DE10003725C5

DE10003725C5 - Resistive current limiting device with high-Tc superconductor material and method for producing and using the device

Info

Publication number: DE10003725C5
Application number: DE10003725A
Authority: DE
Inventors: Björn Dipl.-Phys. Heismann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2000-01-28
Filing date: 2000-01-28
Publication date: 2004-12-30
Anticipated expiration: 2020-01-29
Also published as: DE10003725C2; EP1250742A2; DE10003725A1; WO2001056089A3; WO2001056089A2

Abstract

Einrichtung (10, 11, 12) zur resistiven Strombegrenzung für Gleich- oder Wechselstromanwendungen, welche einen Trägerkörper (3) vorgegebener Dicke (D) enthält mit zwei gegenüberliegenden Flachseiten (3a, 3b), auf denen jeweils mindestens eine für einen vorgegebenen Nennstrom (I₁, I₂) ausgelegte streifenförmige Leiterbahn (M1, M2; M3, M4) vorgegebener Dicke angeordnet ist, die Noch-T_c-Supraleitermaterial enthält und an Endstücken kontaktiert ist, wobei die Leiterbahnen (M1, M2; M3, M4) auf den beiden Flachseiten (3a, 3b) spiegelbildlich exakt gegenüberliegen und so geschaltet sind, dass ihre gegenüberliegenden, parallel zueinander verlaufenden Leiterbahnteile (L_ji) parallele Stromführungsrichtungen aufweisen und eine Verstärkung der senkrechten Magnetfeldkomponenten (k₂, k₃) durch den in den Leiterbahnen (M1, M2; M3, M4) geführten Strom (I₁, I₂) erfolgt.Device (10, 11, 12) for resistive current limitation for direct or alternating current applications, which contains a carrier body (3) of predetermined thickness (D) with two opposite flat sides (3a, 3b), on each of which at least one for a predetermined nominal current (I ₁ , I ₂ ) designed strip-shaped conductor track (M1, M2; M3, M4) of a predetermined thickness is arranged, which still contains T- _c superconductor material and is contacted at end pieces, the conductor tracks (M1, M2; M3, M4) on the the two flat sides (3a, 3b) are exactly opposite each other in a mirror image and are switched so that their opposite, mutually parallel conductor track parts (L _ji ) have parallel current flow directions and an amplification of the vertical magnetic field components (k ₂ , k ₃ ) by the in the conductor tracks (M1 , M2; M3, M4) current (I ₁ , I ₂ ).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur resistiven Strombegrenzung für Gleich- oder Wechselstromanwendungen, welche einen Trägerkörper vorgegebener Dicke enthält mit zwei gegenüberliegenden Flachseiten, auf denen jeweils mindestens eine für einen vorgegebenen Nennstrom ausgelegte streifenförmige Leiterbahn vorgegebener Dicke angeordnet ist, die Hoch-T_c-Supraleitermaterial enthält und an Endstücken kontaktiert ist, wobei die auf den beiden Flachseiten angeordneten Leiterbahnen gegenüberliegende, parallel zueinander verlaufende Leiterbahnteile aufweisen. Eine entsprechende Strombegrenzungseinrichtung geht aus der EP 0 829 101 B1 hervor. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren und die Verwendung einer solchen Einrichtung.The invention relates to a device for resistive current limitation for direct or alternating current applications, which contains a carrier body of a predetermined thickness with two opposite flat sides, on each of which at least one strip-shaped conductor track of a predetermined thickness designed for a predetermined nominal current is arranged, the high T _c - Contains superconductor material and is contacted at end pieces, the conductor tracks arranged on the two flat sides having opposite conductor track parts running parallel to one another. A corresponding current limiting device emerges from the EP 0 829 101 B1 out. The invention further relates to a method and the use of such a device.

In bestehenden Wechselstrom-Versorgungsnetzen können Kurzschlüsse und elektrische Überschläge nicht mit Sicherheit vermieden werden. Bei solchen Störungsfällen steigt der Strom im betroffenen Stromkreis sehr schnell, d. h. in der ersten Halbwelle, auf ein Vielfaches seines Nennwertes an, bis er durch geeignete Sicherungs- und/oder Schaltmittel unterbrochen wird. Als Folge davon treten in allen betroffenen Netzkomponenten wie Leitungen, Sammelschienen, Schaltern und Transformatoren erhebliche thermische sowie mechanische Belastungen durch Stromkräfte auf. Da diese kurzzeitigen Belastungen mit dem Quadrat des Stromes zunehmen, kann eine sichere Begrenzung des Kurzschlussstromes auf einen niedrigeren Spitzenwert die Anforderungen an die Belastungsfähigkeit dieser Netzkomponenten erheblich reduzieren. Dadurch lassen sich Kostenvorteile erreichen, etwa beim Aufbau neuer als auch beim Ausbau bestehender Netze, indem durch einen Einbau von geeigneten Strombegrenzungseinrichtungen ein Austausch von Netzkomponenten gegen höher belastbare Ausführungsformen zu umgehen ist.In existing AC supply networks can short circuits and electrical flashovers not be avoided with certainty. In such malfunctions, the current in the affected Circuit very fast, d. H. in the first half wave, on a Multiples of its nominal value until it can be and / or switching means is interrupted. As a result, kick in all affected network components such as cables, busbars, Switches and transformers have significant thermal as well as mechanical Current loads on. Because these short-term loads with the square of the current increase, the short-circuit current can be safely limited a lower peak the demands on resilience significantly reduce these network components. This allows cost advantages achieve, for example when building new ones or expanding existing ones Networks by installing suitable current limiting devices an exchange of network components for more resilient embodiments deal with.

Mit supraleitenden Strombegrenzungseinrichtungen vom resistiven Typ kann in an sich bekannter Weise der Anstieg eines Wechsel- oder Gleichstroms nach einem Kurzschluss auf einen Wert von wenigen Vielfachen des Nennstromes begrenzt werden. Darüber hinaus ist eine solche Begrenzungseinrichtung kurze Zeit nach ihrem Abschaltvorgang wieder betriebsbereit. Sie wirkt somit wie eine schnelle, selbstheilende Sicherung. Dabei gewährleistet sie eine hohe Betriebssicherheit, da sie passiv wirkt, d. h. autonom ohne vorherige Detektion des Kurzschlusses und ohne aktive Auslösung durch ein Schaltsignal arbeitet.With resistive type superconducting current limiting devices can, in a manner known per se, increase an alternating or direct current after a short circuit to a value of a few multiples of the Rated current can be limited. About that In addition, such a limiting device is a short time after Switch-off process ready for operation again. It therefore acts like one quick, self-healing fuse. It ensures a high level of operational safety, since it looks passive, d. H. autonomously without prior detection of the Short circuit and without active triggering by a switching signal is working.

