專利名稱：井聯(lián)高溫超導(dǎo)故障限流器裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高溫超導(dǎo)(high temperature superconducting)裝置，更具體而言，涉及被配置為充當(dāng)故障電流限制裝置的HTS裝置。
背景技術(shù)：
隨著全世界的電力需求持續(xù)顯著增加，公用事業(yè)公司已在努力從發(fā)電的觀點(diǎn)以及供電的觀點(diǎn)出發(fā)滿足這些日益增長(zhǎng)的需求。由于現(xiàn)有安裝的輸配電基礎(chǔ)設(shè)施的容量有限以及可用于增加附加傳統(tǒng)輸配電線路和電纜的空間有限，經(jīng)由輸配電網(wǎng)絡(luò)向用戶供電對(duì)公用事業(yè)公司仍是一項(xiàng)重要挑戰(zhàn)。這在可用于擴(kuò)展容量的現(xiàn)有空間非常有限的擁擠的城市和大都市區(qū)中尤其顯著。目前，正在開發(fā)使用高溫超導(dǎo)(HTS)導(dǎo)線的撓性長(zhǎng)距離電力電纜以增加公用事業(yè)輸配電網(wǎng)絡(luò)的電力容量，同時(shí)保持相對(duì)小的占用面積以使安裝更容易并使用對(duì)環(huán)境而言清潔的液氮進(jìn)行冷卻。對(duì)于本發(fā)明，將HTS材料定義為臨界溫度在30開氏度(-243攝氏度)或以上的超導(dǎo)體，其包括諸如釔或稀土鋇銅氧化物(在本文中稱為YBCO);鉈鋇鈣銅氧化物；鉍鍶鈣銅氧化物(在本文中稱為BSCCO);汞鋇鈣銅氧化物；以及二硼化鎂(MgB2)等材料。YBCO的臨界溫度約為90K。 BSCC0的臨界溫度當(dāng)為一種組成時(shí)約為90K且當(dāng)為第二組成時(shí)約為IIOK。 MgB2的臨界溫度達(dá)到約40K。應(yīng)理解，這些組合物家族包括可能的替代物、添加物和雜質(zhì)，只要 這些替代物、添加物和雜質(zhì)的臨界溫度不降低至低于30° K即可。此類HTS電纜允 許在公用事業(yè)電力網(wǎng)絡(luò)的擁擠區(qū)域內(nèi)經(jīng)濟(jì)且可靠地提供更多的電量，從而減緩擁擠 度并使公用事業(yè)公司能夠解決其輸配電容量問題。 HTS電力電纜使用HTS導(dǎo)線作為用于輸配電的電纜的主要導(dǎo)體(即代 替?zhèn)鹘y(tǒng)的銅導(dǎo)體)。與傳統(tǒng)架空線路和地下電纜相比，HTS電纜的設(shè)計(jì)在其超導(dǎo)狀 態(tài)下得到明顯降低的串聯(lián)阻抗。這里，電纜或線路的串聯(lián)阻抗是指載送電力的導(dǎo)體 的電阻阻抗和與電纜架構(gòu)或架空線路相關(guān)的電抗(電感)阻抗。對(duì)于相同橫截面積 的電纜，HTS導(dǎo)線使得載流容量與傳統(tǒng)交流(alternating current; AC)電纜相 比增加三至五倍；與傳統(tǒng)直流(direct current; DC)電纜相比增加高達(dá)十倍。 HTS電纜可以設(shè)計(jì)為具有以螺旋形式纏繞在連續(xù)撓性波紋成形體 (corrugated former)周圍的HTS導(dǎo)線，或者其可以具有成各種堆疊和扭轉(zhuǎn)配置 的多根HTS導(dǎo)線。在所有這些情況下，電纜均可以是連續(xù)撓性的，以便其可以方便 地纏繞在巻筒(drmn)上進(jìn)行運(yùn)輸并彎彎曲曲地安裝在管道中或其它電力裝置之間。 HTS電纜可以設(shè)計(jì)為具有與HTS導(dǎo)線接觸并沿著電纜的長(zhǎng)度流動(dòng)的液體致冷劑。液 氮是最常用的液體致冷劑，但對(duì)于如二硼化鎂等低溫超導(dǎo)材料，可以使用液氫或液 氖。除容量問題之外，由于增加的電力需求(以及由此引起的發(fā)電及通過 輸配電網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)墓β仕降脑黾?而對(duì)公用事業(yè)公司引起的另一個(gè)嚴(yán)重問題是由 于"故障"而引起的"故障電流"。故障可以起因于網(wǎng)路裝置故障、自然事件(例 如雷電)、人為事件(例如汽車事故撞斷電線桿)、或會(huì)導(dǎo)致對(duì)地短路或從公用事 業(yè)網(wǎng)絡(luò)的相間短路的任何其它網(wǎng)絡(luò)問題。 一般而言，此類故障表現(xiàn)為立即體現(xiàn)在公 用事業(yè)網(wǎng)絡(luò)上的極大負(fù)載。響應(yīng)于此負(fù)載的出現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)試圖向該負(fù)載輸送大量的電 流(即故障)。電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)中的任何給定鏈路(link)均由最大故障電流來表征， 在導(dǎo)致最大故障條件的短路期間在沒有故障電流限制措施的情況下可流過該最大 故障電流。在大型電網(wǎng)中，故障電流可能非常大，以致于在沒有故障電流限制措施 的情況下，電網(wǎng)中的大部分電氣設(shè)備可遭到損壞或毀壞。防止故障電流的傳統(tǒng)方法 是迅速斷開斷路器并完全停止電流和功率流動(dòng)。與斷路器相關(guān)的檢測(cè)電路監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)以檢測(cè)故障(或過電流)情況的存在。在幾毫秒的檢測(cè)內(nèi)，來自檢測(cè)電路的激活信號(hào)可以觸發(fā)斷路器斷開以防止對(duì)各 種網(wǎng)絡(luò)部件的破壞。目前，現(xiàn)有的斷路器裝置的最大能力約為80,000安培，且這 些僅僅是用于輸電水平電壓。在上世紀(jì)建造的公用事業(yè)網(wǎng)絡(luò)的許多部分被建造為具
有只能耐受40， 000至63， 000安培故障電流的網(wǎng)絡(luò)裝置。遺憾的是，隨著公用事業(yè) 網(wǎng)絡(luò)的發(fā)電和輸電水平的提高，故障電流水平提高至在輸配電水平電壓下均將超過 目前安裝的或現(xiàn)有技術(shù)斷路器裝置的能力(即大于80，000 amps)的程度。即使在 較低的故障電流水平下，使整個(gè)電網(wǎng)中的斷路器從較低水平升級(jí)至較高水平的成本 也可非常高。在大多數(shù)情況中，需要將故障電流降低至少10%才能實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)運(yùn)行 的有意義的改善。因此，公用事業(yè)公司正在尋找新的解決方案以應(yīng)對(duì)提高的故障電 流水平。正在開發(fā)的一種此類解決方案是稱為HTS故障電流限制器(fault current limiter; FCL)的裝置。 HTS FCL是互連到公用事業(yè)網(wǎng)絡(luò)的專用裝置，用于將故障電流的幅值 降低至傳統(tǒng)、容易得到或已經(jīng)安裝的斷路器可以處理的水平。參見S叩ercond Sci. Technol. 20 ( 2007) R15 - R29中由Noe和M. Steurer所著的"High - Temperature Superconductor Fault Current Limiters"。此類HTS FCL通常由短的剛性模塊 構(gòu)成，這些短的剛性模塊由HTS材料的實(shí)心棒或圓柱制成，當(dāng)在其超導(dǎo)臨界電流以 上將這些短的剛性模塊驅(qū)動(dòng)至電阻性狀態(tài)時(shí)，其可具有非常高的電阻。遺憾的是， 此類獨(dú)立HTSFCL目前相當(dāng)大且相當(dāng)昂貴。在最需要HTS電纜的人口密集的都市環(huán) 境中的變電站中，空間特別受到重視。公用事業(yè)公司還可以使用大型電感器，但是 它們可能會(huì)造成額外的損耗、電壓調(diào)節(jié)和電網(wǎng)穩(wěn)定性問題。而且，遺憾的是，出色 的電流限制器(例如熔絲)在每次故障事件之后均需要更換。此外，雖然正在開發(fā) 新的電力電子FCL，但存在關(guān)于其是否能夠保證故障安全及其是否能夠可靠地?cái)U(kuò)展 至輸電電壓水平的問題。為了使HTS電纜能夠經(jīng)受故障電流的流動(dòng)，可結(jié)合HTS導(dǎo)線而引入大 量的銅，但這會(huì)增加電纜的重量和尺寸。參見將在IEEE Transaction on A卯lied Superconductivity中發(fā)表的由J". F. Maguire, F. Schmidt' S. Bratt， T. E. Welsh, J. Yuan, A. Allais禾口 F. Hamber所著的"Development and Demonstration of a Long Length HTS Cable to Operate in the Long Island Power Authority Transmission Grid"。銅常常填充HTS電纜的芯中以螺旋形式纏繞有HTS導(dǎo)線的中央成形體，此會(huì)防止芯被用作液氮流動(dòng)通道。或者，尤其是對(duì)于多相電纜，可在 電纜的螺旋形纏繞的層內(nèi)將銅導(dǎo)線與HTS導(dǎo)線混合。這些銅導(dǎo)線或結(jié)構(gòu)可在電氣上
