超导磁能储存(SMES)的概念是众所周知的。SMES的原理是能量 以磁能的形式存储在电感为L的线圈中，所储存的能量大小为1／2LI2(式 中：I-直流电流)。
线圈的电感L由众所周知的公式给出：
L=(μoμrN2A)／l 式中μo=4п× 10-7AS／Vm；
μr-在螺线管磁路中材料的导磁率(若磁通密度B足够小，则对 于空气μr=1；对于定向排列的高质量的钢的层叠片，μr≈10000或更 大)；
N-绕组数目；
A-横截面积；
1-线圈长度。
由于在SMES装置中储存的磁能为E=1／2LI2，因此，显然电流和电 感都应该最大。最大电流是由在给定温度、磁场和电流密度下，超导体 的性质决定的。
电感可通过在磁路中使用导磁率高的磁性材料来达到最大。遗憾的 是，目前尚不知道有在高磁通密度下，具有高导磁率的材料。事实上， 当磁通密度B大约为2泰斯拉(Tes／a)时，即使最好的材料也会饱和； 另外，在饱和区中，磁芯损失(磁滞和涡流)急剧增加。如果材料的磁 矩安全排列在一直线上，则理论上铁的最大磁通密度可达到2．12泰斯 拉。由于超导体的电流大，磁通密度也大，因此事实上，磁通密度达到 5泰斯拉或更高并不是罕见的。这样，磁性材料不应包括在磁路中，至 少不应包括在磁通密度B高的区域的磁路中。因此，一般μr=1。
将绕组数目N选择得大些，也可增大电感。如果绕成螺线管，则绕 组密度，即每单位长度的绕组数目，由导体及其绝缘的横截面积确定。
导体的横截面积与长度之比，也是电感的一个重要参数。目的是要 使导体横截面积大，而线圈长度短。因此，为了得到大电感，经常将绕 组设计成扁平形或圆盘形，作为一个优选的线圈。
与相竞争的能量储存系统比较，SMES装置的效率高，能量密度大。 SMES装置对存储或排放的需求响应快。另外，SMES不但可用于要求负 载均衡，而且要求负载跟踪，旋转反向，瞬态过程稳定和同步共振阻尼 的场合。SMES不但节约能量，而且电力系统工作的自由度更大。
正常情况下，SMES装置可以储存大约1 MW以下的能量，但目前要 求SMES有更大的能量储存容量。对于较大的SMES装置，增大电流会使 设备尺寸过大，还要使用与不同的传输系统连接的多根馈电线。
通常的SMES装置与低电压的大电流源一起工作。当用在交流电系 统中时，可以利用一个交流直流转换器，来转换送入SMES装置和从SMES 装置输出的电能。与电力网络连接的SMES装置工作时，要加一个变压 器。
正常情况下，SMES装置作成一个线圈。为了使能量储存容量达到 最大，应使电感尽可能大。因此，如在“海军SMES电缆试验装置的4 泰斯拉背景线圈的设计和结构”一文(“IEEE Transactions on Applied Superconductivity”，1997年6月，第7卷，第2期)中所述那样， 可将例如超导体绕成扁平形的、4泰斯拉的SMES背景线圈。在正常情 况下，与SMES装置连接的电压，在大约500伏以下，电流大约为1000 A。
在“IEEE Transaction on Applied Superconductivity”1997 年6月第7卷第2期刊登的文章“一个大型低温稳定的SMES中的急冷 保护区和正常滞流区”中，说明了一个30 MW的大型SMES装置。该装 置包括由多个双层扁平结构装配而成的一个线圈。使用这个SMES装置 要求有大的功率输出，和达到3．4 KV的工作电压。
另一种储存磁能的方法是将导体直接绕成一个螺线管。在“IEEE Transactions on Applied Superconductivity”1997年6月第7卷 第2期刊登的文章“用于SMES的超导线圈及其低温恒温器的设计、制 造和冷试验”中，说明了一种试验线圈的一个例子。在该例子中，螺线 管由NbTi导体构成，有4500圈、30层，内层绕组半径为120 mm。
