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Das Stammpatent Nr. 297. 832 betrifft eine Schaltstrecke für Starkstrom aus wenigstens einer supraleitfähi- gen, durch ihr Eigenmagnetfeld vom supraleitenden in den elektrisch normalleitenden Zustand schaltbaren Spu- le. Der Schaltvorgang beginnt bei einer solchen Schaltstrecke, wenn bei Strombelastung der Schaltstrecke eine bestimmte kritische magnetische Feldstärke und eine entsprechende Stromdichte erreicht werden. Der Supraleiter der Schaltstrecke kann bandförmig so angeordnet sein, dass das sich in der Spule ausbildende Eigenma- gnetfeld parallel zur Oberfläche des Bandes verläuft. Schaltungstechnische Massnahmen beim Einsatz derartiger
Schaltstrecken sind in"Eelektrotechnische Zeitschrift", Ausgabe A, Bd. 89 [1968], S. 335 bis 339, insbesondere S. 338, Bild 6 und S. 339 erläutert.
Schwierigkeiten beim Betrieb solcher Schaltstrecken sind vor allem dadurch bedingt, dass oft schon kleine Unterschiede in den Materialeigenschaften des Supraleiters und in der Ausbildung des magnetischen Feldes entlang dem bei hohen Spannungen viele Kilometer langen Schaltstreckensupraleiter den Übergang zunächst nur vereinzelter Stellen der Schaltstrecke vom supraleitenden in den normalleitenden
Zustand herbeiführen können. Und zwar werden zunächst diejenigen Stellen der Schaltstrecke normalleitend, deren kritisches Magnetfeld und kritische Stromdichte auf Grund der erwähnten Unterschiede in den Material- eigenschaften und der Ausbildung des magnetischen Feldes niedriger sind bzw. früher erreicht werden als die der andern Stellen der Schaltstrecke.
Diese vereinzelten, als erste in den normalleitenden Zustand übergehen- den Stellen können hiebei durchbrennen, was zur Zerstörung der gesamten Schaltstrecke führen kann. Dies ist besonders kritisch bei verhältnismässig langsamen Stromanstieg in der Schaltstrecke, beispielsweise bei weiter entfernten Kurzschlüssen bzw. bei geringerer Überlastung einzelner Netzteile.
Um eine einwandfreie Funktion der Schaltstrecke zu gewährleisten, ist im Stammpatent vorgeschlagen worden, in der Umgebung der Spule magnetische Abschirmungen aus supraleitfähigem Material derart vorzu- sehen, dass im supraleitenden Zustand der Abschirmungen die von der Spule bei Stromdurchfluss erzeugten ma- gnetischen Kraftlinien auf einen längeren Weg gezwungen sind als ohne Abschirmungen, so dass das Magnetfeld innerhalb der Spule kleiner ist als die niedrigste kritische magnetische Feldstärke an irgendeiner Stelle der
Spule. Wird in der Spule eine vorgegebene Stromstärke erreicht, bei welcher der Schaltvorgang ausgelöst wer- den soll, so wird infolge der mit dem Stromanstieg in der Spule verbundenen Erhöhung des Magnetfeldes die
Abschirmwirkung der Abschirmungen wenigstens teilweise zum Verschwinden gebracht.
Infolge der dabei auf- tretenden Verkürzungen der magnetischen Kraftlinien steigt das Magnetfeld innerhalb der Spule auf einen Wert oberhalb der höchsten kritischen magnetischen Feldstärke an irgendeiner Stelle der vom vorgegebenen Strom durchflossenen Spule an.
Da die Abschirmwirkung der supraleitenden Abschirmungen beim Überschreiten des kritischen Magnetfel- des der Abschirmungen sehr rasch verschwindet, durchläuft das Magnetfeld in der Spule auf Grund der Verkür- zung der magnetischen Kraftlinien praktisch sprungartig den kritischen Bereich, in welchem die kritischen Ma- gnetfeldstärken an den einzelnen Stellen der Spule streuen. Dadurch wird die gesamte Spule sehr schnell vom supraleitenden in den elektrisch normalleitenden Zustand übergeführt und ein Durchbrennen einzelner Stellen der Spule und die damit verbundene Zerstörung der Schaltstrecke verhindert.
