瞬态电流抑制电阻及电力装置
阅读：43发布：2023-02-28
专利汇可以提供瞬态电流抑制电阻及电力装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开一种瞬态 电流 抑制 电阻 和电 力 故障保护装置，其中瞬态电流抑制电阻包括依次设置的第一绝缘层、第一 电极 层、激活层、第二绝缘层及第二电极层；其中，所述激活层采用 相变 材料 制成；所述第一绝缘层及第二绝缘层均设置有通孔，所述第一电极层设置于第一绝缘层的通孔中；所述激活层至少部分设置于所述第二绝缘层的通孔中。本发明技术方案在出现 故障电流 情况下，电阻随之增大，进而抑制了瞬态电流，同时恢复速度极快，只需在电阻两端施加一定强度持续时间小于1us的 电压 ，就可以使 相变材料 电阻恢复为低电阻的晶态。，下面是瞬态电流抑制电阻及电力装置专利的具体信息内容。
1.一种瞬态电流抑制电阻，其特征在于，包括依次设置的第一绝缘层、第一电极层、激活层、第二绝缘层及第二电极层；其中，所述激活层采用相变材料制成；
所述第一绝缘层及第二绝缘层均设置有通孔，所述第一电极层设置于第一绝缘层的通孔中；所述激活层至少部分设置于所述第二绝缘层的通孔中。
2.如权利要求1所述的瞬态电流抑制电阻，其特征在于，所述第一绝缘层与所述激活层中心重合，所述第一绝缘层面积大于所述激活层面积。
3.如权利要求2所述的瞬态电流抑制电阻，其特征在于，所述相变材料为包含锗锑蹄元素的半导体合金。
4.如权利要求1至3中任意一项所述的瞬态电流抑制电阻，其特征在于，所述瞬态电流抑制电阻还包括引线层，所述引线层设置于所述第一绝缘层的一侧。
5.如权利要求4所述的瞬态电流抑制电阻，其特征在于，所述引线层采用包含钛和钨元素的金属合金制成。
6.如权利要求5所述的瞬态电流抑制电阻，其特征在于，所述引线层与第二电极层均呈“工”字形状，所述引线层与第二电极层之间相互垂直设置。
7.如权利要求1至3中任意一项所述的瞬态电流抑制电阻，其特征在于，所述第一绝缘层及第二绝缘层采用二氧化硅制成。
8.如权利要求1至3中任意一项所述的瞬态电流抑制电阻，其特征在于，所述第二绝缘层设置有通孔，所述通孔的中心位置与所述第二绝缘层的中心位置重合。
9.如权利要求1所述的瞬态电流抑制电阻，其特征在于，所述第一绝缘层、第一电极层、激活层、第二绝缘层及第二电极层的中心位置重合。
10.一种电力故障保护装置，其特征在于，所述电力故障保护装置包括如权利要求1至9中任意一项所述的瞬态电流抑制电阻。
瞬态电流抑制电阻及电力装置
技术领域
背景技术
[0002] 随着电网网架结构的不断加强及装机容量的增加，电气间的等效电气距离缩小，网络中故障电流水平也越来越高；直流输配电的快速发展亟待体积小、损耗低、快速可靠的故障限流技术；故障电流增大不仅给电网的安全稳定运行带来威胁，也影响对重要用户的持续、优质供电。故障电流的限制技术，对电力系统以及电力用户来说，是十分迫切且具有深远意义的。
[0003] 现有故障电流限制技术主要包括以下三种：
[0004] 1、基于热敏电阻的故障电流限制技术
[0005] 正温度系数电阻故障电流限制器应用于电力系统，在系统正常运行时电阻值很小，产生的焦耳热损耗不用专门的散热设备处理，通过和空气发生传导、对流、辐射等途径就能达到热平衡。当发生短路故障，电流超过临界电流值时，引起正温度系数电阻发热膨胀，热量来不及散发，其温度迅速增加。正温度系数电阻在μs时间内转变为高阻值电阻，起到限制短路电流的作用。
[0006] 2、超导型故障电流限制器
[0007] 超导材料在超导状态下电阻为零，一旦其临界温度TC、临界磁场强度HC，临界电流密度JC中任何一个参数被超过，就会失超转换为常电导状态，产生可观的电阻，基于此特点的故障电流限制其为超导型故障电流限制器。根据采用超导材料特性的不同，可分为低温超导故障电流限制器和高温超导故障电流限制器两类。高温超导材料工程应用的技术难度和经济成本明显优于低温超导材料，目前国内外对超导故障电流限制器的研究大多集中在高温超导材料领域。
