專利名稱：帶有具有電絕緣的導(dǎo)電基底的多個超導(dǎo)元件的故障限流器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種故障限流器，該故障限流器具有包括一序列超導(dǎo)元件的超導(dǎo)裝置，每個超導(dǎo)元件都具有-基底；-超導(dǎo)膜；以及-設(shè)置在基底與超導(dǎo)膜之間的中間層；其中，該序列的相鄰超導(dǎo)元件的超導(dǎo)膜是電連接的，尤其是串聯(lián)的。
背景技術(shù)：
從US 5，986，536中獲知這種超導(dǎo)裝置。超導(dǎo)故障限流器用于在負(fù)載側(cè)短路的情況下限制流過電線路的負(fù)載側(cè)的電流。在最簡單的情況下，故障限流器包括與負(fù)載串聯(lián)連接的超導(dǎo)裝置。超導(dǎo)裝置能夠以很低的損耗傳送電流。只要經(jīng)過超導(dǎo)裝置的電流未超過臨界電流，超導(dǎo)裝置在電線路內(nèi)就是幾乎不可見的，并且是負(fù)載的特性，尤其是電阻決定了電線路內(nèi)的電流。在負(fù)載的電阻下降(即，負(fù)載內(nèi)存在短路)的情況下，線路中的電流增大，并且最終超過臨界電流。在該情況下，超導(dǎo)裝置失超(quench)(即，變?yōu)檎?dǎo)電的)，這導(dǎo)致超導(dǎo)裝置的高歐姆電阻。結(jié)果，電線路中的電流相應(yīng)地減小，并且保護(hù)負(fù)載免受高電流的危害。超導(dǎo)裝置的超導(dǎo)體材料必須被冷卻至低溫以達(dá)到其超導(dǎo)狀態(tài)。為了有利于冷卻并且減小冷卻的成本，可以使用高溫超導(dǎo)體材料(HTS材料)。HTS材料具有高于30K的臨界溫度，并且通常能夠利用液氮仏擬)進(jìn)行冷卻。從美國5，986，536中獲知具有使用HTS材料的超導(dǎo)裝置的故障限流器。超導(dǎo)裝置包括若干個超導(dǎo)元件，每個超導(dǎo)元件都包括沉積在電絕緣(電介質(zhì))基底上的HTS膜以及薄的銀中間層，該電絕緣基底尤其由允許諸如釔穩(wěn)定的^O2之類的HTS膜的織構(gòu)生長的材料制成。超導(dǎo)元件(即它們的HTS膜)是串聯(lián)連接的。制造這種包括具有沉積在電介質(zhì)基底上的織構(gòu)超導(dǎo)膜的超導(dǎo)元件類型的故障限流器是比較昂貴的。另外，這種故障限流器在失超現(xiàn)象后具有較長的恢復(fù)時間。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的本發(fā)明的目的是引入一種故障限流器，該故障限流器在生產(chǎn)上是節(jié)約成本的，并且能夠在失超現(xiàn)象后具有較短的恢復(fù)時間。發(fā)明描述根據(jù)本發(fā)明，該目的通過在開篇中引入的故障限流器實(shí)現(xiàn)，該故障限流器的特征在于超導(dǎo)元件的基底是導(dǎo)電基底，其中，序列中的每個超導(dǎo)元件的導(dǎo)電基底都與在序列內(nèi)的那些相鄰超導(dǎo)元件的每個導(dǎo)電基底電絕緣，所述那些相鄰超導(dǎo)元件的超導(dǎo)膜與所述超導(dǎo)元件的超導(dǎo)膜串聯(lián)地電連接，并且超導(dǎo)元件的中間層是電絕緣層。
根據(jù)本發(fā)明，故障限流器(=FCL)基本上是包括多個超導(dǎo)元件的超導(dǎo)裝置；這些超導(dǎo)元件各自具有沉積在導(dǎo)電基底(尤其是金屬基底)上的超導(dǎo)膜，尤其是HTS膜。超導(dǎo)膜和導(dǎo)電基底(至少在很大程度上)相互電絕緣；出于該目的，在導(dǎo)電基底與超導(dǎo)膜之間沉積有電絕緣中間層。注意到的是，例如從美國6，765，151中獲知基于導(dǎo)電基底的超導(dǎo)線材， 在該導(dǎo)電基底上沉積有HTS材料。基于導(dǎo)電基底的超導(dǎo)元件在生產(chǎn)上比基于電介質(zhì)基底的超導(dǎo)元件更節(jié)約成本，尤其是因?yàn)榛椎某杀鞠嗖畲蠹s50倍。另外，通常為金屬基底的導(dǎo)電基底也比通常的電介質(zhì)基底提供了更好的導(dǎo)熱性。結(jié)果，在通常將超導(dǎo)元件加熱到超導(dǎo)膜材料的臨界溫度以上的失超現(xiàn)象之后，能夠較快地冷卻超導(dǎo)元件，從而故障限流器能夠更迅速地恢復(fù)正常操作。作為本發(fā)明的特性，本發(fā)明的FCL應(yīng)用了一序列的超導(dǎo)元件，它們的超導(dǎo)膜電連接，并且它們的導(dǎo)電基底相互電絕緣。