超导错误电流限制器系统转让专利
申请号 : CN201480014603.5
文献号 : CN105191042B
文献日 : 2018-03-09
发明人 : 卡森·D·泰克雷特萨迪克 , 卡尔斯·L·史坦利
申请人 : 瓦里安半导体设备公司
摘要 :
本发明涉及一种超导错误电流限制器系统。电流限制器系统包括超导错误电流限制器(SCFCL)，此超导错误电流限制器在超导错误电流限制器处于超导状态的正常操作状态期间经操作以传导负载电流。电流限制器系统亦包括分路电抗器以及保护开关。分路电抗器以电性并联方式连接超导错误电流限制器，且在正常操作状态经配置以传导相较于超导错误电流限制器更少的电流。保护开关连接超导错误电流限制器及分路电抗器，并且经配置以在错误电流超过临限电流值之后的错误条件期间将超导错误电流限制器由负载电流路径断开而持续预定时间。
权利要求 :
1.一种电流限制器系统，包括：
超导错误电流限制器(SCFCL)，经配置以在正常操作状态期间传导负载电流，在该正常操作状态该超导错误电流限制器是处于超导状态；
分路电抗器，以电性并联方式连接该超导错误电流限制器，并且经配置以在该正常操作状态传导相较于该超导错误电流限制器更少的电流；
保护开关，连接该超导错误电流限制器及该分路电抗器，并且经配置以在错误电流超过临限电流值之后的错误条件期间，将该超导错误电流限制器由负载电流路径断开而持续预定时间，其中该保护开关包括：
中央磁性构件，经配置在第一位置以完成包含该超导错误电流限制器的第一电路径；
电磁线圈组，围绕该中央磁性构件而设置，并且经配置以当该错误电流超过该临限电流值时，受到施力，以有效地使该中央磁性构件由该第一位置移动至第二位置，其中在该第二位置该第一电路径形成开路，其中该电磁线圈组包括串联连接该超导错误电流限制器的第一线圈以及串联连接该分路电抗器的第二线圈。
2.根据权利要求1所述的电流限制器系统，其中该超导错误电流限制器经配置以在该正常操作状态期间，传导百分之八十或更多的该负载电流，并且该分路电抗器经配置以传导百分之二十或更少的该负载电流。
3.根据权利要求1所述的电流限制器系统，其中该超导错误电流限制器经配置以在当该错误电流超过该临限电流值且在该超导错误电流限制器由该负载电流路径断开之前的初始错误间隔，传导小于百分之二十的该错误电流，且该分路电抗器经配置以传导大于百分之八十的该错误电流。
4.根据权利要求1所述的电流限制器系统，其中该超导错误电流限制器经配置以在该超导错误电流限制器不连接该负载电流路径之后和在该负载电流低于该临限电流值之后的恢复期间，传导百分之零的该负载电流，且该分路电抗器经配置以传导百分之百的该负载电流。
5.根据权利要求1所述的电流限制器系统，还包括：
弹簧，连接该中央磁性构件且具有弹簧时间常数，该弹簧时间常数经配置在包括一至二十秒的返回期间内将该中央磁性构件由该第二位置移动至该第一位置，该返回期间在接续于该错误条件的该错误电流低于该临限电流值之后。
6.根据权利要求1所述的电流限制器系统，还包括：
气缸；
弹簧；以及
锁定机构，连接于该中央磁性构件且具有恢复时间延迟常数，该恢复时间延迟常数经配置在包括一至二十秒的返回期间内将该中央磁性构件由该第二位置移动至该第一位置，该返回期间在接续于该错误条件的该错误电流低于该临限电流值之后。
7.根据权利要求1所述的电流限制器系统，还包括：
杠杆臂，连接于该中央磁性构件且具有启动速度时间，该启动速度时间经配置在包括四至一百毫秒的致动时间内将该中央磁性构件由该第一位置移动至该第二位置，该致动时间在该错误条件初始之后。
8.根据权利要求1所述的电流限制器系统，其中该第二线圈经配置以当中央磁性构件在该第二位置时，传送该负载电流。
