专利名称：限制故障电流传输的技术的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种限制故障电流(fault current)传输的技术。
背景技术：
在输配电网络(electric power transmission and distribution networks) 中，可能发生故障电流情况。故障电流情况是网络的故障或短路(short circuits)导致流经网络的电流产生意外突波(surge)。故障的原因可包括闪电袭击网络，以及由于恶劣天候或倒塌的树木导致输电线路的下垂或落地。当故障发生时，大负载将瞬间出现。为了响应此状况，网络将传送大量的电流(亦即过电流(over-current))到这负载(或上述故障)。 这种突波或故障电流情况是不受欢迎的，因为此情况可能损害网络或与网络连接的设备。 尤其，网络及其所连接的设备可能燃烧，或在某些情况下可能爆炸。一种用以保护电力设备免受故障电流损害的系统是电路断路器(circuit breaker)。当侦测到故障电流时，电路断路器将以机械方式开启电路且中断过电流的流动。另一种用以限制故障电流的系统是超导故障电流限制器(superconducting fault current limiter, SCFCL)。通常，超导故障电流限制器(SCFCL)包括在临界温度准位(critical temperature level) Tc、临界磁场准位(critical magnetic field level) Hc以及临界电流准位(critical current level) Ic以下显示几乎零电阻率的超导电路 (superconducting circuit)。若至少一种上述情况发生于临界准位以上，则电路受到抑制且显示非零电阻率。在正常操作期间，超导故障电流限制器(SCFCL)的超导电路维持在T。、Hc以及I。 以下。在故障期间，发生一或多种高于临界准位Tc、Hc以及Ic的上述情况。超导故障电流限制器(SCFCL)的超导电路立即受到抑制且其电阻突增，因而限制故障电流传输。经过某些时间延迟及在清除短路故障之后，T。、H0以及I。恢复到正常值且经由网络及超导故障电流限制器(SCFCL)来传送电流。超导故障电流限制器目前用于输电网络，虽然能够限制故障电流，但是并不足够。 例如，超导故障电流限制器(SCFCL)无法支援高压传输网络。此外，已知的超导故障电流限制器(SCFCL)由于其技术缺陷而需要较大的占用面积(footprint)。因此，需要新型的超导故障电流限制器(SCFCL)。
发明内容
本发明提供限制故障电流传输的新技术。本发明提供一种能以新型的限制故障电流传输的装置来实施的技术。此装置可包括外壳(enclosure)，与地(ground)去电性耦合，使得上述外壳与地电位电性隔离；第一及第二端子(terminals)，其中至少一个端子是与一条或多条载流线路(current carrying lines)电性连接；以及第一超导电路，包含于上述外壳中，上述第一超导电路与上述第一及第二端子电性连接。在本发明的一实施例中，上述外壳可包括电绝缘材料。
在本发明的另一实施例中，上述外壳可以是导电的。在本发明的另一实施例中，上述外壳可与上述第一及第二端子电性隔离。在本发明的另一实施例中，第一电压出现于上述第一端子且第二电压出现于上述第二端子，其中上述外壳的电压介于上述第一电压与上述第二电压之间。在本发明的另一实施例中，上述外壳与上述第一及第二端子之一电性连接。在本发明的另一实施例中，上述装置更包括支柱(support)，用以支撑上述外壳且位于上述外壳与地之间，其中上述支柱将上述外壳与地电性隔离。在本发明的另一实施例中，上述装置更包括位于上述外壳内的冷却剂(coolant)， 用以维持上述超导电路于预定温度以下。在本发明的另一实施例中，上述装置更包括支撑着上述外壳的平台(platform)， 其中上述平台与地电性隔离。在本发明的另一实施例中，上述装置更包括第二外壳；第三及第四端子；以及第二超导电路，包含于上述第二外壳中，上述第二超导电路是与上述第三及第四端子电性连接，其中上述平台支撑上述第二外壳。在本发明的另一实施例中，上述装置更包括位于上述外壳与上述平台之间的支柱，用以将上述外壳与上述第二外壳电性隔离。在本发明的另一实施例中，上述第三及第四端子的每一个是与一条或多条配电线路电性连接。在本发明的另一实施例中，上述第三端子可与上述第一及第二端子之一电性连接。