DE102006032972B3

DE102006032972B3 - Resistive superconductor current limiter, to protect components against overheating, has a superconductor ribbon in a coil together with corrugated insulation ribbons of different shapes

Info

Publication number: DE102006032972B3
Application number: DE102006032972A
Authority: DE
Inventors: Hans-Peter Dr. Krämer; Manfred Wohlfahrt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2006-07-17
Filing date: 2006-07-17
Publication date: 2008-02-14
Anticipated expiration: 2026-07-18

Abstract

The resistive super conductive current limiter, with a coil, has at least one ribbon superconductor (11), with at least three parallel corrugated ribbons (12,13). At least one corrugated ribbon has a shape between the flat sides of the superconductor in the radial direction of the coil and at least one corrugated ribbon is at the longitudinal sides in the axial direction. The width (231) of the corrugated ribbons at the longitudinal sides are added to the width (221) of the corrugated ribbon at the flat sides. At least one corrugated ribbon is of an insulation plastics.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine supraleitende Strombegrenzereinrichtung vom resistiven Typ, deren Leiterbahn mit mindestens einem bandförmigen Supraleiter gebildet ist. Im Wesentlichen parallel zu dem Supraleiter erstrecken sich mindestens drei wellenförmige Bänder.The The invention relates to a superconductive current limiter device of the resistive type whose conductor has at least one band-shaped superconductor is formed. Extend substantially parallel to the superconductor At least three wave-shaped Bands.

Zum Schutz elektrischer Bauteile lässt sich unter Verwendung eines Supraleiters eine Strombegrenzereinrichtung aufbauen. Charakteristisch für Supraleiter ist die Eigenschaft, dass sie unterhalb einer materialspezifischen kritischen Temperatur Ströme praktisch ohne Widerstand tragen können, solange die Stromdichte kleiner ist als die von der Betriebstemperatur abhängige kritische Stromdichte. Diese kritische Stromdichte nimmt mit zunehmender Betriebstemperatur ab und wird zu null, wenn die Betriebstemperatur die erwähnte kritische Temperatur erreicht.To the Protection of electrical components leaves a current limiting device using a superconductor build up. Characteristic of superconductors is the property that they are below a material specific critical temperature currents can carry virtually no resistance, as long as the current density is less than the critical temperature dependent on the operating temperature Current density. This critical current density decreases with increasing operating temperature and becomes zero when the operating temperature is critical Temperature reached.

Dieses Phänomen lässt sich zum Aufbau einer Strombegrenzungseinrichtung ausnutzen, welche in dem Fall, dass die zuvor erwähnte kritische Stromdichte überschritten wird, ihren elektrischen Widerstand sprunghaft erhöht und sich durch die dann auftretenden Ohmschen Verluste bis über die kritische Temperatur erwärmt.This phenomenon let yourself exploit to build a current limiting device, which in in the event that the previously mentioned critical current density exceeded is increased, their electrical resistance skyrocketed and up through the then occurring Ohmic losses to above the critical Temperature warmed up.

Um eine Zerstörung durch Überhitzen zu vermeiden, muss nach einem Ansprechen des Strombegrenzers der Strom abgeschaltet werden. Für die Wiederinbetriebnahme muss gewartet werden, bis der gesamte Begrenzer wieder auf die Betriebstemperatur abgekühlt ist. Diese Rückkühlzeit hat wesentlichen Einfluss auf die Verfügbarkeit des Strombegrenzers.Around a destruction by overheating must be avoided after a response of the current limiter Power will be turned off. For the restart must be maintained until the entire limiter cooled down again to the operating temperature. This recooling time has significant influence on the availability of the current limiter.

Unter Ausnutzung dieses Phänomens lässt sich ein Überstromschutzschalter (Strombegrenzer) realisieren, welcher sich durch schnelle Schaltzeiten und einen für die Schutzeinrichtung selbst nicht destruktiven Schaltvorgang auszeichnet. Entsprechende Strombegrenzereinrichtungen sind z.B. aus der DE 10 2004 048 646 A1 bekannt.Taking advantage of this phenomenon, an overcurrent circuit breaker (current limiter) can be realized, which is characterized by fast switching times and a non-destructive switching process for the protective device itself. Corresponding current limiter devices are eg from the DE 10 2004 048 646 A1 known.