9.根据权利要求1所述的电流限制器系统，还包括：
监测系统，经配置以接收通过该第一线圈和/或该第二线圈的电源。
10.一种超导错误电流限制器(SCFCL)系统，安置在一电路中，该超导错误电流限制器系统包括：第一电路径，包含超导错误电流限制器，并且经配置以在正常操作状态期间传导负载电流，在该正常操作状态该超导错误电流限制器是处于超导状态；以及第二电路径，电性并联于该第一电路径，且包含：
分路电抗器，经配置以在该正常操作状态传导相较于该超导错误电流限制器更少的电流；以及保护开关，经配置形成与包含该超导错误电流限制器的该第一电路径的串联连接，且在该第二电路径包含该分路电抗器的情形下，在当错误电流超过临限电流值的错误条件期间，该保护开关还配置以沿着包含该超导错误电流限制器的该第一电路径产生开路而持续预定时间，其中无电流传导通过该超导错误电流限制器，其中该保护开关包括：
中央磁性构件，经配置在第一位置以完成第一电路径；
电磁线圈组，围绕该中央磁性构件而设置，并且经配置以当该错误电流超过该临限电流值时，受到施力，以有效地使该中央磁性构件由该第一位置移动至第二位置，在该第二位置该第一电路径形成开路，其中该电磁线圈组包括串联连接该超导错误电流限制器的第一线圈以及串联连接该分路电抗器的第二线圈。
11.根据权利要求10所述的超导错误电流限制器系统，其中该超导错误电流限制器经配置以在当全部该负载电流小于2000安培的该正常操作状态期间，传导近乎百分之百的该负载电流，并且该分路电抗器经配置以传导近乎百分之零的该负载电流。
12.根据权利要求10所述的超导错误电流限制器系统，其中该超导错误电流限制器经配置以在当该负载电流超过5k安培且在该超导错误电流限制器由该负载电流路径断开之前的初始错误间隔，传导小于百分之二十的该错误电流，且该分路电抗器经配置以传导大于百分之八十的该错误电流。
说明书 :
超导错误电流限制器系统
技术领域
[0001] 本发明涉及一种电流控制装置，且特别涉及一种用于限制错误电流的设备。
背景技术
[0002] 错误电流限制器(fault current limiter)例如在电力传输网路中是用于提供预防电流骤增(current surge)的保护。超导错误电流限制器(Superconducting Fault Current Limiter，SCFCL)是一种操作在低温下的装置，并且一般是用于承受高电压及高电流的电传输与配线。在一个电阻式的SCFCL中，电流通过SCFCL的超导体构件，使得当高错误电流开始时超导体会淬熄(quench).换言之，超导体变成普通导体，而在其中的电阻会急剧且快速的升高。
[0003] 一个SCFCL装置的的核心可由多个利用非超导连接器而并联及串联的超导元件来构成，非超导连接器可能会消耗功率及增加低温负载。在正常的操作模式下，SCFCL装置冷却至低温以使超导元件，例如磁带，进入超导状态。当沿着传输线发生电流骤增时，电流可进入SCFCL，此时电流传导通过超导元件。如果电流骤增超过在超导磁带中电流密度的临界值时，超导材料可转变成普通导体(即淬熄)。一旦在普通传导状态下，超导体材料得到对电流的有限电阻，有限电阻可将传导通过SCFCL的电流加以限制成可接受的程度，从而调节沿着传输线传导的电流。
[0004] 在传统的SCFCL系统中，在正常操作的期间SCFCL对于电流负载呈现几乎零阻抗，并且在一个错误条件的事件中，例如短路，插入大限制阻抗以降低错误电流。对于SCFCL的适当操作的附加要求是在错误条件清除后，SCFCL在几秒内快速恢复至其之前的超导状态，以限制可能会产生在其他错误事件的电流。