发明梗概
本发明的目的是要提供一种包括一个SMES装置的高电压系统，其 中，SMES装置的超导体被绝缘，可耐高电压，并且该绝缘装置是围绕 该导体同心的。
根据本发明的一个方面，提供了一种上述的SMES装置。该装置的 特征在于，所述电气绝缘装置包括一个电气上与所述超导装置连接的半 导电材料制成的内层；沿着其长度，受一个可控制电位，例如地面电位， 作用的半导电材料制成的外层；和位于所述内层和外层之间，由固体电 气绝缘材料制成的中间层。
在本说明书中，术语“半导电材料”是指具导电性比导电体低很多， 但不是低到象电气绝缘体那样的材料。相应地，但不是唯一地，“半导 电材料”的体积电阻率为1～105欧姆·厘米，较好是1～103欧姆·厘 米，更好是10～500欧姆·厘米，最好是10～100欧姆·厘米；一般为 20欧姆·厘米。
本发明并不限于高温超导性。由于磁能储存中的磁场强度大，因此 虽然根据所用的低温超导体形式的不同，低温超导体需要在绝对温度为 1～15K之间工作的低温恒温器，但低温超导体仍有吸引力。众所周知的 低温超导体的例子是以铌，诸如NbTi、Nb3Sn和Nb3Al为基础的；其他的 例子有V3Ga和Nb3Ge。最普遍使用的超导体为NbTi，它可用于在4．2K下 磁场密度在大约9泰斯拉以下(或在1．8K下磁场密度为11泰斯拉)的场 合。对于更高的磁场密度，不能使用NbTi，而要用Nb3Sn代替。
根据本发明的SMES装置由按照通常的电缆制造原理制造的电缆状 导体制成。绝缘材料可以承受在1KV范围内的高电压，并可以提高至用 于高电压直流传输的电压。
本发明提供了一个包括SMES装置的高电压系统。该SMES装置可与 高电压网络连接。这表示，在传输或分配网络上，可能有负载跟随现象， 而并不是如目前使用SMES装置的情况那样，只用于低电压的某种特定 用途。这就有可能根据(例如)白天-黑夜的规律或东方-西方的规律， 使用SMES来储存能量，使高电压网格中的负荷变化变得比较平滑。另 外，高电压的SMES装置，可以在短时间内，将大量的能量送入系统中， 即：输入大量的实际能量。这样，可以很好地控制该系统。
本发明还提供了一个包括可以直接与高达800 KV甚至更高的高电 压连接，不需将电压变低的SMES装置的高电压系统。这点可通过用能 耐高电压的绝缘装置将超导装置绝缘起来而达到。这种绝缘装置，例如 可从高电压直流传输系统中了解到。
本发明的一个优点是，由于SMES装置在高电压下工作，因此，对 于一个给定的功率密度，可以减小电流。只作为一个例子，可举出下列 数据：相对于一个通常的在20 KV下工作的SMES装置，根据本发明的 一个同样功率的SMES装置可在大约150 KV下工作，结果可使电流减小 大约7．5倍。由于在电缆中的磁力是与电流和磁通密度(B)的乘积成 比例的，因此，磁力也可减小大约7．5倍。另外，在这个例子中，半导 电体量也可节约大约7．5倍。同样，冷却损失也可以大大减小。所有这 些因素，使SMES装置在经济方面的吸引力得到提高。
在高电压下工作的SMES装置还有一个优点是，充电和放电很快。 通常，至少是给较大的SMES装置充电是非常费时间的，而通过将SMES 装置与高电压连接，可以大大减小充电时间。另外，通过增大在SMES 装置上的电压，可以使SMES装置输出的功率增加。
本发明的另一个优点是，SMES装置可以安装在靠近大型发电装置， 诸如，核电站的地方。当快速关闭核电站时，在高电压网络上会产生巨 大的寄生电抗。利用高电压SMES装置，可以有效地使这种寄生电抗平 滑化，因为高电压SMES装置可将相应的功率送入系统中，然后使该功 率缓慢地呈斜坡状下降。