與HTS導(dǎo)線并聯(lián)，并可稱為HTS電纜內(nèi)的"銅并聯(lián)支路(c叩per shunts)"。在 存在超過電纜的HTS導(dǎo)線的臨界電流的大故障電流的情況下，它們停止導(dǎo)電或切換 至電阻性狀態(tài)，并由于電阻I2R損耗(其中I是電流且R是電纜的電阻)而變熱。 這些銅并聯(lián)支路可被設(shè)計(jì)為吸收和載送故障電流以防止HTS導(dǎo)線過熱。銅的量非常 大，以致于其在電纜中的總電阻相當(dāng)小，并因此而在減小故障電流方面具有微乎其 微的效果。銅可被定義為意指純銅或具有少量雜質(zhì)的銅，使得其電阻率在77 90K 溫度范圍內(nèi)相當(dāng)?shù)?例如<0.5微歐-厘米，或低到0.2微歐-厘米)。在歐洲SUPERPOLI項(xiàng)目中，研究也可以限制電流的超導(dǎo)電力鏈路(參 見IEEE Trans, on Applied Superconductivity, Vol. 13， No, 2， 2003年6月， pp. 1972 - 5中A. Usoskin等人所著的"SUPERPOLI Fault-Current Limiters Based on YBCO-Coated Stainless Steel T即es ，， ； IEEE Trans, on Applied Superconductivity, Vol. 11， No. 1， 2001年3月，pp. 1928 - 31中Paasi等 人所著的"Design Performance of a Superconducting Power Link" ; IEEE Trans, on Applied Superconductivity, Vol. 11， No. 1， 2001年3月，pp. 2503 - 6 中Verhaege等人所著的HTS Materials of AC Current Transport and Fault Current Limitation;以及題為"Superconductive Electrical Transmission Line" 的美國(guó)專利第5,859，386號(hào))。根據(jù)用于早期的獨(dú)立FCL的典型方法，此項(xiàng)目研究形成了用于電力鏈 路的模塊或母線的的剛性實(shí)心HTS材料棒或圓柱。模塊或母線的典型長(zhǎng)度是50厘 米至2米。在第二種方法中，使用經(jīng)過涂敷的導(dǎo)線，其中在高電阻不銹鋼襯底上涂 敷YBC0材料。使用金穩(wěn)定劑層，但其被保持得非常薄以使每單位長(zhǎng)度的電阻盡可 能高。導(dǎo)線被以螺旋形式纏繞在剛性圓柱形芯上，該剛性圓柱形芯形成用于電力鏈 路的模塊或母線的另一選項(xiàng)。響應(yīng)于故障電流，這兩個(gè)模塊均切換到非常高的電阻 性狀態(tài)以限制電流。SUPERPOLI項(xiàng)目中提出的形成較長(zhǎng)距離電纜的構(gòu)思是用撓性編 織銅互連線來互連各撓性模塊。參見題為"Superconductive Electrical Transmission Line"的美國(guó)專利第5， 859, 386號(hào)。未考慮使用具有較低電阻和較 高熱容量并因而具有較低局部受熱水平的導(dǎo)線來設(shè)計(jì)和制造具有故障電流限制功能的長(zhǎng)距離連續(xù)撓性電纜的可能性。也沒有考慮附加電網(wǎng)元件可以優(yōu)化鏈路功能的 的可能性。需要改善HTS電纜應(yīng)對(duì)故障電流的方式并提供改善的替代物來替代獨(dú) 立FCL或其它故障電流限制裝置(例如形成電力鏈路的具有高的每單位長(zhǎng)度電阻的 故障電流限制模塊)的使用。具有故障電流限制功能的實(shí)際長(zhǎng)距離連續(xù)撓性HTS 電力電纜將在實(shí)現(xiàn)高容量、低占用面積和環(huán)境上清潔的輸配電方面提供主要益處， 同時(shí)避免在擁擠的公用事業(yè)變電站中需要單獨(dú)且昂貴的故障電流限制裝置。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的第一實(shí)施方式中， 一種超導(dǎo)電纜系統(tǒng)(s叩erconducting electrical cable system)被配置為包含在具有已知故障電流水平的公用事業(yè)電 網(wǎng)內(nèi)。所述超導(dǎo)電纜系統(tǒng)包括非超導(dǎo)電氣路徑，互連于所述公用事業(yè)電網(wǎng)的第一
節(jié)點(diǎn)與第二節(jié)點(diǎn)之間；以及超導(dǎo)電氣路徑，互連于所述公用事業(yè)電網(wǎng)的第一節(jié)點(diǎn)與 第二節(jié)點(diǎn)之間。所述超導(dǎo)電氣路徑與所述非超導(dǎo)電氣路徑并聯(lián)地電性連接，并且當(dāng) 所述超導(dǎo)電氣路徑在臨界電流水平及臨界溫度以下工作時(shí)，所述超導(dǎo)電氣路徑具有 低于所述非超導(dǎo)電氣路徑的串聯(lián)阻抗。所述超導(dǎo)電氣路徑被配置為當(dāng)所述超導(dǎo)電氣 路徑以所述臨界電流水平與所述超導(dǎo)體臨界溫度其中之一或多者或高于其中之一
或多者工作時(shí)，所具有的串聯(lián)阻抗至少N倍于所述非超導(dǎo)電氣路徑的串聯(lián)阻抗。N
大于1并且被選擇為與所述非超導(dǎo)電氣路徑的阻抗共同使已知故障電流水平衰減
至少10% ?？砂ㄒ粋€(gè)或多個(gè)以下特征。所述非超導(dǎo)電氣路徑可保持于非低溫溫 度(non-cryogentic temperature)。所述非低溫溫度可為至少273K。所述超導(dǎo) 電氣路徑可包含于電纜組件中，并且所述非超導(dǎo)電氣路徑可位于所述電纜組件外。 阻抗調(diào)整裝置可調(diào)整所述非超導(dǎo)電氣路徑的阻抗。所述阻抗調(diào)整裝置可包括電抗器 組件(reactor assembly)?？焖匍_關(guān)可與所述超導(dǎo)電氣路徑串聯(lián)地電性耦合。所述超導(dǎo)電氣路徑 可包括第一超導(dǎo)電纜部和至少一第二超導(dǎo)電纜部。所述第一超導(dǎo)電纜部可包括第一 高溫超導(dǎo)(high temperature superconducting; HTS)超導(dǎo)材料。所述至少一第 二超導(dǎo)電纜部可包括第二 HTS超導(dǎo)材料。所述第一 HTS超導(dǎo)材料可包括YBC0材料。所述第二 HTS超導(dǎo)材料可包括BSCC0材料。 N可大于或等于3。 N可大于或等于5。所述非超導(dǎo)電氣路徑可包括至 少一根非超導(dǎo)電纜。所述非超導(dǎo)電氣路徑可包括至少一根非超導(dǎo)電氣架空線。所述 超導(dǎo)電氣路徑可包括以下中的一或多個(gè)^或多根超導(dǎo)電纜；以及一或多個(gè)快速開 關(guān)組件。所述非超導(dǎo)電氣路徑可包括以下中的至少一個(gè) 一或多根非超導(dǎo)電纜，一 或多根母線， 一或多個(gè)變電站，以及一或多個(gè)電抗器組件。所述至少一根超導(dǎo)電纜可包括居于中心處的軸向冷卻劑通道，所述居 于中心處的軸向冷卻劑通道被配置為允許制冷劑經(jīng)所述居于中心處的軸向冷卻劑 通道沿軸向分布。所述超導(dǎo)電氣路徑可包括多個(gè)導(dǎo)電部件，所述多個(gè)導(dǎo)電部件中的 每一個(gè)均在90K溫度范圍中具有大于0. 8微歐-厘米的電阻率。所述至少一根超導(dǎo)電纜可包括一或多個(gè)HTS導(dǎo)線。所述HTS導(dǎo)線中的
至少一個(gè)可由選自由以下各項(xiàng)組成的組的材料構(gòu)成釔或稀土鋇銅氧化物；鉈鋇鈣
銅氧化物；鉍鍶鈣銅氧化物；汞鋇鈣銅氧化物；以及二硼化鎂。所述HTS導(dǎo)線中的至少一個(gè)可包括密封劑(encapsulant)。所述一 或多個(gè)HTS導(dǎo)線中的至少一個(gè)可包括總厚度在200-600微米范圍內(nèi)且在90K時(shí)的電 阻率在0. 8-15. 0微歐-厘米范圍內(nèi)的一或多個(gè)穩(wěn)定劑層。穩(wěn)定劑層可至少部分地由黃銅材料構(gòu)成。所述一或多個(gè)HTS導(dǎo)線中的 至少一個(gè)可包括總厚度在200-1000微米范圍內(nèi)且在90K時(shí)的電阻率在1-10微歐-厘米范圍內(nèi)的一或多個(gè)穩(wěn)定劑層。所述一或多個(gè)HTS導(dǎo)線中的至少一個(gè)可被配置為 在臨界電流水平以下以超導(dǎo)模式工作。所述一或多個(gè)HTS導(dǎo)線中的至少一個(gè)可被配
置為在所述臨界電流水平處或以上以非超導(dǎo)模式工作。在本發(fā)明的另一實(shí)施方式中， 一種超導(dǎo)電纜系統(tǒng)被配置為包含在具有 己知故障電流水平的公用事業(yè)電網(wǎng)內(nèi)。所述超導(dǎo)電纜系統(tǒng)包括非低溫非超導(dǎo)電氣 路徑，互連于所述公用事業(yè)電網(wǎng)的第一節(jié)點(diǎn)與第二節(jié)點(diǎn)之間；以及超導(dǎo)電氣路徑， 互連于所述公用事業(yè)電網(wǎng)的第一節(jié)點(diǎn)與第二節(jié)點(diǎn)之間。所述超導(dǎo)電氣路徑與所述非 超導(dǎo)電氣路徑并聯(lián)地電性連接。當(dāng)所述超導(dǎo)電氣路徑在臨界電流水平以下工作時(shí)， 所述超導(dǎo)電氣路徑具有低于所述非超導(dǎo)電氣路徑的串聯(lián)阻抗。所述超導(dǎo)電氣路徑被 配置為當(dāng)所述超導(dǎo)電氣路徑在所述臨界電流水平處或以上工作時(shí)，所具有的串聯(lián)阻 抗至少N倍于所述非超導(dǎo)電氣路徑的串聯(lián)阻抗。N大于l。
可包括一個(gè)或多個(gè)以下特征。所述非低溫非超導(dǎo)電氣路徑可保持于至 少273K的非低溫溫度。所述超導(dǎo)電氣路徑可包含于電纜組件中，并且所述非低溫 非超導(dǎo)電氣路徑可位于所述電纜組件外。阻抗調(diào)整裝置可調(diào)整所述非低溫非超導(dǎo)電 氣路徑的阻抗。所述阻抗調(diào)整裝置可包括電抗器組件。所述超導(dǎo)電氣路徑可包括第一超導(dǎo)電纜部和至少一第二超導(dǎo)電纜部。 所述第一超導(dǎo)電纜部可包括第一 HTS超導(dǎo)材料，且所述至少一第二超導(dǎo)電纜部可包 括第二 HTS超導(dǎo)材料。所述第一 HTS超導(dǎo)材料可包括YBC0材料，并且所述第二 HTS 超導(dǎo)材料可包括BSCCO材料。N可大于或等于3。 N可大于或等于5。下面在附圖和說明中闡述一種或多種實(shí)施方式的細(xì)節(jié)。其它特征和優(yōu) 點(diǎn)將通過本說明、附圖、以及權(quán)利要求而變得顯而易見。


圖1是安裝在公用事業(yè)電網(wǎng)內(nèi)的銅芯HTS電纜的示意圖； 圖2是圖1的銅芯HTS電纜的等距視圖； 圖3是空芯HTS電纜的等距視圖4是圖3的空芯HTS電纜安裝在公用事業(yè)電網(wǎng)內(nèi)的的示意圖5是公用事業(yè)電網(wǎng)的示意圖6是超導(dǎo)/傳統(tǒng)電纜對(duì)的模型；
圖7A是HTS導(dǎo)線的橫截面圖7B是替代實(shí)施例HTS導(dǎo)線的橫截面圖8是圖7的HTS導(dǎo)線的模型；
圖9是圖6的超導(dǎo)/傳統(tǒng)電纜對(duì)的替代模型；
圖10是圖9的超導(dǎo)/傳統(tǒng)電纜對(duì)在超導(dǎo)模式中的模型；
圖11是圖9的超導(dǎo)/傳統(tǒng)電纜對(duì)在非超導(dǎo)模式中的模型；以及