[0005] 目前，剩下的主要挑战是在于当在恢复期间负载电流传输通过SCFCL时SCFCL的恢复能力。SCFCL正在积极发展包括(但不限于)使用二硼化镁丝、钇钡铜氧(Yttrium Barium Copper Oxide，YBCO)的磁带或铋锶钙铜氧(Bismuth Strontium Calcium Copper Oxide，BSSCO)的材料的系统，将他们冷却至低于各自的超导转变温度(Tc)以发挥设计的功能。以YBCO及BSSCO为基础的装置是受注目的，因为典型的商业材料中Tc的范围在90°-105°K内，而允许SCFCL装置使用相对便宜的液氮或氮气沸腾冷却来进行操作。
[0006] 然而当例如为YBCO及BSSCO的SCFCL淬熄且在错误期间进入有限电阻的状态时，通过这样的SCFCL的负载电流的一致性可能是有问题的。特别是，通过具有有限电阻的YBCO或BSSCO(或其他)元件的负载电流可能会导致超导体元件不欲有的加热。即使是温和的电流通过SCFCL亦可延迟超导体材料返回至其超导状态，从而连累错误限制系统的效率。在最坏的情况下，SCFCL系统不能完全恢复，并且SCFCL的超导元件可能维持为普通状态的导体。因此对于改进现有的SCFCL的需求是显而易见的。
发明内容
[0007] 提供本发明内容以利用简化的形式选择性地介绍本发明概念，本发明概念会进一步阐述在下面的实施方式中。本发明内容并不用于确认权利要求发明标的的关键特征或必要特征，亦不是用来辅助决定权利要求发明标的的范围。
[0008] 在一实施例中，电流限制器系统包括超导错误电流限制器(SCFCL)，此超导错误电流限制器在超导错误电流限制器处于超导状态的正常操作状态期间经操作以传导负载电流。电流限制器系统亦包括分路电抗器以及保护开关。分路电抗器以电性并联方式连接超导错误电流限制器，并且经配置以在正常操作状态传导相较于超导错误电流限制器更少的电流。保护开关连接超导错误电流限制器及分路电抗器，并且经配置以在错误电流超过临限电流值之后的错误条件期间将超导错误电流限制器由负载电流路径断开而持续预定时间。
[0009] 在另一实施例中，超导错误电流限制器(SCFCL)系统安置在一电路中。超导错误电流限制器系统包括第一电路径以及第二电路径。第一电路径包含超导错误电流限制器，并且经配置以在正常操作状态期间传导负载电流。在正常操作状态超导错误电流限制器是处于超导状态。第二电路径电性并联于第一电路径，且包含分路电抗器以及保护开关。分路电抗器经配置以在正常操作状态传导相较于超导错误电流限制器更少的电流。保护开关经配置形成与包含超导错误电流限制器的第一电路径的串联连接，且在第二电路径包含分路电抗器的情形下，在当错误电流超过临限电流值的错误条件期间，保护开关还配置以沿着包含超导错误电流限制器的第一电路径产生开路而持续预定时间，在错误条件时无电流传导通过超导错误电流限制器。
附图说明
[0010] 图1是依照一实施例所显示的电流限制系统。
[0011] 图2是依照另一实施例所显示的电流限制系统。
[0012] 图3A显示用于使用在一电流限制系统的示例性保护开关。
[0013] 图3B显示图3A的保护开关的更详细的操作。
[0014] 图4A是依照另一实施例所显示的使用电流限制系统的范例。
[0015] 图4B显示图4A的使用电流限制系统的另一范例。
[0016] 图4C显示图4A的使用电流限制系统的再另一范例。
[0017] 图4D显示图4A的使用电流限制系统的又另一范例。
[0018] 图5是依照另一实施例所显示的另一电流限制系统。
[0019] 图6是依照另一实施例所显示的再另一电流限制系统。.
