DE10021082A1 - Resistive Strombegrenzereinrichtung mit mindestens einer Leiterbahn mit Hoch-T¶c¶-Supraleitermaterial - Google Patents

Abstract

Die resistive Strombegrenzereinrichtung (2) enthält auf einem elektrisch nicht-leitenden Trägerkörper (3) mindestens eine Leiterbahn (L) mit Hoch-T c -Supraleitermaterial. Die Leiterbahn soll an jedem ihrer Leiterbahnendstücke (L1, L1') stetig, trichterförmig um mindestens 15%, vorzugsweise um mindestens 20% verbreitert sein. Die Leiterbahn kann sich aus mehreren parallelgeschalteten Einzelleiterbahnen zusammensetzen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine resistive Strombegrenzer­ einrichtung mit mindestens einer für einen vorgegebenen Nenn­ strom ausgelegten Leiterbahn, die metalloxidisches Hoch-T_c- Supraleitermaterial enthält, auf einem zumindest teilweise aus elektrisch nichtleitendem Material bestehenden Träger­ körper angeordnet ist und an ihren Enden verbreiterte Leiter­ bahnendstücke aufweist, an welche Anschlussleiter kontaktiert sind. Eine entsprechende Strombegrenzereinrichtung geht aus der EP 0 829 101 B1 hervor.

In elektrischen Wechselstromversorgungsnetzen können Kurz­ schlüsse und elektrische Überschläge nicht mit Sicherheit vermieden werden. Dabei steigt der Wechselstrom im betroffe­ nen Stromkreis sehr schnell, d. h. in der ersten Halbwelle, auf ein Vielfaches seines Nennwertes an, bis er durch geeig­ nete Sicherungs- und/oder Schaltmittel unterbrochen wird. Als Folge davon treten in allen betroffenen Netzkomponenten wie Leitungen, Sammelschienen, Schaltern und Transformatoren er­ hebliche thermische sowie mechanische Belastungen durch Stromkräfte auf. Da diese kurzzeitigen Lasten mit dem Quadrat des Stromes zunehmen, kann eine sichere Begrenzung des Kurz­ schlussstromes auf einen niedrigeren Spitzenwert die Anforde­ rungen an die Belastungsfähigkeit dieser Netzkomponenten er­ heblich reduzieren. Dadurch lassen sich Kostenvorteile errei­ chen, etwa beim Aufbau neuer als auch beim Ausbau bestehender Netze, indem durch einen Einbau von Strombegrenzereinrichtun­ gen ein Austausch von Netzkomponenten gegen höher belastbare Ausführungsformen vermieden werden kann.

Mit supraleitenden Strombegrenzereinrichtungen vom resistiven Typ kann in an sich bekannter Weise der Stromanstieg nach ei­ nem Kurzschluss auf einen Wert von wenigen Vielfachen des Nennstromes begrenzt werden. Darüber hinaus ist eine solche Begrenzereinrichtung kurze Zeit nach Abschaltung wieder be­ triebsbereit. Sie wirkt also wie eine schnelle, selbstheilen­ de Sicherung. Dabei gewährleistet sie eine hohe Betriebssi­ cherheit, da die passiv wirkt, d. h. autonom ohne vorherige Detektion des Kurzschlusses und ohne aktive Auslösung durch ein Schaltsignal arbeitet.