圖12是安裝在公用事業(yè)電網(wǎng)中的圖3所示空芯HTS電纜的替代實(shí)施例的示意圖。
各圖中的相同附圖標(biāo)記指示相同的元件。
具體實(shí)施例方式
12概述參照?qǐng)D1，公用事業(yè)電網(wǎng)10的一部分可包括高溫超導(dǎo)(HTS)電纜12。 HTS電纜12可具有幾百或幾千米的長(zhǎng)度，且可提供用于從發(fā)電站(未示出)輸送 電力或從遠(yuǎn)程公用事業(yè)公司(未示出)輸入電力的相對(duì)高電流/低電阻電氣路徑。 HTS電纜12的橫截面積可以僅是傳統(tǒng)銅芯電纜的橫截面積的幾分之 一，且可能夠載送相同大小的電流。如上所述，在相同橫截面積內(nèi)，HTS電纜可 以提供傳統(tǒng)AC電纜的三至五倍的載流容量；以及達(dá)到傳統(tǒng)DC電纜的十倍的載流 容量。隨著HTS技術(shù)的成熟，這些比可以增大。如下文所將更詳細(xì)地討論，HTS電纜12包括HTS導(dǎo)線，該HTS導(dǎo)線 可能夠處理多達(dá)相同尺寸銅導(dǎo)線的一百五十倍的電流。因此，通過使用相對(duì)少量的 HTS導(dǎo)線(與絞合在傳統(tǒng)AC電纜的芯內(nèi)的大量銅導(dǎo)線相反)，HTS電力電纜可 被製造成能夠提供三至五倍相對(duì)于相同尺寸傳統(tǒng)銅導(dǎo)體電力電纜的電力。 HTS電纜12可被連接在輸電電網(wǎng)段14內(nèi)用于載送例如138 kV水平的 電壓，并其可從電網(wǎng)段14延伸至電網(wǎng)段16，所述電網(wǎng)段16可接收此電壓并將其 變換至例如69kV的較低水平。例如，輸電電網(wǎng)段14可接收765kV的電力(經(jīng)由 架空線路或電纜18)且可包括138kV的變電站20。 138kV的變電站20可包括 765kV/138kV的變壓器(未示出)，用于將在電纜18上接收到的765kV電力降低 至138kV。然后可經(jīng)由例如HTS電纜12將此"降低的"138kV電力提供給輸電電 網(wǎng)段6。輸電電網(wǎng)段16可包括69kV變電站24，該69kV變電站24可包括用于將 經(jīng)由HTS電纜12接收到的138kV電力降低至69kV電力的138kV/69kV變壓器(未 示出)，所述69kV電力可被分配給例如裝置26、 28、 30、 32。本發(fā)明可包括裝置 26、 28、 30、 32的實(shí)例但不限用于34.5kV變電站。以上所述電壓水平僅用于說明性目的，并非旨在限制本發(fā)明。因此， 本發(fā)明同樣可適用于輸配電系統(tǒng)中的各種電壓和電流水平。同樣地，本發(fā)明同樣可 適用于諸如工業(yè)配電或車輛配電等非公用事業(yè)應(yīng)用(例如船、火車、飛機(jī)以及宇宙 飛船)。 —個(gè)或多個(gè)斷路器34、 36可被連接在例如HTS電纜12的每一端上， 并可允許HTS電纜快速地與公用事業(yè)電網(wǎng)10斷開連接。故障管理系統(tǒng)38可為HTS 電纜12提供過電流保護(hù)，以保證HTS電纜12被維持在可使HTS電纜12受損的點(diǎn)之下的溫度。故障管理系統(tǒng)38可通過監(jiān)測(cè)在HTS電纜12所耦合到的公用事業(yè)電網(wǎng) 段中流動(dòng)的電流來提供此類過電流保護(hù)。例如，故障管理系統(tǒng)38可感測(cè)通過138kV 變電站20的電流(使用例如電流傳感器40)，并可至少部分地基于由電流傳感器 40提供的信號(hào)來控制斷路器34、 36的操作。在本實(shí)例中，HTS電纜12可被設(shè)計(jì)為耐受持續(xù)時(shí)間為200ms(即60Hz 電壓的12個(gè)周波)的高達(dá)51kA的故障電流。故障管理系統(tǒng)38的細(xì)節(jié)在2006年7 月21日提交且題為"Fault Management ofHTS Power Cable"的共同待決美國(guó)專利 申請(qǐng)案第11/459,167號(hào)中有所描述。通常，這需要HTS電纜包含大量的銅，此可 幫助載送高故障電流并從而保護(hù)HTS導(dǎo)線。銅的存在是為了保護(hù)HTS電纜，但是 由于其電阻非常低因而不具有顯著的電流限制效果。還參照?qǐng)D2，圖中示出可包括絞合銅芯100的單相銅芯HTS電纜12的 典型實(shí)施例，所述絞合銅芯100沿徑向依次被第一 HTS層102、第二 HTS層104、 高電壓介電絕緣層106、銅屏蔽層108、 HTS屏蔽層llO、冷卻劑通道112、內(nèi)低 溫恒溫器壁114、隔熱層U6、真空空間118、外低溫恒溫器壁120和外電纜護(hù)套 122所圍繞?；蛘撸~屏蔽層108可位于HTS屏蔽層110外面。HTS層102和HTS 層104還可稱為"相導(dǎo)體"。在工作期間，可從外部冷卻劑源(未示出)供應(yīng)制冷 劑(例如液氮，未示出)，且所述制冷劑可在冷卻劑通道112內(nèi)部并沿著冷卻劑通 道112的長(zhǎng)度循環(huán)。電纜的所有部件被設(shè)計(jì)為使得能夠?qū)崿F(xiàn)HTS電纜12的撓性。 例如，絞合銅芯IOO (在其上面纏繞有第一HTS層102和第二HTS層104)是撓 性的。因此，通過利用撓性絞合銅芯100，實(shí)現(xiàn)沿著其長(zhǎng)度呈連續(xù)撓性的HTS電 纜12?？蛇x地，可使用波紋金屬成形體來支撐以螺旋形式纏繞的HTS導(dǎo)線，從而
沿著電纜長(zhǎng)度提供連續(xù)的撓性。另外/或者，可利用附加的同軸HTS層和絕緣層。例如，對(duì)于單相，可 使用多于兩層HTS導(dǎo)線。而且，可利用被絕緣層(未示出)分隔的三組HTS層來 載送三相功率。此類電纜布置的實(shí)例是由Ultera(即位于Carrollton,GA.的Southwire 公司與位于德國(guó)Cologne的nkt cables公司的合資企業(yè))提出的TriaxHTS電纜布 置。HTS電纜12的其它實(shí)施例可包括但不限于熱和/或冷電介質(zhì)配置；單相對(duì)三 相配置；以及各種屏蔽配置(例如無屏蔽或基于低溫恒溫器的屏蔽)。
銅芯IOO和銅屏蔽層108可被配置為載送電纜12內(nèi)可能出現(xiàn)的故障電 流(例如故障電流124)。例如，當(dāng)在電纜12內(nèi)出現(xiàn)故障電流124時(shí)，HTS層102、 104內(nèi)的電流可急劇增大至超過HTS層102、 104的臨界電流水平(g卩I。)的水平， 該水平可促使HTS層102、 104失去其超導(dǎo)特性(即HTS層102、 104可變?yōu)?正 常")。對(duì)于額定值為3000A^的電纜(其中A,指的是電流的有效值)，臨界 電流水平Ie的典型值是4242Apeak。
HTS材料中的臨界電流水平可取決于電場(chǎng)水平的選擇。傳統(tǒng)上，臨界 電流水平Ie被定義為l微伏/厘米的電場(chǎng)水平，雖然也使用較低值。然而，典型超 導(dǎo)體以電流水平的函數(shù)形式表現(xiàn)出位于零電阻(即超導(dǎo))狀態(tài)和全電阻(S卩非超導(dǎo))狀態(tài)之間的過渡區(qū)。由于此過渡區(qū)中的工作而引起的導(dǎo)線損耗低于在全電阻狀態(tài)下 的導(dǎo)線損耗。因此，HTS電纜12的導(dǎo)線的某些部分可在臨界電流水平Ie下切換到全電阻狀態(tài)，所述臨界電流水平Ie是由1微伏/厘米標(biāo)準(zhǔn)定義的傳統(tǒng)臨界電流水平Ij勺因數(shù)("/，)倍。在具有YBCO薄膜的折線(meander line)導(dǎo)線中，此因數(shù) ("/，)被確定為2，但是觀察到其隨著時(shí)間推移而略有變化。參見IEEE Trans.中 Applied Superconductivity, vol. 13， No. 2， June 2003， pp. 2044-7由H. -P, Kraemer等 人所著的Switching Behavior of YBCO Thin Film Conductors in Resistive Fault Current Limiters。具有類似YBCO薄膜的HTS導(dǎo)線的/因數(shù)被預(yù)期處于相同范圍 內(nèi)，該范圍估計(jì)為1~4。
因此，當(dāng)超過(上文定義的)臨界電流水平與/因數(shù)的乘積時(shí)，HTS 層102、 104的電阻可顯著增大，并可變得相當(dāng)高(即在與銅芯100相比時(shí))。由 于通過多個(gè)平行導(dǎo)線的電流相對(duì)于各單獨(dú)導(dǎo)線的電阻而成反比地分布，大部分故障 電流124被轉(zhuǎn)向與HTS層102、 104并聯(lián)連接的銅芯100。故障電流124通過銅芯 100的此傳輸可持續(xù)至故障電流124減弱；或適當(dāng)?shù)臄嗦菲?例如斷路器34、 36) 斷開故障電流124通過HTS電纜12的傳輸。
可通過由銅芯100提供的兩點(diǎn)益處來避免HTS電纜12中的HTS導(dǎo)線 的過熱。首先，通過使故障電流124 (或其至少一部分)從HTS層102、 104改向 到銅芯100，可避免HTS電纜12中的HTS導(dǎo)線的過熱。其次，銅芯100的增加的 熱容量會(huì)降低HTS層102和104中的溫升。倘若故障電流124 (或其至少一部分) 未從HTS層102、 104改向到銅芯100，則故障電流124可由于HTS層102、 10415的高電阻而使HTS電纜12中的HTS導(dǎo)線顯著變熱，這可導(dǎo)致形成液氮的氣"泡" (即由于液氮在冷卻劑通道112內(nèi)從液態(tài)轉(zhuǎn)換為氣態(tài))。遺憾的是，液氮的氣"泡" 的形成可降低介電層的介電強(qiáng)度并可導(dǎo)致HTS電纜12的電壓擊穿和毀壞。對(duì)于熱 介電電纜配置(未示出)，未被從HTS層102、 104改向的故障電流可單純地使 HTS層102、 104過熱并毀壞。
HTS電纜12的實(shí)例可包括但不限于可從法國(guó)巴黎的Nexans;日本大 阪的Sumitomo Electric Industries公司；以及Ultera (即位于Carrollton， GA.的Southwire公司與位于德國(guó)Cologne的NKT cables公司的合資企業(yè))獲得的HTS電々妝 ;見。