在本发明的另一实施例中，上述装置更包括第三及第四端子，其中至少一个端子是与一条或多条载流线路电性连接；以及第二超导电路，包含于上述外壳中，上述第二超导电路是与上述第三及第四端子电性连接。在本发明的另一实施例中，上述装置更包括第五及第六端子，其中至少一个端子是与一条或多条载流线路电性连接；以及第三超导电路，包含于上述外壳中，上述第三超导电路是与上述第五及第六端子电性连接。在本发明的另一实施例中，上述第一超导电路与上述外壳之间的间隙长度 (clearance length)小于 250 公分(cm)。在本发明的另一实施例中，上述第一超导电路与上述外壳之间的间隙长度是大约 8至25公分(cm)。本发明提供另一种技术，可包括将第一及第二端子电性连接至一条或多条输电线路；将超导电路电性连接至上述第一及第二端子，以便提供故障电流所通过的路径，其中上述超导电路包含于外壳中；以及将上述外壳与地电性隔离。在本发明的一实施例中，上述技术更包括将上述外壳由上述第一及第二端子电性隔1 °在本发明的另一实施例中，上述技术更包括使用导电的外壳；以及将上述外壳电性连接至上述第一及第二端子之一。本发明提供另一种可藉由以下方法来实施的技术，包括提供电路断路器，上述电路断路器包括外罩(housing)及多个绝缘套管(bushing insulators)，上述外罩暴露于大气中，维持于地电位，并且与地相隔第一垂直距离；以及提供与上述电路断路器电性耦合的故障电流限制器，上述故障电流限制器包括外壳、第一及第二端子、以及包含于上述外壳中且与上述第一及第二端子电性耦合的第一超导电路，其中上述外壳与地相隔第二垂直距离，上述第二垂直距离大于上述第一垂直距离。现在将参考如附图所示的实施例更详细地说明本发明。虽然以下将参考实施例来说明本发明，但是须知本发明并不局限于此。任何所属技术领域中具有通常知识者在研读本发明的说明之后将明了额外的施行、修改以及实施例，如同其他的使用领域一样都属于在此所述的本发明的范围，所以本发明可具有极大效用。
为了能更完整地理解本发明，现在将参考附图。这些图未必依其实际比例绘制。此外，这些图只是用以说明本发明，并非用以限制本发明。图IA是依照本发明的一实施例的一种超导故障电流限制器(SCFCL)系统的示意图。图IB是本发明的超导故障电流限制器(SCFCL)系统所包含的故障电流限制器单元的示意图。图2是依照本发明的另一实施例的一种超导故障电流限制器(SCFCL)系统的示意图。图3A是依照本发明的另一实施例的一种超导故障电流限制器(SCFCL)系统的示意图。图;3B是依照本发明的另一实施例的一种使用内部并联电抗器的超导故障电流限制器(SCFCL)系统的示意图。图3C是依照本发明的另一实施例的一种使用外部并联电抗器的超导故障电流限制器(SCFCL)系统的示意图。图4A及图4B是依照本发明的另一实施例的一种超导故障电流限制器(SCFCL)系统的侧视图及俯视图。图5A及图5B是依照本发明的另一实施例的一种超导故障电流限制器(SCFCL)系统的侧视图及俯视图。图6是依照本发明的另一实施例的一种超导故障电流限制器(SCFCL)系统的示意图。图7是依照本发明的另一实施例的一种超导故障电流限制器(SCFCL)系统的示意图。
具体实施例方式在此，将介绍数个超导故障电流限制器的实施例。任何所属技术领域中具有通常知识者将明了本发明所包含的实施例仅用以说明。为了清楚及简单起见，可省略众所周知的零件、特征以及功能。参照图IA及图1B，图中绘示依照本发明的一实施例的一种超导故障电流限制器 (SCFCL)系统100。在本实施例中，超导故障电流限制器(SCFCL)系统100可包括一个或多个模组110。然而，本发明的超导故障电流限制器(SCFCL)系统100可包含任何数目的模组110。例如，超导故障电流限制器(SCFCL)系统100可具有三个相同的单相模组(single phase modules)。上述模组可串列地连接或以平行电路的形式来连接。为了清楚及简单起见，超导故障电流限制器(SCFCL)系统100的说明将局限于一个单相模组110。超导故障电流限制器(SCFCL)系统100的模组110可包括界定其内部空间的外壳或箱体(tank) 112。在一实施例中，外壳或箱体112是以例如纤维玻璃(fiberglass)或其他的介电材料(dielectric material)制造的热绝缘及/或电绝缘箱体112。在本实施例中，箱体112是包含内层11 及外层112b与插入其间的热及/或电绝缘介质的金属制的箱体112。