[0020] 图7是依照本发明实施例表示用于SCFCL的示例性电流曲线。
[0021] 图8表示恢复电磁开关的详细结构。
具体实施方式
[0022] 以下，参照附图来更彻底地描述本发明，其中列出本发明的实施例。然而，此发明可实施成很多不同形式，不应理解为局限于本文提出的实施例。更确切地说，提供这些实施例以使得本发明彻底和完整，并将完全地传达本发明的范围至本领域技术人员。在图式中，所有同样的标号代表相同的元件。
[0023] 为了满足在前面提及的SCFCL的一些不足，本文所描述的实施例提供改进的SCFCL架构和效能。如上所述，在传统的SCFCL系统中，在正常操作期间，SCFCL对于电流负载呈现几乎为零阻抗，并且当SCFCL不再处于超导状态，在错误条件期间，SCFCL对于电流呈现非常大的阻抗。然而，在错误事件清除后的错误恢复期间，在传统的SCFCL系统中通过SCFCL的持续负载电流可能会阻碍SCFCL返回至超导状态。
[0024] 为了解决这种情况，本实施例提供一种保护系统，例如一个保护开关或断路器，串联连接于SCFCL，以在恢复期间使SCFCL与负载电流断开。有益的是，此系统允许在有限电阻状态的SCFCL的超导体元件历经转变更迅速地回到超导状态。术语“有限电阻状态”和“有限电阻率状态”皆代表超导体材料的状态，在上述状态中超导体材料处于一个非超导状态，其以金属、半金属或半导体的电阻特性为特征。当超导材料具有的温度超过超导性的临界温度Tc和/或当通过超导材料的电流超过临界电流，超导材料会处于有限电阻状态。
[0025] 更有益的是，保护系统可利用负载或错误电流来启动保护电路。更具体来说，保护系统可经配置以藉由负载或错误电流来驱动。因此避免需要复杂的电路。透过此安排而的得到的其他优点是降低整个SCFCL系统的设计复杂性，且减少SCFCL元件所需的超导体材料的量。
[0026] 图1是依照本发明实施例所显示之SCFCL系统100的一般架构。SCFCL系统100包括SCSFL 102，其相对于以下说明可以是传统的SCFCL(除非在本文中另有说明)。SCFCL系统100还包括：可为传统的分路电抗器的分路电抗器104、绝缘系统106，及保护元件108。
[0027] 在操作中，SCFCL系统100藉由限制通过在进入点110和离开点112(相对于“离开点”的“进入点”在图1中是任意指定的)之间的错误电流(未个别显示)来提供错误电流保护。在正常操作模式下，负载电流可周期性地、偶尔地、或连续地通过SCFCL系统100。在正常模式下的负载电流显示的电流程度使得超导体元件120保持在超导状态，因此，当负载电流通过SCFCL 102时，在零电阻下传送负载电流通过超导体元件120。据此，在相对低阻抗下传送负载电流通过SCFCL，SCFCL包括包含正常状态金属的电阻点和连接点。在错误条件的期间，其中过多的错误电流可能会迅速地产生，超导体元件120反应于过多的错误电流而自超导状态转换成有限电阻率状态，其对于过多的错误电流安置大的整体阻抗，因此在错误条件期间限制错误电流。接着，在保护元件的帮助下，例如保护元件108，超导体元件120可回到超导状态以藉由在未来的错误事件中限制电流来调节电流。
[0028] 又如图1所显示，SCFCL系统100构成两个平行的电路径114、116，电路径114、116分流在进入点110和离开点112之间。据此，SCFCL 102和分路电抗器104以电平行的方式分别沿着电路径114、116被安置在SCFCL系统100中。在正常操作模式下，电路径116代表负载电流路径，使得SCFCL系统100经配置以抽取大约百分之百的负载电流通过SCFCL 102和大约百分之零的负载电流通过分路电抗器104。然而，当错误条件或事件发生时，分路电抗器104经配置以抽取大多数的错误电流，从而限制通过SCFCL 102的电流。