雖然銅芯IOO使HTS層102、 104周圍的故障電流(或其一部分)改 向，但利用此類"內(nèi)部"銅芯存在缺點(diǎn)。例如，銅芯100可能需要HTS電纜12在 物理上較大且較重，這可導(dǎo)致成本增加且HTS電纜12內(nèi)的熱滯留量(heat retention) 更大。因此，可能需要更多的制冷以補(bǔ)償附加的熱滯留量，從而導(dǎo)致總體系統(tǒng)成本 和運(yùn)行成本升高。此外，萬一故障電流的能量使溫度升高至超過可在HTS層102、 104中保持超導(dǎo)性的點(diǎn)，則銅芯100的增加的熱容量和HTS層102、 104與冷卻劑 之間由于介電層而引起的熱阻可大大地增加恢復(fù)時(shí)間。例如，倘若故障電流通過銅 芯100改向，則制冷系統(tǒng)(未示出)將HTS電纜12冷卻至適當(dāng)?shù)墓ぷ鳒囟确秶鷥?nèi) (例如66 77K)會(huì)耗費(fèi)幾個(gè)小時(shí)的時(shí)間。將HTS電纜12冷卻至電纜的工作范圍 內(nèi)所需的時(shí)間一般稱為"恢復(fù)時(shí)間(recovery time)"，公用事業(yè)公司可能要求該 恢復(fù)時(shí)間對(duì)于輸電裝置而言僅為幾秒(或更短)且對(duì)于配電裝置而言僅為幾十分之 一秒(或更短)?；蛘?，可對(duì)HTS電纜12使用獨(dú)立的故障電流限制器來限制故障 電流；然而，這具有需要在鏈接到HTS電纜12的變電站中安裝另一臺(tái)大型且昂貴 的電氣設(shè)備的缺點(diǎn)。
參照?qǐng)D3，示出根據(jù)本發(fā)明的撓性空芯HTS電纜150。雖然HTS電纜 150可包括現(xiàn)有技術(shù)銅芯HTS電纜12的各種部件，但HTS電纜150不包括絞合銅 芯IOO (圖2),其已被替換為撓性空芯(例如內(nèi)冷卻劑通道152)。內(nèi)冷卻劑通道 152的實(shí)例可包括但不限于撓性波紋不銹鋼管。所有銅屏蔽層也被去除。冷卻劑(例 如液氮)可流過內(nèi)冷卻劑通道152。
以類似于銅芯HTS電纜12的方式，內(nèi)冷卻劑通道152可沿徑向依次被第一HTS層102、第二HTS層104 (通常以與層102相反的螺旋方向纏繞)、 高電壓介電絕緣層106、支撐結(jié)構(gòu)108、 HTS屏蔽層llO、冷卻劑通道112、內(nèi)低 溫恒溫器壁114、隔熱層116、真空空間118、外低溫恒溫器壁120和外電纜護(hù)套 122所圍繞。在工作期間，可從外部冷卻劑源(未示出)供應(yīng)制冷劑(例如液氮， 未示出)，且所述制冷劑可在冷卻劑通道112和內(nèi)冷卻劑通道152內(nèi)并沿著冷卻劑 通道112和內(nèi)冷卻劑通道152的長(zhǎng)度循環(huán)。在例如MgB2等較低轉(zhuǎn)變溫度材料的情 況下，可使用替代冷卻劑(例如液氖或液氫)。
如HTS電纜12 —樣，HTS電纜150的所有部件被設(shè)計(jì)為使得能夠?qū)?現(xiàn)沿電纜長(zhǎng)度的連續(xù)撓性。例如，且如上所述，內(nèi)冷卻劑通道152 (在其上面纏繞 有第一HTS層102和第二HTS層104)是撓性的。因此，通過利用撓性內(nèi)冷卻劑 通道152，可實(shí)現(xiàn)撓性HTS電纜150。
還參照?qǐng)D4，公用事業(yè)電網(wǎng)部分10'可包括撓性長(zhǎng)距離電纜150。這里， 長(zhǎng)距離被定義為大于200m。其還可包括與HTS電纜150并聯(lián)地連接的傳統(tǒng)電纜(即 非超導(dǎo)電纜)200。傳統(tǒng)電纜200的實(shí)例可包括但不限于可從位于CT. Seymour的 Kerite公司獲得的500kcmil， 138kV Shielded Triple Permashield (TPS)電力電纜。 傳統(tǒng)電纜200可以是改造應(yīng)用中的現(xiàn)有電纜，在所述改造應(yīng)用中，添加HTS電纜 150以替代一根或多根傳統(tǒng)電纜，以便例如增大電網(wǎng)的電力容量?；蛘撸瑐鹘y(tǒng)電纜 200可以是與HTS電纜150同時(shí)安裝并與適當(dāng)?shù)哪妇€網(wǎng)絡(luò)和斷路器互連的新傳統(tǒng) 電纜。
HTS電纜150和/或附加HTS電纜(未示出)可被包括在超導(dǎo)電氣路徑 202中，該超導(dǎo)電氣路徑202可包括公用事業(yè)電網(wǎng)的一部分。此外，超導(dǎo)電氣路徑 202可包括其它超導(dǎo)配電裝置，諸如母線(未示出)、變壓器(未示出)、故障電 流限制器(未示出)、以及變電站(未示出)。
可與HTS電纜150串聯(lián)地耦合快速開關(guān)組件208?？焖匍_關(guān)組件208 的實(shí)例是由位于Greenburg， PA的ABB公司制造的138kV型PM電力斷路器?？?速開關(guān)組件208 (例如能夠在4個(gè)周波中斷開的開關(guān))可由故障管理系統(tǒng)38來控 制。例如，在感測(cè)到故障電流124時(shí)(圖3)，故障管理系統(tǒng)38可斷開快速開關(guān) 組件208，使得HTS電纜150實(shí)質(zhì)上與故障電流124隔離。對(duì)于多相電源，可利 用多個(gè)快速開關(guān)組件208?；蛘?，將某些快速開關(guān)組件或斷路器構(gòu)造為單個(gè)三相裝置?？焖匍_關(guān)組件208可在足以使HTS電纜150恢復(fù)至其超導(dǎo)狀態(tài)的時(shí)間之后重 新閉合。如果現(xiàn)有公用事業(yè)斷路器34、 36切換得快到足以滿足下述受熱要求，則 可不需要快速開關(guān)組件208。傳統(tǒng)電纜200和/或附加傳統(tǒng)電纜(未示出)可被包括在非超導(dǎo)電氣路 徑內(nèi)204，非超導(dǎo)電氣路徑204可包括公用事業(yè)電網(wǎng)的一部分。此外，非超導(dǎo)電氣 路徑204可包括其它配電裝置，諸如母線(未示出)、變壓器(未示出)、故障電 流限制器(未示出)、以及變電站(未示出)。非超導(dǎo)電氣路徑204可被維持在非 低溫冷卻溫度(例如至少為對(duì)應(yīng)于0"C的273K的溫度)。例如，非超導(dǎo)電氣路徑 204可不經(jīng)冷卻，并因而可以采取環(huán)境溫度。如下文所將更詳細(xì)地描述，通過從長(zhǎng)距離撓性HTS電纜150的內(nèi)部去 除銅芯IOO (圖2)和銅屏蔽層108 (圖2)并利用外部(即相對(duì)于HTS電纜150 而言)并聯(lián)傳統(tǒng)電纜200載送例如故障電流124， HTS電纜150可在實(shí)體上更小， 這可促使制造成本降低且來自HTS電纜150的熱損耗更低。因此，HTS電纜150 可需要較少的制冷(與具有更大保溫力的HTS電纜12相比)并可使總體系統(tǒng)成本 和運(yùn)行成本降低。此外，通過將銅芯100從HTS電纜12的內(nèi)部移到HTS電纜150 (為傳統(tǒng)電纜200的形式)的外部，HTS電纜150的熱容量和HTS層102、 104 與冷卻劑之間的熱電阻均可得以降低，從而允許在故障電流124使HTS電纜150 的溫度升高至超過可在HTS層102、 104中保持超導(dǎo)性的點(diǎn)的情況下有更快的恢復(fù) 時(shí)間。通過從HTS電纜12的內(nèi)部去除銅芯100及通過利用經(jīng)恰當(dāng)優(yōu)化的HTS導(dǎo) 線，可以將故障電流限制功能直接結(jié)合到HTS電纜150中，從而在希望保護(hù)HTS 電纜或下游公用事業(yè)設(shè)備免受故障電流影響的情況下無需使用單獨(dú)的獨(dú)立故障電 流限制器。再次參照?qǐng)D1，如果電網(wǎng)段10內(nèi)的故障電流促使流過HTS電纜12的 電流增大而超過傳統(tǒng)斷路器34、 36的極限，則可在電網(wǎng)段10內(nèi)包含HTSFCL裝 置42 (以虛線示出)或傳統(tǒng)電抗器技術(shù)(未示出)，以將流過HTS電纜12的故 障電流的幅值限制至可被傳統(tǒng)斷路器34、 36斷開的水平。在正常條件下，當(dāng)標(biāo)稱 電流水平在電網(wǎng)段10內(nèi)流動(dòng)時(shí)，與功率流串聯(lián)地連接的HTS FCL裝置42可被設(shè) 計(jì)為在電網(wǎng)中引入非常低的阻抗(與其它電網(wǎng)阻抗相比)。然而，當(dāng)在電網(wǎng)段io中出現(xiàn)故障電流時(shí)，該電流促使HTSFCL42中的超導(dǎo)體立刻變?yōu)?正常"或非超 導(dǎo)(即電阻性)狀態(tài)，并且這會(huì)在電網(wǎng)段IO中引入非常大的阻抗。HTSFCL42 被設(shè)計(jì)為將故障電流限制至處于傳統(tǒng)斷路器34、 36的斷開能力之內(nèi)的預(yù)定水平。包括與(德國(guó)的)Siemens AG聯(lián)合的(Westborough， MA的)American S叩erconductor Corporation在內(nèi)的各種公司正在開發(fā)獨(dú)立HTS FCL裝置42。遺憾 的是，將HTS FCL裝置42引入電網(wǎng)段10可能非常昂貴且可能需要大量的空間以 容納裝置42，這可能難以適合于尤其是都市區(qū)。包括(法國(guó)的)Nexans和(德國(guó) 的)EHTS在內(nèi)的各種公司正在開發(fā)具有故障電流限制能力的短母線或模塊。雖然 故障電流限制母線可具有某些應(yīng)用，但其不提供所追求的高容量、低占用面積和長(zhǎng) 距離連續(xù)撓性電纜為輸配電應(yīng)用提供的撓性。根據(jù)本發(fā)明，例如連續(xù)撓性長(zhǎng)距離HTS電纜150 (圖3)等HTS裝置 經(jīng)適當(dāng)設(shè)計(jì)后可被用作故障電流限制器本身，而無須包含諸如HTS FCL 42 (圖1) 等單獨(dú)的HTS FCL。通過控制例如HTS電纜150的正常狀態(tài)(電阻性)阻抗，HTS 電纜本身可被用于獲得典型的獨(dú)立HTSFCL的理想效果(例如故障電流的衰減)， 同時(shí)避免典型的獨(dú)立HTSFCL的不理想效果(例如成本和尺寸)。為獲得進(jìn)一步 的故障電流限制效果及優(yōu)點(diǎn)，可將HTS電纜與傳統(tǒng)(即非超導(dǎo)性)電纜并聯(lián)放置。 例如，如果將超導(dǎo)電纜150及傳統(tǒng)電纜200并聯(lián)放置，則此種組合可被設(shè)計(jì)為及用 作下文所將更詳細(xì)說明的故障電流限制電纜系統(tǒng)。本發(fā)明也可應(yīng)用于其它HTS裝置。例如，如果將另一類型的超導(dǎo)裝置 (例如，超導(dǎo)變壓器，未示出)與傳統(tǒng)變壓器(未示出)并聯(lián)放置，則此種裝置組 合可被設(shè)計(jì)為并用作故障電流限制系統(tǒng)。在此種情形中，該傳統(tǒng)變壓器的規(guī)格可為 穩(wěn)態(tài)額定值的幾分之一，因?yàn)槠鋬H在出現(xiàn)故障事件期間當(dāng)快速開關(guān)切斷在超導(dǎo)變壓 器的恢復(fù)期內(nèi)流過超導(dǎo)變壓器的功率流時(shí)起作用?；蛘?，當(dāng)不需要衰減故障電流時(shí)， 此種方案可允許超導(dǎo)變壓器更小，因?yàn)椴⒎侨抗收想娏骶鶎⒘鬟^超導(dǎo)變壓器，而 是優(yōu)先地流過傳統(tǒng)變壓器。因此，通過將傳統(tǒng)裝置與根據(jù)本發(fā)明的超導(dǎo)裝置并聯(lián)放 置，可將電網(wǎng)的故障電流的幅值限制至所期望的水平(通過恰當(dāng)確定傳統(tǒng)并聯(lián)裝置 和/或超導(dǎo)裝置的規(guī)格)，從而允許使用可容易購得的斷路器。在HTS裝置(例如，圖4中的HTS電纜150)的正常工作中，HTS裝 置的阻抗(即，有功阻抗及無功阻抗)可明顯低于傳統(tǒng)裝置(例如，傳統(tǒng)電纜200)
