專利名稱：雙面ybco薄膜結構的超導限流器單元模塊的制作方法
技術領域：
本發明涉及超導開關元件，尤其是電阻型超導故障電流限流器技術領域。
背景技術：
隨著經濟和社會的發展，電力需求不斷增長；同時電網的容量不斷擴大。電力系統容量和并網輸電的日益增加，電網的潛在短路功率和故障短路電流也隨之增大，對電網中各種電器設備的潛在短路電流沖擊也越來越高，因此要求在線設備的抗大電流沖擊的能力要求越來越高，這給電力系統的建設和運行帶來了一系列的問題。更換大容量的斷路器，提高電網的安全性，將大大增加成本；更為重要的是現有的斷路器限流等級有限，若斷路電流超過開斷極限，只能被迫利用其他分化系統傳輸方法。在電網中安裝故障限流器，是限制故障斷路電流、降低斷路器開斷容量的有效措施。引入限流器，由于降低了短路電流的水平，可充分利用已有的低壓斷路器裝置，因此避免了低壓斷路器升級的迫切要求。由于降低了
短路電流的水平，亦大大降低了短路瞬間故障電流對整個系統以及所有在線設備的沖擊。在目前現有的限流設備中高溫超導限流器被認為是最有效的電力短路電流限制設備。高溫超導限流器根據其結構特點可以分為電阻型、電抗型、變壓器型和飽和鐵芯型等，其中電阻型限流器直接利用超導-正常態轉變的電阻特性，來限制電力系統中的故障時的短路電流；它可以自動地將故障檢測、限流集于一身，具有低損耗、自動觸發、自動復位、可多次動作等特點；相較于其他類型的限流器，電阻型的限流器結構簡單、體積更小、制作成本較低，被認為是最有大規模推廣意義的限流設備。目前制作超導限流器的材料有帶材、塊材、薄膜等，無論選擇哪一種材料，單模塊的限流器承受的電壓和電流等級都有限。解決的辦法是，通過并聯連接來提高電流等級，通過串聯來提高承壓等級；多模塊連接組裝成符合電力標準的超導限流器裝置。超導限流元件的開斷速度一般要求快速和均勻，但是組裝和集成的電阻型限流器中，很難做到在短時間內整體失超，如果開斷性不是沿超導體長度方向均勻形成的，而只是局部的話，不能有效地把電流轉到分流電阻上，從而使超導體上的熱點持續發展并導致導體破壞。為避免限流器件的破壞，這些局部的熱點必須通過熱傳導迅速擴散到整個平面，或者與外界的低溫環境進行熱交換，將熱量散發到導體外部；后者對超導限流器工作的低溫環境有很高的要求，而且大量的熱耗散會降低限流器的關斷電阻，限流電路中會有很大的殘余電流。快速有效的關斷性能，一直是設計和制作高性能的電阻型超導限流器考慮的重點和難點。
發明內容
鑒于以上陳述的已有方案的不足，本發明旨在提供一種雙面YBCO薄膜結構的超導限流器單元模塊，并使之具有更為良好的高溫超導限流器的工作電流和關斷性能。為了實現上述目的，本發明的技術解決方案是適合于多模的串聯協同于液氮溫區工作的雙面YBCO薄膜結構的超導限流器單元模塊。由分流電阻、非線性電阻雙面結構的YBCO薄膜材料限流器的主體和銅電極構成；分流電阻與雙面結構的YBCO薄膜材料限流器的主體并聯設置在銅電極上；所述YBCO雙面薄膜為是Au/YBCO/MgO/YB⑶/Au的雙面多層結構。采用本發明，由于雙面結構的YBCO薄膜具有獨特的熱學特性和電磁特性，采用雙面的導電層并聯載流，可以提高超導限流器單元模塊的通流能力；MgO是一種良好的導熱材料，MgO基底層作為熱媒介時，在超導層之間存在良好的熱交換。這樣的超導限流器在正常工作態下，由于超導層間有電、磁、熱場的耦合，限流器對短路電流具有更高的敏感度；關斷時雙面超導層之間電、磁、熱場耦合的實際效果是重新平衡熱場分布和臨界電流密度分布，使一個單元的超導限流器快速、均與地斷開。高溫超導限流器工作在液氮溫區(77K)，根據液氮的沸騰工況，雙面結構的YBCO薄膜具有比單面的薄膜更強的熱力學惰性，限流器斷開后會長時間地保持正常態，如果串聯的多個限流器模塊不能同時斷開，電路中有殘余的短路電流會使超導薄膜持續地升溫，甚至超過最高耐溫值燒蝕超導材料。針對這樣的問題，本發明在超導薄膜的兩端并聯分流電阻，構成一個單元的超導限流器模塊。這樣的有益效果是，在一個單元模塊中可以分流保·護超導薄膜，除此之外，在多模塊串聯時分流電阻有均壓的作用，能保證多個模塊的失超的同步性。超導限流器的多模塊協同工作方式在具體實施方式