本發(fā)明的設(shè)計已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)有利于獲得較高的故障電阻、以及在電流傳輸方向上的足夠高的可能電壓降(電場)，尤其是>2V/cm。因此，允許獲得高的故障電阻(即，故障限流器在失超模式下的電阻)，以及允許獲得較高的電壓降都能夠被認(rèn)為是本發(fā)明的進(jìn)一步的目的。當(dāng)本發(fā)明的FCL處于故障模式中時，即，當(dāng)負(fù)載具有短路并且超導(dǎo)膜已經(jīng)失超時， 在故障限流器上或者更準(zhǔn)確地說在故障限流器內(nèi)現(xiàn)在為阻性的(正常導(dǎo)電的)超導(dǎo)膜上的外部電壓下降。但是，存在有由附近的超導(dǎo)元件的導(dǎo)電基底所提供的旁路電流路徑。如果電壓足夠高，那么其可以導(dǎo)致從超導(dǎo)膜經(jīng)電絕緣中間層至導(dǎo)電基底的電壓擊穿。如果穿過基底的旁路電流路徑變?yōu)榧せ睿收舷蘖髌鞯墓收想娮鑼⒚黠@下降，而經(jīng)過FCL的故障電流將增加，并威脅到受保護(hù)的負(fù)載。此外，處于故障情況下的FLC的歐姆熱將增加，從而延長將FCL再次冷卻到其超導(dǎo)膜的臨界溫度以下所需的時間。散熱自身也能夠破壞FCL中的超導(dǎo)材料，從而限制在電流傳輸方向上的最大電壓降。借助于本發(fā)明，使得串聯(lián)連接的相鄰(鄰近)超導(dǎo)元件的導(dǎo)電基底相互電絕緣。 結(jié)果，在導(dǎo)電基底的長度上只降低了部分的外部電壓，該部分基本上對應(yīng)于導(dǎo)電基底的長度占FCL中串聯(lián)連接的超導(dǎo)膜的全部長度的分值。因此，借助于本發(fā)明的導(dǎo)電基底的隔離， 在導(dǎo)電基底的長度上的電壓降能夠被調(diào)節(jié)，并且尤其是減小到安全地排除擊穿絕緣層的電壓的值。根據(jù)本發(fā)明，在超導(dǎo)裝置的所有位置中都不存在穿過絕緣層的總外部電壓的電位差，而只存在總外部電壓的一部分的電位差，該部分的電位差沒有高到足以導(dǎo)致?lián)舸灰蚨┻^導(dǎo)電基底的旁路電流路徑保持未激活。因此，在本發(fā)明的FCL中，雖然處于故障模式中，但是能夠使超導(dǎo)體電阻保持為較高，并且因此使焦耳熱保持為較低。后者減小了 FCL在失超現(xiàn)象后的恢復(fù)時間，并且允許超導(dǎo)體膜上的更高的電壓降而無損害超導(dǎo)體材料的風(fēng)險。注意到的是，根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選地，序列中的每個超導(dǎo)元件的導(dǎo)電基底都與在序列內(nèi)的其超導(dǎo)膜與所述超導(dǎo)元件的超導(dǎo)膜串聯(lián)地電連接的所有超導(dǎo)元件的每個導(dǎo)電基底電絕緣。根據(jù)本發(fā)明，導(dǎo)電基底通常是金屬的，尤其是具有厚度范圍通常在5 μ m到100 μ m 之間的薄帶的形式。薄帶可以有助于超導(dǎo)膜的冷卻，因?yàn)樗鼈兙哂休^低的熱容并且具有穿過基底的較好的熱導(dǎo)性，尤其是允許從頂側(cè)到基底側(cè)對超導(dǎo)元件進(jìn)行高效的雙側(cè)冷卻。電連接的超導(dǎo)膜或相鄰超導(dǎo)元件通常由連接設(shè)備連接，其中超導(dǎo)膜具有未被連接設(shè)備覆蓋的表面區(qū)域部(“自由表面部”)。自由表面部可以延伸，尤其是延伸全部膜表面的10%到98%，并且通常占據(jù)全部膜表面的大部分。注意到的是，本發(fā)明的故障限流器的超導(dǎo)裝置可以由除上述以外的其它類型的超導(dǎo)元件進(jìn)一步補(bǔ)充；但是，后者不會被進(jìn)一步地涉及到。本發(fā)明的故障限流器能夠用在包括恒壓源的電線路中，該恒壓源尤其是電廠或供電網(wǎng)，其與負(fù)載(尤其是變電站)串聯(lián)連接，并且與本發(fā)明的故障限流器串聯(lián)連接。本發(fā)明尤其適合于高電壓源，其具有1000V及以上的電壓，尤其是IOkV及以上。發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式在本發(fā)明的故障限流器的一個優(yōu)選實(shí)施方式中，至少一些相鄰超導(dǎo)元件的超導(dǎo)膜是直接電連接的。直接電連接實(shí)現(xiàn)起來是簡單的。直接電連接尤其意味著不會涉及到中間超導(dǎo)部分。具有直接電連接超導(dǎo)膜的超導(dǎo)體元件被進(jìn)一步稱為直接電連接超導(dǎo)體元件。