19的阻抗。例如，HTS電纜150的典型阻抗實(shí)質(zhì)為每千米0.00+j0.007歐姆(當(dāng)為超 導(dǎo)性時(shí))和每千米1.46+j0.007歐姆(當(dāng)不為超導(dǎo)性而是完全電阻性時(shí))，而傳統(tǒng) 電纜200的典型阻抗為每千米0.095 +J0.171歐姆。應(yīng)注意，HTS電纜150在為超 導(dǎo)性時(shí)的電阻實(shí)質(zhì)為零。因此，當(dāng)HTS電纜150為超導(dǎo)性時(shí)，流過斷路器34、 36 的電流大部分將流經(jīng)HTS電纜150 (流過傳統(tǒng)電纜200的電流非常小或?yàn)榱?。 然而，當(dāng)不為超導(dǎo)性時(shí)，電流的大部分將流經(jīng)傳統(tǒng)電纜200 (只有一小部分流經(jīng) HTS電纜150)?？蓪⒆杩拐{(diào)整裝置(例如，瞬態(tài)額定值或滿額定值電抗器組件206)與 傳統(tǒng)電纜200串聯(lián)耦合。電抗器組件206的實(shí)例可包括但不限于由位于Scarborough, Ontario, Canada的Trencl^有限公司制造的空芯干式電力電抗器(air-core dry-type power reactor)。電抗器組件206可在非超導(dǎo)電氣路徑204中引入電抗(X)，其 為阻抗(Z)的虛部。對(duì)于電感性電抗器組件，電抗(X)可被定義為2兀(f)(L)，其 中(f)是施加到電抗器組件206的信號(hào)的頻率，(L)是電抗器組件206的電感。因此， 對(duì)于其中施加到電抗器組件206的信號(hào)實(shí)質(zhì)恒定的系統(tǒng)(例如，60Hz配電系統(tǒng))， 可通過改變電抗器組件206的電感來改變電抗器組件206的電抗(X)。此外，可與HTS電纜150串聯(lián)地耦合快速開關(guān)組件208?？焖匍_關(guān)組 件208的實(shí)例是由位于Greenburg， PA的ABB公司制造的138kVPM型電力斷路 器。電抗器組件206和/或快速開關(guān)組件208 (例如能夠在4個(gè)周波中斷開的開關(guān)) 中的一個(gè)或兩個(gè)可由故障管理系統(tǒng)38控制。例如，在感測(cè)到故障電流124時(shí)，故 障管理系統(tǒng)38可斷開快速開關(guān)組件208，使得沿傳統(tǒng)電纜200的電抗器組件206 吸收故障電流124的功率的一部分并有效地將HTS電纜150與故障電流124隔離。 通過迅速切換HTS電纜而實(shí)現(xiàn)電流限制，也可保護(hù)快速開關(guān)。對(duì)于多相電源，可 利用多個(gè)電抗器組件206和/或快速開關(guān)組件208。快速開關(guān)可在HTS電纜恢復(fù)至 其超導(dǎo)狀態(tài)時(shí)起幾分鐘后重新閉合。還參照?qǐng)D5，圖中示出HTS電纜150在公用事業(yè)電網(wǎng)250環(huán)境(context) 中用作故障電流限制裝置。在此具體實(shí)例中，公用事業(yè)電網(wǎng)250被示為包括765kV 母線252、 69kV母線254、以及34.5kV母線256。此外，公用事業(yè)電網(wǎng)250被示 為包括三個(gè)138kV變電站20、 258、 260，其中每一個(gè)變電站通過三個(gè)69kV變電 站24、 262、 264向69kV母線304供電。三個(gè)34.5kV變電站266、 268、 270可從69kV母線254向34.5kV母線256供電。HTS電纜和FCL系統(tǒng)150、 200被示為處 于變電站20與24之間。當(dāng)在公用事業(yè)電網(wǎng)250內(nèi)出現(xiàn)故障電流(例如故障電流124)時(shí)，電流 可通過所有可用于饋送故障的路徑而從所有互連的變電站流出，其可能表現(xiàn)為置于 公用事業(yè)電網(wǎng)250上的非常大的負(fù)載。當(dāng)計(jì)算在故障條件期間可實(shí)現(xiàn)的故障電流 時(shí)，可將故障模型化為對(duì)地短路。還參照?qǐng)D6，當(dāng)確定特定變電站(例如，138kV變電站20)在例如故 障電流124中貢獻(xiàn)多大的故障電流時(shí)，可將開路發(fā)電電壓模型化為理想電壓源300。 此外，電纜150、 200的阻抗可被模型化為其電阻性和電抗性等效電路元件，并且 上游阻抗可與變壓器阻抗相組合并被表示為源阻抗302。此上下文中的阻抗可以是 由有功分量和無功分量組成的復(fù)數(shù)向量。在數(shù)學(xué)上，阻抗(Z)等于R+jX，其中R 是有功(即電阻性)分量且X是無功分量。在本實(shí)例中，無功分量是電感性的且 等于j①L，其中o^2兀f， f是電流的頻率(例如在北美洲為60Hz)。電纜也可同樣被模型化為復(fù)數(shù)阻抗。例如，由于如上所述，故障被模 型化為對(duì)地短路，因而電纜150、 200被示為端接至地?？墒褂脷W姆定律來確定由 138kV變現(xiàn)站20提供的故障電流的預(yù)期水平。通過對(duì)電網(wǎng)250內(nèi)的其它變電站使 用這種方法，可計(jì)算總體故障電流貢獻(xiàn)量，并可確定預(yù)期通過電纜150的故障電流。 因此，HTS電纜150和傳統(tǒng)電纜200可被設(shè)計(jì)為將此原本預(yù)期出現(xiàn)的故障電流124 限制至傳統(tǒng)斷路器所能夠處理的較低預(yù)定水平。在將HTS裝置及傳統(tǒng)裝置設(shè)計(jì)成恰當(dāng)?shù)赜米鞴收想娏飨拗蒲b置時(shí)，應(yīng) 考慮某些準(zhǔn)則。例如，在故障狀態(tài)過程中，HTS電纜150應(yīng)被配置成獲得足夠高 的電阻，從而為電網(wǎng)提供充分的阻抗以將故障電流降低到期望的水平。HTS電纜 150中被配置成獲得足夠高的電阻還必須高於傳統(tǒng)電纜200的阻抗，以使得大部分 故障電流124流經(jīng)傳統(tǒng)電纜200。例如，超導(dǎo)電氣路徑202可被配置成當(dāng)超導(dǎo)電氣 路徑202以其完全電阻性狀態(tài)工作時(shí)，所具有的串聯(lián)阻抗至少N (例如，大于l) 倍于非超導(dǎo)電氣路徑204的串聯(lián)阻抗。N的典型值是〉1，并且可大于5。與傳統(tǒng)并 聯(lián)鏈路的阻抗相結(jié)合，可對(duì)N進(jìn)行選擇，以使已知故障電流水平衰減至少10%。該分壓器的設(shè)計(jì)必須使故障期間HTS電纜150兩端的電壓降不會(huì)使電 纜溫度升高到致使制冷劑(例如，液氮或其它液體低溫致冷劑)從液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)的程度。假如發(fā)生此種情況，則高電壓電纜芯(例如，HTS層102、 104)與屏蔽層(例如，HTS屏蔽層108)之間的液氮的介電強(qiáng)度將無法保持并且HTS電纜150內(nèi)可發(fā)生電壓擊穿，從而潛在地造成電纜損壞。由于具有穩(wěn)定劑的HTS導(dǎo)線在從超導(dǎo)狀態(tài)變?yōu)檎?非超導(dǎo))狀態(tài)后具有足夠高的電阻率，因而可滿足HTS裝置需獲得足以使大部分故障電流流經(jīng)傳統(tǒng)裝置的標(biāo)準(zhǔn)。如同所有超導(dǎo)體一樣，只要溫度、電流密度及磁場(chǎng)強(qiáng)度保持低于某些臨界值，電流便會(huì)流入電阻實(shí)質(zhì)為零的超導(dǎo)體中。然而，HTS導(dǎo)線在電阻性狀態(tài)中的受熱隨穩(wěn)定劑電阻率而增大。因此，電阻率必須處于中等范圍，如下文所進(jìn)一步說明。假定HTS電纜150是在138kV時(shí)連續(xù)電流額定值為2400A的2.60km長(zhǎng)的HTS電纜。HTS電纜150的HTS導(dǎo)線(例如HTS層102、 104)可包括二十八股并聯(lián)的HTS導(dǎo)線。此外，假定電纜i50是利用0.44i;m寬的HTS導(dǎo)線并層壓在90K時(shí)電阻率為5微歐-厘米的300微米的黃銅(每側(cè)150微米)而制成。因而，該HTS導(dǎo)線的一股在90K溫度下具有每千米約37.9歐姆的電阻。美國(guó)超導(dǎo)體公司(American Superconductor Corporation)已經(jīng)示范了在HTS導(dǎo)線上層壓黃銅穩(wěn)定劑。因此，每相的電纜電阻將為37.9。/km * 2.6km * 1.08/29股=3.800。因數(shù)值1.08是由于螺旋布纜工藝需要使每一股均長(zhǎng)于HTS電纜150的長(zhǎng)度而得到。對(duì)于傳統(tǒng)電纜200，阻抗為2.6km * (0.095+J0.17) Q/km = 0.25十j0.44Q。