高电压SMES装置的另一个优点是，不需要用于将送入SMES装置和 从SMES装置输出的电能进行变压的变压器。该SMES装置可以直接与传 输或分配网络连接，不需要设置中间变压器。系统中没有变压器可使系 统的效率更高。通过将SMES装置直接与电力网络连接，和通过减少系 统中的零件数目提高其效率，可以大大改善SMES装置的性能。
本发明的另一个优点是，SMES装置完全被电气绝缘，使得在超导电 缆外面没有电场。这有利于设计夹持电缆机械结构。可以增大SMES装 置的尺寸，使SMES装置的机械稳定性问题较少。
带有高电压绝缘的SMES装置的另一个优点是，该绝缘装置可防止 通常在电气系统中产生的放电，因而可减少在冷却介质中形成气泡的危 险。
通过将线圈直接与高电压直流源，例如，高电压交流-直流转换器 连接，可以使该线圈的充电和放电变得简单。特别是在交流电力传输系 统中，不需要在与交流-直流转换器连接之前，将交流电压变低。通过 在沿着其长度，例如，沿着长度的隔开一定距离的几个间隔，使上述半 导电的外层处在可控制电位，例如，接地或地面电位的作用下，可使由 超导装置产生的电场包含在上述电气绝缘装置内。
为了使上述超导装置的温度保持在其临界温度(Tc)以下，可以方 便地将上述线圈和开关装置封闭在一个低温恒温器内。另一种方案，或 另外，该超导装置的内部可用一种低温流体，例如液氮进行冷却，并且 外部隔热。例如，可以在该超导装置和周围的电气绝缘装置之间进行隔 热。在某些情况下，电气绝缘装置也可起隔热作用。
通过使用没有缺陷的材料来制造上述SMES装置的绝缘装置的中间 层，并使该中间层位于具有同样热性质的半导电材料制成的，互相隔开 一定距离的内层和外层之间，则可以减小在该绝缘装置内的热负荷和电 负荷。特别是，该绝缘的中间层和半导电的内层和外层的热膨胀系数 (d)，至少应该基本上相同；使得当该内、外层和中间层受到加热或 冷却时，不会产生由于热膨胀不同引起的缺陷。理想情况是，该电气绝 缘装置基本上为一个单一的结构。该绝缘装置的各个层可以紧密地互相 机械接触，但最好是连接或接合在一起。例如最好是，径向方向相邻的 各层，一起在该超导装置周围挤压出来。在正常的室温下，超导电缆是 可挠曲的，因此在低温温度下工作之前，可将该超导电缆弯曲或挠曲成 所希望的绕组形状。
通常，该电气绝缘装置的绝缘的中间层由固体热塑性材料，诸如低 密度或高密度聚乙烯(LDPE或HDPE)、聚丙烯(PP)、聚丁烯(PB)、 聚甲基戊烯(PMP)、乙烯(乙基)丙烯酸酯共聚物；交联材料，诸如 交联聚乙烯(XLPE)；或橡胶绝缘材料，诸如，乙烯丙烯橡胶(EPR) 或硅橡胶制成。上述绝缘装置的半导电的内层和外层，可由与中间层相 同，但带有嵌入其中的导电微粒，诸如碳黑、煤烟灰或金属微粒的材料 制成。一般，不含碳微粒或含有一些碳微粒的一种特定的绝缘材料，诸 如EPR具有相同的机械性质。

半导电的内层和外层的隔板，在绝缘的中间层的内面和外面，形成 基本上是等电位的表面。因此，在该二个半导电层和绝缘层为同心的情 况下，电场基本上是径向的，并且被限制在中间层以内。特别是，该半 导电的内层配置成与它所包围的超导装置电气上接触，并且具有与超导 装置相同的电位。该半导电的外层设计成可以起防止由感应电压引起的 损失的隔板的作用。增大该外层的电阻，可以减小感应电压。由于上述 半导电层的厚度不能减少至小于某个最小的厚度，因此只有选择电阻率 较高的材料来制造该半导电层，才可以增大电阻。但是，如果该半导电 的外层的电阻率太大，则具有可控电位，例如，地面电位的相邻的隔开 一定距离的二点之间的电压将变得很高，有出现电晕放电，使绝缘层和 半导电层腐蚀的危险。因此，半导电的外层要在具有小电阻，大的感应 电压损失，但容易与可控的电位，一般为地面或接地电位连接的导电 体；和具有大电阻，小的感应电压损失，但必需沿着其长度与可控电位 连接的绝缘体之间作折哀。这样，半导电的外层的电阻率Ps应在Pmin＜Ps ＜Pmax范围内，式中：Pmin由涡流损失引起的容许功率损失，和由磁通感 应产生的电压引起的电阻损失确定；Pmax由不产生电晕放电或辉光放电 的要求确定。