在箱体112内，可有一个或多个故障电流限制器单元120，为了清楚及简单起见将其绘示为方块。在本实施例中，模组Iio可以是具有单相故障电流限制器单元120的单相模组110。在另一实施例中，模组110可以是具有三个单相故障电流限制器单元120的三相模组。如图IB所示，一个或多个超导电路122与第一及第二末端盖(end caps) 1 及126 可配置于故障电流限制器单元120中。在一实施例中，第一及第二末端盖IM及1 可以是电晕遮蔽件(corona shields)。在本发明中，故障电流限制器单元120与箱体112的间隙长度可以是250公分(cm)或更小。间隙长度最好可以是8至25公分(cm)。在此，间隙长度是指一或多个超导电路122与箱体112之间的最短距离。回到图1A，模组110也可包括一或多个电工套管(electrical bushings) 116。套管116可包括内部导电材料(未绘示)及外部绝缘体。套管116的末端可经由端子144及 146而与各自的电流线路(current line) 142耦合，以便耦合超导故障电流限制器(SCFCL) 模组110与传输网络(未绘示)。电流线路142可以是将电力从某一位置传送到另一位置(例如从电流源传送到电流终端使用者)的传输线路，或是电力或电流分配线路。套管 116中的内部导电材料可将套管116的端子144及146连接至故障电流限制器单元120。 同时，外部绝缘体使外壳或箱体112可与内部导电材料绝缘，藉以容许箱体112与端子144 及146处于不同的电位。若有必要，超导故障电流限制器(SCFCL)模组110可包括可选择的内部并联电抗器(internal shunt reactor) 118或外部并联电抗器(external shunt reactor) 148或两者皆包括，以便连接电工套管116所包含的导电材料。然而，本发明不排除不含内部并联电抗器118或外部并联电抗器或两者皆不合的超导故障电流限制器 (SCFCL)模组 110。一或多个故障电流限制器单元120的温度可藉由箱体112所包含的冷却剂114而维持在希望的温度范围。在一实施例中，希望将故障电流限制器单元120维持在低温，例如 77° K。为了维持在此种低温范围，可将液态氮(liquid nitrogen)或氦气(helium gas)当作冷却剂114。在其他的实施例中，希望将一或多个故障电流限制器单元120的温度维持在其他的温度范围，因而也可使用气态或液态形式的其他类型冷却剂。例如，希望将故障电流限制器单元120的温度维持在室温。在此情况下，维持在室温的空气也可当作冷却剂114。当导入时，冷却剂114可经由进料线(feed line)(未绘示)及与箱体112耦合的接口(port) 115而进入箱体112。在本发明中，进料线及接口 115最好能以热及/或电绝缘材料制成。然而，本发明不排除进料线或接口 115包含导热及/或导电材料。若进料线及接口 115不提供接地给箱体112或其所包含的任何元件，则能以任何类型的材料制成。
在本实施例中，可选择的(optional)外部支柱(external support) 1；34可从地 (ground)来支撑该箱体112。同时，可选择的内部支柱(internal support) 132可从箱体 112来支撑故障电流限制器单元120。任何所属技术领域中具有通常知识者可明了两根内部支柱132是可选择的，这是因为某些其他的元件可从箱体112来支撑故障电流限制器单元120。纵使包含内部支柱132，其也可从故障电流限制器单元120的侧边或顶部来支撑故障电流限制器单元120，未必从其底部。同样地，某些其他的元件可从地来支撑此箱体112。 并且，若包含外部支柱134，则其可从箱体112的侧边或顶部来支撑此箱体，未必从箱体112 的底部。若包含内部支柱132或外部支柱134，则其每一个最好能以热及/或电绝缘材料制成。然而，本发明不排除导热及/或导电的内部支柱132及外部支柱134。若使用导热及/ 或导电的外部支柱134，则希望在支柱134与地之间提供电绝缘材料使箱体112与地电性隔离。具有一或多个超导故障电流限制器(SCFCL)模组110的超导故障电流限制器 (SCFCL)系统100可插入电流分配网络。箱体112可与任一传输线142电性连接。然而，箱体112可藉由当作绝缘体的空气及可选择的外部支柱134而与地去电性耦合。如上所述， 某些实施例的箱体112可以是金属制的箱体112。在这些实施例中，箱体112的电压通常可在接近端子144及146的电压浮动。