专利名称：具有超导开关元件的限流装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有设置在低温恒温器中的超导开关元件的电流限流装置。
背景技术：
本文开头所述类型的限流装置例如已由德国专利申请DE10230084A1公开。这种限流装置用于电网中。电流流过超导开关元件，该开关元件在通过持续冷却而保持在运行温度时具有可以忽略不计的微小电阻。如果在电网内出现电网故障(例如短路)，则不可靠的高短路电流在超导开关元件中引起称作淬火(Quenchen)的特性。该高电流在超导体内产生电感，该电感首先略微地增大了超导体的电阻。由此，使超导体处于所谓的熔融-流动区域内，在该区域内超导材料呈现Shubnikov相。该特性例如在W.Buckel，SupraleitungGrundlagen und Anwendung，Weinheim 1990中有所记载。由此，在超导材料内在Shubnikov相中同时形成普通导电区域和超导区域，这些区域通过在超导体内游动的普通导电的流动囊(Flussschlaueche)构成。超导开关元件与此相关的电阻增大导致超导体升温。而当如通常那样当换向导体(Kommutierungsleiter)作为层敷设在超导体上时，上述情况会加剧，当超导体进入熔融-流动区域内时该换向导体承担部分短路电流并由于其明显较高的电阻而产生附加的热量。开关元件的变热导致在最短的时间内超越临界温度，在该临界温度之上超导体为常规导体，亦即由于温度条件而脱离熔融-流动区域并由于其突然增大、现在为欧姆电阻而将短路电流限制在短路残留电流上。
为了避免在限流情况下损害超导开关元件，必须最晚在起动后50ms再次给开关元件去负荷，这例如借助于导电的旁路元件来实现，该旁路元件由于其电阻而起到限流作用。在超导开关元件重新冷却到最初的运行温度时，该超导开关元件与电网分离并且它才又可以使用。
DE10230618A1公开了一种超导限流器的结构，该超导限流器借助于超导体的带状结构实现。将带状超导体螺旋状地安置在冷却介质中，使得冷却介质可以在该螺旋盘圈之间到达超导体的表面。由此可以在限流情况之后缩短冷却时间，使得在发生限流情况之后限流装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进行冷却。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种具有超导开关元件的电流限流装置，该限流装置在限流情况下不受限制地用于限流并在限流情况之后马上又可以使用。
根据本发明，上述技术问题是这样得以解决的，即，将所述开关元件设计为，使得该开关元件在限流情况下在达到限流装置所要求的短路电流时呈现Shubnikov相。也就是说，按照本发明所述超导开关元件必须设计成，与超导体的淬冷相比在熔融-流动区域内运行时(亦即超导体呈现Shubnikov相时)电阻只略有增大就足够达到将短路电流限制到短路残余电流。为此，使超导开关元件具有足够长的导体长度，以在处于Shubnikov相时在与(向普通导电状态的过渡)临界温度具有足够安全距离的温度下就已达到对于所要求的短路电流而言需要的电阻。超导开关元件尤其可以设计为带状导体，因为以这种方式可以经济地制造出所要求的导体长度。
在超导开关元件在熔融-流动区域内运行时超导开关元件与淬冷时不同只有几开耳芬(Kelvin)的相对较小的温升值。因此，通过所述用于冷却开关元件的低温恒温器可以可靠地排出所产生的热量，附加地通过带状导体具有相对大的用于传热的表面而有助于所述热量的排出。因此，可以通过恰当地设计限流装置而在限流情况下确保通过短路电流产生的热量与通过所述冷却介质排出的热量之间的热平衡，使得超导开关元件在稳定的状态下运行。所以超导开关元件还可以在更长的时间内限制电流，而不必例如通过旁路元件对其去负荷。此外还可以有利地在最短时间内再冷却几开耳芬，使得超导开关元件在限流情况之后马上可以再投入使用。
按照本发明的一种实施方式，将低温恒温器的冷却功率设计为，使得开关元件在整个限流时间内可以保持在使其呈现Shubnikov相的温度范围内。由此可以通过限流装置实现运行管理，在运行管理过程中超导开关元件一直处于电网中并因此不受限制地利用其功能。这有利地代表了一种安全性的优点，因为例如即便在短时间连续相继地发生电网故障时也可以在限流装置内分别触发一个限流状况。另一个优点在于，超导开关元件在运行时在限流情况期间在熔融-流动区域内能够完全可逆地在超导相与Shubnikov相之间变换，这样排除了对超导材料的损害。