如果该半导电的外层，在沿着其长度的互相隔开一定距离的二个间 隔上接地，或与某个其他的可控电位连接，则不需要用金属的外屏蔽套 和保护外套来包围该半导电的外层。这样，电缆直径可以减小，对于一 个给定尺寸的绕组，可以绕更多圈。
电气绝缘装置可在超导装置上挤压出来，或可利用搭接的方法制 出。这适用于半导电层和电气绝缘层。绝缘装置可用纯粹的合成材料薄 膜制成；而半导电的内层和外层可用嵌入导电微粒，诸如，碳黑或金属 微粒的PP、PET、LDPE或HDPE的聚合物薄膜制成。
对于搭接方法，薄膜的接缝间隙比所谓的Paschen最小值要小，因 此不需要液体浸渍。干燥的、绕成多层的薄膜绝缘装置的热性质也较 好，它可以与超导管结合成为一个导电体，且冷却剂，诸如液氮，可通 过该超导管泵送。
电气绝缘装置的另一个例子类似于通常的以纤维素为基础的电 缆。在这种电缆中，薄的、以纤维素为基础的材料，或合成纸张，或无 纺材料搭接卷绕在一个导电体的周围。在这种情况下，上述半导电的层 可用纤维素纸，或由绝缘材料纤维制成，并嵌入导电微粒的无纺材料制 成。上述绝缘的层可用以同样材料为基础的材料制成，或者可用另一种 材料制造。
电气绝缘装置的另一个例子可通过将薄膜和绝缘的纤维材料结合 作层叠片或互相搭接而得到。这种绝缘装置的一个例子是商业上出售的 所谓纸和聚丙烯的层叠片(PPLP)，但薄膜与纤维材料也可以有几种其 他结合方式。在这些绝缘装置中，可以使用各种不同的浸渍材料，诸如 矿物油或液氮。
超导装置可以包括低温超导体，但最好是包括高温超导(HTS)材 料，例如，在一根内部管子绕成螺旋线的HTS金属丝或带。HTS带通常 包括有银制外壳的BSCCO-2212或BSCCO-2223(这里，数字表示在 〔Bi，Pb〕2、Sr2、Ca2、Cu3、Ox分子中每一个元素的原子数)；以后， 这种HTS带将称为“BSCCO带”。BSCCO带是通过粉末在管中(PIT) 的拉、滚、烧结和滚压过程，将超导体氧化物的细丝埋入银或氧化银的 基体中制成的。另一种方法是，该带可用表面涂层方法制造。在任何一 种情况下，作为最后一道工序，要将上述氧化物熔化，并重新凝固。其 他的HTS带(例如，TiBaCaCuO(TBCCO-1223)和yBaCuO(yBCO-1237) 可用各种不同的表面涂层方法或表面沉积方法制成。最理想是，在工作 温度大于65 K，但最好是在77 K以上，HTS金属丝的电流密度jc在 大约105Acm-2以上。HTS在上述基体中的填充系数必需较大，因此工程 上取该电流密度jc≥104Acm-2。当所加的磁场的磁通密度在泰斯拉范围 内时，jc不应急剧减小。绕成螺旋形的HTS带，用通过内部支承管的 冷却流体，最好为液氮，冷却至HTS的临界温度Tc以下。
可以将一个低温恒温层放置在该绕成螺旋线形的HTS带周围，以使 该冷却的HTS带与电气绝缘材料隔热。然而，另一种方案是可以不用该 低温恒温层。在后一种情况下，可以直接将电气绝缘材料放在超导装置 上。另一种方案是，在该超导装置和包围它的绝缘材料之间可以有空 间；该空间可以是空白的空间，或是充满可压缩材料，诸如，压缩性很 大的泡沫材料的空间。在从低温温度加热／冷却至低温温度过程中，该 空间可减小作用在绝缘装置上的膨胀／收缩力。如果该空间充满可压缩 的材料，则该可压缩材料可以是半导电的，以保证半导电的内层与超导 装置之间的电气接触。

