專利名稱：具有超導(dǎo)開關(guān)元件的限流裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有設(shè)置在低溫恒溫器中的超導(dǎo)開關(guān)元件的電流限流裝置。
背景技術(shù)：
本文開頭所述類型的限流裝置例如已由德國專利申請DE10230084A1公開。這種限流裝置用于電網(wǎng)中。電流流過超導(dǎo)開關(guān)元件，該開關(guān)元件在通過持續(xù)冷卻而保持在運行溫度時具有可以忽略不計的微小電阻。如果在電網(wǎng)內(nèi)出現(xiàn)電網(wǎng)故障(例如短路)，則不可靠的高短路電流在超導(dǎo)開關(guān)元件中引起稱作淬火(Quenchen)的特性。該高電流在超導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生電感，該電感首先略微地增大了超導(dǎo)體的電阻。由此，使超導(dǎo)體處于所謂的熔融-流動區(qū)域內(nèi)，在該區(qū)域內(nèi)超導(dǎo)材料呈現(xiàn)Shubnikov相。該特性例如在W.Buckel，SupraleitungGrundlagen und Anwendung，Weinheim 1990中有所記載。由此，在超導(dǎo)材料內(nèi)在Shubnikov相中同時形成普通導(dǎo)電區(qū)域和超導(dǎo)區(qū)域，這些區(qū)域通過在超導(dǎo)體內(nèi)游動的普通導(dǎo)電的流動囊(Flussschlaueche)構(gòu)成。超導(dǎo)開關(guān)元件與此相關(guān)的電阻增大導(dǎo)致超導(dǎo)體升溫。而當(dāng)如通常那樣當(dāng)換向?qū)w(Kommutierungsleiter)作為層敷設(shè)在超導(dǎo)體上時，上述情況會加劇，當(dāng)超導(dǎo)體進(jìn)入熔融-流動區(qū)域內(nèi)時該換向?qū)w承擔(dān)部分短路電流并由于其明顯較高的電阻而產(chǎn)生附加的熱量。開關(guān)元件的變熱導(dǎo)致在最短的時間內(nèi)超越臨界溫度，在該臨界溫度之上超導(dǎo)體為常規(guī)導(dǎo)體，亦即由于溫度條件而脫離熔融-流動區(qū)域并由于其突然增大、現(xiàn)在為歐姆電阻而將短路電流限制在短路殘留電流上。
為了避免在限流情況下?lián)p害超導(dǎo)開關(guān)元件，必須最晚在起動后50ms再次給開關(guān)元件去負(fù)荷，這例如借助于導(dǎo)電的旁路元件來實現(xiàn)，該旁路元件由于其電阻而起到限流作用。在超導(dǎo)開關(guān)元件重新冷卻到最初的運行溫度時，該超導(dǎo)開關(guān)元件與電網(wǎng)分離并且它才又可以使用。
DE10230618A1公開了一種超導(dǎo)限流器的結(jié)構(gòu)，該超導(dǎo)限流器借助于超導(dǎo)體的帶狀結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。將帶狀超導(dǎo)體螺旋狀地安置在冷卻介質(zhì)中，使得冷卻介質(zhì)可以在該螺旋盤圈之間到達(dá)超導(dǎo)體的表面。由此可以在限流情況之后縮短冷卻時間，使得在發(fā)生限流情況之后限流裝置又可以快速地重新投入使用。但是由于所描述的功能原理在重新使用限流器之前需要進(jìn)行冷卻。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種具有超導(dǎo)開關(guān)元件的電流限流裝置，該限流裝置在限流情況下不受限制地用于限流并在限流情況之后馬上又可以使用。
根據(jù)本發(fā)明，上述技術(shù)問題是這樣得以解決的，即，將所述開關(guān)元件設(shè)計為，使得該開關(guān)元件在限流情況下在達(dá)到限流裝置所要求的短路電流時呈現(xiàn)Shubnikov相。也就是說，按照本發(fā)明所述超導(dǎo)開關(guān)元件必須設(shè)計成，與超導(dǎo)體的淬冷相比在熔融-流動區(qū)域內(nèi)運行時(亦即超導(dǎo)體呈現(xiàn)Shubnikov相時)電阻只略有增大就足夠達(dá)到將短路電流限制到短路殘余電流。為此，使超導(dǎo)開關(guān)元件具有足夠長的導(dǎo)體長度，以在處于Shubnikov相時在與(向普通導(dǎo)電狀態(tài)的過渡)臨界溫度具有足夠安全距離的溫度下就已達(dá)到對于所要求的短路電流而言需要的電阻。超導(dǎo)開關(guān)元件尤其可以設(shè)計為帶狀導(dǎo)體，因為以這種方式可以經(jīng)濟(jì)地制造出所要求的導(dǎo)體長度。
