用于限流器的设备和包括该设备的限流器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于限流器的设备和包括这种设备的限流器，尤其涉及但不限于使用维持在低温的超导电路的故障限流器。
【背景技术】
[0002]已实现使用超导材料的故障限流器运载电力供应网络中的电流。一般预期这种网络运载数百安培电流，但是如果短路(故障)发生，电流升高至数万安培水平。当故障发生时，超导材料中的电流密度超过该材料的临界电流密度，这使超导停止而变成阻抗。这一过程被称为失超(quenching)。电路中电阻的存在导致电流降低，或被“限制”，从而降低网络中过高电流的潜在破坏性影响。
[0003]传送和分配电力的网络通常为三相，因此需要3个导体并且对于每个导体均需要设置限流装置。典型地，如上所述，超导限流器将包括三个限流器，封装在单个容器或多个容器内。
[0004]—些类型的超导故障限流器采用超导元件和半导体交换元件(以及相关的电路元件)，使限流器在正常情况和故障情况之间交换。其它类型的超导故障限流器需要铁芯，该铁芯磁链接数个超导线圈。已知一种用于限流器的设备，其包括至少一个适于运载电流的线圈组合，该线圈组合包括第一线圈，该第一线圈包括第一超导元件并适于运载所述电流的第一部分;第二线圈，该第二线圈包括第二超导元件并适于运载所述电流的第二部分，其中所述第一和第二线圈设置为当第一和第二超导元件均处于超导状态并且线圈组合运载电流时，第一线圈中电流的第一部分产生的磁场被第二线圈中电流的第二部分产生的磁场基本抵消。
[0005]这种类型的实例被专利EP0350916(US5021914)和W02012/093042公开(后者内容以引用的方式并入本申请)。
[0006]专利US6337785和US2009190274(授权公布为:US7675719)教示了下述设备，其中第一和第二超导元件具有不同“失超特性”，由此一个超导元件比另一个具有较低临界电流。这是通过对两超导元件使用各自不同的超导材料来实现的。专利US2009190274采用半导体交换装置确保状态变化。在专利US6337785中，两线圈串联设置并且因此，在超导状态，通过相同电流，但是当第一线圈失超时，电流反而按路径通过并联分流电阻，导致第二线圈引起的迅速净阻抗。这使得当故障电流产生时，超导元件从超导状态向常规(失超)状态迅速转变，无需单独开关元件或铁芯。因此该设备可以用于超导故障限流器从而在常规操作时提供低电感以及在故障电流情况下迅速失超。
[0007]但是，使用不同材料使生产过程复杂化，并且限制了电路设计者对材料的选择。本发明较优实施例寻求克服前述现有技术中一个或更多缺陷。
【发明内容】
[0008]根据本发明的第一方面，提供一种上述类型的设备，其中所述设备适于，在使用时，第一超导元件比第二超导元件运载更高比例的电流。通过设置成这样，在超导状态使用时，第一超导元件比第二超导元件运载更高比例的总电流使第一超导元件从超导状态向常规传导状态转变。本发明的设备提供的优点在于，当故障电流开始产生时，传导元件从超导状态向常规(失超)状态迅速且平坦的转变。这对于避免“部分”失超问题很重要，其最可能发生在电流仅刚超过临界电流并且可导致先失超的超导元件部分烧尽。可以方便地通过提供并联而不是串联设置的设备而实现，这样其电流可单独预定。
[0009]因此，无需额外组件如半导体开关或分流电阻，本设备可以被用于超导故障限流器以便在常规操作时提供低电感，以及在故障电流情况下提供迅速且平坦的失超。
[0010]通过运载较高比例的总电流，当线圈组合运载的电流升高超过第一超导元件的临界电流同时第二超导元件起初保持超导时，第一超导元件将变为常规传导，并且因此为阻抗的。这将引起通过第二线圈的电流比例增加，由此第一和第二线圈产生的磁场不再抵消。因此，在超导元件附近的磁通密度量级迅速升高，引起超导元件从超导状态到常规传导状态的失超更迅速地进行。