在該實(shí)施方式的優(yōu)選的進(jìn)一步發(fā)展中，直接電連接相鄰超導(dǎo)元件是-定向成使它們的超導(dǎo)膜彼此面對；并且-彼此抵靠著錯位，使得相鄰超導(dǎo)元件在重疊區(qū)域中部分地重疊；其中，在重疊區(qū)域內(nèi)，重疊的超導(dǎo)元件的超導(dǎo)膜是電連接的。該配置生產(chǎn)起來是簡單的。另一個優(yōu)選的進(jìn)一步發(fā)展的特征在于直接電連接的相鄰超導(dǎo)元件的超導(dǎo)膜通過正常導(dǎo)電金屬層電連接。由于較大的接觸面積，所以用這種方法互連超導(dǎo)膜是簡單且高度可靠的，并且僅涉及到最小的界面。通常，連接層呈現(xiàn)包括過渡子層和中心層的多層結(jié)構(gòu)。子層直接形成在超導(dǎo)膜的表面上或者在已經(jīng)覆蓋有很薄的金屬保護(hù)層的超導(dǎo)膜的表面上。它們的任務(wù)是提供關(guān)于超導(dǎo)膜的低界面電阻，并且確保穩(wěn)定的機(jī)械結(jié)合。這些子層通常由貴金屬或貴金屬合金(尤其包括金和/或銀)制成?？商娲?，子層可以基于銅或如Cu-Ag、Cu-Ag-In之類的銅基合金。此外，每個子層都可以包括若干層， 例如“地”層貴金屬和第二層銅(例如通過水電鍍)。另外，這些若干個層也可以包括例如由Ag或Au或金屬合金制成的最終層。最終層的任務(wù)是提供表面對化學(xué)反應(yīng)的鈍化以改進(jìn)接合的品質(zhì)，并且由此實(shí)現(xiàn)電連接內(nèi)的低(例如，< 10_7歐姆Xcm2)界面電阻。中心層可以包括允許提供超導(dǎo)膜的低成本連接的接合物，以替代沉積在這些膜上的子層。通常，接合物是低熔點(diǎn)的金屬，例如h、Zn、Cd、Ga、Bi、Ag或基于這些金屬的合金。 可替代地，中心層可以形成為經(jīng)由冷焊(在壓力下)或熱擴(kuò)散(例如在Ag子層的情況下為 400 0C )設(shè)置的擴(kuò)散層。進(jìn)一步優(yōu)選的是在其中至少一些相鄰超導(dǎo)元件的超導(dǎo)膜借助于橋元件電連接的實(shí)施方式，其中，橋元件包括超導(dǎo)部分，并且借助于橋元件電連接的相鄰超導(dǎo)元件的超導(dǎo)膜都電連接至該超導(dǎo)部分。橋元件和其超導(dǎo)部分允許在互連超導(dǎo)膜時的更大的自由度，特別是在具有串聯(lián)連接的超導(dǎo)膜的相鄰(鄰近)超導(dǎo)元件分開明顯的距離時如此。因此能夠使被連接的超導(dǎo)膜之間的電阻在正常操作期間保持較低。具有借助于橋元件電連接的超導(dǎo)膜的超導(dǎo)元件也被稱為借助于橋元件電連接的超導(dǎo)元件。在該實(shí)施方式的有利的進(jìn)一步發(fā)展中，借助于橋元件電連接超導(dǎo)元件是-定向成使它們的超導(dǎo)膜面對相同的方向；-并且設(shè)置成彼此相鄰，在兩個相鄰超導(dǎo)元件之間具有間隙；
其中，橋元件穿過間隙建立起相鄰超導(dǎo)元件的超導(dǎo)膜的電連接。間隙是用于相互絕緣的簡單方法。上述實(shí)施方式的另一優(yōu)選的進(jìn)一步發(fā)展的特征在于，橋元件包括電介質(zhì)基底，并且超導(dǎo)部分是覆蓋電介質(zhì)基底的超導(dǎo)層；橋元件的超導(dǎo)層面對借助于橋元件電連接的相鄰超導(dǎo)元件的超導(dǎo)膜；并且橋元件與借助于橋元件電連接的兩個相鄰超導(dǎo)元件重疊(尤其是部分地重疊)。由于較大的接觸面積，所以連接是簡單且高度可靠的，并且僅建立最小的界在本發(fā)明的故障限流器的優(yōu)選實(shí)施方式中，超導(dǎo)元件以環(huán)形方式連接。在環(huán)電流的情況下，不得不考慮如一序列超導(dǎo)元件的這種環(huán)形連接。尤其是，能夠以環(huán)形方式僅連接兩個超導(dǎo)元件。優(yōu)選地，基底、相應(yīng)的超導(dǎo)元件作為整體被彎曲以提供基本上是圓環(huán)形狀的配置。環(huán)形(短路的)超導(dǎo)裝置用于感應(yīng)式(基于變壓器的)故障限流器，其中，負(fù)載串聯(lián)地連接至一次側(cè)，而環(huán)形超導(dǎo)裝置附接在變壓器的二次側(cè)以屏蔽處于正常模式下的二次側(cè)。感應(yīng)式FCL特別適合于限制AC電流。在另一優(yōu)選的實(shí)施方式中，超導(dǎo)元件以線性序列連接。該實(shí)施方式特別適合于限制DC電流，尤其是，其中高的外部電壓被分散在該線性序列的超導(dǎo)元件中?！