Resistive supraleitende Strombegrenzereinrichtungen der ein­ gangs genannten Art bilden eine seriell in einen Stromkreis einzufügende supraleitende Schaltstrecke. Dabei wird der Ü­ bergang mindestens einer supraleitenden Leiterbahn vom prak­ tisch widerstandslosen kalten Betriebszustand unterhalb der Sprungtemperatur T_c des Supraleitermaterials in den normal­ leitenden Zustand über T_c hinaus (sogenannter "Quench" aus­ genutzt, wobei der nun vorhandene elektrische Widerstand R_n der Leiterbahn den Strom auf eine akzeptable Höhe I = U/R_n be­ grenzt. Die Erwärmung über T_c geschieht durch Joule'sche Wär­ me in dem Supraleiter der Leiterbahn selbst, wenn nach Kurz­ schluss die Stromdichte j über den kritischen Wert j_c des Supraleitermaterials ansteigt. Dabei kann das Material auch unterhalb von T_c bereits einen endlichen elektrischen Wider­ stand annehmen. Im begrenzenden Zustand oberhalb von T_c fließt in dem Stromkreis ein vorteilhaft verminderter Rest­ strom so lange weiter, bis der Stromkreis z. B. mittels eines zusätzlichen mechanischen Trennschalters völlig unterbrochen wird.

Supraleitende Strombegrenzereinrichtungen mit bekannten me­ talloxidischen Hoch-T_c-Supraleitermaterialien (Abkürzung: HTS-Materialien), deren T_c so hoch liegt, dass sie mit flüs­ sigem Stickstoff (LN₂) von 77 K im supraleitenden Betriebszu­ stand zu halten sind, zeigen eine schnelle Zunahme des elekt­ rischen Widerstandes beim Überschreiten der kritischen Strom­ dichte j_c. Die Erwärmung in den normalleitenden Zustand und somit die Strombegrenzung geschieht dabei in hinreichend kur­ zer Zeit, so dass der Spitzenwert eines Kurzschlussstromes auf einen Bruchteil des unbegrenzten Stromes, etwa auf den 3- bis 10fachen Wert des Nennstromes begrenzt werden kann. Der supraleitende Strompfad sollte dabei in gut wärmeleitendem Kontakt mit einem geeigneten Kühlmittel stehen, das ihn in verhältnismäßig kurzer Zeit nach einer Überschreitung der kritischen Stromdichte j_c in den supraleitenden Betriebszu­ stand wieder zurückzuführen vermag.

Mit der aus der eingangs genannten EP-B-Schrift zu entnehmen­ den Strombegrenzereinrichtung sind entsprechende Anforderun­ gen zu erfüllen. Die bekannte Einrichtung weist einen Träger­ körper aus einem elektrisch isolierenden Material wie z. B. aus Y-stabilisiertem ZrO₂ (sogenanntem YSZ) oder aus Glas auf, auf dem unmittelbar oder über eine Zwischenschicht ein metalloxidisches HTS-Material in Form einer zu mindestens ei­ ner Leiterbahn strukturierten Schicht aufgebracht ist. Die Leiterbahn kann dabei insbesondere als Mäander gestaltet sein (vgl. EP 0 523 374 B1). An ihren Enden ist die Leiterbahn mit weiteren, normalleitenden Anschlussleitern zur Einspeisung bzw. Abnahme des zu begrenzenden Stromes großflächig mittels Löt-, Press- oder Federkontakten kontaktierbar. Darüber hin­ aus kann bei der bekannten Strombegrenzereinrichtung zum Schutz ihres HTS-Materials gegen Umwelteinflüsse wie Feuch­ tigkeit zumindest das Supraleitermaterial noch mit einer iso­ lierenden Schicht abgedeckt sein.

Es sind auch Ausführungsformen von Strombegrenzereinrichtun­ gen unter Verwendung von HTS-Material bekannt, bei denen die Leiterbahnen mit normalleitendem Material abgedeckt sind, die als sogenannter Shunt-Widerstand dienen (vgl. EP 0 345 767 B1).