Als Leiterbahn in einem solchen Strombegrenzer werden insbesondere supraleitende Bandleiter verwendet. Unter einem supraleitenden Bandleiter ist in diesem Zusammenhang ein Aufbau zu verstehen, bei dem auf ein normalleitendes Substratmetall in Bandform eine supraleitende Schicht, typischerweise ein oxidischer Hochtemperatur-Supraleiter, aufgebracht wird. Die supraleitende Schicht kann zum einen direkt auf das normalleitende Substratmetall aufgebracht werden oder sie wird auf eine zuvor auf das normalleitende Substratmetall aufgebrachte Pufferschicht aufgebracht. Zur Minimierung der Induktivität der Strombegrenzereinrichtung wird der supraleitende Bandleiter in eine flache, vorzugsweise bifilar gewickelte Spule eingebracht. Zwischen benachbarten Spulenwindungen ist ein Mindestabstand einzuhalten, so dass die Spule von einem Kühlmittel durchströmbar ist. Wird für den supraleitenden Bandleiter ein Hochtemperatur-Supraleiter verwendet (z.B. YBCO), so ist flüssiger Stickstoff als Kühlmittel für die Strombegrenzereinrichtung geeignet.When Conductor in such a current limiter are in particular superconducting Band conductor used. Under a superconducting band conductor is in this context, to understand a structure in which a normal conducting substrate metal in ribbon form a superconducting layer, typically a high temperature oxide superconductor applied becomes. The superconducting layer can be directly on the normally conductive Substrate metal may be applied or it will be applied to a previously used the normally conductive substrate metal applied buffer layer applied. To minimize the inductance the current limiter device becomes the superconducting band conductor placed in a flat, preferably bifilar wound coil. Between adjacent coil turns a minimum distance must be maintained, so that the coil can be flowed through by a coolant. Is for the superconducting ribbon conductor uses a high-temperature superconductor (e.g. YBCO), so is more fluid Nitrogen as a coolant for the current limiter device suitable.

Die WO 99/33122 A1 offenbart einen Supraleiteraufbau zur Führung eines elektrischen Stroms in einer vorbestimmten Richtung. Der Supraleiteraufbau weist einen Träger aus einem metallischen Material und eine auf dem Träger befindliche Leiterbahn auf. Die Leiterbahn enthält zumindest eine auf dem Träger abgeschiedene Zwischenschicht aus elektrisch isolierendem Material und eine auf der Zwischenschicht abgeschiedene Schicht aus Hoch-T_c-Supraleitermaterial.The WO 99/33122 A1 discloses a superconductor structure for guiding an electric current in a predetermined direction. The superconductor structure comprises a carrier made of a metallic material and a conductor track located on the carrier. The conductor track contains at least one intermediate layer of electrically insulating material deposited on the carrier and a layer of high-T _c superconductor material deposited on the intermediate layer.

Die EP 0 444 702 A2 offenbart eine supraleitende Spule mit einem Kompositsupraleiter, der supraleitendes und normalleitendes Material enthält. Der Kompositsupraleiter kann in verschiedene Leiterformen geformt sein, wobei das normalleitende Mate rial beispielsweise Stahl oder Aluminium ist. Die Oberfläche des Kompositsupraleiters ist mit einem Kunstharz überzogen.The EP 0 444 702 A2 discloses a superconducting coil having a composite superconductor containing superconducting and normal conducting material. The composite superconductor may be formed into various conductor shapes, wherein the normal conductive Mate rial example, steel or aluminum. The surface of the composite superconductor is covered with a synthetic resin.