獋€非常優(yōu)選的實(shí)施方式的特征在于，至少一個超導(dǎo)元件包括在其超導(dǎo)膜與其導(dǎo)電基底之間并且穿過其中間(絕緣)層的電接觸部，其中，該電接觸部基本上定位在超導(dǎo)元件電連接至前一個與下一個超導(dǎo)元件的區(qū)域之間的中間。通過該方法，在絕緣中間層上的電壓降能夠被減小，即基本上被減半。注意到的是，為了不在明顯的長度上提供減小故障電阻的旁路電流路徑，電接觸部應(yīng)當(dāng)在電流流動的方向上僅延伸較小的距離(相比于超導(dǎo)元件的長度)。可替代地，在另一實(shí)施方式中，在超導(dǎo)元件內(nèi)，絕緣層是連續(xù)的，使得超導(dǎo)膜與導(dǎo)電基底完全電絕緣。這生產(chǎn)起來是很簡單的。在特別優(yōu)選的實(shí)施方式中，故障限流器的特征在于，超導(dǎo)元件的序列包括至少三個超導(dǎo)元件。在該情況下，外部電壓能夠被更廣地分配。這在電阻型FCL的情況下是尤其重要的。同樣在本發(fā)明的范圍內(nèi)的是一種用于生產(chǎn)超導(dǎo)裝置的方法，該超導(dǎo)裝置用于故障限流器，尤其是如上所述的本發(fā)明的故障限流器，其中，一序列超導(dǎo)元件每個具有-導(dǎo)電基底；-超導(dǎo)膜；以及-設(shè)置在導(dǎo)電基底與超導(dǎo)膜之間的電絕緣層，一序列超導(dǎo)元件是通過建立相鄰超導(dǎo)元件的超導(dǎo)膜之間的電連接，但保持該序列中的每個超導(dǎo)元件的導(dǎo)電基底與該序列中的那些相鄰超導(dǎo)元件的導(dǎo)電基底電絕緣而電連接的，尤其是串聯(lián)，所述那些相鄰超導(dǎo)元件的超導(dǎo)膜與所述超導(dǎo)元件的超導(dǎo)膜串聯(lián)地電連接。超導(dǎo)裝置能夠分別被使用在故障限流器內(nèi)，該故障限流器制造起來是節(jié)約成本的，提供較短的恢復(fù)時間，并且能夠處理較高的外部電壓。在本發(fā)明方法的特別優(yōu)選的變型中，每個超導(dǎo)元件都暴露于橫向施加在中間層上的電壓，從而導(dǎo)致穿過中間(絕緣)層的電流擊穿，其中，執(zhí)行電壓暴露，一直到穿過絕緣層的所有低電阻橋都被燒斷為止。這樣，能夠明顯地增加中間層的絕緣性能，以用于后續(xù)的實(shí)際使用。注意到的是，后面的步驟能夠在超導(dǎo)元件已經(jīng)被電連接之前或之后執(zhí)行。在該變型的優(yōu)選的進(jìn)一步發(fā)展中，電壓被施加成電壓隨時間逐漸增加的電壓斜升，尤其是電壓在0. 3s到1 之間的時間間隔內(nèi)增加到其最大值。這樣，低電阻橋被依次地?zé)龜?，即不是像“爆炸”那樣同時被燒斷。該過程是更好控制的。優(yōu)選地，在形成介于超導(dǎo)膜與導(dǎo)電基底之間、穿過超導(dǎo)元件的中間(絕緣)層的電接觸部的處理步驟之前，執(zhí)行將所述超導(dǎo)元件(其相應(yīng)的中間層)暴露于電壓的處理步驟。 否則，電接觸部可能被電壓暴露所破壞。從說明書和附圖中能夠提取出進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)本發(fā)明，上文及下文所提及到的特征能夠被單獨(dú)地或者以任意組合的方式共同地使用。所提及的實(shí)施方式不會被理解為窮盡列舉而是具有用于描述本發(fā)明的示例性特征。


附圖中示出了本發(fā)明。圖1示出了本發(fā)明的故障限流器的超導(dǎo)裝置的示意截面圖，其中超導(dǎo)膜與連續(xù)接觸層直接電連接；圖2示出了本發(fā)明的故障限流器的超導(dǎo)裝置的示意截面圖，其中超導(dǎo)膜與界面處的局部接觸層直接電連接；圖3a示出了本發(fā)明的故障限流器的超導(dǎo)裝置的示意截面圖，其中超導(dǎo)膜與超導(dǎo)膜的延伸的自由表面區(qū)域直接電連接；圖北示出了圖3a的超導(dǎo)裝置的示意平面圖；圖4示出了本發(fā)明的故障限流器的超導(dǎo)裝置的示意截面圖，其中超導(dǎo)膜借助于橋元件電連接；圖5示出了本發(fā)明的故障限流器的超導(dǎo)裝置的示意平面圖，其中超導(dǎo)元件與橋元件之間具有90°角；圖6示出了用于本發(fā)明的故障限流器的環(huán)形超導(dǎo)裝置的示意截面圖，其中四個超導(dǎo)元件直接連接；圖7a示出了本發(fā)明的故障限流器的環(huán)形超導(dǎo)裝置的示意截面圖，其中兩個超導(dǎo)元件直接連接；圖7b示出了本發(fā)明的故障限流器的環(huán)形超導(dǎo)裝置的示意截面圖，其中兩個超導(dǎo)元件經(jīng)由橋元件連接。在附圖中描述了用于在根據(jù)本發(fā)明的故障限流器中使用的超導(dǎo)裝置。
