专利名称：超导故障－限流元件及其制造工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于限制过电流，如流过电流路径的短路电流的超导故障-限流元件及其制造工艺。
背景技术：
尽管超导体在超导状态中允许大电流通过，而没有电阻，但是当大于特定值的电流(临界电流)通过时，它产生电阻。当该电流进一步增加时，由于产生的热量，该超导体的温度上升，以致该超导体进入正常的导电状态，由此产生大电阻。通过利用超导体的这种特点，已经采用一种超导故障-限流器，该超导故障-限流器在正常操作条件期间没有电阻，在电源系统的短路故障中产生大的电阻，由此抑制事故电流的增加。
由于新分配的电力资源的连接，在电力系统中促进网厂分开(dereguration)的严重问题是短路事故时的故障-电流增加。为此最有希望的对策是引入故障-限流器，该故障-限流器在正常工作条件过程中具有低阻抗，而在系统事故中形成高阻抗，由此抑制事故电流。故障-限流器的引入提供减小已分配电力资源的事故电流规格的优点，以及有助于已分配电力资源的成本减小和设备维护的改进。从促进电力网厂分开的观点，以低成本和高可靠性实现故障-限流器的社会需求是非常高的。假定在电力分配系统中引入故障-限流器，那么在各个点中采用具有大面积的超导薄膜的超导薄膜故障-限流器是优异的，各个点是紧凑的，在正常操作条件期间，瞬时响应于过电流，产生小的AC损耗等等，因此，按照推测从可靠性、性能、体积以及扩展到大容量的观点，它是最优异的。
超导薄膜故障-限流器具有在液态氮温度(66至77.3K)下工作的薄膜限流元件，该限流元件与电力系统串联连接。在该缺陷-限流器中，当短路事故中的电流增加时，该薄膜从超导状态(S)改变为正常的导电状态，以致系统电流被正常电阻抑制。该故障-限流器也被称作SN转变型电阻故障-限流器。通常，采用了具有大面积的超导薄膜，其中在诸如蓝宝石衬底(单晶氧化铝衬底)的绝缘体衬底上形成高温超导氧化物，如YBa2CU3O7(下面称为YBCO)的薄膜。但是，由于该超导薄膜是昂贵的，需要尽力减小用作故障-限流元件的超导薄膜的面积，由此降低成本。
该超导薄膜故障-限流元件通过在事故中产生电阻性电压V来限制电流。在此情况下，当可以为薄膜-限流元件的单位长度(共享电场)产生(施加)的电压较高时，元件的长度可以被相应地缩短，由此可以减小该超导薄膜需要的面积。但是，由于在限流操作期间，由该薄膜-限流元件产生的热量数量可以被表示为P＝V2/R，因此共享电场的增加导致产生的热量数量增加。该薄膜-限流元件通常被设计为在额定的缺陷持续时间(例如，0.1秒)，超导薄膜的温度不超过常温。因此，为了提高共享电场，需要抑制限流操作过程中超导薄膜的产生热量数量的增加，或通过增加超导薄膜的热容量抑制温度上升。但是，后者增加昂贵的绝缘体衬底的体积，且因此将导致成本增加。因此，为了提高共享电场，当超导路径进入正常导电状态时，通过增加电阻R，抑制产生热量的数量增加是符合需要的。
通过仅仅串联或并联连接超导薄膜，可以增加超导路径的电阻。当故障-限流元件所采用的大面积超导薄膜是非常均匀的并在整个面积上几乎同时执行转变为正常导电状态时，可以实现这种结构。在实验室中有该实验的报告，使用具有低临界电流密度的薄膜(参见非专利文献1)。但是，在实际使用中，由于采用具有高临界电流密度的薄膜，存在以下段落中所述的“热斑”的问题。为了克服这种问题，分流电阻器必须与该超导薄膜并联连接，如图5所示。
