CN101036242B - 具有带状高越变温度超导印制导线的电阻式限流装置 - Google Patents

具有带状高越变温度超导印制导线的电阻式限流装置 Download PDF

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Abstract

限流装置包括具有带状超导体的印制导线(2)，其结构(7)包含衬带(3)、由AB2Cu3OX类型的高Tc超导材料构成的超导层(5)、至少一个设置在衬带(3)与超导层(5)之间的绝缘缓冲层(4)以及敷设于上面的金属覆盖层(6)。通过至少一个至少在所述结构(7)的一个纵侧设置在所述覆盖层(6)与衬带(3)之间的由普通导电的接触材料制成的接触元件(9，10)应该使限流装置达到预定的普通导电的限流状态。

Description

具有带状高越变温度超导印制导线的电阻式限流装置
技术领域
本发明涉及一种电阻式超导限流装置，其印制导线(Leiterbahn)由带状超导体构成，带状超导体的氧化高Tc超导材料为AB2Cu3OX类型的，其中A为至少一种包含钇的稀有土族金属以及B为至少一种碱土金属。
背景技术
欧洲专利申请EP0523374A1公开了一种相应的限流装置。
自1986年以来已公知一些具有可超过77K的高越变温度Tc的超导金属氧化物，这些超导金属氧化物因此也称为高Tc超导材料或HTS材料，并尤其允许采用液态氮(LN2)冷却技术。这样的金属氧化物尤其包括以特殊的材料族、例如AB2Cu3OX类型为基的铜酸盐，其中A为至少一种包含钇的稀有土族金属而B为至少一种碱土金属。该所谓1-2-3-HTS类型的材料族的主要代表是所谓的YBCO(Y1Ba2Cu3Ox，其中，6.5≤x≤7)。
人们尝试将这些已知的HTS材料为不同的用途沉积在不同的基底上，同时通常力求尽可能相纯的超导材料。由此对于导体应用尤其采用金属的基底(例如参见EP0292959A1)。
在相应的导体结构中HTS材料通常不是直接沉积在用作基底的载体带上，而是首先用至少一个薄的也称为缓冲层的中间层覆盖该衬带。该具有在1μm数量级内厚度的缓冲层应该一方面能防止金属原子从衬带扩散到HTS材料中，另一方面该缓冲层应该能够实现HTS材料的织构结构。相应的缓冲层通常由金属、例如锆、铈、钇、铝、锶或镁的氧化物或多种这些金属的混合晶体构成并因此是绝电的。由此只要超导材料过渡到普通导电状态(所谓的“Quenchen”)，在相应的导电的印制导线中就会出现问题。在此超导体首先成段地具有阻抗并因此具有电阻R，例如超导体通过其超导材料超过跃变温度Tc(在所谓的“热点(Hot Spots)”或局部骤冷区域内)而加热，并且多数情况下会继续加热，致使层烧断。
基于这样的问题已知，直接在HTS导电层上敷设一层额外的由导电性能良好的可承载HTS材料的材料、例如Au或Ag的金属覆盖层，作为防烧断的分路(Shunt)。这样的话，该HTS材料与所述金属覆盖层保持导电的平面式接触(参见DE4434819C)。
在由文本开头所述的欧洲专利申请文件EP0292959A1中所获知的限流装置中采用了另一种类型的带状超导体。在此印制导线由一种具有确定尺寸的超导板材制成，为此这样加工出侧向的缝隙，使得形成蛇曲形形状。因为在这种结构中未设有普通导电的覆盖层，因此在那里始终存在在热点区域内烧断的危险。
由于还与分路一起存在热点或局部骤冷区域，因此电压不均匀地沿超导层分布。而只要端部被附加的电压隔绝，在带有超导层的衬带中在端部附加的电压U就均匀地沿整个长度降低或者位于一个不确定的中间电位上，其结果或许可能是从印制导线经过缓冲层到基底的电压差。由于该层厚度微小而不可避免地导致电击穿并进而导致逐点地损坏缓冲层并损坏超导层。典型的处于20至100伏特数量级内的电压就足以对1μm厚度的缓冲层造成电击穿。那么特别在要通过相应的导体带建立电阻式限流装置时，就产生了相应的问题。确切地说，在这样的装置中将从超导状态到普通导电状态的过渡用于在短路时限流。在此并不能顺利地实现，使缓冲层对于这样装置通常采用的在kV范围内的工作电压达到足够耐压。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，在具有本文开头所述特征的电阻式超导限流装置中不仅要避免在热点区域内出现烧断的危险，而且在采用缓冲层时要排除在限流情况下骤冷时发生电击穿。