按照本发明的一种变型方案，所述开关元件设有绝热层。由此可以有利地直接影响超导开关元件与低温恒温器的冷却介质之间的热传导，使得可以实现在限流情况下与热平衡形成相关地适当设计所述限流装置。超导开关元件的绝热使得实际上延迟了向低温恒温器的冷却介质的散热，致使超导开关元件更强地变热，由此也使电阻增大。当然尽管采用了绝热结构，但是仍不允许加热到临界温度。
按照本发明的另一种变型方案，所述开关元件带有平行于该开关元件延伸的换向导体。该换向导体和超导开关元件可以例如组成一个层式复合体，其中超导开关元件层和换向导体层连续相叠，亦即相互紧密地连接。换向导体增大了防止开关元件局部淬冷的安全性的优点，并且此外在限流情况下还承担取决于处于Shubnikov相的开关元件的电阻和换向元件电阻的比例关系的短路电流的相当的部分。
当换向导体由金属或者具有正磁导率的合金构成时，是有利的。由此增强了在由开关元件和换向导体组成的层式复合体内的磁感应(B)，只要有磁场穿过该换向导体。这例如是指在限流情况下换向导体参与导送电流的情况。
此外，当开关元件螺旋状地在低温恒温器中延伸时，是有利的。以这种方式可以有利地节省位置地安置所需长度的开关元件，同时螺旋状的延伸走向为低温恒温器的冷却介质在各相邻的盘圈之间留出了充足的位置，以确保从开关元件到冷却介质的直接传热。
按照本发明的一种变型方案，与所述开关元件并联地设置旁路元件。这样设计该旁路元件的电阻，即，使得一定份额的短路电流流过该旁路元件，由此对所述开关元件以及或许对换向导体去负荷。
当所述旁路元件位于所述低温恒温器之外时，是有利的。由此通过限流过程产生的热量一部分是在旁路元件内以及进而是在低温恒温器之外产生的，使得低温恒温器的冷却功率在任何情况下对于超导开关元件而言都是足够的。但是与在已知的限流装置中不同，旁路元件在整个限流期间与开关元件并联地工作，也就是说，开关元件保持在电网上。
下面借助于附图对本发明的其他细节进行描述。附图中图1表示本发明限流装置的一种实施方式的极其简略的结构；图2表示超导开关元件的一种实施方式的横截面图；图3表示本发明限流装置的一种实施方式的部件的电阻和磁场强度与温度的关系。
具体实施例方式
限流装置11具有两个连接元件12，通过这两个连接元件可以将限流装置11连接到电网中。限流装置11主要由超导开关元件13和旁路元件14组成，该旁路元件14与开关元件13平行地安置。开关元件13设置在低温恒温器中15中，为此该低温恒温器中15具有填充有作为冷却介质16的液氮的绝缘容器17。冷却头18将热量从绝缘容器中导出。另外，在该绝缘容器17上设有导线引导19，其允许将开关元件13与位于该绝缘容器17之外的连接元件12导电接通11。
在图2中以剖面图表示出超导开关元件13。该超导开关元件由层式复合体组成，其中通过敷设涂层在换向导体21上制造超导层20(例如YBCO)。另外，在超导层20上还敷设了例如由塑料制成的绝热层22。在超导层20与换向层21之间还可以设有对于制造超导层20重要的一些层，例如缓冲层(未详细示出)。
从图3可以看出，超导开关元件可能处于哪些相状态。用阴影线表示出了Shubnikov相，在该Shubnikov相中超导开关元件可以在熔融-流动区域内运行。超导相24处于Shubnikov相的左侧，在该超导相24中开关元件具有可以忽略不计的微小电阻；普通导电区域25处于Shubnikov相的右侧，在该区域内开关元件呈现如欧姆电阻的特性。在普通导电区域25内按照本发明的开关元件应该不工作。
在上部的图表中示出，Shubnikov相23的存在不仅取决于温度T、而且取决于在开关元件中存在的磁场强度H。超过临界场强HC和临界温度TC超导体就一直呈现普通导电相25。处于HC和TC之下时下述关系有效，即，当磁场强度增大时临界温度TC(H)相应降低或者当温度升高时临界磁场强度HC(T)相应减小。
在下部的图表中表示出，限流装置部件的电阻变化与温度的关系。限流装置的标准运行状态是在额定温度TN下实现的，在此在该温度下恰好尚未呈现Shubnikov相，使得开关元件在超导区域内运行。开关元件的电阻很小、可以忽略不计，因此电流完全通过该开关元件传导以及具有更高数量级电阻的换向导体或旁路元件几乎无电流通过。