Resistive supraleitende Strombegrenzungseinrichtungen der eingangs genannten Art bilden eine seriell in den zu überwachenden Stromkreis einzufügende supraleitende Schaltstrecke. Dabei wird der Übergang wenigstens einer supraleitenden Leiterbahn vom praktisch widerstandslosen, kalten Betriebszustand unterhalb der Sprungtemperatur T_c des supraleitenden Materials in den normalleitenden Zustand über T_c hinaus (sogenannter "Quench") ausgenutzt, wobei der dann vorhandene elektrische Widerstand R_n der normalleitend gewordenen Leiterbahn den Strom auf eine akzeptable Höhe I = U/R_n begrenzt. Für den Schaltvorgang bei einem Kurzschluss, bei dem die Stromdichte j über den kritischen Wert j_c des Supraleitermaterials ansteigt, wird die Leiterbahn durch die Joule'sche Wärmeentwicklung über T_c hinaus erwärmt, wobei die Leiterbahn einen endlichen elektrischen Widerstand annimmt. In diesem begrenzenden Fall fließt dann in dem Stromkreis vorteilhaft ein verminderter Reststrom solange weiter, bis der Stromkreis z. B. mittels eines zusätzlichen mechanischen Trennschalters völlig unterbrochen wird. Ein entsprechender Strombegrenzungsvorgang ist sowohl für Wechselstrom- als auch für Gleichstro manwendungen möglich.Resistive superconducting current limiting devices of the type mentioned in the introduction form a superconducting switching path to be inserted serially into the circuit to be monitored. The transition of at least one superconducting conductor track from the practically resistance-free, cold operating state below the transition temperature T _{c of} the superconducting material to the normal conducting state beyond T _c (so-called "quench") is used, the electrical resistance R _{n of} the conductor path that has become normal conducting then being used limits the current to an acceptable level I = U / R _n . For the switching process in the event of a short circuit, in which the current density j rises above the critical value j _{c of} the superconductor material, the conductor track is heated beyond T _c by the Joule heat development, the conductor track assuming a finite electrical resistance. In this limiting case, a reduced residual current then advantageously continues to flow in the circuit until the circuit z. B. is completely interrupted by means of an additional mechanical disconnector. A corresponding current limiting process is possible for both AC and DC applications.

Supraleitende Strombegrenzungseinrichtungen mit bekannten metalloxidischen Hoch-T_c-Supraleitermaterialien (nachfolgend verwendete Abkürzung: HTS-Materialien), deren T_c so hoch liegt, dass sie bei normalen Druckverhältnissen mit flüssigem Stickstoff (LN₂) von 77 K im supraleitenden Betriebszustand zu halten sind, zeigen vorteilhaft die gewünschte schnelle Zunahme des elektrischen Widerstandes beim Überschreiten ihrer kritischen Stromdichte j_c. Die damit verbundene Erwärmung über T_c und somit die Strombegrenzung geschehen dabei in hinreichend kurzer Zeit, so dass der Spitzenwert des Kurzschlussstromes auf einen Bruchteil des unbegrenzten Stromes, z. B. auf den 3- bis 10fachen Wert des Nennstromes begrenzt werden kann. Da im allgemeinen der supraleitende Strompfad in gut wärmeleitendem Kontakt mit einem geeigneten Kühlmittel steht, ist in verhältnismäßig kurzer Zeit nach einem solchen Quench eine Rückführung in den supraleitenden Betriebszustand möglich.Superconducting current limiting devices with known metal oxide high-T _c superconductor materials (abbreviation used below: HTS materials), the T _{c of which is} so high that they can be kept in the superconducting operating state under normal pressure conditions with liquid nitrogen (LN ₂ ) of 77 K, advantageously show the desired rapid increase in electrical resistance when its critical current density j _{c is} exceeded. The associated heating via T _c and thus the current limitation take place in a sufficiently short time so that the peak value of the short-circuit current to a fraction of the unlimited current, for. B. can be limited to 3 to 10 times the value of the nominal current. Since the superconducting current path is generally in good thermal contact with a suitable coolant, it is possible to return to the superconducting operating state in a relatively short time after such a quench.

Mit der aus der eingangs genannten EP 0 829 101 B1 zu entnehmenden Strombegrenzungseinrichtung sind entsprechende Anforderungen zu erfüllen. Die bekannte Einrichtung weist einen Trägerkörper aus einem elektrisch isolierenden Material wie z. B. aus Y-stabilisiertem ZrO₂ (sogenanntes YSZ) oder aus Glas auf. Gemäß einer speziellen Ausführungsform können auf jeder der beiden gegenüberliegenden Flachseiten dieses Trägerkörpers unmittelbar oder über eine dünne Zwischenschicht ein metalloxidisches HTS-Material in Form einer zu wenigstens einer streifenförmigen Leiterbahn strukturierten Schicht aufgebracht sein. Die Leiterbahn kann dabei als Mäander (vgl. EP 0 523 374 B1 ) oder als Spirale oder Spule (vgl. EP 0 503 448 A2 ) gestaltet sein. An ihren Enden ist jede Leiterbahn mit weiteren, normalleitenden Anschlussleitern zur Einspeisung bzw. Abnahme des zu begrenzenden Stromes oder zur Verschaltung einzelner Leiterbahnen untereinander großflächig mittels Löt-, Press- oder Federkontakten kontaktierbar.With the from the above EP 0 829 101 B1 Corresponding requirements must be met for the current limiting device to be removed. The known device has a carrier body made of an electrically insulating material such as. B. from Y-stabilized ZrO ₂ (so-called YSZ) or from glass. According to a special embodiment, a metal oxide HTS material in the form of a layer structured into at least one strip-shaped conductor track can be applied to each of the two opposite flat sides of this carrier body directly or via a thin intermediate layer. The conductor track can be used as a meander (cf. EP 0 523 374 B1 ) or as a spiral or coil (cf. EP 0 503 448 A2 ) be designed. At the ends of each track is white Other, normally conductive connection conductors for feeding in or taking off the current to be limited or for interconnecting individual conductor tracks can be contacted over a large area by means of solder, press or spring contacts.