该超导薄膜在局部临界电流密度中有变化。因此，在事故之后的限流的起始时间时，具有低临界电流密度的区域首先进入正常导电状态，但是整个区域没有进入正常状态。结果，大电流继续流动。在变为正常状态的区域处产生的热量扩散被减缓的情况中，该区域的温度将局部地突然上升，以致该薄膜被燃烧。用于防止这种热斑现象的常规措施是在超导薄膜上淀积诸如金或银的普通导电金属，该导电金属在转变为正常状态的时候被用作分流层(用于防止燃烧的保护层)(参见非专利文献2)。但是，这种金属分流层的添加大大地减小超导路径的电阻，以及增加限流操作过程中的热量产生。因此，必须减小共享电场。结果，为了获得需要的限流能力，必须增加元件长度和必须采用大量昂贵的超导薄膜。这对于实际使用是一个严重的阻碍。
为了最大程度地减小将采用的超导薄膜的面积，提出了其中在该超导薄膜上不淀积金属分流层，而是在具有高导热率的其它陶瓷衬底上形成金属薄膜分流层，并通过铟镀层连接到该超导薄膜的技术(参见专利文献1、非专利文献3和非专利文献4)。在该技术中，在限流操作过程中产生的热量被不同于该超导薄膜的陶瓷衬底吸收。因此，通过增加其热容量，可以抑制元件的温度上升，由此可以增加元件的共享电场。例如，为6.6kV/2kA等级中的限流元件需要的蓝宝石衬底上形成的超导薄膜的面积可以被减小到约为常规元件的1/30。这按照推测导致大的成本降低。但是，根据该技术，必须使用大量高度导热的陶瓷衬底，如氮化铝和铟镀层。由于这些材料是昂贵的，成本降低存在限制。
非专利文献1A.Heinrich，R.Semerad，H.Kinder，H.Mosebach andM.Lindmayer，″fault current limiting properties of YBCO-films onsapphire substrates″，IEEE Trans.Appl.Supercond.9(1999)660-663非专利文献2B.Gromoll，G.Ries，W.Schmidt，H.-P.Kraemer，B.Seebacher，B.Utz，R.Nies，H.-W.Neumueller，E.Baltzer，S.Fischer andB.Heismann，″Resistive fault current limiters with YBCO films-100kVAfunctional model″，IEEE Trans.Appl.Supercond.9(1999)656-6S9非专利文献3H.Kubota，Y.K.Arai，M.Yamazaki，H.Yoshino andH.Nagamura，″A new model of fault current limiter using YBCO thinfilm″，IEEE Trans.Appl.Supercond.9(1999)1365-1368非专利文献4Kubota，Kudo，Yoshino，Wachi，″Design of a faultcurrent limiter using YBCO thin film″，Abstract of the 64th Meeting onCryogenics and Superconductivity，(2001)166专利文献1日本专利号2954124发明内容本发明解决的问题在常规超导薄膜故障-限流元件中，为了防止初始限流时的热斑现象，在转变为正常状态的时候，使用在超导薄膜上淀积的纯金属如金或银作为分流层。但是，与超导氧化物相比，纯金属的电阻率被降低约两个数量级，以致超导路径的电阻被大大地减小。因此，在限流操作过程中，产生的热量数量增加，以致超导薄膜-限流元件的共享电场被大大地减小。结果，昂贵的超导薄膜的需要数量被增加。这在成本方面是非常不利的。如果纯金属可以被非常薄(具有纳米数量级的薄膜厚度)和均匀地淀积在超导薄膜上，那么可以解决电阻减小的问题。但是，不清楚这种淀积技术是否可以实现。即使它可以被实现，也不清楚它导致热斑问题的解决办法。