Im Stammpatent sind verschiedene Beispiele für den praktischen Aufbau derartiger Schaltstrecken ange- geben worden. Dabei werden in der Regel die Schaltstreckenleiter in Form von Bändern aus supraleitendem Ma- terial, insbesondere Niob, auf isolierende Träger in Form von Platten, Zylindermänteln od. dgl. aufgebracht.
Dabei muss beim Aufwickeln des Supraleiters auf den Träger mit grosser Vorsicht gearbeitet werden, um Beschädigungen bzw. Abreissen zu vermeiden. Die Dicke der Niobbänder liegt beispielsweise in der Grössenordnung von etwa 1 bis 10 pm, die Breite bei wenigen Zentimetern.
Beim Aufbau der Schaltstrecken ist es weiter zweckmässig, darauf Rücksicht zu nehmen, dass man beim Schaltvorgang einen möglichst raschen Temperaturanstieg im Schaltstreckenleiter erhält. Gelangt man schnell in den Bereich hohen spezifischen Widerstandes, so werden die Gesamtverluste im Schaltstreckenleiter bis zum Abschalten durch die mechanischen Hilfsschalter kleiner. Ausserdem ist nur ein geringerer Aufwand für die Rückkühlung des Kühlmediums erforderlich.
Diese Betriebseigenschaften supraleitender Schaltstrecken stehen weitgehend im Gegensatz zu denen supraleitenden Spulen üblichen Aufbaus, da man dort in der Regel einen möglichst direkten Kontakt zwischen dem supraleitenden Material und dem Kühlmittel anstrebt. Bei einem solchen unmittelbaren Kontakt kann jedoch in einer supraleitenden Schaltstrecke die Temperatur im Schaltstreckenleiter während des Schaltvorganges nur relativ langsam ansteigen, da der Schaltstreckenleiter intensiv gekühlt wird. Dient als Kühlmittel flüssiges Helium, so kann es leicht zu einer stossartigen Heliumverdampfung kommen, bei welcher ein Druckstoss entsteht, der die Gesamtkonstruktion und insbesondere die Wand des Kryostaten belastet, in dem die Schaltstrecke angeordnet ist.
Verwendet man als Kühlmittel Helium in Gasform bei Temperaturen, die bei Atmosphärendruck geringfügig über 4, 20K liegen, so werden zwar solche Schockwirkungen vermieden und eine weniger intensive Kühlung erzielt, doch ist es schwierig, eine ausreichende elektrische Isolierung zu erreichen, die den auftretenden Windungsspannungen beim Durchlauf von Stosswellen sicher standhält.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die geschilderten Nachteile zu vermeiden und einen Aufbau des Supraleiters bei Schaltstrecken nach dem Hauptpatent anzugeben, der sowohl bei der Herstellung der Schaltstrecke als auch im Betrieb Vorteile bringt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der Supraleiter in wärmedämmendes Isoliermaterial eingebettet ist, dessen Dicke wenigstens auf einer dem Kühlmittel zugewandten Seite des Supraleiters so bemessen ist, dass der Supraleiter durch das Kühlmittel innerhalb der für die Schaltstrecke geforderten Wiedereinschaltzeit mit Sicherheit auf seine Betriebstemperatur abgekühlt ist.
Auf der andern Seite des bandförmigen Supraleiters kann das Isoliermaterial auch eine grössere Dicke aufweisen, die in erster Linie im Hinblick auf die angestrebte mechanische Festigkeit bemessen ist.
Bei einer vorteilhaftenAusführungsform der Schaltstrecke wird der bandförmige Supraleiter auf eine Kunststoffolie, beispielsweise aus Polyäthylenterephthalat, aufgebracht, beispielsweise durch Aufkleben an einzelnen Stellen. Der Supraleiter wird dann mit einer weiteren Kunstofffolie überdeckt. Beide Folien werden an den Rändern beispielsweise durch Verkleben oder Verschweissen miteinander verbunden, so dass der Supraleiter völlig von Isoliermaterial umschlossen ist. Die beiden Kunststoffolien können vorteilhaft verschieden dick sein.
Man kann jedoch auch den Supraleiter mit einer Isolierlackschicht überziehen und ihn auf eine Kunststofffolie aufbringen oder den Supraleiter allseitig mit einer Isolierlackschicht umhüllen.
Falls dies aus Herstellungsgründen erwünscht ist, kann der bandförmige Supraleiter auch aus mehreren, elektrisch parallelgeschalteten Teilbändern aufgebaut sein, die nebeneinander auf eine Kunststoffolie aufgebracht und mit Isoliermaterial überdeckt sind.