Gegebenenfalls kann bei der bekannten Strombegrenzungseinrichtung zum Schutz ihres HTS-Materials gegen Umwelteinflüsse wie Feuchtigkeit zumindest das supraleitende Material mit einer isolierenden Schicht abgedeckt sein. Es sind aber auch Ausführungsformen von Strombegrenzungseinrichtungen unter Verwendung von HTS-Material bekannt, bei denen die Leiterbahnen mit normalleitendem Material abgedeckt oder anderweits parallelgeschaltet sind, die als sogenannter Shunt-Widerstand wirken (vgl. EP 0 345 767 B1 ).If necessary, in the known current limiting device to protect its HTS material against environmental influences such as moisture, at least the superconducting material can be covered with an insulating layer. However, embodiments of current limiting devices using HTS material are also known, in which the conductor tracks are covered with normally conductive material or are otherwise connected in parallel and act as a so-called shunt resistor (cf. EP 0 345 767 B1 ).

Bei Ausführungsformen von Strombegrenzungseinrichtungen der eingangs genannten Art mit einer Anordnung von Leiterbahnen zu beiden Seiten eines Trägerkörpers ist davon auszugehen, dass diese auf den beiden Flachseiten angeordneten Leiterbahnen direkt gegenüberliegende bzw. übereinander angeordnete, parallel verlaufende Leiterbahnteile aufweisen. Zur Reduzierung der von diesen gegenüberliegenden Leiterbahnteilen verursachten Wechselstromverluste soll gemäß der EP 0 731 986 B1 eine antiparallele Stromführung in den gegenüberliegenden Leiterbahnteilen vorgesehen werden. In embodiments of current limiting devices of the type mentioned at the outset with an arrangement of conductor tracks on both sides of a carrier body, it can be assumed that these conductor tracks arranged on the two flat sides have directly opposite or superposed, parallel conductor track parts. To reduce the alternating current losses caused by these opposite conductor track parts, according to the EP 0 731 986 B1 antiparallel current routing can be provided in the opposite conductor track parts.

Aus der US 4 994 932 A ist eine Einrichtung zur resistiven Strombegrenzung zu entnehmen, die mehrere modulartig aneinanderzufügende Trägerkörper mit jeweils gegenüberliegenden Flachseiten enthält, auf denen Leiterbahnen aus HTS-Material mäanderförmig angeordnet sind. Die auf den gegenüberliegenden Flachseiten jedes Trägerkörpers verlaufenden Leiterbahnen können so angeordnet und hintereinander geschaltet sein, dass diese nur mit ihren länger ausgedehnten Teilen der Mäanderform parallel gegenüberliegen und dort die gleiche Stromführungsrichtung aufweisen. Das von den beiden Leiterbahnen gemeinsam hervorgerufene Magnetfeld ist jedoch insbesondere in den seitlichen, schmäleren Umkehrbereichen der Mäanderform verhältnismäßig inhomogen.From the US 4,994,932 A A device for resistive current limitation can be seen which contains a plurality of carrier bodies to be joined together in a modular manner, each with opposite flat sides, on which conductor tracks made of HTS material are arranged in a meandering manner. The conductor tracks running on the opposite flat sides of each carrier body can be arranged and connected in series in such a way that they only lie parallel to one another with their longer extended parts of the meandering shape and have the same direction of current flow there. The magnetic field produced jointly by the two conductor tracks is, however, relatively inhomogeneous, particularly in the lateral, narrower reversal areas of the meandering shape.

Im Kurzschlussfall, d. h. während der Belastung mit einem Überstrom I > I_n(I_n = Nominalstrom), ist ein räumlich und zeitlich möglichst homogener Übergang der Fläche der HTS-Leiterbahnen vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand ausschlaggebend für eine Maximierung der zu schaltenden Nennleistung P_n = U_n × I_n/2^0,5. Je mehr Fläche praktisch gleichzeitig mit ihrem normalleitenden Widerstand zur Strombegrenzung beiträgt, desto geringer sind Temperaturgradienten und damit die limitieren den strukturellen Belastungen im HTS-Material.In the event of a short circuit, i.e. during the load with an overcurrent I> I _n (I _n = nominal current), a spatially and temporally homogeneous transition of the area of the HTS conductor tracks from the superconducting to the normal conducting state is decisive for maximizing the nominal power P to be switched _n = U _n × I _n / 2 ^0.5 . The more surface practically contributes to the current limitation with its normal conducting resistance, the lower the temperature gradients and thus the limit the structural loads in the HTS material.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, die Strombegrenzungseinrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen dahingehend auszugestalten, dass die räumliche und zeitliche Homogenisierung des Übergangs der HTS-Fläche (Quenchs) im Kurzschlussfall weiter verbessert wird. Ferner soll ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Strombegrenzungseinrichtung sowie eine besondere Verwendung derselben angegeben werden.task It is the present invention, the current limiting device with the characteristics mentioned at the beginning, that the spatial and temporal homogenization of the transition of the HTS area (quenchs) in the Short circuit case is further improved. A procedure is also intended for the production of such a current limiting device and a special use of the same can be specified.

Die sich auf die Einrichtung beziehende Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen ge- löst.The task related to the device is inventively with the features specified in claim 1 solved.