Bei all diesen bekannten Strombegrenzereinrichtungen besteht an den Kontaktflächen ein technisches Problem in der Abfuhr der während eines Schaltprozesses (zwischen dem supraleiten­ den und dem normalleitenden Zustand) lokal in der HTS-Schicht der Leiterbahnendstücke und/oder der Metallschicht der An­ schlussleiter deponierten thermischen Energie. Es zeigt sich nämlich, dass sich zwischen dem Schichtmaterial unter einem Kontakt und einer angrenzenden normalleitenden Zone beträcht­ liche horizontale Temperaturgradienten ausbilden, da das Ma­ terial unter dem Kontakt aufgrund der guten vertikalen An­ kopplung an die Wärmesenke des Kontaktmetalls supraleitend auf rund 77 K verharrt und sich gleichzeitig eine unmittelbar benachbarte normalleitend geschaltete Zone in wenigen Milli­ sekunden auf mehrere 100 kΩ erhitzt. Die Umgebung eines Kon­ taktes kann somit, insbesondere bei Senken der je Verteilung in der Nähe eines Kontaktes, zur Schwachstelle der Leiterbahn werden. Man sieht sich deshalb gezwungen, die Schaltleistung solcher Strombegrenzereinrichtungen auf einen entsprechend geringeren, mit dem Material verträglichen Wert der Schalt­ leistung begrenzt zu halten. Entsprechende Probleme treten auch dann auf, wenn die Kontaktflächen verhältnismäßig groß­ flächig gehalten werden. Dies trifft auch auf eine spezielle Strombegrenzereinrichtung zu, die aus der JP 10-136563 A zu entnehmen ist, welche verbreiterte Leiterendstücke mit Kon­ taktflächen aufweist, die jeweils eine etwa kreissegmentarti­ ge Form besitzen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die Strom­ begrenzereinrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen da­ hingehend auszugestalten, dass sie für vergleichsweise höhere Schaltleistungen ausgelegt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass im Bereich jedes Leiterbahnendstücks die Leiterbahnbreite von der Breite der Leiterbahn außerhalb des Endstücks in Richtung auf eine Kontaktfläche des jeweiligen Anschlussleiters hin stetig, trichterförmig um mindestens 15%, vorzugsweise um mindestens 20 bis 30% zunimmt. Der Begriff "stetig" wird da­ bei im mathematischen Sinn verstanden. Es ergibt sich dann eine monoton ansteigende Breite. Die entsprechende Verbreite­ rung soll dabei zumindest annähernd symmetrisch bezüglich ei­ ner Mittelachse des jeweiligen Leiterbahnendstücks erfolgen.

Außerdem sollen sich die Kontaktfläche in dem auf eine End­ breite verbreiterten Teilbereich des jeweiligen Leiterbahn­ endstücks befinden. Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass mittels des erfindungsgemäß ausgeprägten Übergangs­ bereiches von der Leiterbahnbreite außerhalb des Endstückes auf die Breite des Bereichs der Kontaktflächen in einem sol­ chen Endstücks eine dynamische Verschiebung der Phasengrenze (Supraleitung/Normalleitung) während des Schaltens (d. h. eines Übergangs in die Normalleitung; sogenannter Quench) er­ möglicht wird und diese zugleich durch eine hinreichende Ver­ breiterung der Leiterbahn vom Kontaktmaterial fernzuhalten ist. Das quantitative Kriterium für die Mindestverbreiterung der Leiterbahn gewährleistet dieses Fernhalten. Da die Ver­ breiterung zumindest annähernd symmetrisch bezüglich der Mit­ telachse des jeweilige Leiterbahnendstücks erfolgt, lässt sich gewährleisten, dass in keinen Teilen des auf die End­ breite verbreiterten, die Kontaktfläche umfassenden Teilbe­ reichs des Leiterbahnendstücks die Phasengrenze zwischen Nor­ malleitung und Supraleitung auftritt. Eine Ursache hierfür ist in dem zur Mittelachse praktisch symmetrischen Verlauf der Phasengrenze zu sehen, der mit der erfindungsgemäßen Verbreitung zu erreichen ist. Die mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Strombegrenzereinrichtung verbundenen Vor­ teile sind also darin zu sehen, dass während des Schaltpro­ zesses keine statischen Temperaturgrenzen in der Umgebung der Kontakte erzeugt werden. Das Erfordernis einer Begrenzung der Schaltleistung wie beim Stand der Technik kann somit vermie­ den werden.