本发明涉及一种电阻式超导限流装置，其印制导线由带状超导体构成，该带状超导体的氧化高越变温度超导材料为AB2Cu3Ox类型的，其中A为至少一种包含钇的稀有土族金属以及B为至少一种碱土金属，该电阻式超导限流装置具有带状超导体的结构，该结构至少包含由普通导电的基底金属构成的衬带、由高温超导材料构成的超导层、至少一个设置在所述衬带与超导层之间的由绝缘的氧化缓冲材料构成的缓冲层以及在所述超导层上敷设的由普通导电的覆盖金属构成的覆盖层。此外，在所述带状超导体结构的至少一个纵侧上在所述覆盖层与衬带之间设有至少一个由普通导电的接触材料制成的接触元件，其中，对于所述限流装置的普通导电的限流状态适用于下列关系式：
RK＞3·RL，
其中，RL为不带有接触元件的导体结构沿所述印制导线全长的电阻，以及RK为所述至少一个接触元件沿印制导线全长的电阻。
在此，可以将带状超导体供限流装置在超导与普通导电状态之间转换过程所用的长度理解为所述全长。其中，RL由衬带、覆盖层的电阻以及超导层在其普通导电情况下最大可能的电阻的并联电路组成。如果采用多个接触元件，则这些电阻同样构成了一个具有总电阻RK的并联电路。该数值RK可以以已知的方式通过对所述至少一个接触元件的材料选择或其材料的电阻率ρ以及通过厚度或可供使用的导电横截面来进行调整。
与限流装置的这种构成相关的优点尤其在于，所述金属的衬带和普通导电的覆盖层以及进而还有与其电镀相连的超导层沿电流方向看至少在部分区域内沿结构的长度处于相互的电接触中并且因此即便在骤冷的情况下也能位于一个唯一确定的电位上。以此方式防止通过缓冲层发生击穿。
在所建议的限流装置中还可以单独或者组合地附加采用下列措施：
-对于在至少一个纵侧在所述覆盖层与衬带之间的至少一个接触元件而言可以适用于下列关系式：
ρK/dK＞3·(dS/ρS+d6/ρ6)-1
其中，ρK、ρ6以及ρS为所述接触元件、覆盖层或衬带的材料的电阻率，以及dK、d6及dS为所述接触元件、覆盖层或衬带的材料的厚度。在此基于下述思想，即，所述衬带对(不带有接触元件的)导体结构的电阻RL有主要贡献。通常该电阻必须足以实现有效地限流。
-通常所述至少一个接触元件的平均厚度小于1μm，优选小于0.5μm。确切地说，相应薄的层对于充分电连接而言已有利地足以满足，因为通过这些层只实现电连接，而不导通较大的电流。
-尤其可以采用Au、Ag或具有所述各元素或至少另一种合金成分的合金作为所述至少一个接触元件的材料。相应的接触元件可以例如通过焊接方法设置在所述导体结构的纵侧或借助于钎料制成。因为只在侧面实施焊接，因此相应地降低了损坏HTS材料的危险。
-所述接触元件尤其优选地可以设计为全方位地环绕所述导体结构的包封元件。
-一种这样的包封元件可以设计为编织物或缠绕形式或包裹形式。
-取而代之，也可以将包封元件设计为电镀层。这样的涂层因为只要求较小的厚度，因此可以以特别简单及有利于保护HTS材料的方式制造。
本发明限流装置的其他有利的扩展设计可以从上文未述及的从属权利要求中获知。
附图说明
下面参照附图借助于本发明限流装置的优选实施方式对本发明进行详细阐述。在此分别以极为简化的形式在附图中示出：
图1以倾斜俯视图示出所述限流装置的YBCO带状导体的结构；
图2以横截面视图示出具有第一种实施方式的接触元件的该带状导体；以及
图3以横截面视图示出具有另一种实施方式的接触元件的该带状导体。
其中在附图中对对应的构件采用相同的附图标记。
具体实施方式
在图1中示出的共同以附图标记2表示的带状导体从所谓的YBCO带状导体或“有YBCO外包皮的导体(YBCOcoated Conductor)”本身已公知的实施方式出发。在附图1中以附图标记
3表示由厚度d3或dS的普通导电的基底金属构成的衬带，
4表示由厚度d4的绝缘氧化缓冲材料构成的、敷设于其上的缓冲层，
5表示由厚度d5的YBCO构成的HTS层，
6表示作为保护和/或接触层由厚度d6的普通导电的覆盖金属构成的覆盖层，其也可以由多个紧密接触的层构成，以及
7表示由这四个部分构成的导体结构。
当然所述导体结构还可以包括其他本身已公知的层。
在此上述导体结构的各部分如下构成：
-由镍、镍合金或优质钢构成的具有大约20至250μm的厚度d3的金属衬带3，
-至少一个由一层或多层氧化物、例如CeO2或YSZ构成的具有大约0.1至1.5μm厚度d4的缓冲层或缓冲层系统，
-至少一个由YBCO构成的具有界于大约0.3至3μm之间厚度d5的HTS层，以及
-至少一个由Ag、Au或Cu构成的具有界于大约0.1μm至1mm之间厚度d6的金属覆盖层。尤其从稳定和强化的角度考虑，必要时该覆盖层也可以由多个金属层组成。