预期在正常操作期间，箱体104的电压可以大约等于在传输线142上传送的电压，这是因为传输线14 及142b的电压保持几乎完全相同。在故障期间，金属箱体的电压可介于传输线14 及142b的电压之间。在正常操作期间，藉由超导故障电流限制器(SCFCL)模组110来传送该传输线142 的电流，从第一端子144经由套管116及故障电流限制器单元120到第二端子146。在故障电流限制器单元120中，其内的超导电路122维持在临界温度(T。)、临界磁场(H。)以及临界电流(Ic)以下且保持超导状态。因此，其电阻相较于系统阻抗可予以忽略。当故障发生时，传送到模组110的故障电流可使例如超导电路122的温度(T。)、磁场(H。)以及电流 (I0)的操作参数(operating parameters)当中至少一个增加至临界极限(1加^)1^、氏或 Ic以上。为了将超导故障电流限制器(SCFCL)模组110所传输的故障电流减少至预定值， 最好将超导电路122的电阻增加大约50%。使用超导故障电流限制器(SCFCL)的限量电流根据系统操作员的规格可从10%变化至90%。在故障电流消退之后超导电路122可恢复超导状态，因此几乎是零电阻。这程序称为恢复周期(recovery cycle) 0在本发明中，模组110的箱体112与地去电性耦合。并且，藉由例如当作电绝缘体的空气可克服模组110外部的高压设计上的挑战。结果，不需要高压套管设计及箱体112 内的特殊高压设计，否则就必须包含此设计以便在高压下操作。因此，可简化模组110的设计。并且，模组Iio的尺寸可以小得多。纵使模组110的箱体112是以导电材料制成，箱体 112仍可藉由例如将箱体112与地隔开且使箱体112相对于地电位浮动来维持在非零电位。 箱体112可根据箱体、网络以及地之间的电性隔离量而处于不同的电压。在某些实施例中， 支撑结构132及134在模组110与地之间形成分压器(voltage divider)，其中箱体112的电位可以是高于地电位且低于端子电压的数值。在本发明中，模组110最好可具有下列范例规格·在额定的限量故障电流下故障期间的最大电压=10千伏特均方根(kV rms)。
·最大负载电流=1. 2千安培均方根(kA rms)。·最大故障电流=40千安培均方根(kA rms)。·在额定的限量故障电流下故障期间的最大阻抗=0. 25欧姆(Ω)。换言之，电流限制器模组110的阻抗在故障期间能增加至0. 25欧姆(Ω)。模组 110能忍受的最大故障电流是40千安培均方根(kA rms)。根据这些数值，横跨模组110的最大电压电位可以是0.25欧姆(Ω)*40千安培均方根(kA rms)，或10千伏特均方根(kV rms)。在知道这些参数的情况下，能够设计多种使用各种系统电压且最大故障电流小于原本可能的值的传输网络。若网络需要具有138千伏特(kV)的系统电压、1200安培(A)以及63千安培(kA) 故障传输线的三相系统。根据这些特性，可计算下列规格
系统申压·相电压(phase voltage)(其定义为^^)是 80 千伏特(kV)。·系统短路阻抗的计算方式是将相电压除以最大故障电流，或
S0ViTV) =1.26 欧姆(Ω》 63千安培(L4)V J 超导故障电流限制器(SCFCL)模组所容许的最大故障电流是40千安培(kA)。所以，电流下降需求是至少63千安=^y培_，或3现为了达成最大故障电流小于40千安培(kA)，网络的阻抗可大于^^^^，
或2欧姆(Ω)。超导故障电流限制器(SCFCL)模组的数目的测定方式是将希望的阻抗 0.0欧姆(0))减去系统短路阻抗(1. 欧姆(Ω))，并且将这结果除以0. 25欧姆(Ω) (一个超导故障电流限制器(SCFCL)模组的阻抗)。在预留边际(margin)的情况下，所需的10千伏特(kV)超导故障电流限制器(SCFCL)单元的数目可测定为4。由此，所有模组的总超导故障电流限制器(SCFCL)阻抗是4*0. 25，或1.0欧姆(Ω)。现在已知的限量
故障电流是i 26^^/0^(0)，或35千安培(kA)。已知的故障电流下降达成率是
63千安培(M)-35千安培(趔)mo/ -6扦安培㈦)-，或44%。表1绘示可使用的其他组态。在以下所示的实施例中，限量电流维持在40千安培 (kA)以下。改变每一种组态的系统电压(因而也改变相电压)，并且藉以计算超导故障电流限制器(SCFL)的数目。由此，可计算限量电流及电流下降百分比。
权利要求