Vorteilhaft wird der Mindestwert der Zunahme der Leiterbrei­ te, d. h. der Quotient aus Leiterbahnbreite vor und nach der Verbreiterung im Bereich des jeweiligen Endstücks, größer ge­ wählt als der Quotient I_p/I_s. Dabei sind I_p der maximale Kurzschlussstrom in der Leiterbahn und I_s der Einsatzstrom beim Auftreten eines Widerstandes im Falle eines Quenches (= Überwechseln vom supraleitenden in den normalleitenden Zu­ stand). Unter Einhaltung dieser Bedingung lässt sich stets gewährleisten, dass die Übergangszone zwischen Supraleitung und Normalleitung (= Phasengrenze) hinreichen weit von der Kontaktzone des betreffenden Anschlussleiters ferngehalten wird.

Eine hinreichende dynamische Verschiebung der Phasengrenze während des Schaltens weg von der Kontaktfläche ist insbeson­ dere auch dann zu erreichen, wenn die Ausdehnung des sich trichterförmig verbreiternden Bereichs des jeweiligen Leiter­ bahnendstücks in Stromführungsrichtung gesehen mindestens 20%, vorzugsweise zwischen 30 und 40% der Leiterbahnbreite außerhalb des Leiterbahnendstücks beträgt. Denn damit ist ei­ ne allmähliche, stetige Verbreiterung des Leiterbahnendstück und damit eine entsprechende Erhöhung der Stromtragfähigkeit in diesem Bereich ohne weiters zu realisieren.

Die Bezugsgröße "Leiterbahnbreite" sei jeweils gemessen un­ mittelbar vor dem Übergang der Leiterbahn in ihr sich ver­ breiterndes Endstück. Dabei kann die Leiterbahnbreite auch durch die Summe von Einzelleiterbahnbreiten einer Anordnung von mehreren parallelgeschalteten Einzelleiterbahnen festge­ legt sein. D. h., die erfindungsgemäßen Maßnahmen können vor­ teilhaft auch für Strombegrenzereinrichtungen vorgesehen wer­ den, deren Leiterbahn in mehrere parallelgeschaltete Einzel­ leiterbahnen unterteilt ist. In diesem Fall einer Parallel­ schaltung kann vorteilhaft eine Verschlechterung der Materi­ alausnutzung vermieden werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Strombegrenzereinrichtung gehen aus den übrigen abhängigen Ansprüchen hervor.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie­ len noch weiter erläutert. Hierzu wird auf die schematische Zeichnung Bezug genommen. Dabei zeigen deren

Fig. 1 im Längsschnitt einen Teil einer Strombegren­ zereinrichtung nach der Erfindung, deren

Fig. 2 ein Endstück einer einzelnen Leiterbahn einer solchen Strombegrenzereinrichtung, deren

Fig. 3 in einem Diagramm den typischen Strom- und Wi­ derstandsverlauf an einer supraleitenden Lei­ terbahn während einer Schaltphase, deren

Fig. 4 ein weiteres Endstück einer aus mehreren Ein­ zelleiterbahnen zusammengesetzten Leiterbahn einer erfindungsgemäßen Strombegrenzereinrich­ tung sowie deren

Fig. 5 und 6 jeweils in einem Diagramm den Transien­ tentemperaturverlauf während einer Schaltphase längs eines Leiterbahnendstückes ohne bzw. mit erfindungsgemäßer Leiterbahnverbreiterung.

In den Figuren sind sich entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.