超导装置可以有其他的设计型式。本发明提供了一种变压器绕组， 该绕组是由具有上述形式的包围超导电缆的电气绝缘装置的、任何适当 设计形式的超导电缆形成的。例如，其他形式的超导装置可以包括：除 了在内部冷却的HTS材料之外。还可有在外部冷却的HTS材料，或在外 部和内部都冷却的HTS材料。在后一种形式的HTS电缆中，可以使用二 个同心的，被低温绝缘材料隔开和由液氮冷却的HTS导体来输送电力。 外侧的导体起返回通道的作用；而该二个同心的HTS导体可由能通过经 要求的电流的一层或多层HTS带构成。内面的导体可以包括绕在液氮从 中通过的一个管状支承上的HTS带。外面的导体可从外面由液氮冷却， 并且用隔热的低温恒温器将整个组件包围起来。
根据本发明的另一个方面，提供了一个电力传输系统，其特征为， 根据所述本发明的一个方面的SMES装置，与一个高电压源，最好为一 个高电压的直流源连接。
SMES装置可以是一根电缆的形式，最好是电感大的电缆形式。该电 缆的电气绝缘装置可由带有几层的导电体带或金属丝制成，其中所有的 层都是按相同方向绕成的，而不是象通常的绕组的层那样，在相反方向 绕成，以便补偿电感。这种带有挤压制出的绝缘装置的电缆，可以直接 接入传输线中，例如作为一个有二个极的直流系统中的一根传输线。
还可以利用这种电缆来制造电感较大的螺线管。
这里所述的本发明可用使用通常的低温超导材料和冷却剂，诸如， 液氮。
还可以将本发明用于交流电源。交流SMES装置的损失较大，但如 果对于所设计的系统，该损失是可以接受的，则本发明的原理也是适用 的。
附图的简要说明
现在只利用例子，结合附图来说明本发明的实施例。其中：
图1为根据本发明的SMES装置的电路图；
图2为通过绕制图1所示的SMES装置的线圈的高温超导电缆的一 个实施例的一部分的、放大的截面示意图；
图3为绕制图1所示的SMES装置的线圈的高温超导电缆的另一个 实施例的放大的示意性截面图；
图4为通过一个高电压直流网络连接在一起，并在直流侧包括一个 SMES装置的二个高电压交流网络的原理图；
图5为包括在一个高电压直流网络中的SMES装置的原理图；和
图6为带有电压源转换器和与一个高电压的有二个极的直流环节 组合的二个转换器站的原理图。
图1表示由高温(Tc)超导(HTS)电缆12(见图2)制成的，电 感为L的线圈1。该线圈1与一个高直流电压源2，例如与交流电传输 线连接的一个高电压交流-直流转换器的直流侧连接。开关3与该高直 流电压源2并联，可使线圈1短路。
当该线圈1与该直流电压源2连接时，直流电流I流过该线圈，并 使该线圈充电。由于超导电缆的电流密度大，和电阻实际上为零，因此， 只需简单地关闭该开关3和使线圈短路，即可储存能量。能量以数值为 1／2LI2的磁能形式，储存在该线圈中。因此，该线圈1可以储存电能， 并在要求高峰时，快速地输出电力。
构成该线圈1的超导电缆12包括：例如由铜或电阻大的金属，诸 如铜-镍合金制成的一个管状的内支承13。在该内支承上，细长的HTS 材料，例如，BSCCO带等绕成螺旋形，形成一个在该管状内支承13周 围的超导层14。放置在该超导层外面的一个低温恒温器15，包括二个 彼此隔开一定距离的、挠性的波纹状金属管16和17。该二个金属管16 和17之间的空间保持真空，并含有隔热性能非常好的隔热层18。液氮 或其他冷却流体，沿着该管状内支承13通过，将包围它的超导层14 冷却至超导体的临界温度Tc以下，管状内支承13，超导层14和低温 恒温器15一起，构成了电缆12的超导装置。
在该超导装置外面具有，例如由塑料制成的固体电气绝缘装置。该 电气绝缘装置包括一个半导电的内层20，一个半导电的外层21，和夹 在这二个半导电层之间的一个绝缘层22。
该三个层20～22最好为由热塑性塑料形成的、基本上为单一的结 构。这些层可以互相紧密地机械接触，但最好是在其界面上互相牢固地 连接。这些热塑性塑料的热膨胀系数相同，并且最好在该内部超导装置 周围挤压在一起。上述电气绝缘装置的电场应力不大于0．2 KV／mm。