[0029] 又如图1所显示，保护元件108被安置成与SCFCL 102和分路电抗器104两者电串联。与传统SCFCL系统所提供的SCFCL恢复操作不同，保护元件108经配置以在由错误条件恢复的期间，防止任何负载电流被传导通过SCFCL 102。此较现有技术的SCFCL系统有益，因为即使传统的分路电抗器在错误导致的负载电流骤增的期间可减少通过SCFCL的电流，在恢复的期间，适度的电流可能仍传导通过SCFCL。特别是，如果通过SCFCL 102的电流超过门槛电流，其可被设定成使典型的错误电流超过门槛电流，保护元件108经配置以沿着负载电流路径(亦即电路径116)作成“开路”，使得全部的电流沿着电路径114通过分路电抗器104。此允许可能已呈现有限电阻状态的超导体元件120，更迅速地恢复成超导状态。在不同的实施例中，保护元件108是一个电磁开关或断路器类型的装置，其被驱动的详情如下。
[0030] 图2描述SCFCL系统200的实施例，在其中保护元件是保护开关202。保护开关202经配置以在SCFCL系统200的正常操作模式期间通过电路径116传递电流，并且进一步配置成反应于在错误条件期间的电流骤增将电路径116开路以使得无电流流过SCFCL 102。在图2的实施例中，保护开关202是电磁开关，在其中传递在进入点110和离开点112之间的电流是用于驱动在电磁开关中的电磁线圈，以控制如在图3进一步讨论的开关位置。SCFCL系统200亦包括冷却系统204，冷却系统204可以是低温恒定器或液氮箱两者择一的实施例。冷却系统204是用于将超导体元件120的温度维持在超导体元件120的Tc以下。SCFCL系统200还包括高压绝缘体206以将SCFCL 102及保护开关202电性隔离于地208。
[0031] 图3A详细描述保护开关202，保护开关202包括外壳300、中央磁性构件302、接头304以及电磁线圈组308。在图3A的实施例中，中央磁性构件302是一个磁性活塞，其经配置以根据电磁线圈组308产生的磁场强度来沿着方向306移动。电磁线圈组308包括沿着电路径116串联连接SCFCL 10的电磁线圈310以及沿着电路径114串联连接分路电抗器104的电磁线圈312。特别是，电性连接SCFCL 102的电磁线圈312亦电性连接于中央磁性构件302。中央磁性构件302及接头304是被置于或封闭在电介质中，例如空气、真空、惰性气体、SF6、油或已知能消除或最小化在接头断开或闭合操作的期间产生的电弧而导致的接触材料侵蚀。
[0032] 图3B显示中央磁性构件302的操作。如图3B所显示，中央磁性构件302经配置以在位置P1和位置P2之间沿着方向306移动。当零负载电流或低负载电流传递通过电磁线圈组308，保护开关202经配置而将中央磁性构件302置于在位置P1的闭合位置，在位置P1达成中央磁性构件302与接头304之间的电性连接。在此闭合位置，在进入点110和离开点112之间的电路径116是闭合的，并且电流可流过SCFCL102。特别是，电流可由进入点110流过SCFCL
102，再通过电磁线圈310、中央磁性构件302、接头304以及离开点112。
102，再通过电磁线圈310、中央磁性构件302、接头304以及离开点112。
[0033] 例如，在正常操作期间，当存在负载电流时，几乎整个负载电流通过电路径116，且几乎没有负载电流通过电路径114。据此，几乎整个透过电磁线圈组308传输的电流通过电磁线圈310。然而，保护开关202经配置以使得此负载电流不足以产生磁力以破坏中央磁性构件302与接头304之间的接触。在正常操作条件下，SCFCL 102可经历的典型电流可在0和2000A之间变化，在一实例中，当超过3000A流过电磁线圈组308时，保护开关202的弹簧314可经配置以维持中央磁性构件302离开接头304
[0034] 在本发明的一些实施例中，仪器包括监测设备，监测设备可耦合于电磁线圈310以由电磁线圈310产生的电压操作进行操作。
[0035] 亦参照图2，在本发明的各种实施例中，在错误事件的发生，SCFCL系统200经配置以使得大于百分之八十的错误电流沿着电路径114传导通过分路电抗器104，小于百分之二十的错误电流沿着电路径116而传导。据此，在一个初始错误期间，亦即在一个错误事件的初始期间，大部分的电流流过电磁线圈312，而较小的电流流过电磁线圈310。
[0036] 如上所述，在错误事件期间，当错误电流超过临限电流时，保护开关202经配置以沿着电路径116产生开路，以使得无电流沿着电路径116流过进入点110和离开点112之间。特别是，当错误电流超过临限电流时，电磁线圈组308经配置以施加有效使中央电磁构件