在限流情况下(出现电网故障、例如短路时)导通的电流突然增大，由此在超导体内产生电感。因此开关元件出现在熔融-流动区的开始并经历突然增大的电阻。由此一部分短路电流过渡到旁路中以及尤其也过渡到换向导体中，在此，它们在额定温度TN下的电阻值、在标准运行状态下的温度必须足够小，因此它们承担短路电流的重要部分。通过换向导体中的电流还提高了其磁感应，该磁感应又增大了开关元件内的电阻，但是此时不允许离开熔融-流动区域(参见上部的图表)。
在所描述的过程中，开关元件变热，在此，温度的升高同时与增强的向低温恒温器的冷却介质的散热相关联。低温恒温器的冷却功率要够用，以在限流情况期间在温度TS条件下达到稳定的状态，在该状态下在开关元件内产生的热量与排出到冷却介质中的热量相平衡。由此防止了开关元件变热超过温度TS，使得保持与临界温度具有足够的安全距离并有效地防止对超导体与此相关的淬冷。
另外从图3的下部图表中可以看出，开关元件在熔融-流动区域内的电阻增大比与超导体的淬冷有关的电阻增大明显小得多。因此，按照本发明的超导开关元件必须设置在一个相应的产生限流所需电阻的长度上。另外可以看出，在熔融-流动区域内的电阻增大还取决于在开关元件内的电流密度J。这样的话，在标准运行状态下的电流密度JN时的电阻变化小于在限流状态下的电流密度JS时的电阻变化，该电流密度JS是在考虑分摊到旁路元件(曲线27)和换向导体(曲线28)的电流份额的情况下从所要求的短路电流中得出。电流的分配取决于在限流情况下的温度TS条件下限流装置的部件电阻的比例关系，这些电阻可以直接从图3的下部图表中得出。旁路元件(曲线27)的电阻与低温恒温器内的温度无关，因为旁路元件安置在低温恒温器之外。换向导体(曲线28)的电阻具有对于普通导体而言典型的与温度有关的变化曲线，在此对于换向导体选择在温度TS条件下具有相对微小电阻的材料，该电阻接近于开关元件在温度TS条件下的电阻。由此达到在限流情况下降低开关元件内的电流密度。
权利要求
1.一种具有设置在低温恒温器(15)中的超导开关元件(13)的电流限流装置，其特征在于，所述开关元件(13)设计为，使得该开关元件(13)在限流情况下在达到该限流装置所要求的短路电流时呈现Shubnikov相。
2.根据权利要求1所述的限流装置，其特征在于，所述低温恒温器的冷却功率设计为，使得所述开关元件在整个限流时间内可以保持在使其呈现Shubnikov相的温度范围内。
3.根据权利要求1或2所述的限流装置，其特征在于，所述开关元件设有绝热层。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的限流装置，其特征在于，所述开关元件(13)带有平行于该开关元件(13)延伸的换向导体(21)。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的限流装置，其特征在于，所述换向导体(21)由金属或者具有正磁导率的合金构成。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的限流装置，其特征在于，所述开关元件(21)螺旋状地在所述低温恒温器(15)中延伸。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的限流装置，其特征在于，与所述开关元件并联地设置旁路元件(14)。
8.根据权利要求7所述的限流装置，其特征在于，所述旁路元件(14)位于所述低温恒温器(15)之外。
全文摘要
本发明涉及一种具有超导开关元件的电流限流装置。与按照现有技术的其开关机制基于开关元件淬冷的超导限流器不同，按照本发明的超导开关元件设计成，使得该开关元件在限流情况下在达到限流装置所要求的短路电流时处于Shubnikov相(23)。由此开关元件可以在这样一种运行状态下工作，其中将放热限制到使围绕超导体的冷却介质可以完全将热量排出的程度并因此在T
文档编号H02H9/02GK1973382SQ200580020982
公开日2007年5月30日 申请日期2005年6月13日 优先权日2004年6月24日
发明者厄休斯·克鲁格, 拉尔夫-赖纳·沃尔克默 申请人:西门子公司