Die mit dieser Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Strombegrenzungseinrichtung verbundenen Vorteile sind darin zu sehen, dass mit der parallelen Stromführung in den gegenüberliegenden Leiterbahnteilen eine Verstärkung der von dem in ihnen geführten Strom verursachten senkrechten Magnetfeldkomponente zu erreichen ist; diese Verstärkung trägt vorteilhaft zu einem frühzeitigen Aufbau eines Widerstandes in einer gegenüber antiparalleler Stromführungsrichtung vergleichsweise größeren Fläche bei. Das Schaltverhalten der gegenüberliegenden Leiterbahnteile wird dabei quasi synchronisiert. Man erhält so eine serielle Homogenisierung des Schaltverhaltens, d. h., durch die magnetische Kopplung seriell geschalteter Bahnen schalten beide früher mit größerer Fläche. Die Verbesserung der Homogenität des Schaltprozesses geschieht dabei allein durch die Anordnung der Leiterbahnen bzw. Schaltelemente und ihre vorbestimmten Stromführungsrichtung. Damit wird die Schalthomogenität sowie -leistung erhöht und/oder eine Senkung der Anforderungen an das HTS-Material erreicht.The with this configuration of the current limiting device according to the invention related benefits can be seen in that with the parallel current leadership in the opposite Conductor parts a reinforcement that of the one in them Achieve vertical magnetic field component caused by current is; this reinforcement is beneficial at an early stage Construction of a resistor in a direction opposite to the current carrying direction comparatively larger area. The switching behavior of the opposite Conductor parts are quasi-synchronized. You get one serial homogenization of switching behavior, d. i.e., through the Magnetic coupling of series-connected tracks both switch earlier larger area. The Improve homogeneity the switching process is done solely by the arrangement of the Conductor tracks or switching elements and their predetermined current direction. This ensures the switching homogeneity as well as performance increased and / or a reduction in the requirements for the HTS material.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Strombegrenzungseinrichtung gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.advantageous Refinements of the current limiting device according to the invention go from the dependent claims out.

Hat jede Leiterbahn auf einer Seite des Trägerkörpers mehrere benachbarte, parallel verlaufende Leiterbahnteile, so wird in diesen Leiterbahnteile vorteilhaft eine antiparallel verlaufende Stromführungsrichtung vorgesehen. Dies gilt beispielsweise für bifilare Spiralformen oder Mäanderanordnungen, insbesondere auch für parallel geschaltete Mäanderleiterbahnen. Wesentlich ist auch hier, dass auf der gegenüberliegenden Flachseite befindliche, parallel verlaufende Leiterbahnteile Stromführungsrichtungen in dieselbe Richtung aufweisen. Auf diese Weise ist der gewünschte Magnetfeldverstärkungseffekt, der zu einer Homogenisierung des Schaltverhaltens führt, zu gewährleisten. Besonders einfach lässt sich die erfindungsgemäße Strombegrenzungseinrichtung dadurch herstellen, dass jede Leiterbahn aus einer auf die jeweilige Flachseite des Trägerkörpers aufgebrachten Schicht aus dem Supraleitermaterial herausgearbeitet wird. Entsprechende Strukturierungsmaßnahmen, gehen beispielsweise aus der eingangs genannten EP 0 829 101 B1 hervor.If each conductor track has a plurality of adjacent, parallel conductor track parts on one side of the carrier body, an anti-parallel current guiding direction is advantageously provided in these conductor track parts. This applies, for example, to bifilar spiral shapes or meandering arrangements, in particular also to meandering interconnects connected in parallel. It is also important here that parallel conductor track parts located on the opposite flat side have current carrying directions in the same direction. In this way, the desired magnetic field amplification effect, which leads to a homogenization of the switching behavior, is to be ensured. The current limiting device according to the invention can be produced particularly easily by machining each conductor track from a layer of the superconductor material that is applied to the respective flat side of the carrier body. Corresponding structure measures, for example, go from the above EP 0 829 101 B1 out.

Mehrere erfindungsgemäße Strombegrenzungseinrichtungen lassen sich besonders vorteilhaft als Bausteine in einer Strombegrenzeranordnung verwenden. Entsprechende, prinzipiell aus der EP 0 829 101 B1 ebenfalls zu entnehmende Strombegrenzeranordnungen können so leicht an die jeweils zugrunde zu legenden Spannungs- oder Stromverhältnisse angepasst werden.Several current limiting devices according to the invention can be used particularly advantageously as building blocks in a current limiter arrangement. Corresponding, in principle from the EP 0 829 101 B1 Current limiter arrangements which can also be taken can thus be easily adapted to the voltage or current conditions to be used as a basis.

Für solche Strombegrenzeranordnungen werden insbesondere Leiterbahnteile vorgesehen, die parallel zu Leiterbahnteilen eines benachbarten Bausteins verlaufen und dieselbe Stromführungsrichtung aufweisen.For such Current limiter arrangements are provided in particular conductor track parts that run parallel to the conductor track parts of an adjacent building block and the same direction of current flow exhibit.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen noch weiter erläutert. Hierzu wird auf die schematische Zeichnung Bezug genommen. Dabei zeigenThe The invention will be further elucidated below on the basis of exemplary embodiments explained. For this purpose, reference is made to the schematic drawing. there demonstrate

1 bis 4 die Superposition der Eigenfelder zweier supraleitender Leiterbahnen, 1 to 4 the superposition of the eigenfields of two superconducting conductor tracks,

5 die Superposition der Eigenfelder von in mehreren Ebenen angeordneter Leiterbahnen, 5 the superposition of the eigenfields of conductor tracks arranged in several levels,

6 die Wechselwirkung zweier Leiterbahnen nach 3 während eines Strombegrenzungsvorgangs, 6 the interaction of two conductor tracks 3 during a current limiting process,

7 und 8 jeweils in einem Diagramm die Widerstandsentwicklung von Leiterbahnen nach den 3 und 4 sowie 7 and 8th in each case the development of resistance of conductor tracks according to the 3 and 4 such as

9 und 10 jeweils eine Leiterbahnanordnung einer erfindungsgemäßen Strombegrenzungseinrichtung. 9 and 10 each have a conductor track arrangement of a current limiting device according to the invention.

In den Figuren sind sich entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.In the figures are corresponding parts with the same reference numerals Mistake.