[0008] 3、短路电流转移型故障电流限制器
[0009] 为了避免真空电弧电流自然转移的困难，采用了两次电流转移的限流方案，真空开关、电力电子开关和限流电阻三者相并联。系统正常运行时，真空开关闭合，导通正常负荷电流，避免功率损耗。系统发生短路故障时，真空开关快速开断，同时电力电子开关导通，电弧电流向电力电子开关转移。由于电力电子开关具有较低的导通管压降，电流转移较为容易。在电弧电流完成向电力电子开关的转移后，电力电子开关关断，电流再次转移到限流电阻。在两次电流转移过程中，最关键的是真空开关电弧电流向电力电子开关的转移。分析计算表明转移回路的电感和电弧电压对电流转移时间起关键影响。真空开关支路和GTO(门极可关断晶闸管)支路的电阻、电感参数对电流转移时间有不同的影响，降低GTO支路的电阻和电感对于缩短电流转移时间具有更重要的意义。
发明内容
[0011] 本发明的主要目的是提供一种瞬态电流抑制电阻，旨在减少电网回路恢复到低阻值的时间。
[0013] 所述第一绝缘层及第二绝缘层均设置有通孔，所述第一电极层设置于第一绝缘层的通孔中；所述激活层至少部分设置于所述第二绝缘层的通孔中。
[0014] 优选地，所述第一绝缘层与所述激活层中心重合，所述第一绝缘层面积大于所述激活层面积。
[0016] 优选地，所述瞬态电流抑制电阻还包括引线层，所述引线层设置于所述第一绝缘层的一侧。
[0017] 优选地，所述引线层采用包含钛和钨元素的金属合金制成。
[0018] 优选地，所述引线层与第二电极层均呈“工”字形状，所述引线层与第二电极层之间相互垂直设置。
[0020] 优选地，所述第二绝缘层设置有通孔，所述通孔的中心位置与所述第二绝缘层的中心位置重合。
[0021] 优选地，所述第一绝缘层、第一电极层、激活层、第二绝缘层及第二电极层的中心位置重合。
[0022] 为实现上述目的，本发明还提出一种电力故障保护装置，所述电力故障保护装置包括如上所述的瞬态电流抑制电阻。
[0023] 本发明技术方案通过依次设置的第一绝缘层、第一电极层、激活层、第二绝缘层及第二电极层，形成了一种瞬态电流抑制电阻。激活层采用相变材料制成，相变材料通过正常电流时，其内部温度在晶化温度和融化温度之下，材料的相态保持不变(即电阻较小的晶态)；当瞬态电流突然增加，相变材料内部温度升高到融化温度之上，相变材料进入熔融的非晶态，电阻增加，从而起到抑制瞬态故障电流的作用；当故障电流消失，在相变材料两端施加晶化操作脉冲，将相变材料恢复为晶态。本申请技术方案在出现故障电流情况下，电阻随之增大，进而抑制了瞬态电流，同时恢复速度极快，只需在电阻两端施加一定强度持续时间小于1us的电压，就可以使相变材料电阻恢复为低电阻的晶态。附图说明
[0024] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
[0025] 图1为本发明瞬态电流抑制电阻一实施例的剖视图；
[0026] 图2为本发明瞬态电流抑制电阻一实施例的俯视意图；
[0027] 图3为非晶态和晶态GST的伏安特性；
[0028] 图4为相变单元晶化/非晶化操作脉冲示意图；
[0030] 本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
[0031] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0032] 需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
[0033] 另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当人认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
[0034] 本发明提出一种瞬态电流抑制电阻。