Beim Aufbau einer erfindungsgemäßen (Kurzschluss-)Strom­ begrenzereinrichtung wird von an sich bekannten Ausführungs­ formen solcher Einrichtungen ausgegangen (vgl. z. B. die ein­ gangs genannte EP-B-Schrift). Der prinzipielle Aufbau einer solchen Begrenzereinrichtung ist in Fig. 1 als Ausschnitt aus einem Längsschnitt durch den wesentlichsten Teil einer solchen Einrichtung angedeutet. Dieser Aufbau der allgemein mit 2 bezeichneten Einrichtung umfasst dabei einen Trägerkör­ per 3 mit einer Dicke d1 und gegebenenfalls mindestens eine darauf aufgebrachte Zwischenschicht 4 mit einer Dicke d2. Diese Zwischenschicht sei nachfolgend als Teil des Trägerkör­ pers angesehen. Auf sie ist eine Schicht 5 aus einem HTS- Material mit einer Dicke d3 abgeschieden, die zu mindestens einer Leiterbahn L strukturiert ist. An ihren Enden geht die­ se Leiterbahn in erfindungsgemäß gestaltete Endstücke L1 bzw. L1' über. An diese Endstücke sind normalleitende Anschluss­ leiter 6 bzw. 6' mittels Löt-, Press- oder Federkontakten an entsprechenden, durch verstärkte Linien veranschaulichten Flächen 7 bzw. 7' kontaktiert. Die HTS-Schicht 5 kann mit mindestens einer weiteren Deckschicht 8 wie z. B. einer Schutzschicht oder einer vorzugsweise als Shuntwiderstand dienenden Schicht abgedeckt sein. Eine solche Shuntwider­ standsschicht aus Metall ist für Strombegrenzeranwendungen insbesondere im Fall einer Verwendung eines isolierenden Trä­ gerkörpers besonders vorteilhaft.

Der Trägerkörper 3 kann durch einen planaren oder gegebenen­ falls auch durch einen gekrümmten wie z. B. rohrförmigen Sub­ stratkörper gebildet sein. Er besteht zumindest teilweise, d. h. wenigstens an seiner der HTS-Schicht 5 zugewandten Seite aus einem elektrisch nicht-leitenden (isolierenden) Material. Hierfür geeignete Materialien sind z. B. Keramiken wie MgO, SrTiO₃, Al₂O₃ oder Y-stabilisiertes ZrO₂ (YSZ). Besonders vor­ teilhaft werden Trägerkörper aus speziellen Glasmaterialien vorgesehen, insbesondere wenn es um großflächige Leiterbahn­ strukturen geht. Eine entsprechende Platte aus einem besonde­ ren Flachglas kann beispielsweise eine Dicke d1 von einigen Millimetern haben. Daneben sind auch aus metallischem und darauf elektrisch isolierendem Material zusammengesetzte Trä­ gerkörper geeignet. Insbesondere im Falle einer Verwendung von metallischen Teilen für den Trägerkörper ist die Zwi­ schenschicht 4 aus einem elektrisch isolierenden Material er­ forderlich. Eine solche Zwischenschicht kann auch als soge­ nannte Pufferschicht oder Diffusionsbarriere benötigt werden, um einerseits eine Wechselwirkung zwischen dem auf sie aufzu­ bringenden HTS-Material und dem Trägerkörpermaterial zu un­ terbinden und andererseits eine Textur des aufzubringenden HTS-Materials zu fördern. Bekannte Pufferschichtmaterialien, die im allgemeinen mit einer Dicke d2 zwischen 0,1 und 2 µm aufgebracht werden, sind YSZ, YSZ + CeO₂ (als Doppelschicht), CeO₂, Pr₆O₁₁, MgO, SrTiO₃ oder La_1-xCa_xMnO₃.

Als HTS-Materialien für die Schicht 5 kommen alle bekannten metalloxidischen Hoch-T_c-Supraleitermaterialien wie insbeson­ dere YBa₂Cu₃O_7-x, Bi₂Sr₂CaCu₂O_8-x oder (Bi,Pb)₂Sr₂Ca₂Cu₃O_11-x in Frage. Selbstverständlich können von diesen Materialien ein­ zelne oder mehrere Komponenten durch andere Elemente in an sich bekannter Weise teilweise oder vollständig substituiert sein. Die entsprechende HTS-Schicht wird mit an sich bekann­ ten Verfahren auf dem Trägerkörper 3 bzw. der ihn abdeckenden Zwischenschicht 4 mit einer Dicke d3 von bis zu einigen Mik­ rometern aufgebracht.