中予以詳述。
如下圖I (a)是雙面YBCO薄膜多層結構的橫截面圖。圖中I為鍍金層(100nm-300nm)，2為YBCO超導層(300nm-500nm)，3為MgO基底層(0. 5mm)。(b)是雙面YBCO薄膜超導限流器的單元模塊的三維效果圖，圖中4為雙面YBCO超導薄膜，5為分流電阻，6為銅電流電極。圖2多模塊限流器的協同工作電路。圖中4為雙面YBCO超導薄膜，5為分流電阻，8為交流電源，9為線路阻抗，10為斷路開關，11為負載阻抗，12為杜瓦。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步的描述。在圖I中可看到，YBCO超導層2生長在MgO基底層3兩面，這種結構由雙倒筒靶濺射法制備得到，用相同的技術在YBCO薄膜的表面鍍金I，這樣構成了雙面YBCO薄膜結構超導限流器的主體；將分流電阻和雙面薄膜并聯連接在6為銅電流電極，組成一個超導限流器的單元模塊。一般情況下，雙面YBCO薄膜多層結構的鍍金層100nm-300nm，YBCO超導層 300nm-500nm, MgO 基底層 0. 5mm。圖2是多模塊限流器的協同工作電路，限流器工作在低溫杜瓦12中，當電路正常工作時，閉合回路中的電流很小或穩定于一個額定值，限流器中的超導部分處于超導態，電流只通過雙面YBCO薄膜4而不通過分流電阻5，電路工作在低損耗的狀態。當回路中出現短路故障時，線路中的電流會在5ms內激增到3-5倍于超導薄膜的臨界電流，雙面超導薄膜會瞬間失超，但由于超導薄膜的均勻度和各個模塊間相對位置的不同，幾個模塊很難同步失超或者失超的程度不同，各模塊的分壓效果也不同。如果有分流電阻的存在，這種情況會有不同，假設超導限流器的模塊是從一個方向開始失超，分流電阻會保證已經失超的模塊兩端不會承受高壓，殘余電流使余下的模塊順序失超，這個過程會在瞬間完成，各模塊的失超過程也同時完成。線路電阻最后是串聯的分流電阻，這個電阻能限制線路中的電流，并且分擔了斷路器10斷開時兩端的高壓，使較低電壓、電流等級的斷路器能順利斷開。
凡是根據發明的技術 方案及其發明構思，加以等同替換與改變，均被認為屬于發明的權利要求的保護范圍。
權利要求
1.雙面YBCO薄膜結構的超導限流器單元模塊，適合于多模塊的串聯協同于液氮溫區工作，其特征在于，由分流電阻、雙面結構的YBCO薄膜材料限流器的主體和銅電極構成；分流電阻與雙面結構的YBCO薄膜材料限流器的主體并聯設置在銅電極上；所述YBCO雙面薄膜為是Au/YBC0/Mg0/YBC0/Au的雙面多層結構。
2.根據權利要求I所述的超導限流器單元模塊，其特征在于，所述雙面YBCO薄膜多層結構的鍛金層 100nm-300nm，YBCO 超導層 300nm-500nm，MgO 基底層 0. 5mm。
全文摘要
本發明公開了一種雙面YBCO薄膜結構的超導限流器單元模塊，由雙面YBCO薄膜和分流電阻組成。雙面YBCO薄膜是超導限流器的主體，YBCO薄膜雙面多層的結構提高了限流器空間設計的靈活性和集成度；雙面多層的結構具有獨特的熱學特性和電磁特性能提高限流器的關斷特性。本發明適用于多模塊的串聯工作，其整體結構能承受更高的電流和電壓等級，并且各個模塊自主協同工作，可以實現快速、有效地限制故障短路電流。
文檔編號H01L39/06GK102956809SQ20121043418
公開日2013年3月6日 申請日期2012年11月2日 優先權日2012年11月2日
發明者王豫, 桂志興, 羅文博, 嚴仲明, 吳銳, 劉陽 申請人:西南交通大學