只是作为一个例子，上述固体的绝缘层22可以包括交联的聚乙烯 (XLPE)。然而，该固体的绝缘层也可以包括其他的交联材料，低密度 的聚乙烯(LDPE)，高密度的聚乙烯(HDPE)，聚丙烯(PP)，聚甲基 戊烯(PMP)，乙烯(乙基)丙烯酸酯共聚物或橡胶绝缘材料，诸如， 乙烯丙烯橡胶(EPR)，乙烯-丙烯-二烯单体(EPDM)或硅橡胶。内 层20和外层21的半导电材料可以包括：例如与该固体绝缘层22的材 料相同的基础聚合物，并在该基础聚合物中嵌入导电性很好的微粒，例 如，碳黑微粒或金属微粒。改变加入基础聚合物中的碳黑的形式和比 例，可以根据需要来调整这些半导电层的体积电阻率，一般，大约为20 欧姆·厘米。下面给出利用不同形式的碳黑和不同的碳黑量，来改变电 阻率的一个例子。     基础聚合物     碳黑形式   碳黑量     (％)   体积电阻率  (欧姆·厘米)     乙烯乙烯基     EC碳黑     -15     350～400     醋酸酯共聚物     亚硝酸盐橡胶     亚硝酸盐橡胶     P-碳黑     -37     70～10     亚硝酸盐橡胶 导电性特好的碳黑，型式Ⅰ     -35     40～50     亚硝酸盐橡胶 导电性特好的碳黑，型式Ⅱ     -33     30～60     丁基接枝的聚乙烯 导电性特好的碳黑，型式Ⅱ     -25     7～10 乙烯丁基丙烯酸酯共聚物     乙炔碳黑     -35     40～50 乙烯丁基丙烯酸酯共聚物     P碳黑     -38     5～10     乙烯丙烯橡胶     导电性特好的碳黑     -35     200～400
上述半导电的外层21，在沿着其长度的互相隔开一定距离的多个区 域上，与所希望的可控电位，例如，地面电位连接；具体的互相隔开一 定距离的、相邻的可控电位或接地点数，决定于该外层21的电阻率。
该半导电的外层21可起静电屏蔽作用，通过将该外层的电位控制 至例如地面电位，可以保证超导电缆的电场保持在该半导电的内层20 和外层21之间的固体绝缘层内。增大该外层21的电阻，可减小在外层 21上，由感应电压造成的损失。但由于该外层21的厚度必需至少有一 个一定的最小值，例如，不小于0．8 mm，因此，只能通过选择电阻率较 高的材料来制造外层，才可以增大其电阻。然而，外层材料的电阻率也 不能太大，否则，在二个相邻接地点之间中央的该外层21的电压会太 高，有产生电晕放电的危险。
可以不用在内部低温冷却HTS电缆12(或除了这种方法以外)， 而将线圈1和开关3封闭在低温恒温器6(如图1中虚线所示意性地表 示那样)内，将该线圈1保持在超导装置的临界温度以下的温度上。在 这种情况下，不需要如以上针对图2所述的那样，将隔热的低温恒温器 15包括在HTS电缆中。图3所示没有低温恒温器15的电缆的一个典型 设计。在这种情况下，由三个层20～22形成的电气绝缘装置，直接在 绕在管状内支承13上的超导层14上挤压出来。虽然没有示出，在该电 气绝缘装置和超导层14之间可以有一个环形间隙，以适应该电气绝缘 装置和超导层14的热膨胀／收缩的不同。这个环形间隙可以是一个空白 的空间，或可以充满可压缩的材料，诸如，压缩性很大的泡沫材料。如 果有这样一个环形间隙，则最好使半导电的内层20与该超导层14电气 上接触。例如，如果在该环形间隙中放入可压缩的泡沫材料，则该泡沫 材料可作成半导电的。
图4表示包括二个高电压交流网络N1和N2的一个高电压系统；图 中T1y和T2y为y／y连接方式的转换器变压器；而T1D和T2D为y／D 连接方式的转换器变压器。SCR 11、SCR 12、SCR 21和SCR 22为串 联的6脉冲式由传输线转换的电桥式连接的转换器。转换器SCR 11和 SCR 12，通过包括一个超导磁能储存装置SMES形式的能量储存装置 的一个直流环节DCL，与转换器SCR 21和SCR 22连接。