在超導(dǎo)開關(guān)元件在熔融-流動區(qū)域內(nèi)運行時超導(dǎo)開關(guān)元件與淬冷時不同只有幾開耳芬(Kelvin)的相對較小的溫升值。因此，通過所述用于冷卻開關(guān)元件的低溫恒溫器可以可靠地排出所產(chǎn)生的熱量，附加地通過帶狀導(dǎo)體具有相對大的用于傳熱的表面而有助于所述熱量的排出。因此，可以通過恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計限流裝置而在限流情況下確保通過短路電流產(chǎn)生的熱量與通過所述冷卻介質(zhì)排出的熱量之間的熱平衡，使得超導(dǎo)開關(guān)元件在穩(wěn)定的狀態(tài)下運行。所以超導(dǎo)開關(guān)元件還可以在更長的時間內(nèi)限制電流，而不必例如通過旁路元件對其去負(fù)荷。此外還可以有利地在最短時間內(nèi)再冷卻幾開耳芬，使得超導(dǎo)開關(guān)元件在限流情況之后馬上可以再投入使用。
按照本發(fā)明的一種實施方式，將低溫恒溫器的冷卻功率設(shè)計為，使得開關(guān)元件在整個限流時間內(nèi)可以保持在使其呈現(xiàn)Shubnikov相的溫度范圍內(nèi)。由此可以通過限流裝置實現(xiàn)運行管理，在運行管理過程中超導(dǎo)開關(guān)元件一直處于電網(wǎng)中并因此不受限制地利用其功能。這有利地代表了一種安全性的優(yōu)點，因為例如即便在短時間連續(xù)相繼地發(fā)生電網(wǎng)故障時也可以在限流裝置內(nèi)分別觸發(fā)一個限流狀況。另一個優(yōu)點在于，超導(dǎo)開關(guān)元件在運行時在限流情況期間在熔融-流動區(qū)域內(nèi)能夠完全可逆地在超導(dǎo)相與Shubnikov相之間變換，這樣排除了對超導(dǎo)材料的損害。
按照本發(fā)明的一種變型方案，所述開關(guān)元件設(shè)有絕熱層。由此可以有利地直接影響超導(dǎo)開關(guān)元件與低溫恒溫器的冷卻介質(zhì)之間的熱傳導(dǎo)，使得可以實現(xiàn)在限流情況下與熱平衡形成相關(guān)地適當(dāng)設(shè)計所述限流裝置。超導(dǎo)開關(guān)元件的絕熱使得實際上延遲了向低溫恒溫器的冷卻介質(zhì)的散熱，致使超導(dǎo)開關(guān)元件更強地變熱，由此也使電阻增大。當(dāng)然盡管采用了絕熱結(jié)構(gòu)，但是仍不允許加熱到臨界溫度。
按照本發(fā)明的另一種變型方案，所述開關(guān)元件帶有平行于該開關(guān)元件延伸的換向?qū)w。該換向?qū)w和超導(dǎo)開關(guān)元件可以例如組成一個層式復(fù)合體，其中超導(dǎo)開關(guān)元件層和換向?qū)w層連續(xù)相疊，亦即相互緊密地連接。換向?qū)w增大了防止開關(guān)元件局部淬冷的安全性的優(yōu)點，并且此外在限流情況下還承擔(dān)取決于處于Shubnikov相的開關(guān)元件的電阻和換向元件電阻的比例關(guān)系的短路電流的相當(dāng)?shù)牟糠帧?br> 當(dāng)換向?qū)w由金屬或者具有正磁導(dǎo)率的合金構(gòu)成時，是有利的。由此增強了在由開關(guān)元件和換向?qū)w組成的層式復(fù)合體內(nèi)的磁感應(yīng)(B)，只要有磁場穿過該換向?qū)w。這例如是指在限流情況下?lián)Q向?qū)w參與導(dǎo)送電流的情況。
此外，當(dāng)開關(guān)元件螺旋狀地在低溫恒溫器中延伸時，是有利的。以這種方式可以有利地節(jié)省位置地安置所需長度的開關(guān)元件，同時螺旋狀的延伸走向為低溫恒溫器的冷卻介質(zhì)在各相鄰的盤圈之間留出了充足的位置，以確保從開關(guān)元件到冷卻介質(zhì)的直接傳熱。
按照本發(fā)明的一種變型方案，與所述開關(guān)元件并聯(lián)地設(shè)置旁路元件。這樣設(shè)計該旁路元件的電阻，即，使得一定份額的短路電流流過該旁路元件，由此對所述開關(guān)元件以及或許對換向?qū)w去負(fù)荷。
當(dāng)所述旁路元件位于所述低溫恒溫器之外時，是有利的。由此通過限流過程產(chǎn)生的熱量一部分是在旁路元件內(nèi)以及進(jìn)而是在低溫恒溫器之外產(chǎn)生的，使得低溫恒溫器的冷卻功率在任何情況下對于超導(dǎo)開關(guān)元件而言都是足夠的。但是與在已知的限流裝置中不同，旁路元件在整個限流期間與開關(guān)元件并聯(lián)地工作，也就是說，開關(guān)元件保持在電網(wǎng)上。