[0035] 参照图1及图2，在本发明实施例中，该瞬态电流抑制电阻，包括依次设置的第一绝缘层、第一电极层、激活层、第二绝缘层及第二电极层；其中，所述激活层采用相变材料制成；所述第一绝缘层及第二绝缘层均设置有通孔，所述第一电极层设置于第一绝缘层的通孔中；所述激活层至少部分设置于所述第二绝缘层的通孔中。
[0036] 需要说明的是，第一绝缘层和第二绝缘层均不导电。第一电极层、激活层及第二电极层则能进行导电。第一绝缘层和第二绝缘的作用在于增加相邻层之间的安全距离，提高了瞬态电流抑制电阻的耐压水平。
[0037] 当瞬态电流抑制电阻接入电网中时，电流从第一电极层流入，经过激活层及第二电极层后流出，或者反方向亦可。
[0038] 本发明技术方案通过依次设置的第一绝缘层、第一电极层、激活层、第二绝缘层及第二电极层，形成了一种瞬态电流抑制电阻。激活层采用相变材料制成，相变材料通过正常电流时，其内部温度在晶化温度和融化温度之下，材料的相态保持不变(即电阻较小的晶态)；当瞬态电流突然增加，相变材料内部温度升高到融化温度之上，相变材料进入熔融的非晶态，电阻增加，从而起到抑制瞬态故障电流的作用；当故障电流消失，在相变材料两端施加晶化操作脉冲，将相变材料恢复为晶态。本申请技术方案基于相变材料电阻的故障电流限制技术，在出现故障电流情况下，电阻随之增大，进而抑制了瞬态电流，同时不存在恢复慢的问题，只需在电阻两端施加一定强度持续时间小于1us的电压，就可以使相变材料电阻恢复为低电阻的晶态。
[0039] 进一步地，所述第一绝缘层与所述激活层中心重合，所述第一绝缘层面积大于所述激活层面积。本实施例中，所述相变材料为包含锗锑蹄元素的半导体合金。
[0040] 参照图3，需要说明的是，在非晶态半导体化学和冶金学性质的基础上，非晶态半导体具有可逆电转换的阈值转换(Ovonic Threshold Switching，OTS)和存储转换(Ovonic Memory Switching，OMS)两种机理。OTS也被称作Ovonic阈值转换，指的是在给非晶态半导体施加一定大小的电场时，非晶态半导体能由高阻态转变为低阻态，这是一种场致可逆转换。OMS也被称作Ovonic存储转换，指的是由于非晶态半导体在阈值转换后电阻减小，使得流经的电流增大，从而产生更多的焦耳热，使非晶态半导体转变为多晶态。
[0041] 在众多相变材料体系中，以半导体合金锗锑蹄(GeSbTe,GST)系最为成熟，GST的伏安特性决定了相变材料的特性，图3为不同初始相态下的相变材料GST的伏安特性曲线。
[0042] 分析可知：
[0043] (1)相变介质初始态为晶态时，伏安特性曲线近似满足欧姆定理。在外加电压幅值逐渐增大的过程中，焦耳热在加热器/底电极与相变介质接触的局部缓慢聚集，使区域内相变介质的温度缓慢升高；当外加电压幅度达到图中“B”标志处时，聚集的焦耳热使区域内存储介质熔化；若突然撤去外加电压，区域内相变介质将快速冷却，内部原子因没有足够的时间进行重组，而处于非晶态，区域被非晶化。
[0044] (2)相变介质初始态为非晶态时，伏安特性曲线不再满足欧姆定理。当外加电阻幅值小于Vth(阈值电压)时，因此时区域内相变介质仍处于非晶态有着很高的电阻率，流经相变介质的电流较小；一旦外加电压幅值高于阈值电压，区域内相变介质将发生阈值转换，处于负阻态，对应伏安特性曲线上出现快速反向区域；继续加大外加电压幅值，焦耳热在加热器(底电极)与相变介质接触的局部缓慢聚集，区域内相变介质的温度缓慢升高；当外加电压幅值达到图中“A”标志处时，聚集的焦耳热使区域内相变介质发生自发晶化，后续伏安特性曲线与初始态为晶态情形基本重合。
[0045] (1)晶态->非晶态
[0046] 电脉冲的幅值达到图1中的GST伏安特性曲线“A”标志处，为实现相变介质的快速冷却，电脉冲维持时间较短且要有一个陡峭的下降沿，如图4中的(a)所示。施加的电脉冲在相变介质内产生焦耳热，由于幅值较大，相变介质的温度将高于其熔化温度Tm而被熔化，内部分子处于无序状态；又由于电脉冲的下降沿很陡峭，熔化的相变介质将被快速冷却，介质内部的无序状态原子因没有足够的时间进行重组被保存下来，相变介质由晶态变至非晶态。
