[发明专利]故障电流限制高温超导电缆及其配置方法

说明书

相关申请案交叉参考

本申请案主张基于2007年3月20日提交的美国部分接续式专利申请 案第11/688,802号的优先权，专利申请案第11/688,802号又主张基于2007年3 月20日提交的美国部分接续式专利申请案第11/688,817号的优先权，专利申请案 第11/688,817号则主张基于2007年3月20日提交的美国部分接续式专利申请案 第11/688,827号的优先权，专利申请案第11/688,827号又主张基于2007年2月 9日提交的美国专利申请案第11/673,281号的优先权。

技术领域

本发明涉及高温超导(high temperature superconducting)装置， 更具体而言，涉及被配置为充当故障电流限制装置的HTS装置。

背景技术

随着全世界的电力需求持续显著增加，公用事业公司已在努力从发电 的观点以及供电的观点出发满足这些日益增长的需求。由于现有安装的输配电基础 设施的容量有限以及可用于增加附加传统输配电线路和电缆的空间有限，经由输配 电网络向用户供电对公用事业公司仍是一项重要挑战。这在可用于扩展容量的现有 空间非常有限之拥挤的城市和大都市区中尤其显著。

目前，正在开发使用高温超导(HTS)导线的挠性长距离电力电缆以 增加公用事业输配电网络的电力容量，同时保持相对小的占用面积以使安装更容易 并使用对环境而言清洁的液氮进行冷却。对于本发明，将HTS材料定义为临界温 度在30开氏度(-243摄氏度)或以上的超导体，其包括诸如稀土或钇钡铜氧化物 (在本文中称为YBCO)；铊钡钙铜氧化物；铋锶钙铜氧化物(在本文中称为 BSCCO)；汞钡钙铜氧化物；以及二硼化镁等材料。YBCO的临界温度约为90K。 BSCCO的临界温度当为一种组成时约为90K且当为第二组成时约为110K。MgB₂ 的临界温度达到约40K。应理解，这些组合物家族包括可能的替代物、添加物和杂 质，只要这些替代物、添加物和杂质的临界温度不降低至低于30°K即可。此类 HTS电缆允许在公用事业电力网络的拥挤区域内经济且可靠地提供更多的电量， 从而减缓拥挤度并使公用事业公司能够解决其输配电容量问题。

HTS电力电缆使用HTS导线作为用于输配电的电缆的主要导体(即代 替传统的铜导体)。与传统架空线路和地下电缆相比，HTS电缆的设计在其超导 工作状态下得到明显降低的串联阻抗。这里，电缆或线路的串联阻抗是指载送电力 的导体的电阻阻抗和与电缆架构或架空线路相关的电抗(电感)阻抗。对于相同横 截面积的电缆，HTS导线使得载流容量与传统交流(alternating current AC)电缆 相比增加三至五倍；与传统直流(direct current；DC)电缆相比增加高达十倍。

HTS电缆可以设计为具有以螺旋形式缠绕在连续挠性波纹成形体 (corrugated former)周围的HTS导线，或者其可以具有成各种堆叠和扭转配置的 多根HTS导线。在所有这些情况下，电缆均可以是连续挠性的，以便其可以方便 地缠绕在卷筒(drum)上进行运输并弯弯曲曲地安装在管道中或其它电力装置之 间。HTS电缆可以设计为具有与HTS导线接触并沿着电缆的长度流动的液体致冷 剂。液氮是最常用的液体致冷剂，但对于如二硼化镁等低温超导材料，可以使用液 氢或液氖。

除容量问题之外，由于增加的电力需求(以及由此引起的发电及通过 输配电网络传输的功率水平的增加)而对公用事业公司引起的另一个严重问题是由 于“故障”而引起的“故障电流”。故障可以起因于网路装置故障、自然事件(例 如雷电)、人为事件(例如汽车事故撞断电线杆)、或会导致对地短路或从公用事 业网络的相间短路的任何其它网络问题。一般而言，此类故障表现为立即体现在公 用事业网络上的极大负载。响应于此负载的出现，网络试图向该负载输送大量的电 流(即故障)。电网的网络中的任何给定链路(link)均可由最大故障电流来表征， 在导致最大故障条件的短路期间在没有故障电流限制措施的情况下将流过该最大 故障电流。在大型电网中，故障电流可能非常大，以致于在没有故障电流限制措施 的情况下，电网中的大部分电气设备可遭到损坏或毁坏。防止故障电流的传统方法 是迅速断开断路器并完全停止电流和功率流动。