Die DE 42 34 312 A1 offenbart einen resistiven Strombegrenzer auf Basis eines Hochtemperatursupraleiters, der eine gute thermische und mechanische Stabilität aufweist. Zur Herstellung des resistiven Strombegrenzers wird ein Silberband in den Falz eines Kupferbandes gelegt und durch Walzen ein Steg erzeugt. Das so erzeugte Band wird spiralförmig in eine Ronde aus Silber eingelegt, wobei ein Abstand zum Rand der Ronde eingehalten wird. Anschließend wird in die Ronde pulverförmiges Ausgangsmaterial eines Hochtemperatursupraleiters eingebracht, partiell geschmolzen und mindestens einem Langzeitglühen unterworfen. In diesem Prozess bildet sich ein Hochtemperatursupraleiter auf dem Kupferband und ein elektrisch isolierendes Band aus Kupferoxid.The DE 42 34 312 A1 discloses a resistive current limiter based on a high temperature superconductor having good thermal and mechanical stability. To produce the resistive current limiter, a silver band is placed in the fold of a copper strip and a web is produced by rolling. The strip thus produced is inserted spirally into a round plate made of silver, wherein a distance from the edge of the Ronde is maintained. Subsequently, pulverulent starting material of a high-temperature superconductor is introduced into the round blank, partially melted and subjected to at least one long-term annealing. In this process, a high-temperature superconductor is formed on the copper strip and an electrically insulating strip of copper oxide.

Bei bifilar gewickelten Spulen aus Bandleitermaterial liegt nun im Bereich des äußeren Radius zwischen benachbarten Leiterbahnen die gesamte an der Spule abfallende Spannung an. Um eine möglichst kompakte Bauform der supraleitenden Strombegrenzereinrichtung zu ermöglichen, ist es wünschenswert, benachbarte Leiterbahnwindungen auf möglichst geringem Raum unterzubringen. Folglich ist zum Schutz vor Spannungsüberschlägen eine möglichst gute Isolation zwischen benachbarten Windungen der Spule erforderlich. Gleichzeitig wird die Verfügbarkeit der supraleitenden Strombegrenzereinrichtung maßgeblich von der Rückkühlzeit des Supraleiters nach dem Schaltvorgang beeinflusst. Folglich ist eine gute Zugänglichkeit des Kältemittels zu den Leiterbahnen des Strombegrenzers wünschenswert. Eine supraleitende Strombegrenzereinrichtung sollte sich weiterhin durch eine möglichst geringe Induktivität auszeichnen. Zu diesem Zweck ist es vorteilhaft, wenn die Windungen in axialer Richtung der Spule möglichst ideal auf einer gemeinsamen planen Fläche zu liegen kommen. Zu diesem Zweck ist eine exakte Positionierung der bifilaren Wicklung des supraleitenden Strombegrenzers wünschenswert.In the case of bifilar wound coils made of strip conductor material, the entire voltage dropped across the coil now lies in the region of the outer radius between adjacent strip conductors. In order to enable a compact design of the superconducting current limiter device, it is desirable to accommodate adjacent conductor turns in the smallest possible space. Consequently, the best possible insulation between adjacent windings of the coil is required to protect against flashovers. At the same time, the availability of the superconducting current limiter device is decisively influenced by the re-cooling time of the superconductor after the switching operation. success Lich, a good accessibility of the refrigerant to the tracks of the current limiter is desirable. A superconducting current limiter should continue to be characterized by the lowest possible inductance. For this purpose, it is advantageous if the turns in the axial direction of the coil come to lie as ideally as possible on a common plane surface. For this purpose, an exact positioning of the bifilar winding of the superconducting current limiter is desirable.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, eine supraleitende Strombegrenzereinrichtung vom resistiven Typ anzugeben, welche eine Verbesserung im Hinblick auf die zuvor genannten technischen Probleme darstellt.task The present invention is now a superconducting current limiter device of indicate resistive type with regard to represents the aforementioned technical problems.