[0011]本发明的此方面由发明人实现:第一线圈的电流增加可以引起该线圈在另一个之前转换状态，类似地，将其临界电流降低也可以实现，在每种情况下，故障电流在达到第二线圈的临界电流水平之前先达到第一线圈的临界电流水平。但是，此方面还具有的优点是:第一和第二超导元件可以由相同的材料制成，由此简化了工艺并降低成本，同时还增加了设计者对材料的选择。
[0012]在较优实施例中，第一和第二线圈是交叠的螺旋形线圈并绕共同的轴以相反旋向缠绕。第一和第二线圈可具有大致相等的长度，但(不同于现有技术，其中两线圈完全相同)，第一线圈可以比第二线圈具有较少圈数(一般为少10%至30%)。据发现，这使在超导状态的线圈磁场基本彼此抵消，同时增加第一线圈的电流的份额。但是，同样可以采用改变电流分配的其他方法(例如设置与两线圈相关的额外不同电路组件)。
[0013]在一些情况下，当设置第一超导元件比第二超导元件运载更高比例的电流是足够的时，在一些情况下提高失超的速度是可取的，或者通过进一步设置第一超导元件比第二超导元件具有较低临界电流从而降低所需电流的差异。
[0014]在一些实施例中，可以通过如下设置实现:第一超导元件比第二超导元件具有较低的临界电流密度。在一些实施例中，第一超导元件比第二超导元件具有较小的横截面积。例如，如果使用具有相似临界电流密度的超导元件，降低第一超导元件的横截面积将降低其临界电流。
[0015]但是，在上述每种情况中，必须使用不同超导线圈(不同材料和/或不同尺寸)。因此，根据本发明的另一方面，设置上述现有技术中一种类型的设备为，当第一和第二线圈热耦合至冷却装置，以冷却第一和第二超导元件至其临界温度以下时，第一和第二超导元件被维持在不同的温度。如同第一方面，当确保第一线圈中的电流在其超过第二线圈中的临界电流之前先超过第一线圈中的临界电流时，本方面允许将相同的材料用于具有相同长度和圈数的两线圈。
[0016]有利的是，由于临界电流在某种程度上取决于温度，上述特征可被用于确保第一超导元件比第二超导元件具有较低的临界电流。
[0017]本设备可进一步包括热耦合装置，其用于将第一和第二线圈热耦合至冷却装置使所述第一和第二超导元件的温度冷却至其超导临界温度以下，其中所述热耦合装置与第一线圈的热耦合比与第二线圈的热耦合弱。
[0018]由于超导元件中交流电损耗引起的加热将导致与冷却装置热接触较弱的第一线圈的温度较高，上述特征可用于确保第一和第二超导元件维持在不同温度。本发明的此方面可与第一方面共同使用以提高失超速度或降低所需电流或温度的差异。
[0019]第一和第二线圈可由线圈架支撑，该线圈架适于将第一和第二线圈热耦合至所述冷却装置，其中第二线圈围绕线圈架缠绕，第一线圈围绕线圈架和第二线圈缠绕。
[0020]此特征可用于，相对第二线圈和线圈架之间的热耦合，降低第一线圈和线圈架之间的热耦合，由此增加第一线圈相对于第二线圈的温度。
[0021]本设备还可包括用于加热第二线圈的装置。
[0022]在一些实施例中，线圈组合还包括用于支撑第一和第二线圈的线圈架，其中线圈架适于将所述第一和第二线圈热耦合至冷却装置，以冷却所述第一和第二超导元件至其临界温度以下。
[0023]较优地，第一线圈围绕线圈架缠绕，第二线圈围绕线圈架和第一线圈缠绕。
[0024]有利地，此特征能够使第一超导元件的温度以致临界电流(其在某种程度上取决于温度)得到更准确地确定和/或控制，由于该特征改善了第一线圈和线圈架以及冷却装置之间的热接触。重要的是，这实现了对故障电流水平更准确的控制，该故障电流触发失超并因此开启电流限制。此电流水平较优地根据具体用途设定。
[0025]在一些实施例中，本设备还可以包括多个上述线圈组合，其中所述线圈组合的第一线圈串联连接，所述线圈组合的第二线圈串联连接，并且所述串联连接的第一线圈与所述串联连接的第二线圈并联连接。
[0026]通过设置多个线圈组合，本设备可适于在较高电压水平操作。如上所述，通过分别串联连接第一和第二线圈，当在故障电流状况下第一线圈的一个或以上开始失超时，高电流将继续流经第二线圈足够长时间以迅速增加超导元件周围的磁场并且驱使所有超导元件快速且平坦失超。
[0027]根据本发明的第三方面，提供一种限流器，其包括至少一个如上限定设备，还包括用于冷却第一和第