Fig. 2 zeigt eine Aufsicht auf eines der beiden Endstücke der Leiterbahn L, beispielsweise auf das Endstück L1. Dieses Endstück erweitert sich trichterförmig und stetig von seiner ursprünglichen Leiterbahnbreite b₁ auf eine Endbreite b_e ei­ nes Teilbereichs T_e, wo sich die Kontaktfläche 7 zum Kontak­ tieren mit einem Anschlussleiter befinden soll. D. h., die Kontaktfläche 7 wird vorteilhaft in einem Bereich des Leiter­ bahnendstücks L1 vorgesehen, der bereits die Endbreite b_e be­ sitzt. Als Endbreite b_e sei hierbei eine im Hinblick auf die erforderliche Größe der Kontaktfläche 7 zu wählende Mindest­ breite zu verstehen. D. h., in dem Teilbereich T_e kann sich die Breite b_e gegebenenfalls sogar noch geringfügig vergrö­ ßern. Wie aus der Figur hervorgeht, kommt es bei den erfin­ dungsgemäßen Maßnahmen nicht auf eine gegenüber der Leiter­ bahnbreite b₁ vergrößerte Breite b_k oder auf die flächige Ausdehnung dieser Kontaktfläche an. Vorteilhaft ist aber eine möglichst große Fläche. Vielmehr wird mit der erfindungsgemä­ ßen Verbreiterung der Leiterbahn im Bereich des Endstücks L1 der lokale kritische Strom I_c der Leiterbahn in Richtung zur Kontaktfläche hin entsprechend vergrößert (ohne Berücksichti­ gung etwaiger kleinskaliger je-Schwankungen). Die Leiterbahn­ verbreiterung soll dabei mindestens 15% betragen; d. h., b_e/b_l soll mindestens 1,15 sein. Vorteilhaft werden für die­ sen Quotienten noch größere Werte, beispielsweise 1,2 bis 1,3 gewählt. Die Verbreiterung erfolgt dabei zumindest annähernd symmetrisch bezüglich einer sich in Stromführungsrichtung erstreckenden Mittelachse M des jeweiligen Leiterbahnend­ stücks unter Einschluss von geringfügigen Abweichungen um höchstens + oder - 10% der Leiterbahnbreite am jeweiligen Ort der Mittelachse. Denn nur so lässt sich erreichen, dass die Phasengrenze zwischen Supraleitung und Normalleitung (= Quenchlinie) in dem Übergangsbereich praktisch symmetrisch zur Mittelachse M verläuft und somit nicht in den Kontaktbe­ reich 7 hineinragen kann.

Die in Stromführungsrichtung zu messende Strecke s des sich stetig, etwa trichterförmig verbreiternden Teils des Leiter­ bahnendstücks L1 sollte vorteilhaft so groß sein, dass sie mindestens 20%, vorzugsweise zwischen 30 und 40% und gege­ benenfalls sogar mindestens 50% der Leiterbahnbreite b₁ am Beginn des sich erweiternden Leiterbahnendstücks L1 beträgt. Gemäß einem konkreten Ausführungsbeispiel ist s = 45 mm für ein Leiterendstück mit einer anfänglichen Breite b₁ von 47 mm und einer Endbreite b_e eines Teilbereiches T_e von 59 mm. Die Größe der Länge s ist dabei zweckmäßig so zu wählen, dass nicht zu viel Oberfläche für den Kontakt zu verwenden ist. Als ein numerisches Kriterium für das Verhältnis der Leiter­ bahnbreiten ( = Zunahme der Leiterbahnbreite) gilt:

b_e/b_l < a.