Die 1 bis 4 zeigen in schematischer Darstellung die Superposition der Eigenmagnetfelder zweier streifenförmiger Leiterbahnen oder Leiterbahnteile I_ji mit jeweils Nebeneinanderanordnung (1 und 2) und Untereinanderanordnung (3 und 4), wobei parallele oder antiparallele Stromführungsrichtungen vorgesehen sind. Die Stromführungsrichtung wird dabei jeweils in bekannter Weise durch die Zeichen "⊙" bzw. "⊗" veranschaulicht. Im Fall der 1 und 3 wird jeweils die von beiden Leitern verursachte senkrechte Komponente k₁ bzw. k₂ und k₃ des Magnetfeldes im jeweiligen seitlichen Zwischenraum z, im Fall der 2 und 4 die parallele Komponente k₄ bzw. k₅ an den zugewandten Oberflächen verstärkt, während die jeweils orthogonale Komponente abgeschwächt wird. Erfindungsgemäß werden Stromführungsrichtungen gewählt, die zu einer Feldverstärkung der senkrechten Komponente führen.The 1 to 4 show a schematic representation of the superposition of the intrinsic magnetic fields of two strip-shaped conductor tracks or conductor track parts I _ji , each arranged side by side ( 1 and 2 ) and one below the other ( 3 and 4 ), parallel or antiparallel current carrying directions are provided. The direction of current flow is illustrated in each case in a known manner by the characters "⊙" or "⊗". In the case of 1 and 3 is the vertical component k ₁ or k ₂ and k _{3 of} the magnetic field caused by both conductors in the respective lateral space z, in the case of 2 and 4 the parallel component k ₄ or k _{5 is} reinforced on the facing surfaces, while the orthogonal component is weakened. According to the invention, current guiding directions are selected which lead to a field strengthening of the vertical component.

5 zeigt eine Strombegrenzungseinrichtung mit erfindungsgemäßen Stromführungsrichtungen. Die allgemein mit 10 bezeichnete Einrichtung hat in mehreren Schichtebenen e_i, beispielsweise drei Schichtebenen e₁, e₂ und e₃ jeweils mehrere, beispielsweise drei nebeneinander liegende, parallel verlaufende Leiterbahnteile L_1i, I_2i und L_3i (mit i = 1, 2 oder 3). Dabei sind in jeder Schichtebene die Stromführungsrichtungen in den Leiterbahnteilen so gewählt, dass in jeweils benachbarten Leiterbahnteilen eine antiparallele Stromführung (gemäß 1) vorgesehen ist. Dementsprechend sind die Stromführungsrichtungen in den Leiterbahnteilen L_1i und L_3i parallel untereinander und antiparallel zu der in dem jeweils dazwischen liegenden Leiterbahnteil L21. In allen Schichtebenen liegen die einzelnen Leiterbahnteile direkt übereinander und haben jeweils die gleichen Stromführungsrichtungen wie in der Schichtebene e₁. Es ergibt sich so die erwünschte Verstärkung der senkrechten Magnetfeldkomponente. D. h., eine erfindungsgemäße Strombegrenzungseinrichtung kann auch in n > 2 Ebenen angeordnete Leiterbahnen aufweisen, wobei gegenüberliegende Leiterbahnteile elektrisch voneinander isoliert sein müssen. Auf eine Darstellung des oder der Trägerkörper wie z. B. Folien, Schichten oder Platten wurde in der Figur verzichtet. 5 shows a current limiting device with current carrying directions according to the invention. The generally with 10 The designated device has in several layer levels e _i , for example three layer _levels e ₁ , e ₂ and e _3, each having several, for example three adjacent, parallel conductor track _parts L _1i , I _2i and L _3i (with i = 1, 2 or 3). The current routing directions in the conductor track parts are selected in each layer level in such a way that an antiparallel current guide (according to 1 ) is provided. Accordingly, the current _{carrying directions} in the conductor track _parts L _1i and L _{3i are} parallel to one another and antiparallel to that in the conductor track part L21 lying between them. The individual conductor track parts lie directly one above the other in all layer levels and each have the same current flow directions as in layer level e ₁ . This results in the desired amplification of the vertical magnetic field component. That is, a current limiting device according to the invention can also have conductor tracks arranged in n> 2 levels, opposite conductor track parts having to be electrically insulated from one another. On a representation of the or the carrier body such. B. foils, layers or plates were omitted in the figure.

6 zeigt als Modell die Wechselwirkung zweier Leiterbahnteile L₁₁ und L₂₁ in einer Anordnung gemäß 3 während einer Strombegrenzung. Der obere Leiterbahnteil L₁₁ sei bereits im Flux-Flow-Bereich [mit (j(t) >> j_c1)] und dissipiert demzufolge Energie durch eine kollektive Bewegung der Flussfäden der überlagerten Eigenmagnetfelder in Richtung der Probenmitte. Daraus resultiert ein erhöhter magnetischer Druck der Feldlinien auf das noch weiter (teilweise) gepinnte Flussfadengitter im unteren Leiterbahnteil L₂₁, der deshalb (und aufgrund der nahezu verdoppelten Magnetfelddichte) früher in den Flux-Flow-Bereich gelangt. Die Stromdichten in den beiden Leiterbahnteilen L₁₁ und L₂₁ sind mit j_c1 bzw. j_c2 bezeichnet. 6 shows as a model the interaction of two conductor track parts L ₁₁ and L ₂₁ in an arrangement according to 3 during a current limit. The upper part of the conductor track L ₁₁ is already in the flux flow range [with (j (t) >> j _c1 )] and consequently dissipates energy through a collective movement of the flux threads of the superimposed intrinsic magnetic fields in the direction of the sample center. This results in an increased magnetic pressure of the field lines on the even further (partially) pinned flux filament grating in the lower conductor track part L ₂₁ , which therefore (and due to the almost doubled magnetic field density) reaches the flux flow area earlier. The current densities in the two conductor track parts L ₁₁ and L ₂₁ are denoted by j _c1 and j _c2 .

Aus den Diagrammen der 7 und 8 sind die zeitabhängigen Widerstandsverläufe R(t) für ein konkretes Kurzschlussexperiment (I_n = 215 A, U_n = 32,5 V) mit zwei streifenförmigen HTS-Leiterbahnen (YBCO-Streifen mit Breite 1 cm, Dicke 1,4 μm, Länge 8 cm) für verschiedene Leiterbahnanordnungen wiedergegeben. Folgende vier Anordnungen/Fälle wurde gewählt:

a) Nebeneinander-Anordnung mit antiparalleler Stromführung gemäß 1,
b) Nebeneinander-Anordnung mit paralleler Stromführung gemäß 2,
c) Übereinander-Anordnung mit paralleler Stromführung gemäß 3 und
d) Übereinander-Anordnung mit antiparalleler Stromführung gemäß 4.