Die vorgenannte Aufgabe wird mit den in Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Demgemäß soll eine besondere supraleitende Strombegrenzereinrichtung vom resistiven Typ angegeben werden, welche mindestens eine Spule enthält und deren Leiterbahn mit mindestens einem bandförmigen Supraleiter gebildet ist. Der bandförmige Supraleiter weist sich gegenüberliegende Flachseiten und Längsseiten auf. Parallel zu dem Supraleiter sollen sich mindestens drei wellenförmige Bänder erstrecken. Mindestens ein wellenförmiges Band einer ersten Bauform soll in radialer Richtung der Spule zwischen den Flachseiten der Supraleiter benachbarter Wicklungen der Spule vorgesehen sein. Jeweils mindestens ein wellenförmiges Band einer zweiten Bauform soll in axialer Richtung der Spule an den Längsseiten des Supraleiters vorgesehen sein. Die Breiten der an den Längsseiten des Supraleiters vorgesehenen wellenförmigen Bänder der zweiten Bauform und die Breite des Supraleiters sollen sich zur Breite des wellenförmigen Bandes der ersten Bauform addieren.The The aforementioned object is achieved by the measures specified in claim 1 solved. Accordingly, a special superconducting current limiter device of resistive Type can be specified, which contains at least one coil and whose Conductor formed with at least one ribbon-shaped superconductor is. The band-shaped Superconductor is opposite Flat sides and long sides on. At least three wave-shaped bands should extend parallel to the superconductor. At least one wavy one Band of a first design should be in the radial direction of the coil between the flat sides of the superconductors of adjacent windings of the coil be provided. In each case at least one wave-shaped band of a second design should be in the axial direction of the coil on the long sides of the superconductor be provided. The widths of the long sides of the superconductor provided wave-shaped bands the second design and the width of the superconductor should be to the width of the wavy Add volume of the first design.

Mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen sind die folgenden Vorteile verbunden: Das wellenförmige Band erster Bauform ist in axialer Richtung der Spule breiter ausgebildet als der bandförmige Supraleiter. Auf diese Weise kann vorteilhaft die elektrische Durchschlagstrecke von einer Spulenwindung zur nächsten gegenüber einer Ausführungsform bei der ein wellenförmiges Band die gleiche Breite wie der bandförmige Supra leiter aufweist, verlängert werden. Vorteilhaft wird auf diese Weise eine kompakte Bauform der Strombegrenzereinrichtung bei gleichzeitiger Verbesserung des Schutzes vor Spannungsüberschlägen realisiert. Durch die wellenförmige Ausführungsform der Binder wird eine hohe Kühlmittelpermeabilität der Spule gewährleistet. Auf diese Weise kann die Rückkühlzeit minimiert werden. Durch die Anordnung von jeweils mindestens. einem wellenförmigen Band einer zweiten Bauform in axialer Richtung der Spule an den Längsseiten des Supraleiters wird der bandförmige Supraleiter in einer Ebene senkrecht zur Achse der Spule definiert gehalten. Durch diese Befestigung in axialer Richtung wird eine Minimierung der Induktivität des Strombegrenzers erreicht. Weiterhin kann durch eine exakte Positionierung der Windungen der Spule die zwischen benachbarten Windungen wirkenden Lorentzkräfte minimiert werden. Vorteilhaft kann auf diese Weise die mechanische Belastung auf eventuell vorhandene Trageelemente der Spule, wie auch auf die Windungen bzw. den bandförmigen Supraleiter selbst, minimiert werden. Durch eine ebenfalls wellenförmige Ausgestaltung der Bänder der zweiten Bauform wird eine hohe Kühlmittelpermeabilität der Spule und die daraus resultierenden zuvor genannten Vorteile erreicht.With the measures according to the invention are The following advantages are associated: The wavy band is the first design formed in the axial direction of the coil wider than the band-shaped superconductor. In this way, advantageously, the electrical breakdown path from one coil turn to the next across from an embodiment at the one wavy Band has the same width as the band-shaped superconductor, extended become. Advantageously, in this way a compact design of Current limiter device while improving the protection realized before voltage flashovers. By the wave-shaped embodiment The binder will have a high coolant permeability of the coil guaranteed. In this way, the re-cooling time can be minimized become. By the arrangement of at least each. a wavy band a second design in the axial direction of the coil on the longitudinal sides of the superconductor becomes the band-shaped Superconductor defined in a plane perpendicular to the axis of the coil held. By this attachment in the axial direction is a Minimization of inductance of the current limiter reached. Furthermore, by an exact positioning the turns of the coil acting between adjacent turns Lorentz forces be minimized. Advantageously, in this way the mechanical Load on any existing support elements of the coil, such as also on the windings or the band-shaped superconductor itself, be minimized. By a likewise undulating configuration of the bands of second design is a high coolant permeability of the coil and the resulting benefits previously achieved.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Strombegrenzereinrichtung gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen hervor.advantageous Embodiments of the current limiter device according to the invention go from the dependent of claim 1 claims out.