An Hand einiger Figuren und Ausführungsbeispiele soll die Erfindung noch näher erläutert werden.
Fig. l zeigt schematisch im Schnitt einen Ausschnitt einer beispielhaften Ausführungsform einer Schalt- strecke. Fig. 2 und 3 zeigen im Querschnitt weitere Ausführungsformen des erfindungsgemässen Schaltstreckenleiters,
In Fig. l ist ein Ausschnitt aus einer Spule einer Schaltstrecke im Schnitt dargestellt. Als Schaltstrecken- leiter dient ein supraleitendes Band-l-aus Niob, das eine Dicke von etwa 1 bis 10 Mm, vorzugsweise 3 bis
5 jum, haben und bis zu mehreren Zentimetern breit sein kann. Dieses Niobband-l-ist auf eine bandförmi- ge Polyäthylenterephthalatfolie --2-- mit einer Dicke von beispielsweise 10 bis 20 pm aufgeklebt.
Das Niob- band-l-ist mit einer weiteren bandförmigen Polyäthylenterephthalatfolie --3- überdeckt, die beispiels- weise etwa 6 bis 10 Mm dick sein kann. Die beiden Folien --2 und 3-- sind an ihren Rändern bei --4-- mitein- ander verschweisst, so dass das Niobband-l-vollständig von Kunststoff umschlossen ist. Das mit den Folien
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der Schaltstrecke fehlt daher die Kühlwirkung weitgehend, so dass im Niobband-l-ein steiler Temperatur- anstieg eintritt. Es verzögert sich auch die Wärmeabgabe an das Kühlmittel, so dass die dabei ansonsten ein- tretende stossartige Verdampfung ganz oder weitgehend vermieden wird.
Die Dicke der den Supraleiter umgebenden Kunststoffolie muss wenigstens auf einer dem Kühlmittel zugewandten Seite so bemessen werden, dass das Kühlmittel im Stande ist, innerhalb der geforderten Wiederein- schaltzeit die Rückkühlung des Supraleiters auf die Betriebstemperatur von beispielsweise etwa 4 K zu erzielen.
In dem in Fig. l dargestellten Ausführungsbeispiel, bei dem die Dicke der Folie -3- entsprechend bemessen ist, erreicht nach einem Schaltvorgang die Schaltstrecke in Sekundenbruchteilen wieder die für den supraleitenden Betriebszustand des Bandes-l-erforderliche Temperatur.
Hiezu sei ein Anwendungsbeispiel zahlenmässig kurz wiedergegeben. Es sei angenommen, dass beim Ansprechen der Schaltstrecke vor dem Abschalten durch den mechanischen Hilfsschalter innerhalb von etwa 50 msec das Niobband eine Temperatur von etwa 100 K erreicht. Nimmt man eine mittlere Wärmeleitfähigkeit der Kunststoffolie von 6. 10-6 cal/cm. 0C. sec an und berücksichtigt, dass bei einer Dicke des Bandes-l-von etwa 3 pm ein Wärmeinhalt von rund 3 ; 10-2 Wsec pro cm der Bandoberfläche an das Kühlmittel abgegeben werden muss, so kommt man zu dem Ergebnis, dass bei einer Dicke der Folie-3-von etwa 8 pm innerhalb von etwa 0, 1 sec das Niobband-l-wieder in den Bereich der Supraleitfähigkeit mit hoher Strombelastbarkeit rückgekühlt werden kann.
Diese Zeit reicht völlig aus, um Kurzschlussfortschaltungen zu ermöglichen, bei denen mit Wiedereinschaltzeiten von 0, 2 bis 0, 5 sec gerechnet wird.
Die auf dem Träger --5-- aufliegende Kunststoffolie --2-- ist zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit des mit Isoliermaterial umhüllten Schaltstreckenleiters dicker bemessen als die an das Kühlmittel --6-- angrenzende Folie Falls zwischen dem Träger --5- und dem mitlsoliermaterial umhülltenSchaltstrecken- leiter-l-Zwischenräume für das Kühlmittel, beispielsweise in Form von schmalen in die Oberfläche des Trägers eingearbeiteten Kanälen, vorhanden sind, kann der Schaltstreckenleiter auch derart auf den Träger - aufgewickelt werden, dass die dünnere Kunststoffolie-3-dem Träger-5-zugekehrt ist.