因此，盡管在為超導(dǎo)性時(shí)HTS電纜150所具有的阻抗值明顯低(0.00+j0.007Q/km)于傳統(tǒng)電纜200，但當(dāng)HTS電纜150不為超導(dǎo)性時(shí)(例如，當(dāng)存在高溫條件時(shí))，HTS電纜150的阻抗明顯高(具有等于1.46 + j0.007Q/km的阻抗)于傳統(tǒng)電纜200 (具有等于0.095+ _]0.17。/1 11的電感性阻抗)。還參見圖7A，圖中示出用于構(gòu)造HTS層102、 104的一根HTS涂覆導(dǎo)體導(dǎo)線350。在本實(shí)例中，HTS層102、 104中所使用的HTS導(dǎo)線350被示為包括兩個(gè)穩(wěn)定劑層352、 353和襯底層354。穩(wěn)定劑層352、 353的實(shí)例可包括但不限于黃銅或其它銅或鎳合金。襯底層354的實(shí)例可包括但不限于鎳-鎢、不銹鋼和哈氏合金(Hastdloy)。位于穩(wěn)定劑層352與襯底層354之間的可以是緩沖層356、 HTS層358 (例如釔鋇銅氧化物)、以及由例如銀組成的覆蓋層360。緩沖層356的實(shí)例是釔、由釔穩(wěn)定的氧化鋯(yttria-stabilizedzirconia)、以及二氧化鈰(Ce02)的組合，且覆蓋層360的實(shí)例是銀。焊料層362 (例如SnPbAg層)可用來將穩(wěn)定劑層352和353結(jié)合至覆蓋360和襯底層354。具有額外HTS層、襯底及穩(wěn)定劑、以及可能具有密封劑的其它配置也被視為處于本發(fā)明的范圍內(nèi)。除上述導(dǎo)線配置之外，其它導(dǎo)線配置被視為包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。例如，可使用單個(gè)穩(wěn)定劑層。或者，可在第二穩(wěn)定劑層353與襯底354的底側(cè)之間設(shè)置第二HTS層(具有其緩沖層和覆蓋層，未示出)?？蛇x地，HTS導(dǎo)線可由位于HTS導(dǎo)線外面的兩個(gè)穩(wěn)定劑層組成，兩個(gè)襯底(每個(gè)均具有緩沖層、HTS層、以及覆蓋層)被位于這兩個(gè)襯底層之間的第三穩(wěn)定劑層隔開?？墒褂煤噶蠈觼泶龠M(jìn)任何所需的結(jié)合(可能襯底層354、緩沖層356、 HTS層358與覆蓋層360之間的除外)。還參照?qǐng)D7B，圖中示出作為HTS導(dǎo)線350的替代實(shí)施例的HTS導(dǎo)線350，。 HTS導(dǎo)線35(T可包括位于第二穩(wěn)定劑層353與第三穩(wěn)定劑層382之間的第二襯底層380?？稍诜€(wěn)定劑層353 (和/或穩(wěn)定劑層382)與襯底層380之間設(shè)置緩沖層、HTS層(例如釔鋇銅氧化物一YBCO層)、覆蓋層、以及焊料層?？赏ㄟ^可選地添加沉積或包覆在經(jīng)穩(wěn)定化的HTS導(dǎo)線層周圍的導(dǎo)電性不良的"絕緣體"層來提供附加比熱。導(dǎo)電性不良的絕緣體層可稱為密封劑364。密封劑364可形成液體不可透過層，該液體不可透過層具有一般受限的傳熱系數(shù)以延遲熱量向周圍液體冷卻劑(例如液氮)中的傳送，從而允許HTS導(dǎo)線的溫度熱化(thermalize)，即在其整個(gè)橫截面上變得更均勻并從而使液體冷卻劑中熱點(diǎn)的出現(xiàn)和氣泡的形成最小化。還可優(yōu)化HTS導(dǎo)線的表面(例如通過表面特征和表面化學(xué)過程)，以抑制液體冷卻劑起泡或沸騰的開始。密封劑364可以是包含普通電絕緣材料的聚合物(例如聚乙烯、聚酯、聚丙烯、環(huán)氧樹脂、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰亞胺、聚四氟乙烯、以及聚氨酯)。密封劑364的厚度可經(jīng)選擇以平衡通過向周圍液體冷卻劑中傳熱來冷卻HTS導(dǎo)線這一需要和使HTS導(dǎo)線的溫度最大化而不在周圍液體冷卻劑內(nèi)形成氣泡這一需要。密封劑364的一般厚度范圍是25 300微米，并且密封劑364的理想厚度范圍是50 150微米。在較佳形式中，密封劑364也可微弱導(dǎo)電(這可能通過添加諸如金屬、石墨或碳粉等導(dǎo)電顆粒來實(shí)現(xiàn))，或者可選自某些具有部分導(dǎo)電性的聚合物。密封劑364的凈電阻率可在0.0001 100歐姆-厘米范圍內(nèi)。雖然此適中的導(dǎo)電率在其電阻性狀態(tài)或正常狀態(tài)下可能不會(huì)顯著降低HTS導(dǎo)線的故障電流限制電阻，但此導(dǎo)電率可保證HTS電纜中的HTS導(dǎo)線在每個(gè)橫截面處均保持等電位，并允許電流在HTS電纜150中的不同HTS導(dǎo)線之間共享。在電流浪涌的情況下，保持等電位非常重要，否則此可能會(huì)在HTS導(dǎo)線之間引起感應(yīng)電位差，從而對(duì)HTS導(dǎo)線造成電介質(zhì)擊穿和可能的損壞。可選地，密封劑364可以是高電阻率金屬或具有此范圍內(nèi)的電阻的半導(dǎo)電材料，抑或瓷釉、玻璃、或晶體氧化物材料，此還可以包含導(dǎo)電率增強(qiáng)材料。密封劑364的外表面可涂敷能降低密封劑364與周圍液體冷卻劑(例如液氮)之間的傳熱系數(shù)的材料。或者，密封劑364的表面可被紋理化，以提高密封劑364與周圍液體冷卻劑(例如液氮)之間的傳熱系數(shù)。此外，密封劑364的表面可涂敷例如更高導(dǎo)電率金屬顆?；蛲怀龅慕饘倮w維，以便通過使熱量快速地向外散發(fā)到周圍的液體冷卻劑中來抑制成核。然而，任何此類表面處理還必須避免降低液態(tài)下的介電強(qiáng)度?？墒褂酶鞣N包覆/涂敷方法來施用密封劑364，包括例如與單遍方法相比在統(tǒng)計(jì)學(xué)上能降低穿孔發(fā)生率的多遍方法?；蛘?，可通過諸如浸涂、擠壓、鍍覆、汽相沉積或噴涂等涂敷方法來施用密封劑364?？稍贖TS導(dǎo)線進(jìn)行軸向拉伸而在導(dǎo)線中達(dá)到例如0.3%的拉伸應(yīng)變(例如約IOO兆帕斯卡數(shù)量級(jí))的同時(shí)施用密封劑364，從而在施用工藝完成時(shí)將密封劑364置于壓縮狀態(tài)，并降低密封劑364中的穿孔的可能性。因此， 一旦完成，密封劑364即可被軸向壓縮，同時(shí)密封劑364內(nèi)的HTS導(dǎo)線被軸向拉伸(與其初始狀態(tài)相比)。如果使用包覆程序來施用密封劑364，則可施用附加浸漬涂層(例如聚合物、油漆或清漆，未示出)，該附加浸漬涂層通過密封劑364中的任何縫隙/開口而滲透到具有不可透過材料的被包覆層中，從而形成氣密性密封劑?；蛘撸赏ㄟ^以滾壓或壓縮工藝(例如等靜壓壓制(isostaticpressing))密封上述縫隙/開口密封來使包覆的密封劑為氣密性的。避免存在縫隙和開口很重要，因?yàn)橐后w致冷劑朝著導(dǎo)線的金屬穩(wěn)定劑層滲透可在故障期間引起氣泡成核和沸騰。另一類密封劑或穩(wěn)定劑是經(jīng)歷諸如熔化或晶體結(jié)構(gòu)相變等吸熱相變的
24材料。較佳使用在HTS導(dǎo)線的工作溫度之上(但低于HTS材料的最高容許溫度)
的某一溫度下經(jīng)歷此類吸熱相變的材料。吸熱相變的實(shí)例是例如低熔融溫度有機(jī)或
無機(jī)材料的熔化，這些材料可添加于密封劑364，作為復(fù)合增強(qiáng)材料中的離散包
埋顆粒；作為可施用于密封劑364的表面/界面的凝膠/油漆進(jìn)行添加；或選擇性地
添加于密封劑364的某些區(qū)域(例如邊緣、圓角、或內(nèi)部管道區(qū)域)。吸熱相變還
可包括例如某些金屬間相變、有序相變、或其它二級(jí)相變。例如，被選用于密封劑
364的材料可在-16(TC至-7(TC范圍內(nèi)熔化，該材料在約-5(TC以上沸騰(較佳地具有高于環(huán)境溫度的沸點(diǎn))，以便在液體和復(fù)合狀態(tài)下相對(duì)容易且經(jīng)濟(jì)地進(jìn)行密封劑364的施用(即作為油漆、薄膜涂層、乳液或凝膠)。還參見圖8，圖中示出HTS導(dǎo)線350的等效電氣模型400。為便于舉例說明，等效電氣模型400將HTS導(dǎo)線350顯示為位于模型400下半部分上的超導(dǎo)層402，并顯示所有其它導(dǎo)線結(jié)構(gòu)組合形成位于模型400的上半部分上的電阻性金屬層404。當(dāng)HTS導(dǎo)線350處于超導(dǎo)模式時(shí)，所有電流在電阻實(shí)質(zhì)為零的超導(dǎo)層402內(nèi)流動(dòng)。當(dāng)處于非超導(dǎo)模式時(shí)，電流則在主要由穩(wěn)定劑組成的電阻性金屬層404內(nèi)流動(dòng)。還參見圖9且如上文所述，是否超過臨界電流水平是HTS導(dǎo)線350以超導(dǎo)模式工作與以非超導(dǎo)模式工作之間的區(qū)別。HTS導(dǎo)線350可被模型化為包括開關(guān)406，在小電流(即低于臨界電流水平)情況下，開關(guān)406閉合并對(duì)金屬層404的電阻408進(jìn)行分流。因此，當(dāng)開關(guān)406閉合時(shí)，所有電流流經(jīng)被模型化為零電阻的超導(dǎo)層402。當(dāng)超過臨界電流水平時(shí)，超導(dǎo)層402可變得電阻非常大，并且開關(guān)406可斷開，從而使所有電流流經(jīng)電阻性金屬層404。還參見圖10，圖中示出在超導(dǎo)工作模式中HTS電纜150與傳統(tǒng)電纜200的組合的模型。對(duì)于該模型，假定典型源電壓為79.7kV的線對(duì)地電壓，并且源阻抗為0.155+jl.55Q (圖6中的Vs、 Ls及Rs)。對(duì)于變電站20中在電纜150、200前面發(fā)生的故障，這些值使得故障電流為51kA。插入例如一根2600米的電纜的典型有功及無功阻抗值，在電流(即，低于臨界電流水平)從一個(gè)變電站流到另一個(gè)變電站的正常工作期間，開關(guān)閉合并且96X的電流在HTS電纜150內(nèi)流動(dòng)。還參見圖11，在故障條件中，滿足或超過臨界電流水平，致使開關(guān)410(圖9)斷開。HTS電纜150的金屬層402 (圖8)的附加電阻可使大部分故障電流在傳統(tǒng)電纜200內(nèi)流動(dòng)。具體而言，對(duì)于所示的值，當(dāng)HTS電路變成完全電阻 性時(shí)，88%的故障電流在傳統(tǒng)電纜200內(nèi)流動(dòng)，而12%的故障電流在HTS電路150 內(nèi)流動(dòng)。在電纜150、 200內(nèi)流動(dòng)的總故障電流為40kA，這相對(duì)于可具有的51kA 明顯減小?？