From the diagrams of the 7 and 8th are the time-dependent resistance curves R (t) for a specific short-circuit experiment (I _n = 215 A, U _n = 32.5 V) with two strip-shaped HTS conductor tracks (YBCO strips with a width of 1 cm, a thickness of 1.4 μm, length 8 cm) for different conductor layouts. The following four orders / cases were chosen:

a) Side by side arrangement with anti-parallel current routing according to 1 .
b) Side by side arrangement with parallel current flow according to 2 .
c) Stacked arrangement with parallel current flow according to 3 and
d) stacked arrangement with anti-parallel current flow according to 4 ,

Dabei wurden die Materialeigenschaften, insbesondere die j_c-Verteilung (oder besser: Pinning-Kraft-Verteilung) und die Parameter des äußeren Strombegrenzerkreises wie Widerstände und Induktivitäten jeweils identisch gewählt. Dennoch ergibt sich entsprechend den Anordnungen gemäß den 1 bis 4 ein deutlich unterschiedlicher Verlauf der R(t)-Kurven. Dabei sind in diesen Diagrammen die Kurven durch ihre Anordnung und ihre Stromführungsrichtung gekennzeichnet: 7 zeigt die zeitabhängige Widerstandsentwicklung R(t) an zwei parallel nebeneinander angeordneten Leiterbahnen oder Leiterbahnteilen L₁₁(a), L₂₁(a) bzw. L₁₁(b), L₃₁(b) für die vorstehend unterschiedenen Fälle a) und b). In dem Diagramm sind die der Leiterbahn L₁₁ zuzuordnenden Kurven mit durchgezogenen Linien und die der danebenliegenden Leiterbahn L₂₁ bzw. L₃₁ zuzuordnenden Kurven mit punktierten Linien dargestellt. Das Diagramm zeigt, dass die antiparallele Stromführung einen höheren Gesamtwiderstand (Summe der Kurven L₁₁(a) und L₂₁(a)) nach sich zieht. Es ist nämlich zu beobachten, dass ein höherer Widerstand einer Leiterbahn (hier der Bahn L₃₁) bei paralleler Stromführung durch eine stärkere Aufheizung erzielt wird; d. h., die geschaltete Fläche ist bei antiparalleler Stromführung größer. Die antiparallele Stromführung sorgt somit für geringere transiente Temperaturgradienten und wird deshalb vorteilhaft für eine Nebeneinanderanordnung gewählt.The material properties, in particular the j _c distribution (or better: pinning force distribution) and the parameters of the outer current limiter circuit, such as resistances and inductors, were chosen identically. Nevertheless, according to the arrangements according to the 1 to 4 a clearly different course of the R (t) curves. The curves in these diagrams are characterized by their arrangement and direction of current flow: 7 shows the time-dependent development of resistance R (t) on two conductor tracks or conductor track parts L ₁₁ (a), L ₂₁ (a) or L ₁₁ (b), L ₃₁ (b) arranged in parallel next to one another for the cases a) and b) distinguished above , The diagram shows the curves to be assigned to the conductor track L ₁₁ with solid lines and the curves to be assigned to the adjacent conductor track L ₂₁ and L ₃₁ with dotted lines. The diagram shows that the antiparallel current flow results in a higher total resistance (sum of curves L ₁₁ (a) and L ₂₁ (a)). It can be observed that a higher resistance of a conductor track (here the track L ₃₁ ) is achieved with a stronger current through parallel heating; that is, the switched area is larger with anti-parallel current conduction. The antiparallel current flow thus ensures lower transient temperature gradients and is therefore advantageously chosen for a side-by-side arrangement.

8 zeigt in 7 entsprechender Darstellung die Widerstandsentwicklung R(t) für eine Übereinander-Anordnung (Rücken-an-Rücken-Anordnung) von zwei Leiterbahnen oder Leiterbahnteilen L₁₁(c), L₂₁(c) bzw. L₁₁(d), L₂₂(d) für die Fälle e) und d). Dabei sind die durchgezogenen Kurven der jeweils oberen Leiterbahn L₁₁(c) bzw. L₁₁(d) und die punktierten Kurven der jeweils unteren Leiterbahn L₂₁(c) bzw. L₂₂(d) zugeordnet. Bei paralleler Stromführung (Kurven L₁₁(c) und L₂₁(c)) schalten die Leiterbahnen deutlich früher, und der größere Flächenbeitrag spiegelt sich in einem mehr als verdoppelten Widerstandsverlauf wieder. Vergleicht man die geschalteten Flächenanteile, so muss die um etwa einen Faktor 5 geringere Fläche bei antiparalleler Stromführung entsprechend stärker thermisch belastet worden sein. 8th shows in 7 Corresponding representation shows the development of resistance R (t) for a stacked arrangement (back-to-back arrangement) of two conductor tracks or conductor track parts L ₁₁ (c), L ₂₁ (c) or L ₁₁ (d), L ₂₂ (d ) for cases e) and d). The solid curves are assigned to the respective upper conductor track L ₁₁ (c) or L ₁₁ (d) and the dotted curves to the respective lower conductor track L ₂₁ (c) or L ₂₂ (d). With parallel current flow (curves L ₁₁ (c) and L ₂₁ (c)), the conductor tracks switch much earlier, and the larger area contribution is reflected in a more than doubled resistance curve. If you compare the switched areas, the area that is smaller by a factor of 5 must have been subjected to a correspondingly higher thermal load with antiparallel current conduction.