相应的带状导体具有几毫米至几厘米的宽度。其超导的导电性由YBCO层5决定，亦即由YBCO层5的临界电流密度决定，而热、机械及普通导电性能由于更大的厚度d3＝dS而由衬带3和覆盖层6起主导作用。其中衬带与缓冲层一起共同构成了一个用于YBCO近似单晶增长的底层。衬带材料和缓冲层材料允许在热膨胀系数和其结晶学的晶格常数方面与YBCO没有太大的不同。匹配性越好，无裂纹的层厚就越大以及YBCO的结晶性就越好。此外，对于在MA/cm2范围内的高临界电流密度期望尽可能平行地定向在相邻晶体中的晶轴。这要求至少在最上面的缓冲层内这样一种平面的定向，由此YBCO能够异质外延地增长。优选通过下述三种方法达到制造这样的近似单晶的柔性基质-缓冲系统：
-大多为YSZ或MgO在无织构(untextriert)的金属带上的所谓的“离子束辅助沉积(Ion Beam Assisted Deposition(IBAD))”；
-YSZ或MgO在无织构的金属带上的所谓的“倾斜基底沉积(inclinedSubstrate Deposition(ISD))”；
-所谓的“旋转辅助双轴向织构基底(Rolling Assisted Biaxially texturedSubstrates(RABiTS))”，亦即通过轧制和退火处理成为立方形状态的带有异质外延缓冲系统的基底。
在衬带上沉积的功能层4至6以本身公知的方式通过真空涂层方法(PVD)、气相的化学沉积(CVD)或化学溶液的化学沉积(CSD)制成。
当然导体结构7的各层之间还可以设有相对更薄的在制造该结构及沉积所述各层时尤其通过扩散和/或反应过程形成的中间层。
与对YBCO-薄层-限流器已知的陶瓷片状导体相比，在上述类型的带状导体中的衬带3是具有导电能力的，亦即其能够携载受限电流并起分路作用。但是在上面图3中所示的导体结构7中，在通常状态下使HTS层与衬带3通过至少一个缓冲层4相互绝缘。只要限流装置过渡到其边界状态，亦即成为普通导电的并沿印制导线建立起电压，就会快速地超过已知缓冲层材料的处于100kV/mm＝10V/0.1μm的击穿场强，亦即缓冲层4可能会不可控制地被击穿。基于该问题，优选在整个导体长度上在超导层5与金属衬带3之间设置足够好的电接触对于在本发明限流器中使用带状导体是有利的。
从图2的实施方式中可以看到一种通常相应的沿全长的贯穿接触。在此图1所示的导体结构7在至少一个纵侧设有接触元件9和/或10。该接触元件由导电性能良好的材料、如Ag、Au或Cu或具有所述各元素的合金制成。本发明所要解决的问题是，在各纵侧或纵边一方面确保超导层5和与其导电连接的普通导电的覆盖层6之间的电连接，以及另一方面确保超导层5与下方的普通导电的衬带3之间电连接。以此方式所述各部分在限流装置的各种运行状态下由于相互间的电连接而处于同一电位上。
有利地这样设计接触元件的材料横截面，即，使得该接触元件实际上并不作为用于受限电流的分路。这一点可以通过对接触元件的材料选择和/或平均厚度得以确保。适用尺寸设计规则：RK＞3·RL、优选RK＞10·RL。其中，RL为沿印制导线全长测量的不带有接触元件9、10的整个导体结构7的电阻。在此该电阻RL由衬带3、覆盖层6的电阻以及超导层3在其普通导电情况下最大可能的电阻的并联电路组成。RK为在全长上所有并联连接的接触元件9、10的电阻。
该数值RK可以以已知的方式通过对至少一个接触元件的材料选择或其材料的电阻率ρK以及通过厚度dK或可供使用的导电横截面来进行调整。通常应该符合：
ρK/dK＞3·(dS/ρS+d6/ρ6)-1。
其中，ρK、ρ6以及ρS为接触元件9和10、覆盖层6或衬带3的材料的电阻率，以及dK、d6及dS为所有接触元件、覆盖层6或衬带的材料的整体平均厚度。但是对于ρK/dK还可以有利地选择更高的数值，使得其大小至少是ρS/dS及ρ6/d6的五倍，优选至少是十倍。
在考虑上述关系式时，厚度dK通常小于1μm，优选小于0.5μm。
优选借助于焊接方法将相应的接触元件9和10设置到导体结构7的侧面上。当然在此也可以如在图2中所表示的那样，使相应的接触元件一起覆盖覆盖层6的上表面和/或衬带3的下表面的一部分。
按照图3，如果所述接触元件设计成全方位地包围所述导体结构7的包封元件，则也是可行的并且是特别有利的。一种相应的包封元件例如可以由金属丝编织物或金属丝缠绕或金属丝包裹制成或制成金属丝网。当然为此目的也可以采用金属带来替代金属丝。尤其有利的是，也可以借助于电镀涂层工序制成包封的接触元件11。具有上述数量级的较小厚度dK的相应各层可以以简单的方式并尤其在不损害超导层5的超导性能的情况下形成。
在上述实施方式中将YBCO作为用于超导层5的HTS材料的基础。当然也可以采用其他具有不同稀有土族金属和/或不同碱土金属的所谓1-2-3类型的HTS材料。这些材料的各组成成分也可以以本身公知的方式部分地通过其他不同的成分来代替。