Die Größe a stellt dabei das Verhältnis von I_p/I_s dar, wobei I_p der maximale Kurzschlussstrom (Spitzenstromwert) der Lei­ terbahn und I_s der Einsatzstrom eines Quenches beim Auftreten eines Widerstandes R sind. Zur Erläuterung der Größen I_p und I_s sei auf das Diagramm der Fig. 3 verwiesen, in dem der ty­ pische Strom- und Widerstandsverlauf I(t) bzw. R(t) während einer entsprechenden Schaltphase in einer Leiterbahn während einer Zeit t < 100 µs wiedergegeben sind. Typische Werte für a bei Strombegrenzerplatten in einer 10 kVA Größenordnung liegen im Bereich von a = 1,15 bis 1,20.

Selbstverständlich gelten die vorstehenden Überlegungen auch für Leiterbahnen, die sich aus mehreren Einzelleiterbahnen zusammensetzen, welche im Bereich von gemeinsamen Leiterbahn­ endstücken parallelgeschaltet sind. Ein entsprechendes Aus­ führungsbeispiel geht aus Fig. 4 in Fig. 2 entsprechender Darstellung hervor. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel münden 8 parallel verlaufende Einzelleiterbahnen L_j mit einer jeweili­ gen Breite b₁ von beispielsweise 5,9 mm in ein sich erfin­ dungsgemäß stetig verbreiterndes Leiterbahnendstück L2 mit einer Endbreite b_e von z. B. 59 mm. Diese Ausführungsform ist durch Ausnutzung der zwischen den Einzelleiterbahnen L_j vor­ handenen Zwischenräume 10 zur Leiterbahnerweiterung innerhalb des Endstücks L2 besonders platzsparend zu realisieren. Im dargestellten Falle erfolgen die Zusammenführungen benachbar­ ter Einzelleiterbahnen in drei Schritten (in Stromführungs­ richtung gesehen). Bei einer noch größeren Anzahl n von Ein­ zelleiterbahnen L_j sind log₂n (ganzzahlig aufgerundet) Schritte besonders günstig. In einer Parallelschaltung lässt sich nämlich die vorgesehene monotone Zunahme der Bahnbreite sehr einfach dadurch realisieren, dass man die Zwischenräume der Bahnen kontinuierlich auffüllt. D. h., man bündelt Einzel­ leiterbahnen zu immer breiteren Zwischenstücken, bis die vol­ le Breite erreicht ist. Hat man z. B. 16 Einzelleiterbahnen, so besteht eine mögliche Zusammenführung in 8 → 4 → 2 und schließlich in eine Bahn(en), in log₂16 = 4 Schritten also. Selbstverständlich sind aber auch andere Zusammenführungen möglich.

Der Einfluss der erfindungsgemäßen Verbreiterung der Leiter­ bahnendstücke ist aus den Diagrammen der Fig. 5 und 6 zu entnehmen. In diesen Diagrammen ist der transiente Tempera­ turverlauf (Temperatur T in K) längs einer Leiterbahn bzw. eines Leiterbahnendstücks (Ausdehnung x in Stromführungsrich­ tung in mm) während einer Schaltphase in einem Zeitbereich t zwischen 50 und 100 µs wiedergegeben. Der Beginn bzw. Rand der Kontaktfläche soll dabei bei x₀ liegen. Fig. 5 zeigt die Verhältnisse bei fehlender stetiger Breitenvergrößerung eines erfindungsgemäß gestalteten Leiterbahnendstückes. In diesem Fall ergeben sich hohe lokale Temperaturgradienten zwischen normalleitend geschalteten Zonen und der quasi als Randbedin­ gung fungierenden Kontaktfläche auf T = 77 K bei x₀. Die durch einen Doppelpfeil veranschaulichte Verschiebung der Phasengrenze G1 ist dabei fast statisch mit gradT < 0 (größer 100 K/mm). Demgegenüber führt die Fig. 6 zugrundegelegte er­ findungsgemäße Gestaltung des Leiterbahnendstückes während der Schaltphase dazu, dass bei ansteigendem Strom I(t) die Phasengrenze G2 zwischen normal- und supraleitendem Leiter­ bahnabschnitt dynamisch in Richtung auf die Kontaktfläche zu­ wandert, ohne diese jedoch zu erreichen. Dabei gestattet eine verbesserte Wärmeleitung eine Verbreiterung des Temperatur­ verlaufes, so dass scharfe Temperaturgrenzen als Auslöser für ein mechanisches Versagen vermieden werden.