9 zeigt eine Schrägansicht auf eine erfindungsgemäße, allgemein mit 11 bezeichnete Strombegrenzungseinrichtung. Zum Aufbau einer solchen Strombegrenzungseinrichtung für Gleich- oder Wechselstrom wird von an sich bekannten Ausführungsformen solcher Einrichtungen ausgegangen (vgl. z. B. die eingangs genannte EP 0 829 101 B1 ). Die Einrichtung umfasst dabei nicht dargestellte Hilfsmittel, wie elektrische Anschlüsse, Kältemittelversorgung, Gehäuse usw., und ist für einen Nenn- oder Betriebsstrom ausgelegt. Sie weist einen Trägerkörper 3 mit einer Dicke D und gegenüber liegenden Flachseiten 3a und 3b auf. Auf den Flachseiten kann gegebenenfalls jeweils eine Zwischenschicht, beispielsweise eine gegenüber dem HTS-Material diffusionshindernde Pufferschicht, aufgebracht sein. Auf jeder der beiden Flachseiten ist eine Leiterbahn M1 bzw. M2 in Mäanderform z. B. gemäß der DE 198 32 274 A1 aufgebracht. Die auf der vorderen Flachseite 3a liegende Leiterbahn M1 ist dabei in der Figur mit durchgezogenen Linien dargestellt, während die auf der rückwärtigen Flachseite 3b angeordnete Leiterbahn M2 durch gestrichelte Linien angedeutet ist. Die Leiterteile der beiden Mäander liegen dabei quasi spiegelbildlich exakt übereinander. Sie enthalten jeweils in einer Ebene liegende, parallele Leiterbahnteile L_j1 bzw. L_j2 (mit j = 1 bis 4), wobei der Strom gemäß den 1 und 5 in benachbarten Leiterbahnteilen eines Mäanders antiparallel verläuft. Demgegenüber wird in die beiden parallel übereinander liegenden Leiterbahnen M1 und M2 jeweils ein Strom I₁ bzw. I₂ von vorzugsweise gleicher Stromstärke und Richtung, beispielsweise durch eine entsprechende Parallelschaltung, eingespeist, so dass gemäß den 3 und 5 in parallel übereinander liegenden Leiterbahnteilen L_j1, L_j2 aus beiden Leiterbahnen jeweils die gleiche Stromführungsrichtung gegeben ist. So fließen z. B. in den Leiterbahnteilen L₄₁ und L₄₂ die Ströme I₁ und I₂ in dieselbe Richtung. 9 shows an oblique view of an inventive, generally with 11 designated current limiting device. For the construction of such a current limiting device for direct or alternating current, embodiments of such devices known per se are assumed (cf. for example the one mentioned at the beginning EP 0 829 101 B1 ). The device includes aids, not shown, such as electrical connections, refrigerant supply, housing, etc., and is designed for a nominal or operating current. It has a carrier body 3 with a thickness D and opposite flat sides 3a and 3b on. An intermediate layer, for example a buffer layer which prevents diffusion with respect to the HTS material, can optionally be applied to the flat sides. On each of the two flat sides is a conductor track M1 or M2 in a meandering shape z. B. according to the DE 198 32 274 A1 applied. The one on the front flat side 3a lying conductor track M1 is shown in the figure with solid lines, while that on the rear flat side 3b arranged conductor track M2 is indicated by dashed lines. The ladder parts of the two meanders lie exactly one above the other in a mirror image, so to speak. They each contain parallel conductor track _parts L _j1 and L _j2 (with j = 1 to 4) lying in one plane, the current according to 1 and 5 runs antiparallel in neighboring conductor track parts of a meander. In contrast, a current I ₁ or I ₂ of preferably the same current strength and direction is fed into the two conductor tracks M1 and M2 lying one above the other, for example by means of a corresponding parallel connection, so that according to FIGS 3 and 5 the same direction of current flow is given in each case in _mutually superposed conductor track _parts L _j1 , L _j2 from both conductor tracks. So flow z. B. in the conductor parts L ₄₁ and L _42, the currents I ₁ and I ₂ in the same direction.

Der Trägerkörper 3 kann nicht nur wie dargestellt durch einen planaren, sondern gegebenenfalls auch durch einen gekrümmten, wie z. B. rohrförmigen Substratkörper gebildet sein. Er besteht zumindest teilweise, d. h. wenigstens an seinen den HTS-Leiterbahnen zugewandten Flachseiten aus einem elektrisch nicht-leitenden (isolierenden) Material. Hierfür geeignete Materialien sind z. B. Keramiken wie MgO, SrTiO₃, Al₂O₃ oder Y stabilisiertes ZrO₂ (YSZ). Als Trägerkörpermaterialien kommen auch spezielle Gläser in Frage. Eine entsprechende Platte aus einem besonderen Flachglas kann beispielsweise eine Dicke D von einigen Millimetern haben, wobei im allgemeinen 0,1 mm ≤ D ≤ 10 mm ist. Daneben sind aber auch aus metallischem und darauf elektrisch isolierendem Material zusammengesetzte Trägerkörper geeignet. Insbesondere im Falle einer Verwendung von metallischen Teilen für den Trägerkörper ist eine Zwischenschicht aus einem elektrisch isolierenden Material erforderlich. Eine solche Zwischenschicht kann auch als Pufferschicht oder Diffusionsbarriere benötigt werden, um einerseits eine Wechselwirkung zwischen dem auf sie aufzubringenden HTS-Material und dem Trägerkörpermaterial zu unterbinden und andererseits eine Textur des aufzubringenden HTS-Materials zu fördern. Bekannte Pufferschichtmaterialien, die im allgemeinen mit einer Dicke zwischen 0,1 und 2 μm aufgebracht werden, sind YSZ, YSZ + CeO₂ (als Doppelschicht), CeO₂, MgO oder SrTiO₃.The carrier body 3 can not only as shown by a planar, but possibly also by a curved, such as. B. tubular substrate body. It consists at least partially, ie at least on its flat sides facing the HTS conductor tracks, of an electrically non-conductive (insulating) material. Suitable materials are e.g. B. ceramics such as MgO, SrTiO ₃ , Al ₂ O ₃ or Y stabilized ZrO ₂ (YSZ). Special glasses are also suitable as carrier body materials. A corresponding plate made of a special flat glass can, for example, have a thickness D of a few millimeters, generally 0.1 mm ≤ D 10 10 mm. In addition, however, carrier bodies composed of metallic and electrically insulating material thereon are also suitable. In particular if metallic parts are used for the carrier body, an intermediate layer made of an electrically insulating material is required. Such an intermediate layer can also be required as a buffer layer or diffusion barrier, on the one hand to prevent an interaction between the HTS material to be applied to it and the carrier body material and on the other hand to promote a texture of the HTS material to be applied. Known buffer layer materials, which are generally applied with a thickness between 0.1 and 2 μm, are YSZ, YSZ + CeO ₂ (as a double layer), CeO ₂ , MgO or SrTiO ₃ .