下面借助于附圖對本發(fā)明的其他細(xì)節(jié)進(jìn)行描述。附圖中圖1表示本發(fā)明限流裝置的一種實施方式的極其簡略的結(jié)構(gòu)；圖2表示超導(dǎo)開關(guān)元件的一種實施方式的橫截面圖；圖3表示本發(fā)明限流裝置的一種實施方式的部件的電阻和磁場強度與溫度的關(guān)系。
具體實施例方式
限流裝置11具有兩個連接元件12，通過這兩個連接元件可以將限流裝置11連接到電網(wǎng)中。限流裝置11主要由超導(dǎo)開關(guān)元件13和旁路元件14組成，該旁路元件14與開關(guān)元件13平行地安置。開關(guān)元件13設(shè)置在低溫恒溫器中15中，為此該低溫恒溫器中15具有填充有作為冷卻介質(zhì)16的液氮的絕緣容器17。冷卻頭18將熱量從絕緣容器中導(dǎo)出。另外，在該絕緣容器17上設(shè)有導(dǎo)線引導(dǎo)19，其允許將開關(guān)元件13與位于該絕緣容器17之外的連接元件12導(dǎo)電接通11。
在圖2中以剖面圖表示出超導(dǎo)開關(guān)元件13。該超導(dǎo)開關(guān)元件由層式復(fù)合體組成，其中通過敷設(shè)涂層在換向?qū)w21上制造超導(dǎo)層20(例如YBCO)。另外，在超導(dǎo)層20上還敷設(shè)了例如由塑料制成的絕熱層22。在超導(dǎo)層20與換向?qū)?1之間還可以設(shè)有對于制造超導(dǎo)層20重要的一些層，例如緩沖層(未詳細(xì)示出)。
從圖3可以看出，超導(dǎo)開關(guān)元件可能處于哪些相狀態(tài)。用陰影線表示出了Shubnikov相，在該Shubnikov相中超導(dǎo)開關(guān)元件可以在熔融-流動區(qū)域內(nèi)運行。超導(dǎo)相24處于Shubnikov相的左側(cè)，在該超導(dǎo)相24中開關(guān)元件具有可以忽略不計的微小電阻；普通導(dǎo)電區(qū)域25處于Shubnikov相的右側(cè)，在該區(qū)域內(nèi)開關(guān)元件呈現(xiàn)如歐姆電阻的特性。在普通導(dǎo)電區(qū)域25內(nèi)按照本發(fā)明的開關(guān)元件應(yīng)該不工作。
在上部的圖表中示出，Shubnikov相23的存在不僅取決于溫度T、而且取決于在開關(guān)元件中存在的磁場強度H。超過臨界場強HC和臨界溫度TC超導(dǎo)體就一直呈現(xiàn)普通導(dǎo)電相25。處于HC和TC之下時下述關(guān)系有效，即，當(dāng)磁場強度增大時臨界溫度TC(H)相應(yīng)降低或者當(dāng)溫度升高時臨界磁場強度HC(T)相應(yīng)減小。
在下部的圖表中表示出，限流裝置部件的電阻變化與溫度的關(guān)系。限流裝置的標(biāo)準(zhǔn)運行狀態(tài)是在額定溫度TN下實現(xiàn)的，在此在該溫度下恰好尚未呈現(xiàn)Shubnikov相，使得開關(guān)元件在超導(dǎo)區(qū)域內(nèi)運行。開關(guān)元件的電阻很小、可以忽略不計，因此電流完全通過該開關(guān)元件傳導(dǎo)以及具有更高數(shù)量級電阻的換向?qū)w或旁路元件幾乎無電流通過。
在限流情況下(出現(xiàn)電網(wǎng)故障、例如短路時)導(dǎo)通的電流突然增大，由此在超導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生電感。因此開關(guān)元件出現(xiàn)在熔融-流動區(qū)的開始并經(jīng)歷突然增大的電阻。由此一部分短路電流過渡到旁路中以及尤其也過渡到換向?qū)w中，在此，它們在額定溫度TN下的電阻值、在標(biāo)準(zhǔn)運行狀態(tài)下的溫度必須足夠小，因此它們承擔(dān)短路電流的重要部分。通過換向?qū)w中的電流還提高了其磁感應(yīng)，該磁感應(yīng)又增大了開關(guān)元件內(nèi)的電阻，但是此時不允許離開熔融-流動區(qū)域(參見上部的圖表)。
在所描述的過程中，開關(guān)元件變熱，在此，溫度的升高同時與增強的向低溫恒溫器的冷卻介質(zhì)的散熱相關(guān)聯(lián)。低溫恒溫器的冷卻功率要夠用，以在限流情況期間在溫度TS條件下達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)，在該狀態(tài)下在開關(guān)元件內(nèi)產(chǎn)生的熱量與排出到冷卻介質(zhì)中的熱量相平衡。由此防止了開關(guān)元件變熱超過溫度TS，使得保持與臨界溫度具有足夠的安全距離并有效地防止對超導(dǎo)體與此相關(guān)的淬冷。