具體實(shí)施例方式圖1示出了超導(dǎo)裝置1，其具有在圖1中示出的一序列的三個超導(dǎo)元件h、2b、2c。 超導(dǎo)元件h、2b、2c各自包括導(dǎo)電基底3a、;3b、3C，其優(yōu)選由金屬板帶制成；中間層，即絕緣(電介質(zhì))層如、仙、如；以及超導(dǎo)膜fe、5b、5c，其優(yōu)選的是HTS超導(dǎo)膜，并且最優(yōu)選的是 YBa2Cu3O7^x膜。基底厚度TH通常為大約5 μ m到100 μ m。在具體示例中，基底3a、3b、3c是基于CrNi不銹鋼的，并且是0. Imm厚、IOmm寬和200mm長。一般而言，超導(dǎo)元件的長度(在電流流動的方向上測量)可以從毫米變化到幾米； 在我們的測試中，取決于失超元件中每單位長度的電壓降(在示例中所考慮的是從0. 3V/ cm到4V/cm的電壓降)、以及中間(絕緣)層的厚度和品質(zhì)，已經(jīng)使用了 20mm到2000mm。 在所給示例中，包括氧化釔穩(wěn)定氧化鋯層的中間層的厚度為Iym到5μπι。TOii2Cu3CVx膜的厚度是1. 2 μ m。超導(dǎo)元件在_196°C時產(chǎn)生320A的臨界電流。左邊的超導(dǎo)元件加的超導(dǎo)膜fe電連接至超導(dǎo)元件2b的超導(dǎo)膜5b，超導(dǎo)元件2b 是在超導(dǎo)裝置1中串聯(lián)連接的超導(dǎo)元件加至2c中的下一個超導(dǎo)元件。超導(dǎo)元件加的超導(dǎo)膜恥接下來又電連接至超導(dǎo)元件2c的超導(dǎo)膜5c，超導(dǎo)元件2c又是串聯(lián)連接的下一個超導(dǎo)元件。電連接借助于沉積在中間的超導(dǎo)元件2b的頂上的連續(xù)的連接層6而建立。連接層通常包括多層結(jié)構(gòu)，該多層結(jié)構(gòu)又包括過渡子層和中心層。子層形成在超導(dǎo)膜的表面上，該超導(dǎo)膜已經(jīng)涂敷有很薄(0.07μπι)的如Ag或Au 之類的貴金屬保護(hù)層。在本具體示例中，這些子層也包括經(jīng)由水電鍍沉積而成的Iym厚的第二層Cu。這些子層僅設(shè)置在專用于連接的表面區(qū)域內(nèi)，即保持超導(dǎo)元件的剩余表面遠(yuǎn)離連接層的任一子部分。中心層經(jīng)由接合物設(shè)置而成，該接合物包括來自于In、Sn、Zn、In、Cd、Bi組或它們的結(jié)合中的一種或多種金屬。接合物的熔點(diǎn)為100°c到200°C。在所考慮示例中，中心層的厚度可以在2μπι到30μπι之間變化。在該示例中所設(shè)置的連接層的總界面電阻在-196°C (即液氮的沸點(diǎn))處測量為低于5X 10_7歐姆Xcm2。超導(dǎo)元件2a、2c并行排列，而超導(dǎo)元件2b與它們反向定向，使得其超導(dǎo)膜恥面對超導(dǎo)膜fe、5c。在超導(dǎo)元件加與2c之間，存在間隙7，這也意味著導(dǎo)電基底3a和北相互電絕緣。因此，超導(dǎo)裝置1的成序列的所有超導(dǎo)元件h、2b、2c的導(dǎo)電基底3a、3b、3c在這里都相互電絕緣，這在本發(fā)明中一般是優(yōu)選的。間隙7也可以用附加的絕緣體(例如，環(huán)氧樹脂或特氟龍Teflon)填充，以限制連接層的金屬接合物在間隙內(nèi)的散布，并且因此避免了導(dǎo)電基底3a和3c短路的可能性。此外，為了實(shí)現(xiàn)基底與超導(dǎo)膜之間改進(jìn)程度的絕緣，每個超導(dǎo)元件都經(jīng)由暴露于橫向施加在中間層上的電壓進(jìn)行預(yù)處理，因而導(dǎo)致穿過電絕緣層的電流擊穿，其中，電壓暴露被執(zhí)行一直到穿過絕緣層的所有低電阻橋都被燒斷為止。在超導(dǎo)膜與導(dǎo)電基底之間施加 dc電壓，該dc電壓可以從IOV變化到200V。電壓是以在1秒至5秒內(nèi)達(dá)到最大電壓的方式線性斜升的；在處理前最大電壓值被確定為擊穿電壓的大約80%，該擊穿電壓在相同類型但具有勻質(zhì)結(jié)構(gòu)(即沒有低電阻橋)的電絕緣層中測定。關(guān)于這種預(yù)處理的所有過程優(yōu)選地都在室溫條件下進(jìn)行。通過冷卻超導(dǎo)元件，最大擊穿電壓通常會增長。在操作期間，例如利用液氮(LN2)冷卻超導(dǎo)裝置，優(yōu)選地從兩側(cè)(底部和頂部)冷卻，從而直接從超導(dǎo)膜側(cè)并通過基底(冷卻設(shè)備未示出)冷卻每個超導(dǎo)元件。