在转换器SCR 11和SCR 12上的电压为V1，在转换器SCR 21和 SCR 22上的电压为V2。每一个电压V1和V2都是由与相应的转换器连 接的控制设备(没有示出)，按通常的方式控制的。
在图4所示的系统中，V1-V2=L·dI／dt。这表示，SMES装置的 充电和放电可以用转换器的控制角度来控制。SMES可以由一个或二个 转换器进行充电或放电。通过控制使V1=V2，可使SMES所包含的能 量不受影响。
图5表示与图4相同的一个基本的高电压系统。然而，在图5中， 超导磁能储存装置SMES用作交流网络N1的储能装置，并且在关闭开 关S1和打开开关S2时，可通过转换器SCR 11和SCR 12进行充电。在 SMES装置充电过程中，可以测量通过线圈的电流，并且充电可继续至 达到电流的名义值为止。当SMES完全充电时，开关S1打开，开关S2 关闭。在例如网络上有功率损失的情况下，为了给网络N1供电，开关 S1关闭，而开关S2打开。
在图5所示的系统中，超导磁能储存装置SMES是带有直流环节的 高电压直流传输系统的一部分。当给网络N2供电时，需要一个极控制 装置PCM。
图6表示具有二个通过一个双电缆TC形式的直流环节连接起来的 电压控制转换器VSC1和VSC2的高电压系统。该直流环节有二个极， 因为电容C11和C12与电容C21和C22的连接点，分别与地面连接。 超导磁能储存装置SMES配置在转换器VSC1的一个极处。还可以将电 缆形式的超导磁能储存装置作为有二个极的直流环节的一部分。
虽然，本发明是针对具有与一个直流电压源串联的线圈的SMES装 置进行说明的，但本发明也可适用于线圈与一个交流电压源连接的情 况。
在本说明书中所用的术语“高电压”是指800 KN以上或更高的电 压。SMES装置可以与这种高电压网络连接，其功率可高达1000 MVA。 在高电压下，局部放电或PD是已知的绝缘装置的一个严重问题。如果 在绝缘材料中有空穴或微孔，则可能产生内部电晕放电，使绝缘材料的 品质逐渐变坏，最后导致绝缘破坏。通过保证电气绝缘装置的内面部分 与超导装置基本上为同一个电位，而该电气绝缘装置的外面部分电位为 可控的电位，则可以减小根据本发明的SMES装置的超导装置的电气绝 缘装置上的电负荷。这样，电场在该绝缘装置的内面部分和外面部分之 间的电气绝缘部分的厚度上，基本上为均匀分布。通过使电气绝缘材料 具有相同的热性质和使绝缘装置的各个层或部分没有缺陷，就可减少产 生局部放电(PD)的可能性。
本发明的另一个优点是，由于SMES在高电压下工作，因此，对于 给定的功率密度，可以减小电流。这样，相对于在20 KV下工作的通常 的SMES装置，根据本发明的功率相同的SMES装置，可在大约150 KV 下工作，结果使电流减小大约7．5倍。由于电缆中的磁力与电流和磁通 密度(B)的乘积成正比，因此磁力也可减小大约7．5倍。另外，在这 个例子中，半导电材料的量也可节约大约7．5倍。同样，冷却损失也可 大大减少。所有这些因素都提高了SMES装置在经济上的吸引力。
本发明不是仅限于高温超导。由于在磁能储存装置中的磁场强度 大，因此即使低温超导体，根据其形式的不同，需要在1～15K温度范 围内工作的低温恒温器，但低温超导体仍是有吸引力的。众所周知的超 导体的例子是以铌，诸如NbTi，Nb3Sn和Nb3Al为基础制成的。其他 超导体的例子为V3Ga和Nb3Ge。最普遍使用的超导体是NbTi，它可以 用于磁场密度大约为在4．2 K温度下9泰斯拉以下(或在1．8K温度下为 11个泰斯拉)的场合。在更高的磁场密度下，不能使用NbTi，要用Nb3Sn代替。