删哂械墓收想娏鳒p小這20%是故障電流限制器通常所要求的。為防止HTS電纜150在故障期間過熱，可采取幾種措施。通常，與HTS 電纜150串聯(lián)的快速開關(guān)組件208(圖4)可在例如4個(gè)周波后斷開，并且僅在HTS 電纜150冷卻到可接受的啟動(dòng)溫度后才閉合?；蛘?，可斷開斷路器34和/或斷路器 36。為進(jìn)一步使溫升最小化，穩(wěn)定劑層352 (圖7)可非常厚(例如300微 米)，以增大熱容量。同時(shí)，穩(wěn)定劑層352的電阻率可被選擇為以下值該值能使 因電阻加熱所引起的溫升最小化，同時(shí)又足夠高以確保HTS電纜150在其被切換 狀態(tài)中具有足夠的電阻以確保大部分故障電流124 (圖5)轉(zhuǎn)移到傳統(tǒng)電纜200。 通常，在典型應(yīng)用中，在90K左右處于0.8-15微歐-厘米范圍內(nèi)或更佳地處于1-10 微歐-厘米范圍內(nèi)的值即可滿足這些要求。能實(shí)現(xiàn)這些值的一族傳統(tǒng)材料是黃銅 (Cu-Zn合金)，但也可采用許多其它合金，例如CuNi及CuMn。這些值僅供用 于舉例說明目的，并非旨在限制本發(fā)明。例如，在上述情形中，在使用28根寬度 平行HTS導(dǎo)線的情況下，使每一根的寬度為0.44cm、穩(wěn)定劑總厚度為300微米且 電阻率為5.0微歐-厘米可得到電阻為1.35Q/km，同時(shí)在有效臨界電流為350A/cm 情況下，在快速開關(guān)斷開之前的4周波(0.067秒)保持時(shí)間中，溫升約為 5xl(T6(350/0.03)2x0.067/(2x2)=llK (假定為在熱容量為2J/cm3K且/因數(shù)為1時(shí)的 絕熱溫升)。對(duì)于壓力處于15-20巴范圍內(nèi)的加壓電纜系統(tǒng)，氮?dú)庠诩s110K以上 形成氣泡；因此，對(duì)于在70-80K溫度范圍內(nèi)的運(yùn)行而言，該溫升是可接受的。對(duì) 于具有約為250A/cm寬度的較低臨界電流的導(dǎo)線，在電阻率約為10微歐-厘米時(shí) 將得到相同的溫升。對(duì)于/因數(shù)為2的導(dǎo)線，溫升將約為44K;在此種情形中，3 微歐-厘米的電阻率將得到約為26K的溫升，對(duì)于在77K以下工作的電纜而言，該 溫升是可接受的。對(duì)于/因數(shù)為3的導(dǎo)線，1微歐-厘米的電阻率將得到約20K的 溫升。因此，較佳使穩(wěn)定劑電阻率的值在l-10微歐-厘米范圍內(nèi)。對(duì)于略微更 寬的啟動(dòng)參數(shù)范圍，也可采用0.8-15微歐-厘米的更寬電阻率范圍。這些值不同于在文獻(xiàn)中對(duì)HTS電纜采用的先前方法。相反，大多數(shù)被設(shè)計(jì)用于保護(hù)而非用于限
流的HTS電纜已被構(gòu)造成具有低電阻率銅分流支路，所述分流支路在77-90K溫度 范圍內(nèi)的電阻率低于0.5微歐-厘米。另一方面， 一種先前的限流電纜設(shè)計(jì)(參見 IEEE Trans.中Applied Superconductivity ， Vol. 13， No. 2， 2003年6月，pp.1972 -5中A. Usoskin等人所著的"SUPERPOLI Fault-Current Limiters Based on YBCO-Coated Stainless Steel T叩es")使用超導(dǎo)體棒或圓柱自身，其在正常電阻性 狀態(tài)下的電阻率約為lOO微歐-厘米，或者使用由不銹鋼加以穩(wěn)定的HTS導(dǎo)線，其 電阻率大于50微歐-厘米。先前未提出本發(fā)明的利用穩(wěn)定劑電阻率中間范圍的解決 方案?，F(xiàn)在考慮600m長(zhǎng)度的相同電纜的實(shí)例(即，138kV， 2400A并以相同 方式構(gòu)造為相同的導(dǎo)線特性)。圖9的源電壓和阻抗值保持不變。然而，傳統(tǒng)電纜 200的阻抗為0.57+j0.10Q，而HTS電纜150在非超導(dǎo)狀態(tài)中的阻抗為0.88+ J0.005Q。在此種情形中，故障電流僅從51kA降低到48kA。為進(jìn)一步降低故障電 流，可插入與傳統(tǒng)電纜200串聯(lián)的電抗器(例如，電抗器206)。例如，1.4mH的 電抗器的阻抗為0+j0.53Q并且當(dāng)將該阻抗加到傳統(tǒng)電纜阻抗(因其串聯(lián)連接)時(shí)， 在電纜中流動(dòng)的總故障電流降低到40kA。故障電流限制電纜150的凈效應(yīng)是將電纜系統(tǒng)中受影響的分支中的 電流限制到不大于/因數(shù)與臨界電流Ie的乘積的水平；保護(hù)快速開關(guān)組件208;和 將剩余故障電流導(dǎo)向非超導(dǎo)電纜200及電抗器206。在以上實(shí)例中，如果不使用本 發(fā)明的故障電流限制HTS電纜設(shè)計(jì)，則電纜系統(tǒng)的該分支中的故障電流可大得多 (例如，高出一個(gè)數(shù)量級(jí))。然而，確切的電流水平取決于電氣路徑內(nèi)的阻抗和功 率水平。在快速開關(guān)組件208斷開后，非超導(dǎo)電纜200及電抗器206傳送故障電流， 直到斷路器34、 36斷開。通過恰當(dāng)選擇非超導(dǎo)電纜200及電抗器206的阻抗，可 將故障電流限制到所期望的水平。在超導(dǎo)電纜150在幾分鐘后恢復(fù)到其超導(dǎo)狀態(tài)之 后，可閉合快速開關(guān)組件208，從而使系統(tǒng)恢復(fù)其原始工作狀態(tài)。盡管上文將超導(dǎo)電纜150描述為其中整個(gè)電纜具有共同的超導(dǎo)參數(shù)的 單一超導(dǎo)電纜(例如，由一單一傳導(dǎo)材料制成)，然而其它配置也是可能的并且被 視為處于本發(fā)明的范圍內(nèi)。例如，還參照?qǐng)D12，其顯示包含多個(gè)不同超導(dǎo)電纜部 450、 452的一替代實(shí)施例超導(dǎo)電纜150'。盡管圖中顯示替代實(shí)施例超導(dǎo)電纜150'包含兩個(gè)超導(dǎo)電纜部450、 452，然而這只是出于舉例說明目的，并非旨在限制本
發(fā)明，因?yàn)槌瑢?dǎo)電纜部的實(shí)際數(shù)量可根據(jù)應(yīng)用而增減。由于不同超導(dǎo)材料具有不同的過渡特性(即，在從超導(dǎo)狀態(tài)過渡到正 常狀態(tài)過程中)，在故障電流限制應(yīng)用中，某些超導(dǎo)材料在本質(zhì)上要好于其它傳導(dǎo) 材料。例如，在故障電流限制應(yīng)用中，YBCO (釔鋇銅氧化物)導(dǎo)體通常被視為好 于BSCCO (即鉍鍶鈣銅氧化物)，這是因?yàn)閅BCO導(dǎo)體具有更高的n值，其中超 導(dǎo)體的n值用于反映從超導(dǎo)狀態(tài)過渡至正常狀態(tài)的急劇程度。n值的典型實(shí)例可介 于10-100之間，YBCO導(dǎo)線的n值為25-30，而BSCCO導(dǎo)線的n值為15-20。因此，超導(dǎo)電纜部可由多個(gè)超導(dǎo)電纜部構(gòu)成(例如，電纜部450、 452)， 其中每一超導(dǎo)電纜部450、 452均利用不同傳導(dǎo)材料構(gòu)成。例如，超導(dǎo)電纜部450 可由BSCCO (即鉍鍶鈣銅氧化物)導(dǎo)線構(gòu)成，而超導(dǎo)電纜部452可由YBCO (釔 或稀土鋇銅氧化物)導(dǎo)線構(gòu)成。BSCCO電纜部450的實(shí)例可包括但不限于由位于 日本Osaka的Sumitomo Electric Industries公司和位于美國(guó)Westborough， MA的 American S叩erconductor Corporation制造的BSCCO導(dǎo)線。YBCO電纜部452的實(shí) 例可包括但不限于由位于美國(guó)Westborough, MA的American Superconductor Corporation制造的YBCO導(dǎo)線。因此，盡管完全由BSCCO導(dǎo)線構(gòu)成的超導(dǎo)電纜在用作故障電流限制裝 置時(shí)的有效性可能有限(即，由于n值較低)，然而增加由具有較高n值的導(dǎo)線制 成的電纜部即可得到可有效地用作故障電流限制裝置的總體電纜(即，電纜部450、 452的組合)。因此，通過在現(xiàn)有低n值電纜部(例如，利用BSCCO導(dǎo)線構(gòu)成的 超導(dǎo)電纜部450)上增加高n值電纜部(例如，如本發(fā)明中所述進(jìn)行設(shè)計(jì)的使用 YBCO導(dǎo)線構(gòu)成的超導(dǎo)電纜部452)，可實(shí)現(xiàn)故障電流限制超導(dǎo)電纜150'。在此種 配置中，可利用電纜部452的高n值過渡特性在超導(dǎo)電纜150'(其包含低n值電 纜部450)內(nèi)獲得期望的故障電流限制效果。上文已描述了許多實(shí)施方式。盡管如此，應(yīng)理解，可以進(jìn)行各種修改。 因此，其它實(shí)施方式也在權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種超導(dǎo)電纜系統(tǒng)(superconducting electrical cable system)，被配置為包含在具有已知故障電流水平的公用事業(yè)電網(wǎng)內(nèi)，所述超導(dǎo)電纜系統(tǒng)包括非超導(dǎo)電氣路徑，互連于所述公用事業(yè)電網(wǎng)的第一節(jié)點(diǎn)與第二節(jié)點(diǎn)之間；以及超導(dǎo)電氣路徑，互連于所述公用事業(yè)電網(wǎng)的第一節(jié)點(diǎn)與第二節(jié)點(diǎn)之間，所述超導(dǎo)電氣路徑與所述非超導(dǎo)電氣路徑并聯(lián)地電性連接，并且當(dāng)所述超導(dǎo)電氣路徑在臨界電流水平及臨界溫度以下工作時(shí)，所述超導(dǎo)電氣路徑具有低于所述非超導(dǎo)電氣路徑的串聯(lián)阻抗；其中所述超導(dǎo)電氣路徑被配置為當(dāng)所述超導(dǎo)電氣路徑以所述臨界電流水平與所述超導(dǎo)體臨界溫度其中之一或多者或高于其中之一或多者工作時(shí)，所具有的串聯(lián)阻抗至少N倍于所述非超導(dǎo)電氣路徑的串聯(lián)阻抗，其中N大于1并且被選擇為與所述非超導(dǎo)電氣路徑的阻抗共同使所述已知故障電流水平衰減至少10％。