Claims (12)

1.一种电阻式超导限流装置，其印制导线(2)由带状超导体构成，该带状超导体的氧化高越变温度超导材料为AB2Cu3Ox类型的，其中A为至少一种包含钇的稀有土族金属以及B为至少一种碱土金属，其特征在于，所述带状超导体的结构(7)至少包含
-由普通导电的基底金属构成的衬带(3)，
-由高越变温度超导材料构成的超导层(5)，
-至少一个设置在所述衬带(3)与超导层(5)之间的由绝缘氧化缓冲材料构成的缓冲层(4)，以及
-在所述超导层(5)上敷设的由普通导电的覆盖金属构成的覆盖层(6)，
至少在所述带状超导体的结构(7)的一个纵侧上在所述覆盖层(6)与衬带(3)之间设有至少一个由普通导电的接触材料制成的接触元件(9，10，11)，其中，对于所述限流装置的普通导电的限流状态适用于下列关系式：
RK＞3·RL
其中，RL为不带有接触元件的所述带状超导体的结构(7)在所述印制导线(2)全长上的电阻，以及RK为所述至少一个接触元件(9，10，11)沿全长的电阻。
2.按照权利要求1所述的限流装置，其特征在于，对于所述至少一个在至少一个纵侧上在所述覆盖层(6)与衬带(3)之间的接触元件(9，10，11)适用于下列关系式：
ρK/dK＞3·(dS/ρS+d6/ρ6)-1
其中，ρK、ρ6以及ρS为所述至少一个接触元件、覆盖层或衬带的材料的电阻率，以及dK、d6及dS为所述至少一个接触元件、覆盖层或衬带的材料的厚度。
3.按照权利要求1或2所述的限流装置，其特征在于，以下关系式成立：RK＞10·RL。
4.按照权利要求2所述的限流装置，其特征在于，以下关系式成立：ρK/dK＞10·(dS/ρS+d6/ρ6)-1。
5.按照权利要求1所述的限流装置，其特征在于，所述至少一个接触元件(9，10，11)的平均厚度(dK)小于1μm。
6.按照权利要求1所述的限流装置，其特征在于，所述至少一个接触元件(9，10，11)的平均厚度(dK)小于0.5μm。
7.按照权利要求1所述的限流装置，其特征在于，采用Ag、Au或Cu或具有所述各元素的合金作为所述至少一个接触元件(9，10，11)的材料。
8.按照权利要求1所述的限流装置，其特征在于，至少一个接触元件(9，10，11)借助于焊接方法设置或制造。
9.按照权利要求1所述的限流装置，其特征在于，所述接触元件(9，10，11)设计为全方位地环绕所述带状超导体的结构(7)的包封元件(11)。
10.按照权利要求9所述的限流装置，其特征在于，采用编织物或缠绕或包裹作为所述包封元件(11)。
11.按照权利要求9所述的限流装置，其特征在于，采用电镀层作为所述包封元件(11)。
12.按照权利要求1所述的限流装置，其特征在于，所述覆盖层(6)由多个金属层组成。
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