308由闭合位置移动至断开位置的力度。藉由产生足够的磁场以移动中央磁性构件302远离接头304，以使得在中央磁性构件302及接头304之间的电接触被破坏。中央电磁构件302由接头304分离是正比于透过电磁线圈组308传送的场电流。随着越多的电流透过电磁线圈组
308通过更大的磁场而产生，该场作用关于中央磁性构件302以施加磁力来促使中央磁性构件302远离接头304。此磁力被弹簧314的恢复力所反抗，此弹簧314被设定为维持中央磁性构件302和接头304之间的接触直到超过期望的临限电流。电磁力的大小起着另一种作用以改变接触分离的速度。当电磁力增加伴随高错误电流时，接触分离的速度增加且因此开关在更短的时间清除错误。这较短的“清除”时间导致较少的能量吸入至超导体，并且其结果降低了超导体的过热。这种机构帮助减少使用在SCFCL设计中超导体的量。在各种实施例中，临限电流的值可根据SCFCL的应用而改变，但在一些实施例中可为2.5kA或更高。
308由闭合位置移动至断开位置的力度。藉由产生足够的磁场以移动中央磁性构件302远离接头304，以使得在中央磁性构件302及接头304之间的电接触被破坏。中央电磁构件302由接头304分离是正比于透过电磁线圈组308传送的场电流。随着越多的电流透过电磁线圈组
308通过更大的磁场而产生，该场作用关于中央磁性构件302以施加磁力来促使中央磁性构件302远离接头304。此磁力被弹簧314的恢复力所反抗，此弹簧314被设定为维持中央磁性构件302和接头304之间的接触直到超过期望的临限电流。电磁力的大小起着另一种作用以改变接触分离的速度。当电磁力增加伴随高错误电流时，接触分离的速度增加且因此开关在更短的时间清除错误。这较短的“清除”时间导致较少的能量吸入至超导体，并且其结果降低了超导体的过热。这种机构帮助减少使用在SCFCL设计中超导体的量。在各种实施例中，临限电流的值可根据SCFCL的应用而改变，但在一些实施例中可为2.5kA或更高。
[0037] 在图3B的例示中，当具有超过临限电流的给定值的错误电流出现，中央磁性构件302可被驱动远离接头304至位置P2。接着，当错误电流清除和负载电流消退，通过电磁线圈
312的电流减小至弹簧314使中央磁性构件302移动回到位置P1，且恢复在中央磁性构件302与接头304之间的接触的程度。与本发明各实施例一致的是，弹簧314的弹簧响应可经设定以使得恢复在中央磁性构件302与接头304之间的接触的所需持续时间在1至20秒之间。在特定实施例中，持续时间可设为在1至6秒之间。弹簧响应可经设定以允许超导体元件120恢复在电流通过SCFCL 102之前超导体状态的足够时间。这可帮助避免超导体元件的恢复的延迟，此延迟当超导体元件在有限电阻状态时，在错误条件清除后若电流通过超导体元件
120可能另外发生。在这种情况下，任何通过超导体元件120的负载电流可能会引起电阻加热或延迟或阻止超导体元件转换成超导状态的其他有害的影响。
312的电流减小至弹簧314使中央磁性构件302移动回到位置P1，且恢复在中央磁性构件302与接头304之间的接触的程度。与本发明各实施例一致的是，弹簧314的弹簧响应可经设定以使得恢复在中央磁性构件302与接头304之间的接触的所需持续时间在1至20秒之间。在特定实施例中，持续时间可设为在1至6秒之间。弹簧响应可经设定以允许超导体元件120恢复在电流通过SCFCL 102之前超导体状态的足够时间。这可帮助避免超导体元件的恢复的延迟，此延迟当超导体元件在有限电阻状态时，在错误条件清除后若电流通过超导体元件
120可能另外发生。在这种情况下，任何通过超导体元件120的负载电流可能会引起电阻加热或延迟或阻止超导体元件转换成超导状态的其他有害的影响。
[0038] 图4A至图4D进一步显示符合本发明的实施例的SCFCL系统200的操作的不同阶段。特别是图4A描绘在所谓的正常操作模式的期间使用SCFCL 200的一个实例。如图所显示，负载电流402沿着电路径116通过SCFCL 102和电磁线圈310。负载电流402不足以驱使中央电磁构件302离开接头304及电路径116，因此保持不变。同时，分路电抗器104和SCFCL经配置以使得很少或没有电流通过电路径114。