Bei den anhand der Figuren erläuterten Ausführungsformen von Strombegrenzereinrichtungen nach der Erfindung wurde davon ausgegangen, dass deren Leiterbahnen und Leiterbahnendstücke jeweils nur einseitig auf einem Trägerkörper aufgebracht sind. Selbstverständlich ist auch ein beidseitiges Belegen der gegenüberliegenden Flächen des Trägerkörpers mit einer oder mehreren Leiterbahnen und deren Endstücken möglich.

Claims (9)

1. Resistive Strombegrenzereinrichtung mit mindestens einer für einen vorgegebenen Nennstrom ausgelegten Leiterbahn, die

• - metalloxidisches Hoch-T_c-Supraleitermaterial enthält,
• - auf einem zumindest teilweise aus elektrisch nicht- leitendem Material bestehenden Trägerkörper angeordnet ist und
• - an ihren Enden Leiterbahnendstücke aufweist, an welche An­ schlussleiter kontaktiert sind,

dadurch gekennzeichnet, dass im Be­ reich jedes Leiterbahnendstücks (L1, L1')

• - die Leiterbahnbreite von der Breite (b1) der Leiterbahn (L) außerhalb des Endstücks in Richtung auf eine Kontakt­ fläche (7) des jeweiligen Anschlussleiters (6, 6') hin stetig, trichterförmig um mindestens 15% zunimmt,
• - die Verbreiterung zumindest annähernd symmetrisch bezüg­ lich einer Mittelachse (M) des jeweiligen Leiterbahnend­ stücks (L1, L1') erfolgt und
• - die Kontaktfläche (7) sich in dem auf eine Endbreite (b_e) verbreiterten Teilbereich (T_e) des jeweiligen Leiterbahn­ endstücks (L1, L1') befindet.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Zunahme der Leiterbahnbreite im Bereich jedes Lei­ terbahnendstücks (L1, L1') um mindestens 20%, vorzugsweise zwischen 30% und 40%.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zunahme der Leiter­ bahnbreite größer als der Quotient I_p/I_s ist, wobei I_p der ma­ ximale Kurzschlussstrom der Leiterbahn (L) und I_s der Einsatzstrom beim Auftreten eines Widerstandes in einem Quenchfall sind.

4. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strecke (s) des sich verbreiternden Bereichs jedes Leiter­ bahnendstücks (L1, L1') in Stromführungsrichtung gesehen min­ destens 30%, vorzugsweise mindestens 50% der Leiterbahn­ breite (b_l) außerhalb des Leiterbahnendstücks beträgt.

5. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lei­ terbahnbreite (b_l) durch die Summe von Einzelleiterbahnbrei­ ten (b_j) einer Anordnung von mehreren parallelgeschalteten Einzelleiterbahnen (L_j) festgelegt ist.

6. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Trä­ gerkörper (3) aus einem keramischen Material oder aus einem Glasmaterial besteht.

7. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Trä­ gerkörper (3) mit mindestens einer Zwischenschicht (4) als Unterlage für das Supraleitermaterial versehen ist.

8. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens eine weitere abdeckende Schicht (8).

9. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Trä­ gerkörper (3) beidseitig mit mindestens einer Leiterbahn ver­ sehen ist.