本发明的目的是通过在超导薄膜上淀积具有更加高于纯金属的电阻率的合金层，解决超导薄膜的热斑问题，而不大大地减小超导路径的电阻，以及提供一种通过将由纯金属或合金线制成的外部无感地缠绕的分流电阻器与其上形成合金层的超导薄膜并联连接，能获得较高共享电场的故障-限流元件，以便增加超导路径的电阻，以及提供其制造工艺。
用于解决问题的方法为了解决上面的问题，本发明采用以下列措施。
第一措施是一种超导故障-限流元件，包括，绝缘体衬底；在该绝缘体衬底上形成的超导薄膜；以及在该超导薄膜上形成的合金层，所述合金层具有比纯金属的室温电阻率高两倍或以上的室温电阻率，其中，当超导薄膜通过过电流进入正常的导电状态时，流过该超导薄膜的过电流被仅仅传送到该合金层。
第二措施是根据第一措施的超导故障-限流元件，其中该合金层包括金和银的二元合金层或金、银及其他元素的多元合金层。
第三措施是一种超导故障-限流元件，包括绝缘体衬底；在该绝缘体衬底上形成的超导薄膜；以及在该超导薄膜上形成的合金层，所述合金层具有比纯金属的室温电阻率高两倍或以上的室温电阻率，其中该超导故障-限流元件还包括由纯金属或合金的导线制成的分流电阻器，以及该分流电阻器与超导薄膜并联连接。
第四措施是根据第三措施的超导故障-限流元件，其中该分流电阻器由无感地缠绕的导线制成，由此给出较小的电感。
第五措施是用于制造根据第一措施或第三措施的超导故障-限流元件的方法，该方法包括在绝缘体衬底上形成的超导薄膜上进行合金层的溅射淀积。
本发明的优点根据权利要求1或2描述的发明，可以以低成本制造该具有较高共享电场的超导故障-限流元件。
根据权利要求3描述的发明，由于可以增加合金层的电阻，因此可以获得具有较高共享电场的超导故障-限流元件。
根据权利要求4描述的发明，由于可以减小外部分流电阻器的电感，因此过电流可以被容易地传送到该分流电阻器。
根据权利要求5描述的发明，可以容易地形成具有与目标基本上相同成分的合金。在不进行后续热处理的条件下，可以获得与超导薄膜良好的亲密接触，以便可以减小合金层和超导薄膜之间的接触电阻。
图1示出了根据本发明的一个实施例的超导薄膜故障-限流元件的结构视图。
图2示出了根据本发明的一个实施例的超导薄膜故障-限流元件的结构视图，其中由纯金属或合金线制成的外部无感缠绕的分流电阻器与该超导薄膜并联连接。
图3示出了根据本发明的一个实施例的超导薄膜故障-限流元件的限流测试结果的曲线图。
图4示出了根据本发明的一个实施例的超导薄膜故障-限流元件的限流测试结果的曲线图，该超导薄膜故障-限流元件连接无感地缠绕的分流电阻器。
图5是常规超导故障-限流元件的结构视图，其中分流电阻器被连接到超导薄膜。
参考数字和符号的描述1绝缘体衬底2缓冲层3超导氧化物薄膜4合金层5金电极6无感缠绕的分流电阻器
具体实施例方式
参考图1至4，将说明本发明的一个实施例。
图1示出了超导薄膜故障-限流元件的结构视图。
在图1中，参考数字1表示蓝宝石等等的绝缘体衬底；2表示二氧化铈等等的缓冲层；3表示大面积超导氧化物薄膜；以及4表示具有在超导氧化物薄膜3上淀积的预定薄膜厚度的合金层。