Demgemäß kann die supraleitende Strombegrenzereinrichtung zusätzlich noch folgende Merkmale aufweisen:

– Die wellenförmige Ausgestaltung der Bänder der zweiten Bauform kann eine höhere Periodizität aufweisen als die wellenförmige Ausgestaltung des Bandes der ersten Bauform. Durch eine Ausgestaltung der Bänder der zweiten Bauform mit einer höheren Periodizität als die der ersten Bauform wird insbesondere verhindert, dass zwei Bänder verschiedener Bauform insbesondere passgenau aufeinander zu liegen kommen. In dem zwei Bänder verschiedener Bauform passgenau aufeinander zu liegen kommen, verlieren die an den Längsseiten des Supraleiters vorgesehenen wellenförmigen Bänder ihre Wirkung den Supraleiter in einer Ebene senkrecht zur axialen Richtung der Spule zu halten. Weiterhin können die Bänder der zweiten Bauform, bedingt durch ihre höhere Periodizität der wellenförmigen Ausgestaltung, der Form der Bänder der ersten Bauform zumindest teilweise folgen. Dies verbessert die Haltewirkung der Bänder der zweiten Bauform und sorgt somit für eine Verbesserung der Halterung des bandförmigen Supraleiters in einer Ebene senkrecht zur axialen Richtung der Spule.
– Für die Spule kann eine bifilare Wicklung des Supraleiters vorgesehen sein. Bei einer bifilar gewickelten Spule kompensieren sich die Induktivitäten der beiden Hälften der bifilaren Wicklung. Auf diese Weise kann für einen Strombegrenzer vorteilhaft eine kompakte Bauform bei gleichzeitig minimaler Induktivität erreicht werden.
– Für mindestens eins der wellenförmigen Bänder kann ein elektrischer Isolator als Material vorgesehen sein. Vorteilhaft kann durch die Verwendung eines elektrisch isolierenden Materials die Gefahr für elektrische Durchschläge minimiert werden.
– Als elektrischer Isolator kann ein Kunststoff vorgesehen sein. Vorteilhaft stellt ein Kunststoff sowohl einen elektrischen Isolator dar und stellt ferner aufgrund seiner verhältnismäßig geringen Wärmekapazität beim Einkühlvorgang der Strombegrenzereinrichtung eine geringe thermische Last dar.
– Mindestens eins der wellenförmigen Bänder kann in Längsrichtung periodisch trapezförmig, sägezahnförmig oder sinusförmig ausgestaltet sein. Eine trapezförmig, sägezahnförmig oder sinusförmige Ausgestaltung der gewählten Bänder ist insbesondere in Bezug auf deren Herstellung einfach und kostengünstig realisierbar.
– Für den Supraleiter kann HTS-Material oder LTS-Material vorgesehen sein. Durch die Verwendung von oxidischem Hochtemperatursupraleitermaterial (HTS-Material) kann für die Kühlung der supraleitenden Strombegrenzereinrichtung vorteilhaft flüssiger Stickstoff als Kältemedium verwendet werden. Metallisches Tieftemperatursupraleitermaterial (LTS-Material) weist eine hohe mechanische Belastbarkeit auf und ist infolgedessen gut zu verarbeiten. Dies führt zu einer geringen Störanfälligkeit beziehungsweise einer kostengünstigen Herstellbarkeit der Strombegrenzereinrichtung.