[0039] 图4B描绘一个在错误事件的早期阶段期间SCFCL系统200的实例，在其中过大的电流通过SCFCL 200。如上所述，SCFCL系统200经配置以在错误事件的期间藉由使用超导体元件120来限制电流。其中超导体元件120转换成对沿着电路径116的电流产生大阻抗的有限电阻状态。同时SCFCL系统200经配置以使得沿着电路径114通过分路电抗器104的错误电流414大于通过SCFCL 102的错误电流412。在一些实施例中，当在错误电流大于5k安培的错误条件的初始期间，通过SCFCL的错误电流的比例小于全部错误电流的百分之20。在一实例中，SCFCL 102可经配置为138k伏特SCFCL伴随在正常操作下的1200A的负载电流，并且可在错误期间将全部25k安培的错误电流的5k安培左右的错误电流通过SCFCL 102。
[0040] 在图4B的实例中，错误电流414和错误电流412产生一个沿着方向416施加力度的磁场其促使中央磁性构件302离开接头304。当错误电流414和错误电流412总合足够大时，亦即当他们超过临限电流时，保护开关202使中央磁性构件302中断与接头304的接触。在可替代的实施例中，错误电流414或错误电流412的任一个，但不是两者，可经采用以中断中央磁性构件302与接头304的接触。在此配置中仅一个线圈可被缠绕和使用。
[0041] 图4C描绘一个在图4A和图4B所描绘的实例之后的更进一步的局面，在其中反应于暂时产生过多电流的错误事件，在中央磁性构件302和接头304之间的接触已中断。据此，因为保护开关202电串联于SCFCL 102，故无电流通过电路径116。在图4C所描绘的实例中，因错误事件产生的错误电流已被减少，使得通过电路径116的错误电流422相较于在错误事件的早期阶段存在的错误电流412减少。因为通过电磁线圈312的已减少的错误电流，弹簧314的恢复力大于藉由电磁线圈组308产生的磁场产生的力度，导致中央磁性构件302向接头304移动。
[0042] 在各种不同实施例中，如上述指出的，弹簧314的弹簧常数是使中央无性构件302在错误条件清除后通过电路径116的负载电流下降至很小的值或零的时间点后的1至20秒之后，恢复成抵接接头304。在此期间，在图4C的局面中，超导体元件120开始回到超导状态。因为无电流可以穿过超导体元件120，故由有限电阻状态转换至超导状态可更迅速地发生。
[0043] 图4D描绘一个在图4A至图4C所描绘的实例之后在图4C所表示的实例后续。在此实例中，SCFCL系统200已由错误条件恢复，中央磁性构件已被带回至与接头314接触。如所显示，小的负载电流432通过电路径116，而很少或没有电流通过电路径114。
[0044] 图7表示根据本实施例的例示性电流曲线，此电流曲线更进一步显示SCFCL系统的功能的操作。在图7中显示有两个分别沿着电路径116和电路径114通过的电流的示例性电流曲线702及704。在初始正常操作期间706，传导通过SCFCL 102(见图2)的电流程度相对较低，例如低于几千安培。通过分路电抗器104的电流被忽略或零。如电流曲线702所显示，在时间T1，错误条件发生导致通过SCFCL 102的电流迅速地上升。然而，这同时引起超导体元件120转换至沿着电路径116大大增加阻抗的有限状态电阻，而导致电流曲线702的电流程度的增加有限。几千安培的最大值可能会导致在某些情况下。在错误期间708的同时，分路电抗器104经配置以产生导致相对于沿着电路径114通过的电流较大的电流程度的错误电流。
[0045] 在时间T2时，电流曲线702及704所表示的总电流超过将保护开关202断开的临限值，使电流曲线702瞬间降低至零。在随后的恢复期间710，无电流流过电路径116，而如电流曲线704所显示，错误电流衰变和有限电流存留在电路径114中。在持续几秒或更多的恢复期间710中，超导体元件120经历无电流促使他们恢复成超导状态。在时间T3中，弹簧314闭合保护开关202，导致在SCFCL系统200的正常操作的后续期间712电流重新通过电路径116。在一些实施例中，保护开关202可经配置以提供完全恢复至超导体元件120的超导状态的足够时间。