在以下的圖2至圖7中顯示的另外的超導(dǎo)裝置中，除非另外描述，可以應(yīng)用對應(yīng)的特征和流程，尤其是關(guān)于電壓預(yù)處理、冷卻設(shè)備、以及絕緣間隙填充的特征和流程。圖2示出了與圖1中所示的超導(dǎo)裝置相似的超導(dǎo)裝置21。這里，超導(dǎo)膜如、恥通過連接層部6a連接，而超導(dǎo)膜^、5c通過連接層部6b連接。連接層部6a、6b是分隔開的從而相互電絕緣，并且由正常導(dǎo)電金屬(尤其是金或銀)制成。相應(yīng)地，連接層部6a、6b僅在超導(dǎo)元件h、2b、2c的重疊區(qū)域22a、22b中延伸。遠(yuǎn)離接合設(shè)備(此處遠(yuǎn)離導(dǎo)電連接層部)的表面區(qū)域部23a、23b、23c有助于增加超導(dǎo)裝置21在故障電流下的電阻。這來自于以下的事實(shí)失超優(yōu)選地形成在超導(dǎo)元件中未由另一個超導(dǎo)元件或橋元件“旁路”的部分。尤其是，在圖2的超導(dǎo)裝置21中，絕緣層^、4b、如具有中心電接觸部Ma、Mb、 24c,以限制在絕緣層如至如上的電壓降。注意到的是，在超導(dǎo)膜如至5c的頂上可以沉積很薄的導(dǎo)電金屬(尤其是諸如銀或金之類的貴金屬)覆蓋層(或保護(hù)層)。但是，該覆蓋層的厚度應(yīng)該足夠小，從而相對于下面的超導(dǎo)膜不建立明顯的電流旁路。當(dāng)然，優(yōu)選的是不使用覆蓋層。圖3a和圖北以截面圖(圖3a)和平面圖(3b)示出了超導(dǎo)裝置31，其中一序列四個超導(dǎo)元件加至2d串聯(lián)連接。超導(dǎo)元件加至2d具有交替的方向，而相鄰超導(dǎo)元件的超導(dǎo)膜fe至5d彼此面對(注意到的是，出于簡單的目的，此處未示出絕緣層)。在圖北的平面圖中，能夠清楚地識別重疊區(qū)域22a、22b、22c。它們大約占據(jù)全部超導(dǎo)膜表面的20%，而其它的80%屬于自由表面部23a至23d。圖4示出了用于超導(dǎo)裝置41的替代設(shè)計，此處示出了一序列的三個超導(dǎo)元件2a、 2b、2c，各自具有超導(dǎo)膜fe、5b、5c (再次地，出于簡單的目的未示出中間絕緣層)。超導(dǎo)元件 2a至2c都相同地定向成使它們的超導(dǎo)膜面對相同側(cè)(此處頂側(cè))，并且由間隙45a、45b 隔開。超導(dǎo)膜如至5c借助于橋元件42a、42b成對地串聯(lián)電連接，每個都包括電介質(zhì)(絕緣)基底43a、43b，和超導(dǎo)層44a、44b，優(yōu)選的是高溫超導(dǎo)(HTQ膜層。橋元件42a、^b與它們所連接的超導(dǎo)元件(分別是超導(dǎo)膜如至5c)重疊，對照重疊區(qū)域46。在該具體示例中，電介質(zhì)基底43a、43b由釔穩(wěn)定氧化鋯陶瓷或藍(lán)寶石(單晶體Al2O3)制成。圖5示出了用在根據(jù)本發(fā)明的故障限流器中的超導(dǎo)裝置51的頂視圖。存在有一序列的六個直形超導(dǎo)元件加至2f，它們平行地定向并且它們的超導(dǎo)表面全部都面向上方。 借助于附接在頂部上的五個橋元件4 至42e，超導(dǎo)元件加至2f (它們的相應(yīng)超導(dǎo)膜)被串聯(lián)地電連接。橋元件4 至4 定向成垂直于超導(dǎo)元件加至2f，以使得超導(dǎo)裝置51更緊湊。在超導(dǎo)裝置51 (相應(yīng)的序列超導(dǎo)元件加至2 的首尾端，存在有用于外部接合的兩個金屬墊52a、52b，尤其是Cu墊，這些墊是電沉積到超導(dǎo)元件加和2f上的。圖1至圖5已經(jīng)示出了線性的超導(dǎo)元件序列。圖5至圖6b示出了尤其是用在感應(yīng)式(基于變壓器的)故障限流器中的環(huán)形超導(dǎo)裝置。圖6示出了具有環(huán)形設(shè)置的超導(dǎo)元件加、2b、2c、2d的超導(dǎo)裝置61。每個超導(dǎo)元件 2a至2d都具有導(dǎo)電基底3a至3d、和中間絕緣層如至4d、以及超導(dǎo)膜fe至5d。每個超導(dǎo)元件加至2d都直接電連接至其前面的和其后面的相鄰超導(dǎo)元件加至2d，并且僅在超導(dǎo)膜 5a至5d之間而不是在導(dǎo)電基底3a至3d之間建立電連接。該環(huán)的導(dǎo)電基底3a至3d全部相互電絕緣。超導(dǎo)元件加至2d—般被彎曲成圓弧。圖7a示出了用于與圖5所示的本發(fā)明的故障限流器相似的故障限流器的超導(dǎo)裝置71，但是其僅包括超導(dǎo)元件h、2b，并且它們的超導(dǎo)膜5ajb直接電連接。注意到的是， 出于簡單的目的，未示出中間絕緣層。圖7b示出了包括兩個超導(dǎo)元件h、2b的超導(dǎo)裝置72，這兩個超導(dǎo)元件h、2b的超導(dǎo)膜fe、5b經(jīng)由橋元件42a、42b電連接。再次地，出于簡單的目的，未示出中間絕緣層。