– Der bandförmige Supraleiter kann durch eine auf eine Puffer- oder Zwischenschicht, welche selbst auf ein normalleitendes metallisches Substratband aufgebracht ist, aufgebrachte Schicht von oxidischem Supraleitermaterial vom Typ AB₂Cu₃U_x gebildet sein, wobei A mindestens ein Seltenes Erdmetall einschließlich Yttrium und B mindestens ein Erdalkalimetall ist. Die Verwendung eines supraleitenden Bandleiters der zweiten Generation auf der Basis von Yttrium-Barium-Kupferoxid in einer supraleitenden Strombegrenzereinrichtung ist sowohl im Hinblick auf die Verarbeitung des kommerziell gut verfügbaren bandförmigen Supraleiters der zweiten Generation wie auch im Hinblick auf den Schaltvorgang der supraleitenden Strombegrenzereinrichtung vorteilhaft.
– Der bandförmige Supraleiter kann in der Spule mit seiner Substratseite nach außen angeordnet sein. Durch eine Anordnung des bandförmigen Supraleiters mit seiner Substratseite nach außen ist die sich auf der Innenseite der Windungen befindliche supraleitende Schicht im Wesentlichen Druckspannungen ausgesetzt. Da insbesondere keramische Hochtemperatursupraleiterschichten unempfindlicher auf Druck- als auf Zugbelastungen reagieren, führt diese Art der Wicklung zu einer geringeren Störanfälligkeit der Strombegrenzereinrichtung.
– Mindestens zwei der wellenförmigen Bänder können mittels eines Kunstharzes unter Freihaltung von Kühlmittelwegen miteinander verklebt sein. Vorteilhaft kann durch die Verklebung mindestens zweier der gewählten Bänder die Montage des bandförmigen Supraleiters in die vorverklebte Bänderanordnung erleichtert werden.
– Zumindest zwei der gewellten Bänder und der bandförmige Supraleiter können mittels eines Kunstharzes unter Freihaltung von Kühlmittelwegen miteinander verklebt sein. Vorteilhaft kann durch eine Verklebung mindestens zweier der wellenförmigen Bänder mit dem bandförmigen Supraleiter, eine höhere mechanische Festigkeit der Spule der Strombegrenzereinrichtung erreicht werden. Weiterhin vorteilhaft wird durch eine Verklebung des bandförmigen Supraleiters mit mindestens einem der wellenförmigen Bänder die Fixierung des bandförmigen Supraleiters verbessert. Auf diese Weise kann sowohl die Induktivität der supraleitenden Strombegrenzereinrichtung als auch die zwischen benachbarten Windungen wirkenden Lorentzkräfte minimiert werden. Insbesondere vorteilhaft wirkt sich eine Verklebung des bandförmigen Supraleiters mit mindestens einem der gewellten Bänder im Falle eines Schaltvorgangs der supraleitenden Strombegrenzereinrichtung aus. Durch eine solche Verklebung wird verhindert, dass bei einem Schaltvorgang siedendes Kältemittel zu einer Verschiebung des bandförmigen Supraleiters aus der gewünschten Position führt.
– Das wellenförmige Band der ersten Bauform kann derart ausgestaltet sein, dass der gegenseitige Abstand zwischen den Windungen der Spule mindestens 1 mm beträgt. Vorteilhaft kann durch die Einhaltung eines Mindestabstandes im Fall eines Schaltvorgangs siedendes Kältemittel aus der Spule entweichen ohne eine unnötig große mechanische Belastung auf den bandförmigen Supraleiter und weitere Teile der Spule auszuüben. Ferner wird durch die Einhaltung dieses Mindestabstandes eine hinreichende Kühlmittelversorgung des bandförmigen Supraleiters für den Rückkühlvorgang gewährleistet.