[0047] (2)非晶态->晶态
[0048] 电脉冲的幅值达到图1中的GST伏安特性曲线的“B”标志处，为让内部原子有足够的时间进行多晶态重组，脉冲维持时间相对较长且下降沿相对平缓，如图4中的(b)所示。施加的电脉冲在相变介质内产生焦耳热，由于幅值相对较小，相变介质的温度将高于晶化温度Tg而低于熔化温度Tm，内部无序态原子将被重组，在脉冲维持时间较长的情形下，内部原子将最终恢复到有序的状态，相变介质由非晶态变至晶态。
[0049] 图5表示的是GST在不同退火温度下的电阻率变化情况，可以看出在温度为450℃时经过退火后，GST的晶态电阻率最小，和非晶态的电阻率相比较，达到6个数量级。从整个相变单元的角度看，考虑到上下电极的电阻率，非晶态和晶态相变单元的电阻率之比可以到4到5个数量级。
[0050] 进一步地，所述瞬态电流抑制电阻还包括引线层，所述引线层设置于所述第一绝缘层的一侧。本实施例中，所述引线层采用包含钛和钨元素的金属合金制成，例如TiW(钨化钛)。所述第一绝缘层及第二绝缘层采用SiO2(二氧化硅)制成。
[0051] 进一步地，所述引线层与第二电极层均呈“工”字形状，所述引线层与第二电极层之间相互垂直设置。如此，增加了外部电网与瞬态电流抑制电阻连接点，便于进行安装。
[0052] 本实施例中，所述第一绝缘层、第一电极层、激活层、第二绝缘层及第二电极层的中心位置重合。如此便于缩小该瞬态电流抑制电阻的占用空间位置，便于进行安装。
[0053] 基于相变材料的抑制电阻是一种“三明治”的结构(第二电极截面积较小)。采用多步骤薄膜沉积工艺技术和电子束光刻工艺完成基于相变材料的抑制电阻的研制。经过薄膜沉积、刻蚀工艺步骤后，抑制电阻由五层薄膜组成。
[0054] 电力系统短路故障的基本表现为电流的剧烈增加和系统电压的大幅度下降。例如，发电机出线端处三相短路时，电流最大瞬时值可能高达额定电流的10～15倍，绝对值达到几十kA甚至上百kA；相对地短路时，短路点电压降至零，短路点及其附近各点的电压明显降低短路故障对电力系统造成严重的负面影响。
[0055] 考虑利用GST材料电阻变化特性制备瞬态电流抑制电阻，将电流抑制电阻串联接入电网，故障电流抑制电阻在系统正常运行时表现为低阻抗和低损耗，在发生短路故障和线路出现超出正常范围的电流时，迅速(us级别)转变为高阻抗，从而限制短路电流。
[0056] 以10KV的配网系统为例，假如接地故障出现以前，三相电流瞬时值大约为100A，当短路故障出现后，无限流器接入的配电网测试系统中，相电流瞬时值可能达到5kA左右。
[0057] 如果使用瞬态电流抑制电阻放置在10kV配电网变电站的出线处，接地故障出现以前，由于限流装置的相变材料处于晶态，电阻趋于零，对系统运行无影响，当发生短路故障，电流瞬时值迅速升高，促使抑制电阻中的相变材料温度迅速升高，当超过熔化温度，相变材料会处于液态，由于相变材料内的原子处于无序的排列，电阻增加，起到限流作用，如果电阻增加到10Ω，故障电流被限制在500A左右。当故障切除，线路电流降低，相变材料的温度降到熔化温度以下且晶化温度以上，在一定时间内，非晶态(液态)的相变材料再次结晶，从而转化为晶态，此时，阻抗变小。
[0058] 本发明提出的基于相变材料电阻的故障电流抑制电阻，当出现较大故障电流，电阻随之增加，从而限制故障电流的上升，有利于继电保护的动作。
[0059] 本发明还提出一种电力故障保护装置，该电力故障保护装置包括瞬态电流抑制电阻，该瞬态电流抑制电阻的具体结构参照上述实施例，由于本电力故障保护装置采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。
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