權(quán)利要求
1.一種故障限流器，所述故障限流器具有包括一序列超導(dǎo)元件(h-2f)的超導(dǎo)裝置 (1、21、31、41、51、61、71、72)，所述超導(dǎo)元件中的每個都具有-基底(3a-3d)； -超導(dǎo)膜(5a-5d)；以及-中間層Ga-如)，所述中間層( - )設(shè)置在所述基底與所述超導(dǎo)膜之間； 其中，所述序列的相鄰超導(dǎo)元件(h_2f)的超導(dǎo)膜是電連接的，尤其是串聯(lián)地電連接的；其特征在于，所述超導(dǎo)元件Oa-2d)的基底(3a_3d)是導(dǎo)電基底(3a_3d)； 其中，所述序列的每個超導(dǎo)元件(h_2f)的導(dǎo)電基底(3a_3d)與在所述序列中的那些相鄰超導(dǎo)元件Oa_2f)的每個導(dǎo)電基底(3a_3d)電絕緣，所述那些相鄰超導(dǎo)元件(h_2f) 的超導(dǎo)膜與所述超導(dǎo)元件(h_2f)的超導(dǎo)膜(5a-5d)串聯(lián)地電連接； 并且所述超導(dǎo)元件(h_2f)的中間層( - )是電絕緣層Ga-如)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的故障限流器，其特征在于，至少一些相鄰超導(dǎo)元件(h_2f)的超導(dǎo)膜是直接電連接的。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的故障限流器，其特征在于，直接電連接的相鄰超導(dǎo)元件 (2a-2f)被-定向成使它們的超導(dǎo)膜彼此面對；并且-彼此抵靠著錯位，使得所述相鄰超導(dǎo)元件(h_2f)在重疊區(qū)域(22a-22c)中部分地重疊，其中，在所述重疊區(qū)域內(nèi)，重疊的超導(dǎo)元件(h_2f)的超導(dǎo)膜是電連接的。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3中任一項(xiàng)所述的故障限流器，其特征在于，所述直接電連接的相鄰超導(dǎo)元件Oa-2f)的超導(dǎo)膜通過正常導(dǎo)電金屬層(6、6a、6b)電連接。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的故障限流器，其特征在于，至少一些相鄰超導(dǎo)元件(h-2f)的超導(dǎo)膜借助于橋元件0加-4加)電連接，其中，所述橋元件(42a_42e)包括超導(dǎo)部分；并且借助于橋元件0加_4加)電連接的相鄰超導(dǎo)元件(h_2f)的超導(dǎo)膜都電連接至所述超導(dǎo)部分。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的故障限流器，其特征在于，所述借助于橋元件(42a-42e)電連接的相鄰超導(dǎo)元件(h-2f)被-定向成使它們的超導(dǎo)膜面對相同的方向；-并且設(shè)置成彼此相鄰，在兩個相鄰超導(dǎo)元件(h_2f)之間具有間隙0如、4恥)； 其中，所述橋元件(42a-42e)建立所述相鄰超導(dǎo)元件(h_2f)的超導(dǎo)膜的穿過所述間隙0如、4恥)的電連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的故障限流器，其特征在于，所述橋元件(42a_42e)包括電介質(zhì)基底G3a、4;3b)，并且所述超導(dǎo)部分是覆蓋所述電介質(zhì)基底(43a,43b)的超導(dǎo)層(44a,44b)；所述橋元件(42a-42e)的超導(dǎo)層(44a、44b)面對借助于所述橋元件0加_4加)電連接的相鄰超導(dǎo)元件Oa-2f)的超導(dǎo)膜；并且所述橋元件(42a_42e)與借助于所述橋元件(42a_42e)電連接的兩個相鄰超導(dǎo)元件(h-2f)重疊，尤其是部分地重疊。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的故障限流器，其特征在于，所述超導(dǎo)元件 (2a-2f)以環(huán)形方式連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的故障限流器，其特征在于，所述超導(dǎo)元件 (2a-2f)以線性序列連接。