另外從圖3的下部圖表中可以看出，開關(guān)元件在熔融-流動區(qū)域內(nèi)的電阻增大比與超導(dǎo)體的淬冷有關(guān)的電阻增大明顯小得多。因此，按照本發(fā)明的超導(dǎo)開關(guān)元件必須設(shè)置在一個相應(yīng)的產(chǎn)生限流所需電阻的長度上。另外可以看出，在熔融-流動區(qū)域內(nèi)的電阻增大還取決于在開關(guān)元件內(nèi)的電流密度J。這樣的話，在標(biāo)準(zhǔn)運行狀態(tài)下的電流密度JN時的電阻變化小于在限流狀態(tài)下的電流密度JS時的電阻變化，該電流密度JS是在考慮分?jǐn)偟脚月吩?曲線27)和換向?qū)w(曲線28)的電流份額的情況下從所要求的短路電流中得出。電流的分配取決于在限流情況下的溫度TS條件下限流裝置的部件電阻的比例關(guān)系，這些電阻可以直接從圖3的下部圖表中得出。旁路元件(曲線27)的電阻與低溫恒溫器內(nèi)的溫度無關(guān)，因為旁路元件安置在低溫恒溫器之外。換向?qū)w(曲線28)的電阻具有對于普通導(dǎo)體而言典型的與溫度有關(guān)的變化曲線，在此對于換向?qū)w選擇在溫度TS條件下具有相對微小電阻的材料，該電阻接近于開關(guān)元件在溫度TS條件下的電阻。由此達(dá)到在限流情況下降低開關(guān)元件內(nèi)的電流密度。
權(quán)利要求
1.一種具有設(shè)置在低溫恒溫器(15)中的超導(dǎo)開關(guān)元件(13)的電流限流裝置，其特征在于，所述開關(guān)元件(13)設(shè)計為，使得該開關(guān)元件(13)在限流情況下在達(dá)到該限流裝置所要求的短路電流時呈現(xiàn)Shubnikov相。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的限流裝置，其特征在于，所述低溫恒溫器的冷卻功率設(shè)計為，使得所述開關(guān)元件在整個限流時間內(nèi)可以保持在使其呈現(xiàn)Shubnikov相的溫度范圍內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的限流裝置，其特征在于，所述開關(guān)元件設(shè)有絕熱層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的限流裝置，其特征在于，所述開關(guān)元件(13)帶有平行于該開關(guān)元件(13)延伸的換向?qū)w(21)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的限流裝置，其特征在于，所述換向?qū)w(21)由金屬或者具有正磁導(dǎo)率的合金構(gòu)成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項所述的限流裝置，其特征在于，所述開關(guān)元件(21)螺旋狀地在所述低溫恒溫器(15)中延伸。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項所述的限流裝置，其特征在于，與所述開關(guān)元件并聯(lián)地設(shè)置旁路元件(14)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的限流裝置，其特征在于，所述旁路元件(14)位于所述低溫恒溫器(15)之外。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有超導(dǎo)開關(guān)元件的電流限流裝置。與按照現(xiàn)有技術(shù)的其開關(guān)機制基于開關(guān)元件淬冷的超導(dǎo)限流器不同，按照本發(fā)明的超導(dǎo)開關(guān)元件設(shè)計成，使得該開關(guān)元件在限流情況下在達(dá)到限流裝置所要求的短路電流時處于Shubnikov相(23)。由此開關(guān)元件可以在這樣一種運行狀態(tài)下工作，其中將放熱限制到使圍繞超導(dǎo)體的冷卻介質(zhì)可以完全將熱量排出的程度并因此在T
文檔編號H02H9/02GK1973382SQ200580020982
公開日2007年5月30日 申請日期2005年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月24日
發(fā)明者厄休斯·克魯格, 拉爾夫-賴納·沃爾克默 申請人:西門子公司