Spielt die Geschwindigkeit der Rückkühlung keine ausschlaggebende Rolle, so besteht die Möglichkeit, die Dicke der Isolierstoffumhüllung weiter zu erhöhen, so dass die Auswirkungen eines Schaltvorganges auf das Kühlmittel noch weiter verringert werden. Eine erhöhte Dicke der Isolierstoffumhüllung kann insbesondere dann von
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Vorteil sein, wenn es auf eine Vergrösserung der Durchschlagsfestigkeit zur Beherrschung von Stossspannungen beim Durchlauf von Wanderwellen mit steiler Front ankommt.
Falls durch das Verschweissen der bandförmigen Kunststoffolien an den Rändern oder wegen der erforderlichen Durchschlagsfestigkeit der Abstand zwischen den nebeneinanderliegenden Windungen des bandförmigen Schaltstreckenleiters so grosse wird, dass infolge von zwischen den Windungen hindurchtretende Magnetfeldkomponenten die Stromdichte an den Bandrändern des Schaltstreckenleiters erhöht wird, können zur Führung des Magnetfeldes an den Stossstellen zwischen zwei nebeneinanderliegenden Windungen Streifen aus magnetisch leitendem, elektrisch isolierendem Material, beispielsweise aus Ferrit oder Ferrit-Kunststoff-Verbundmaterial, parallel zu den Bandwindungen angeordnet sein. In Fig. l sind solche, beispielsweise im Träger-S-versenkt
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und dann auf eine bandförmige Kunststoffolie -23- aufgeklebt ist.
Bei einer solchen Ausführungsform kann beispielsweise dieDicke derlsolierlackschicht-22-entsprechend denRückkühlbedingungen und die Dicke der Kunststoffolie -23- entsprechend der angestrebten mechanischen Festigkeit bemessen sein.
Bei der in Fig. 3 im Querschnitt dargestellten Ausführungsform eines Schaltstreckenleiters ist der bandför- mige Supraleiter aus mehreren, elektrisch parallelgeschalteten, nebeneinanderliegenden Teilbändern --31 bis 33-zusammengesetzt. Die Teilbänder-31 bis 33-sind nebeneinander auf eine bandförmige Kunststoffolie - 34-aufgeklebt. Eine weitere bandförmige Kunststoffolie -35- überdeckt die Teilbänder und ist an den Rändern bei-36-mit der Kunststoffolie-34-verschweisst. Eine solche Ausführungsform ist dann vorteilhaft, wenn der Schaltstreckenleiter eine grössere Breite haben soll, als die einzelnen verfügbaren supraleitenden Bänder.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Schaltstrecke für Starkstrom aus wenigstens einer supraleitfähigen, durch ihr Eigenmagnetfeld vom supraleitenden in den elektrisch normalleitenden Zustand schaltbaren Spule, bei welcher in der Umgebung der Spule magnetische Abschirmungen aus supraleitfähigem Material derart vorgesehen sind, dass im supraleitenden Zustand der Abschirmungen die von der Spule bei Stromdurchfluss erzeugten magnetischen Kraftlinien auf einen längeren Weg gezwungen sind als ohne Abschirmungen, so dass das Magnetfeld innerhalb der Spule kleiner ist als die niedrigste kritische Feldstärke an irgendeiner Stelle der Spule,
und dass beim Erreichen einer vorgegebenen Stromstärke in der Spule die Abschirmwirkung der Abschirmungen infolge des erhöhten Magnetfeldes wenigstens teilweise verschwindet und infolge der dabei auftretenden Verkürzung der magnetischen Kraftlinien das Magnet-
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Stelle der vom vorgegebenen Strom durchflossenen Spule ansteigt, wobei die Spule aus einem bandförmigen Supraleiter besteht, nach Patentschrift Nr. 297 832, dadurch gekennzeichnet, dass der Supraleiter (l) in wärmedämmendes Isoliermaterial (2,3) eingebettet ist, dessen Dicke wenigstens auf einer dem Kühlmittel (6) zugewandten Seite des Supraleiters so bemessen ist, dass der Supraleiter durch das Kühlmittel innerhalb der für die Schaltstrecke geforderten Wiedereinschaltzeit mit Sicherheit auf seine Betriebstemperatur abgekühlt ist.