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的故障限流器，其特征在于，至少一個所述超導(dǎo)元件(h_2f)包括在其超導(dǎo)膜與其導(dǎo)電基底(3a-3d)之間并且穿過其絕緣層的電接觸部0如_2如)，其中，所述電接觸部(Ma-Mc)基本上定位在所述超導(dǎo)元件電連接至前一個和下一個超導(dǎo)元件(h_2f)的區(qū)域的中間。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的故障限流器，其特征在于，在所述超導(dǎo)元件 (2a-2f)內(nèi)，所述絕緣層( - )是連續(xù)的，使得所述超導(dǎo)膜完全與所述導(dǎo)電基底 (3a-3d)絕緣。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的故障限流器，其特征在于，所述序列的超導(dǎo)元件 (2a-2f)包括至少三個超導(dǎo)元件(h_2f)。
13.一種用于制造超導(dǎo)裝置(1、21、31、41、51、61、71、72)的方法，所述超導(dǎo)裝置(1、21、 31、41、51、61、71、72)用于故障限流器，尤其是用于根據(jù)權(quán)利要求1至12中任一項(xiàng)所述的故障限流器，其中，一序列超導(dǎo)元件(h_2f)中的每個都具有-導(dǎo)電基底(3a-3d)；-超導(dǎo)膜(5a-5d)；以及-電絕緣層Ga-如)，所述電絕緣層( - )設(shè)置在所述導(dǎo)電基底(3a_3d)與所述超導(dǎo)膜(5a-5d)之間，所述超導(dǎo)元件(h_2f)是通過建立相鄰超導(dǎo)元件(h_2f)的超導(dǎo)膜之間的電連接，但保持所述序列中的每個超導(dǎo)元件Oa_2f)的導(dǎo)電基底(3a至3d)與所述序列中的那些相鄰超導(dǎo)元件(h_2f)的導(dǎo)電基底(3a-3d)電絕緣而電連接的，尤其是串聯(lián)地電連接的，所述那些相鄰超導(dǎo)元件(h-2f)的超導(dǎo)膜與所述超導(dǎo)元件(h-2f)的超導(dǎo)膜 (5a-5d)串聯(lián)地電連接。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，每個所述超導(dǎo)元件(h-2f)都暴露于橫向施加在所述電絕緣層上的電壓，從而導(dǎo)致所述電絕緣層( - )的電流擊穿，其中，所述電壓暴露被執(zhí)行，一直到穿過所述電絕緣層Ga-如)的所有低電阻橋被燒斷為止。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，所述電壓施加為電壓隨時間逐漸增加的電壓斜升，尤其是，其中所述電壓在0. 3s與1 之間的時間間隔內(nèi)增加到其最大值。
全文摘要
一種故障限流器，具有包括一序列超導(dǎo)元件(2a-2f)的超導(dǎo)裝置(1、21、31、41、51、61、71、72)，每個超導(dǎo)元件(2a-2f)都具有基底(3a-3d)、超導(dǎo)膜(5a-5d)、以及設(shè)置在基底與超導(dǎo)膜之間的中間層(4a-4c)，其中，該序列的相鄰超導(dǎo)元件(2a-2f)的超導(dǎo)膜(5a-5d)是電連接的，尤其是串聯(lián)，其特征在于超導(dǎo)元件(2a-2d)的基底(3a-3d)是導(dǎo)電基底(3a-3d)；該序列的每個超導(dǎo)元件(2a-2f)的導(dǎo)電基底(3a-3d)都與在該序列中的那些相鄰超導(dǎo)元件(2a-2f)的每個導(dǎo)電基底(3a-3d)電絕緣，所述那些相鄰超導(dǎo)元件(2a-2f)的超導(dǎo)膜(5a-5d)與所述超導(dǎo)元件(2a-2f)的超導(dǎo)膜(5a-5d)串聯(lián)地電連接；并且超導(dǎo)元件(2a-2f)的中間層(4a-4c)是電絕緣層(4a-4c)。本發(fā)明的故障限流器在生產(chǎn)中是節(jié)約成本的，并且在失超現(xiàn)象后具有較短的恢復(fù)時間。
文檔編號H01L39/24GK102227828SQ200980147434
公開日2011年10月26日 申請日期2009年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月29日
發(fā)明者A·烏索金, F·J·姆福德 申請人:布魯克Hts有限公司, 阿?，mT&D簡易股份公司