1.一种限制故障电流传输的装置，所述装置包括外壳，与地去电性耦合，使得所述外壳与地电位电性隔离；第一及第二端子，其中至少一个端子是与一条或多条载流线路电性连接；以及第一超导电路，包含于所述外壳中，所述第一超导电路与所述第一及第二端子电性连接。
2.根据权利要求1所述的限制故障电流传输的装置，其中所述外壳包括电绝缘材料。
3.根据权利要求1所述的限制故障电流传输的装置，其中所述外壳是导电的。
4.根据权利要求1所述的限制故障电流传输的装置，其中所述外壳与所述第一及第二端子电性隔离。
5.根据权利要求4所述的限制故障电流传输的装置，其中第一电压出现于所述第一端子且第二电压出现于所述第二端子，其中所述外壳的电压介于所述第一电压与所述第二电压之间。
6.根据权利要求1所述的限制故障电流传输的装置，其中所述外壳与所述第一及第二端子之一电性连接。
7.根据权利要求1所述的限制故障电流传输的装置，更包括支柱，用以支撑所述外壳且位于所述外壳与地之间，其中所述支柱将所述外壳与地电性隔离。
8.根据权利要求1所述的限制故障电流传输的装置，更包括位于所述外壳内的冷却剂，用以维持所述超导电路于预定温度以下。
9.根据权利要求1所述的限制故障电流传输的装置，更包括所述外壳藉以支撑的平台，其中所述平台与地电性隔离。
10.根据权利要求9所述的限制故障电流传输的装置，更包括第二外壳；第三及第四端子；以及第二超导电路，包含于所述第二外壳中，所述第二超导电路与所述第三及第四端子电性连接，其中所述平台支撑所述第二外壳。
11.根据权利要求10所述的限制故障电流传输的装置，更包括位于所述外壳与所述平台之间的支柱，用以将所述外壳与所述第二外壳电性隔离。
12.根据权利要求10所述的限制故障电流传输的装置，其中所述第三及第四端子分别与一条或多条配电线路电性连接。
13.根据权利要求10所述的限制故障电流传输的装置，其中所述第三端子是与所述第一及第二端子之一电性连接。
14.根据权利要求1所述的限制故障电流传输的装置，更包括第三及第四端子，其中至少一个端子是与一条或多条载流线路电性连接；以及第二超导电路，包含于所述外壳中，所述第二超导电路是与所述第三及第四端子电性连接。
15.根据权利要求14所述的限制故障电流传输的装置，更包括第五及第六端子，其中至少一个端子是与一条或多条载流线路电性连接；以及第三超导电路，包含于所述外壳中，所述第三超导电路是与所述第五及第六端子电性连接。
16.根据权利要求1所述的限制故障电流传输的装置，其中所述第一超导电路与所述外壳之间的间隙长度小于250公分。
17.根据权利要求15所述的限制故障电流传输的装置，其中所述第一超导电路与所述外壳之间的间隙长度是大约8至25公分。
18.—种限制故障电流传输的方法，包括将第一及第二端子电性连接至一条或多条输电线路；将超导电路电性连接至所述第一及第二端子，以便提供故障电流所通过的路径，其中所述超导电路包含于外壳中；以及将所述外壳与地电性隔离。
19.根据权利要求18所述的限制故障电流传输的方法，更包括将所述外壳由所述第一及第二端子电性隔离。
20.根据权利要求18所述的限制故障电流传输的方法，更包括使用导电的外壳且将所述外壳电性连接至所述第一及第二端子之一。
21.—种限制故障电流的方法，所述方法包括提供电路断路器，所述电路断路器包括外罩及多个绝缘套管，所述外罩暴露于大气中， 维持于地电位，并且与地相隔第一垂直距离；以及提供与所述电路断路器电性耦合的故障电流限制器，所述故障电流限制器包括外壳、 第一及第二端子、以及包含于所述外壳中且与所述第一及第二端子电性耦合的第一超导电路，其中所述外壳与地相隔第二垂直距离，所述第二垂直距离大于所述第一垂直距离。
全文摘要
一种新型的超导故障电流限制器，此超导故障电流限制器有助于运用在高压传输网络。上述电路与连接到传输网络的两个端子(144，146)电性连接。上述超导电路(120)位于与地电性隔离的外壳或箱体(112)内。因此，外壳与超导电路之间的电压差以及外壳与端子之间的电压差明显小于电流部署所存在的电压差。在某些实施例中，外壳与端子之一电性连接，而在其他的实施例中，外壳则与端子电性隔离。上述电路可与其他的类似电路组合以满足广泛的电流传输网络组态。
文档编号H01L39/16GK102576799SQ201080032270
公开日2012年7月11日 申请日期2010年6月23日 优先权日2009年6月26日
发明者保罗·J·墨菲, 卡森·D·泰克雷特萨迪克, 罗杰·B·费许 申请人:瓦里安半导体设备公司