2. 如權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)電纜系統(tǒng)，其特征在于，所述非超導(dǎo)電氣路徑保持于非低溫溫度(non-cryogenic temperature)。
3. 如權(quán)利要求2所述的超導(dǎo)電纜，其特征在于，所述非低溫溫度是至少273K。
4. 如權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)電纜系統(tǒng)，其特征在于，所述超導(dǎo)電氣路徑包含于電纜組件中，并且所述非超導(dǎo)電氣路徑位于所述電纜組件外。
5. 如權(quán)利要求l所述的超導(dǎo)電纜系統(tǒng)，還包括阻抗調(diào)整裝置，用于調(diào)整所述非超導(dǎo)電氣路徑的阻抗。
6. 如權(quán)利要求5所述的超導(dǎo)電纜系統(tǒng)，其特征在于，所述阻抗調(diào)整裝置包括電抗器組件(reactor assembly)。
7. 如權(quán)利要求l所述的超導(dǎo)電纜系統(tǒng)，還包括快速開關(guān)，與所述超導(dǎo)電氣路徑串聯(lián)地電性耦合。
8. 如權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)電纜系統(tǒng)，其特征在于，所述超導(dǎo)電氣路徑包括第一超導(dǎo)電纜部和至少一第二超導(dǎo)電纜部。
9. 如權(quán)利要求8所述的超導(dǎo)電纜系統(tǒng)，其特征在于，所述第一超導(dǎo)電纜部包括第一高溫超導(dǎo)(high temperature s叩erconducting; HTS)超導(dǎo)材料，且所述至少一第二超導(dǎo)電纜部包括第二 HTS超導(dǎo)材料。
10. 如權(quán)利要求8所述的超導(dǎo)電纜系統(tǒng)，其特征在于，所述第一HTS超導(dǎo)材料包括YBCO材料，并且所述第二 HTS超導(dǎo)材料包括BSCCO材料。
11. 如權(quán)利要求l所述的超導(dǎo)電纜系統(tǒng)，其特征在于，N大于或等于3。
12. 如權(quán)利要求l所述的超導(dǎo)電纜系統(tǒng)，其特征在于，N大于或等于5。
13. 如權(quán)利要求l所述的超導(dǎo)電纜系統(tǒng)，其特征在于，所述非超導(dǎo)電氣路徑包括至少一根非超導(dǎo)電纜。
14. 如權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)電纜系統(tǒng)，其特征在于，所述非超導(dǎo)電氣路徑包括至少一根非超導(dǎo)電氣架空線。
15. 如權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)電纜系統(tǒng)，其特征在于，所述超導(dǎo)電氣路徑包括以下中的一或多個(gè) 一或多根超導(dǎo)電纜；以及一或多個(gè)快速開關(guān)組件。
16. 如權(quán)利要求l所述的超導(dǎo)電纜系統(tǒng)，其特征在于，所述非超導(dǎo)電氣路徑包括以下中的至少一個(gè) 一或多根非超導(dǎo)電纜， 一或多根母線， 一或多個(gè)變電站，以及一或多個(gè)電抗器組件。
17. 如權(quán)利要求16所述的超導(dǎo)電纜系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一根超導(dǎo)電纜包括居于中心處的軸向冷卻劑通道，所述居于中心處的軸向冷卻劑通道被配置為允許制冷劑經(jīng)所述居于中心處的軸向冷卻劑通道沿軸向分布。
18. 如權(quán)利要求所述的超導(dǎo)電纜系統(tǒng)，其特征在于，所述超導(dǎo)電氣路徑包括多個(gè)導(dǎo)電部件，所述多個(gè)導(dǎo)電部件中的每一個(gè)均在90K溫度范圍中具有大于0.8微歐-厘米的電阻率。
19. 如權(quán)利要求16所述的超導(dǎo)電纜系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一根超導(dǎo)電纜包括一或多個(gè)HTS導(dǎo)線。
20. 如權(quán)利要求19所述的超導(dǎo)電纜系統(tǒng)，其特征在于，所述HTS導(dǎo)線中的至少一個(gè)是由選自由以下各項(xiàng)組成的組的材料構(gòu)成釔或稀土鋇銅氧化物；鉈鋇鈣銅氧化物；鉍鍶鈣銅氧化物；汞鋇鈣銅氧化物；以及二硼化鎂。
21. 如權(quán)利要求19所述的超導(dǎo)電纜系統(tǒng)，其特征在于，所述HTS導(dǎo)線中的至少一個(gè)包括密封劑(enc叩sulant)。
22. 如權(quán)利要求19所述的超導(dǎo)電纜系統(tǒng)，其特征在于，所述一或多個(gè)HTS導(dǎo)線中的至少一個(gè)包括總厚度在200-600微米范圍內(nèi)且在90K時(shí)的電阻率在0.8-15.0微歐-厘米范圍內(nèi)的一或多個(gè)穩(wěn)定劑層。
23. 如權(quán)利要求22所述的超導(dǎo)電纜系統(tǒng)，其特征在于，所述穩(wěn)定劑層是至少部分地由黃銅材料構(gòu)成。
24. 如權(quán)利要求19所述的超導(dǎo)電纜系統(tǒng)，其特征在于，所述一或多個(gè)HTS導(dǎo)線中的至少一個(gè)包括總厚度在200-1000微米范圍內(nèi)且在90K時(shí)的電阻率在1-10微歐-厘米范圍內(nèi)的一或多個(gè)穩(wěn)定劑層。
25. 如權(quán)利要求24所述的超導(dǎo)電纜系統(tǒng)，其特征在于，所述一或多個(gè)HTS導(dǎo)線中的至少一個(gè)被配置為在臨界電流水平以下以超導(dǎo)模式工作。
26. 如權(quán)利要求19所述的超導(dǎo)電纜系統(tǒng)，其特征在于，所述一或多個(gè)HTS導(dǎo)線中的至少一個(gè)被配置為在所述臨界電流水平處或以上以非超導(dǎo)模式工作。
27. —種超導(dǎo)電纜系統(tǒng)，被配置為包含在具有已知故障電流水平的公用事業(yè)電網(wǎng)內(nèi)，所述超導(dǎo)電纜系統(tǒng)包括非低溫非超導(dǎo)電氣路徑，互連于所述公用事業(yè)電網(wǎng)的第一節(jié)點(diǎn)與第二節(jié)點(diǎn)之間；以及超導(dǎo)電氣路徑，互連于所述公用事業(yè)電網(wǎng)的第一節(jié)點(diǎn)與第二節(jié)點(diǎn)之間，所述超導(dǎo)電氣路徑與所述非超導(dǎo)電氣路徑并聯(lián)地電性連接，并且當(dāng)所述超導(dǎo)電氣路徑在臨界電流水平以下工作時(shí)，所述超導(dǎo)電氣路徑具有低于所述非超導(dǎo)電氣路徑的串聯(lián)阻抗；其中所述超導(dǎo)電氣路徑被配置為當(dāng)所述超導(dǎo)電氣路徑在所述臨界電流水平處或以上工作時(shí)，所具有的串聯(lián)阻抗至少N倍于所述非超導(dǎo)電氣路徑的串聯(lián)阻抗，其中N大于1。
28. 如權(quán)利要求27所述的超導(dǎo)電纜系統(tǒng)，其特征在于，所述非低溫非超導(dǎo)電氣路徑保持于至少273K的非低溫溫度。
29. 如權(quán)利要求27所述的超導(dǎo)電纜系統(tǒng)，其特征在于，所述超導(dǎo)電氣路徑包含于電纜組件中，并且所述非低溫非超導(dǎo)電氣路徑位于所述電纜組件外。
30. 如權(quán)利要求27所述的超導(dǎo)電纜系統(tǒng)，還包括阻抗調(diào)整裝置，用于調(diào)整所述非低溫非超導(dǎo)電氣路徑的阻抗。
31. 如權(quán)利要求30所述的超導(dǎo)電纜系統(tǒng)，其特征在于，所述阻抗調(diào)整裝置包括電抗器組件。
32. 如權(quán)利要求27所述的超導(dǎo)電纜系統(tǒng)，其特征在于，所述超導(dǎo)電氣路徑包括第一超導(dǎo)電纜部和至少一第二超導(dǎo)電纜部。
33. 如權(quán)利要求32所述的超導(dǎo)電纜系統(tǒng)，其特征在于，所述第一超導(dǎo)電纜部包括第一 HTS超導(dǎo)材料，且所述至少一第二超導(dǎo)電纜部包括第二 HTS超導(dǎo)材料。
34. 如權(quán)利要求32所述的超導(dǎo)電纜系統(tǒng)，其特征在于，所述第一HTS超導(dǎo)材料包括YBCO材料，并且所述第二 HTS超導(dǎo)材料包括BSCCO材料。
35. 如權(quán)利要求27所述的超導(dǎo)電纜系統(tǒng)，其特征在于，N大于或等于3。
36. 如權(quán)利要求27所述的超導(dǎo)電纜系統(tǒng)，其特征在于，N大于或等于5。
全文摘要
本發(fā)明提供一種超導(dǎo)電纜系統(tǒng)(superconducting electrical cable system)，其被配置為包含在具有已知故障電流水平的公用事業(yè)電網(wǎng)內(nèi)。所述超導(dǎo)電纜系統(tǒng)包括非超導(dǎo)電氣路徑，互連于所述公用事業(yè)電網(wǎng)的第一節(jié)點(diǎn)與第二節(jié)點(diǎn)之間；以及超導(dǎo)電氣路徑，互連于所述公用事業(yè)電網(wǎng)的第一節(jié)點(diǎn)與第二節(jié)點(diǎn)之間。所述超導(dǎo)電氣路徑與所述非超導(dǎo)電氣路徑并聯(lián)地電性連接，并且當(dāng)所述超導(dǎo)電氣路徑在臨界電流水平及臨界溫度以下工作時(shí)，所述超導(dǎo)電氣路徑具有低于所述非超導(dǎo)電氣路徑的串聯(lián)阻抗。所述超導(dǎo)電氣路徑被配置為當(dāng)所述超導(dǎo)電氣路徑以所述臨界電流水平與所述超導(dǎo)體臨界溫度其中之一或多者或高于其中之一或多者工作時(shí)，所具有的串聯(lián)阻抗至少N倍于所述非超導(dǎo)電氣路徑的串聯(lián)阻抗。N大于1并且被選擇為與所述非超導(dǎo)電氣路徑的阻抗共同使已知故障電流水平衰減至少10％。
文檔編號(hào)H02H9/02GK101675566SQ200880011212
公開日2010年3月17日 申請(qǐng)日期2008年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月9日
發(fā)明者A·P·馬洛莫夫, D·C·弗爾茲, J·袁, J·馬圭爾 申請(qǐng)人:美國(guó)超導(dǎo)公司