Accordingly, the superconducting current limiter device may additionally have the following features:

- The wavy configuration of the bands of the second design may have a higher periodicity than the wavy configuration of the band of the first design. An embodiment of the bands of the second design with a higher periodicity than that of the first design prevents, in particular, that two bands of different design come to rest on each other in a precisely fitting manner. In which two tapes of different shapes come to lie precisely on one another, the wave-shaped tapes provided on the longitudinal sides of the superconductor lose their effect of holding the superconductor in a plane perpendicular to the axial direction of the coil. Furthermore, the bands of the second design, due to their higher periodicity of the wave-shaped configuration, at least partially follow the shape of the bands of the first design. This improves the holding effect of the bands of the second design and thus provides for an improvement of the support of the band-shaped superconductor in a plane perpendicular to the axial direction of the coil.
- For the coil, a bifilar winding of the superconductor can be provided. In a bifilar wound coil, the inductances of the two halves of the bifilar winding compensate each other. In this way, for a current limiter advantageously a compact design can be achieved while minimizing inductance.
- For at least one of the wavy bands, an electrical insulator may be provided as a material. Advantageously, the risk of electrical breakdowns can be minimized by the use of an electrically insulating material.
- As an electrical insulator can be a plastic before be seen. Advantageously, a plastic is both an electrical insulator and also represents a low thermal load due to its relatively low heat capacity during cooling of the current limiter device.
- At least one of the wavy bands may be periodically trapezoidal, sawtooth or sinusoidal in the longitudinal direction. A trapezoidal, sawtooth or sinusoidal design of the selected bands is easy and inexpensive to implement, in particular with respect to their production.
- HTS material or LTS material may be provided for the superconductor. By using high-temperature oxide superconductor material (HTS material), liquid nitrogen can advantageously be used as cooling medium for cooling the superconducting current limiter device. Metallic low-temperature superconducting material (LTS material) has a high mechanical strength and is therefore easy to process. This leads to a low susceptibility or low cost manufacturability of the current limiter device.
The strip-shaped superconductor may be formed by a layer of oxide superconducting material of the type AB ₂ Cu ₃ U _x deposited on a buffer or intermediate layer which itself is applied to a normal conducting metallic substrate strip, where A is at least one rare earth metal including yttrium and B is at least one alkaline earth metal. The use of a yttrium-barium-copper-based superconducting ribbon conductor in a superconducting current limiter device is advantageous both in terms of processing the commercially well-available second generation band-shaped superconductor and in terms of the switching operation of the superconductive current limiter device.
- The band-shaped superconductor can be arranged in the coil with its substrate side to the outside. By arranging the band-shaped superconductor with its substrate side to the outside, the superconducting layer located on the inside of the turns is exposed to essentially compressive stresses. Since, in particular, ceramic high-temperature superconductor layers are less sensitive to pressure than to tensile loads, this type of winding leads to a lower susceptibility to interference of the current limiting device.
- At least two of the wavy bands can be glued together by means of a synthetic resin while keeping coolant paths free. Advantageously, the bonding of at least two of the selected bands facilitates the assembly of the band-shaped superconductor into the pre-bonded band arrangement.
- At least two of the corrugated strips and the strip-shaped superconductor can be glued together by means of a synthetic resin while keeping coolant paths free. Advantageously, a bonding of at least two of the wavy bands to the band-shaped superconductor, a higher mechanical strength of the coil of the current limiter device can be achieved. Furthermore, bonding of the band-shaped superconductor with at least one of the wavy bands improves the fixation of the band-shaped superconductor. In this way, both the inductance of the superconducting current limiter device and the Lorentz forces acting between adjacent turns can be minimized. Particularly advantageous is an adhesion of the band-shaped superconductor with at least one of the corrugated bands in the case of a switching operation of the superconducting current limiter device acts. By such a bond is prevented that in a switching operation boiling refrigerant leads to a shift of the band-shaped superconductor from the desired position.
The wavy band of the first design can be designed such that the mutual distance between the turns of the coil is at least 1 mm. Advantageously, by maintaining a minimum distance in the case of a switching operation, boiling refrigerant can escape from the coil without exerting an unnecessarily large mechanical load on the strip-shaped superconductor and other parts of the coil. Furthermore, a sufficient coolant supply of the strip-shaped superconductor for the re-cooling process is ensured by maintaining this minimum distance.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen supraleitenden Strombegrenzereinrichtungen gehen aus den vorstehend nicht angesprochenen Unteransprüchen sowie insbesondere aus der Zeichnung hervor.Further advantageous embodiments of the superconducting current limiter devices according to the invention go from the above-mentioned subclaims and in particular from the drawing.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung weiter erläutert, aus der mehrere bevorzugte Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen supraleitenden Strombegrenzereinrichtung ohne eine Einschränkung auf die konkret veranschaulichte Ausführungsform dargestellt sind. Dabei zeigen derenThe The invention will be further elucidated with reference to the drawings explains from the several preferred embodiments a superconducting invention Current limiter device without a limitation to the concrete illustrated embodiment are shown. This show their

1 in Draufsicht einen Ausschnitt einer Spulenwindung mit zwei zwischen Bändern erster und zweiter Bauform angeordneten bandförmigen Supraleitern. 1 in plan view a section of a coil winding with two arranged between bands of the first and second construction band-shaped superconductors.