Als HTS-Materialien für auf die Flachseiten aufzubringenden Schichten, aus denen die einzelnen Leiterbahnen strukturiert werden können, oder für die in Lithographietechnik zu erstellenden Leiterbahnen kommen alle metalloxidischen Hoch-T_c-Supraleitermaterialien wie insbesondere YBa₂Cu₃O₇__x (sogenanntes "YBCO"), Bi₂Sr₂Ca-Cu₂O_8–x oder (Bi, Pb)₂Sr₂Ca₂Cu₃O_11–x in Frage. Selbstverständlich können von diesen Materialien einzelne oder mehrere Komponenten durch andere Elemente in an sich bekannter Weise teilweise oder vollständig substituiert sein. Die entsprechenden HTS-Schichten oder Leiterbahnteile werden mit an sich bekannten Verfahren auf dem Trägerkörper 3 bzw. einer ihn abdeckenden Zwischenschicht mit einer Dicke bis zu einigen Mikrometern aufgebracht und gegebenenfalls strukturiert.All metal oxide high-T _c superconductor materials, such as in particular YBa ₂ Cu ₃ O ₇ _ _x (so-called " YBCO "), Bi ₂ Sr ₂ Ca-Cu ₂ O _8-x or (Bi, Pb) ₂ Sr ₂ Ca ₂ Cu ₃ O _11-x in question. Of course, individual or several components of these materials can be partially or completely substituted by other elements in a manner known per se. The corresponding HTS layers or conductor track parts are applied to the carrier body using methods known per se 3 or an intermediate layer covering it with a thickness of up to a few micrometers and optionally structured.

Die Ausführungsform der in 10 gezeigten, allgemein mit 12 bezeichneten Strombegrenzungseinrichtung nach der Erfindung unterscheidet sich von der Einrichtung 11 nach 9 im wesentlichen nur dadurch, dass auf jeder Flachseite 3a bzw. 3b des Trägerkörpers 3 eine mäanderförmige Leiterbahnanordnung vorgesehen ist, die mehrere, zwischen ihren Kontaktierungsendstücken parallel geschaltete Teilleiter L_ji zumindest annähernd gleicher Länge aufweist. Entsprechende Leiteranordnungen sind z. B. der DE 198 27 227 A1 zu entnehmen. Auch bei dieser speziellen Leiterbahnanordnung sind auf jeder Flachseite benachbarte, parallel verlaufende Teilleiter mit antiparalleler Stromführungsrichtung gemäß den 1 und 5 vorhanden. In entsprechenden, auf der gegenüberliegenden Flachseite liegenden Teilleitern ist hingegen die Stromführungsrichtung erfindungsgemäß dieselbe.The embodiment of the in 10 shown, generally with 12 designated current limiting device according to the invention differs from the device 11 to 9 essentially only that on each flat side 3a respectively. 3b of the carrier body 3 a meandering conductor track arrangement is provided, which has a plurality of partial conductors L _ji, connected in parallel between their contacting end pieces, at least approximately the same length. Corresponding conductor arrangements are e.g. B. the DE 198 27 227 A1 refer to. With this special conductor arrangement, too, there are adjacent, parallel partial conductors on each flat side with an anti-parallel current carrying direction according to 1 and 5 available. In contrast, according to the invention, the current carrying direction is the same in corresponding partial conductors lying on the opposite flat side.

Selbstverständlich kann man eine Strombegrenzungseinrichtung mit beidseitig belegten und erfindungsgemäß geschalteten Leiterbahnteilen als einen Baustein oder ein Modul ansehen, der zum Aufbau einer Strombegrenzeranordnung gemäß der eingangs genannten EP 0 829 101 B1 mit mehreren solcher Bausteine dient. Falls in einer derartigen Strombegrenzeranordnung benachbarte Bausteine hinreichend nah beieinander angeordnet sind und sich somit parallel verlaufende Leiterbahnteile aus den verschiedenen, benachbarten Bausteinen ergeben, wird vorteilhaft in diesen parallel verlaufenden Leiterbahnteilen ebenfalls eine parallele Stromführungsrichtung vorgesehen. Die vorstehenden Ausführungen zu 5 gelten hier analog.Of course, one can view a current limiting device with interconnect parts that are assigned on both sides and are connected according to the invention as a component or a module that is used to set up a current limiter arrangement in accordance with the aforementioned EP 0 829 101 B1 serves with several such building blocks. If, in such a current limiter arrangement, adjacent modules are arranged sufficiently close to one another and thus parallel conductor track parts result from the various adjacent modules, a parallel current conducting direction is also advantageously provided in these parallel conductor track parts. The foregoing also 5 apply analogously here.

Claims

Facility ( 10 . 11 . 12 ) for resistive current limitation for direct or alternating current applications which have a carrier body ( 3 ) specified thickness (D) contains with two opposite flat sides ( 3a . 3b ) On which a respective at least for a predetermined rated current (I _1, I ₂₎ designed strip-shaped conductor (M1, M2; M3, M4) of a predetermined thickness is arranged, which contains even-T _c superconductor material and is contacted to end pieces, wherein the conductor tracks (M1, M2; M3, M4) on the two flat sides ( 3a . 3b ) are exactly opposite each other in a mirror image and are switched so that their opposite, mutually parallel conductor track parts (L _ji ) have parallel current flow directions and an amplification of the vertical magnetic field components (k ₂ , k ₃ ) by the in the conductor tracks (M1, M2; M3, M4 ) conducted current (I ₁ , I ₂ ).

Device according to claim 1, characterized in that each conductor track has a plurality of adjacent conductor track _parts (L _1i , L _2i ; L _3i ) which run parallel to one another and have an anti-parallel current _{carrying direction} .

Device according to claim 2, characterized in that each conductor track as a meander (M1, M2) or bifilar spiral.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the carrier body ( 3 ) consists at least partially of electrically non-conductive material.

Device according to one of the preceding claims, characterized by a carrier body ( 3 ) with a thickness (D) between 0.1 mm and 10 mm.

Device according to one of the preceding claims, characterized by conductor tracks lying in more than two parallel planes (e ₁ , e ₂ , e ₃ ), which have mutually parallel conductor track parts with the same current carrying direction lying in mutually opposite planes.

Method for producing a device according to one of the preceding claims, characterized in that each conductor track consists of one on the respective flat side ( 3a . 3b ) of the carrier body ( 3 ) applied layer is worked out of the superconductor material.

Use of multiple facilities according to one of the preceding claims as building blocks in a current limiter arrangement.

Use according to claim 8, characterized by Track parts that are parallel to track parts of an adjacent one Building block run and have the same current flow direction.