该合金层4可以是由金和银构成的二元合金，其在空气中是稳定的且不与超导氧化物薄膜3起反应。当该合金层4具有由7至82wt％混合的金和银的成分时，其室温下的电阻率多达纯金的两倍或以上。因此，具有这种成分的合金层的超导薄膜故障-限流元件的结构是良好的。特别，具有其中23wt％的银被混合到金的成分的合金，其电阻率最大或多达纯金的约五倍，按照推测是最佳的。顺便提及，在100K附近，纯金的电阻率被减小到室温时的约三分之一，而该合金几乎不减小。它导致约15倍的差异。
作为用于在超导氧化物薄膜3上淀积合金层4的方法，可以采用诸如真空淀积和溅射的各种方法。但是，在本发明中，采用溅射。其中由具有不同熔点的金属构成的合金被淀积以具有希望的成分的最普通的真空淀积，具有它需要精确控制构成金属的淀积，以及由于淀积合金薄膜和超导薄膜之间的不良接触，需要后续热处理的缺点。另一方面，在溅射中，可以容易地形成具有基本上与目标相同成分的合金，以及可以获得与超导氧化膜的良好接触，而没有后续热处理。因此，可以减小接触电阻，以致所得结构可以被照原样用作故障-限流元件。
此外，在上面的实施例中，由金和银构成的二元合金被用作合金层4。但是，不限于这种合金，即使当采用其中其他元素被加到金和银的多元合金时，如市场上可买到的18-克拉金(由75wt％的金、12.5wt％的银以及12.5wt％的铜构成)，也可以获得相同的效果。
图2示出了根据本发明的一个实施例的超导薄膜故障-限流元件的结构视图，其中由纯金属或合金线制成的外部无感地缠绕的分流电阻器与超导薄膜3氧化物并联连接，以便获得较高共享电场。上面的分流电阻器6具有更加小于转变为正常导电状态之后的超导氧化物薄膜3和合金层4的复合电阻的电阻。
在图2中，参考数字5表示在超导氧化物薄膜3的两端上淀积的金电极。其他参考标记指图1中的相同部分。
无感地缠绕的分流电阻器6的功能是进一步减轻超导氧化物薄膜3中的热斑问题，以在转变为正常状态时(限流的初始时间)的过电流传送不仅被合金层4共享，而且被无感应分流电阻器6共享的这种方式，由此进一步增加超导薄膜故障-限流元素的电阻。为了便于过电流的传送，希望外部无感地缠绕的分流电阻器6的电感尽可能小。因此，该分流电阻器由便宜的合金线的无感绕组制成。
此外，通常，超导薄膜故障-限流元件的共享电场必须被决定为在限流操作过程中，限流元件的温度不上升到常温以上。在连接具有小电阻的外部无感地缠绕的分流电阻器6中，在该区域产生相当大的热量。但是，通过使用具有足够大热容量的无感缠绕的分流电阻器，可以抑制该温度上升。因此，无感地缠绕的分流电阻器6中产生的热量将不引起减小超导薄膜限流元件体的共享电场。
接下来，将描述根据上面的实施例的超导薄膜故障-限流元件的限流测试结果。首先，在该限流测试中采用的超导薄膜故障-限流元件中，在具有5mm×60mm×1mm尺寸的蓝宝石衬底上形成具有300nm厚度和3MA/cm2的临界电流密度的YBCO薄膜(45A的DC临界电流)作为超导氧化物薄膜。在该超导薄膜上的两端的10mm区域中，淀积金，以提供电极。在该超导薄膜上的中心的40mm区域中，使用合金靶，通过溅射淀积具有约100nm的薄膜厚度的Au-Ag合金层，该合金靶具有其中23wt％银与金混合的成分。通过淀积该Au-Ag合金层，与仅仅使用YBCO层的情况相比较(约60Ω)，在室温下，超导薄膜故障-限流元件的电阻被减小至约1/7。
图3示出了使用上述超导薄膜故障-限流元件的限流测试结果的曲线图。
