能的电阻型超导限流器考虑的重点和难点。 

实用新型内容

鉴于以上陈述的已有方案的不足，本实用新型旨在提供一种双面YBCO薄膜结构的超导限流器单元模块，并使之具有更为良好的高温 超导限流器的工作电流和关断性能。 

为了实现上述目的，本实用新型的技术解决方案是：适合于多模的串联协同于液氮温区工作的双面YBCO薄膜结构的超导限流器单元模块。由分流电阻、非线性电阻双面结构的YBCO薄膜材料限流器的主体和铜电极构成；分流电阻与双面结构的YBCO薄膜材料限流器的主体并联设置在铜电极上；所述YBCO双面薄膜为是Au/YBCO/MgO/YBCO/Au的双面多层结构。 

采用本实用新型，由于双面结构的YBCO薄膜具有独特的热学特性和电磁特性，采用双面的导电层并联载流，可以提高超导限流器单元模块的通流能力；MgO是一种良好的导热材料，MgO基底层作为热媒介时，在超导层之间存在良好的热交换。这样的超导限流器在正常工作态下，由于超导层间有电、磁、热场的耦合，限流器对短路电流具有更高的敏感度；关断时双面超导层之间电、磁、热场耦合的实际效果是重新平衡热场分布和临界电流密度分布，使一个单元的超导限流器快速、均与地断开。 

高温超导限流器工作在液氮温区（77K），根据液氮的沸腾工况，双面结构的YBCO薄膜具有比单面的薄膜更强的热力学惰性，限流器断开后会长时间地保持正常态，如果串联的多个限流器模块不能同时断开，电路中有残余的短路电流会使超导薄膜持续地升温，甚至超过最高耐温值烧蚀超导材料。针对这样的问题，本实用新型在超导薄膜的两端并联分流电阻，构成一个单元的超导限流器模块。这样的有益效果是，在一个单元模块中可以分流保护超导薄膜，除此之外，在多 模块串联时分流电阻有均压的作用，能保证多个模块的失超的同步性。超导限流器的多模块协同工作方式在具体实施方式中予以详述。 

附图说明如下： 

图1是双面YBCO薄膜多层结构的横截面图。图中1为镀金层（100nm-300nm），2为YBCO超导层(300nm-500nm)，3为MgO基底层(0.5mm)。