[0046] 需注意的是，时间T2和时间T3之间在其中保护开关保持断开的持续时间，可经设定以最佳化SCFCL系统的功率。例如，最小化在其中SCFCL 102为“离线”的时间(在离线中电路径116断开)可能是可取的。在这种情况下，例如即使所有超导体元件120的完全恢复可能平均预期需要4秒无电流负载，保护开关202可经设计以仅保持断开3秒钟。
[0047] 图5描绘一种符合本发明的附加实施例的附加电流限制系统。在此实施例中，SCFCL系统500包括除了下述指出的不同外，一般如上文详述SCFCL系统200的相同构件。特别是，SCFCL系统500经安置成被称为“死槽(dead tank)”的结构，其不包括高电压绝缘体206。死槽结构是指具有一个接地的低温恒定器502或其他冷却系统的SCFCL设备，其中高压绝缘体存在于低温恒定器502内。在图1～图4的实施例的特有的一个活槽(live tank)SCFCL设计，冷却系统204不接地(而是浮接)需要高电压绝缘体206在周围空气和支撑结构。
同样地，在各种实施方式中，如电磁开关保护开关或断路器装置的保护构件，可被安置成活槽或死槽结构(活槽结构显示于图2～图4D的保护开关202)。
同样地，在各种实施方式中，如电磁开关保护开关或断路器装置的保护构件，可被安置成活槽或死槽结构(活槽结构显示于图2～图4D的保护开关202)。
[0048] 图6显示符合进一步实施例的又另一附加电流限制系统。SCFCL系统600除了提供断路器602取代电磁开关外，包括如上述SCFCL系统200所描述的相同构件。据此，在当过多的电流开始在进入点110和离开点112之间的错误条件期间，超导体元件120转换成有限电阻状态以限制电流。若仍在电路径116的电流604超过临限值，断路器602经配置以断开电路径116。接着，在恢复期间任何负载电流606沿着电路径114传导通过分路电抗器104。在此期间超导体元件120可在没有任何电流存在的情况下恢复至超导状态，直到断路器602被重新设定。
[0049] 图8描绘另一个附加的电磁开关实施例，此实施例示出了包括调节气缸和弹簧以控制接触分离的速度和恢复时间详细机构。提供一种恢复开关800，其包括与弹簧803连接在一起的调节气缸801、锁定机构802和其弹簧804，以及确定真空断路器807的分开速度及恢复时间的预先行程调节部806。杠杆臂808藉由其连接锁定机构802及真空断路器807控制电路恢复。杠杆臂808控制在P1和P2之间的接触分开距离(参看图3)，其中接触分开距离是决定保护系统的操作电压的主要机构。保护系统800亦可以包括可变线圈配置部809，其中绕线圈的数量是用以改变电磁力。
[0050] 在操作中，在此描绘的恢复开关800在无电源中断的情况下允许正常电流通过开关。当错误发生时，电流将会增加，以使得电磁线圈805的磁场将吸引柱塞810。将轴驱动至锁定机构802中。将真空断路器807锁定在开路位置，其允许超导材料在无电流负载的情况下恢复。用于电路重设的时间延迟受控于调节气缸801和压缩弹簧803。一旦锁定机构802解除锁定，全部的构件重设至它们的允许完整电流的原本位置。
[0051] 综上所述，本实施例提供一种保护系统，传统上传导在超导电流限制系统中的使用者电流以使得如在传统系统的自动电流限制功能加上加快SCFCL构件的恢复的机构。因为更大能力以由错误条件迅速恢复这避免了使用复杂电路，且亦提供能力以减少使用在SCFCL系统中超导材料的数量。
[0052] 本实施例的使用或应用和一般保护系统并不限于SCFCL保护。例如，本实施例可被采用在任何类型的错误电流限制(FCL)装置，例如固态FCL、饱和铁或其他。实施例亦可被用于对传统的断路器的辅助，以加快错误清除操作。在一些其中不需要复杂错误清除或无中继协作系统，本实施例所提供的简单保护系统，可被用于当作自动断路或自动闭合的开关或接触技器。
[0053] 本发明并不限于本文所描述的具体实施例的范围。事实上，除了本文所述的那些，本发明的其它各种实施例和修改，根据前面的描述和附图对于本领域技术人员将是显而易见的。因此，这样的其他实施例和修改是倾向于落在本发明的范围内的。此外，虽然本发明已经在本文中对一个特定的环境用于特定用途的特定实施方式进行了描述，但本领域技术人员应理解到其有用性不限于此，并且本发明可以有益地实现在任何数目的目的任何数目的环境中。因此，提出的权利要求应被理解为鉴于如本文所述的本发明的全部范围和精神。