如图3所示，为了模拟电力系统中的短路事故，在约40Apeak的电流流过超导薄膜故障-限流元件的状态中，高电压被瞬间施加，该超导薄膜故障-限流元件具有在其上淀积的合金层4。约80Apeak的过电流瞬时流过该超导薄膜故障-限流元件。该超导氧化物薄膜3进入正常的导电状态，没有被燃烧，以致已经流过超导氧化物薄膜3的过电流被传送到合金层4。因此，该过电流被瞬时限制。以此方式，很清楚，在限流的初始时间，通过增加具有约YBCO薄膜的约一半电阻的Ag-Au合金的分流保护层，可以解决超导氧化物薄膜3中的热斑问题。随着约100Vpeak的电压被施加到根据该实施例的超导薄膜故障-限流元件，可以在五个周期(0.1秒)上执行电流通行，而没有超导氧化物薄膜3的燃烧。因此，证实具有25Vpeak/cm的高共享电场的超导薄膜故障-限流元件可以被制备。
接下来，通过在超导氧化物薄膜3上溅射淀积具有约50nm薄膜厚度的Au-Ag合金层，该超导氧化物薄膜3类似于图3的限流测试中的超导薄膜限流元件所采用的YBCO薄膜，制备具有合金分流层的超导薄膜，该合金分流层具有较高的室温电阻(约15Ω)。此外，由无感绕组的锰铜(铜和锰的合金)导线制成的外部无感缠绕的分流电阻器6(约2.8Ω)被连接到其两端。
图4是示出了使用上述超导薄膜故障-限流元件的限流测试结果的曲线图。
如图4所示，当AC通行电流从约30Apeak瞬时增加到约80Apeak寸，该超导氧化物薄膜3进入正常的导电状态，而不被燃烧，以致流过该超导氧化物薄膜3的过电流被传送到合金层4和无感地缠绕的分流电阻器6。在限流操作过程中，约176Vpeak的AC电压被施加到该超导薄膜故障-限流元件的两端，以及在五个周期(0.1秒)上可以进行电流通行，而没有薄膜的燃烧。因此，证实具有44 Vpeak/cm或更高的高共享电场的超导薄膜故障-限流元件可以被制备。
为了比较，制备不具有分流保护层如合金层的YBCO薄膜的故障-限流元件。随着该外部分流电阻器被并联连接，进行相同的限流测试。在该测试中，当AC通行电流被瞬时增加到约30Apeak至约60Apeak寸，在一个周期期间电流通行期间，部分薄膜被燃烧，这导致绝缘状态。因此，证实具有这种高临界电流密度的薄膜不能获得限流操作，没有用于避免热斑的措施。
权利要求
1.一种超导故障-限流元件，包括绝缘体衬底；在该绝缘体衬底上形成的超导薄膜；以及在该超导薄膜上形成的合金层，所述合金层具有比纯金属的室温电阻率高两倍或以上的室温电阻率，其中当通过过电流，该超导薄膜进入正常的导电状态时，流过该超导薄膜的过电流仅仅被传送到合金层。
2.根据权利要求1的超导故障-限流元件，其中该合金层包括金和银的二元合金层或金、银及其他元素的多元合金层。
3.一种超导故障-限流元件，包括绝缘体衬底；在该绝缘体衬底上形成的超导薄膜；以及在该超导薄膜上形成的合金层，所述合金层具有比纯金属的室温电阻率高两倍或以上的室温电阻率，所述超导故障-限流元件还包括由纯金属导线或合金线制成的分流电阻器，以及所述分流电阻器与该超导薄膜并联连接。
4.根据权利要求3的超导故障-限流元件，其中该分流电阻器由无感地缠绕的导线制成，由此给出较小的电感。
5.根据权利要求1或3的超导故障-限流元件的制造工艺，该工艺包括，在绝缘体衬底上形成的超导薄膜上进行合金层的溅射淀积。
全文摘要
以低成本制备具有高共享电场的超导故障－限流元件。一种超导故障－限流元件，包括绝缘体衬底；在该绝缘体衬底上形成的超导薄膜3；以及在该超导薄膜3上形成的合金层4，所述合金层具有比纯金属的室温电阻率高两倍或以上的室温电阻率，其中，当通过过电流，使该超导薄膜3进入正常的导电状态时，流过该超导薄膜3的过电流被仅仅传送到合金层4。
文档编号H01L39/16GK1973381SQ20058002093
公开日2007年5月30日 申请日期2005年6月17日 优先权日2004年6月24日
发明者山崎裕文, 古濑充穗 申请人:独立行政法人产业技术综合研究所