2 einen Querschnitt der Spulenwindung nach 1, 2 a cross section of the coil winding after 1 .

3 eine Schrägansicht des bandförmigen Supraleiters und der im Wesentlichen parallel dazu verlaufenden Bänder erster und zweiter Bauform, 3 an oblique view of the band-shaped superconductor and the substantially parallel extending bands of the first and second design,

4 in Draufsicht einen Ausschnitt einer Spulenwindung mit bandförmigen Supraleitern und parallel dazu angeordneten Bändern erster und zweiter Bauform, 4 in plan view a detail of a coil winding with band-shaped superconductors and parallel arranged bands of first and second design,

5 in Draufsicht einen Ausschnitt einer weiteren Spulenwindung mit bandförmigen Supraleitern und parallel dazu angeordneten Bändern erster und zweiter Bauform, 5 in plan view a section of another coil winding with band-shaped superconductors and parallel arranged bands of the first and second design,

6 in Aufsicht eine bifilar gewickelte Scheibenspule. In den Figuren sind sich entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen versehen. 6 in supervision, a bifilar wound disc spool. In the figures, corresponding parts are given the same reference numerals.

1 zeigt in Draufsicht einen Ausschnitt einer Spulenwindung einer supraleitenden Strombegrenzereinrichtung. Parallel zu einem bandförmigen Supraleiter 11 erstrecken sich gewellte Bänder einer ersten Bauform 12 sowie gewellte Bänder einer zweiten Bauform 13. In 1 bezeich net eine mit R bezeichnete Richtung eine radiale Richtung einer Spule der supraleitenden Strombegrenzereinrichtung. Eine axiale Richtung A der Spule ist senkrecht zur Papierebene orientiert. Die gewellten Bänder der ersten Bauform 12 erstrecken sich parallel zu dem bandförmigen Supraleiter 11, an dessen Flachseiten. Die gewählten Bänder der zweiten Bauform 13 erstrecken sich im Wesentlichen parallel zu dem bandförmigen Supraleiter 11, an dessen Längsseiten. Infolge der gewellten Ausgestaltung der Bänder erster und zweiter Bauform 12 bzw. 13 wird eine hohe Kühlmittelpermeabilität der Spule in Richtung A erreicht. Insbesondere vorteilhaft ist, dass in Folge der niedrigeren Periodizität der Bänder der ersten Bauform 12 große Kühlmittelkanäle 16 in Richtung A freigehalten werden. Die gegenüber den gewellten Bändern erster Bauform 12 höhere Periodizität der Bänder der zweiten Bauform 13 schränkt die Größe der Kühlmittelkanäle 16 nur minimal ein. Die Kühlmittelpermeabilität der Spule wird ferner maßgeblich durch den Abstand 14 der beiden bandförmigen Supraleiter 11 zueinander beeinflusst. Der Abstand 14 der bandförmigen Supraleiter 11 ist im Wesentlichen durch die Höhe der gewellten Ausführung der Bänder der ersten Bauform 12 vorgegeben. 1 shows in plan view a detail of a coil winding of a superconducting current limiter device. Parallel to a band-shaped superconductor 11 Wavy bands of a first design extend 12 and corrugated strips of a second design 13 , In 1 denotes a designated R direction a radial direction of a coil of the superconducting current limiter device. An axial direction A of the coil is oriented perpendicular to the paper plane. The corrugated strips of the first design 12 extend parallel to the band-shaped superconductor 11 , on its flat sides. The selected bands of the second design 13 extend substantially parallel to the band-shaped superconductor 11 , on its long sides. Due to the corrugated design of the bands first and second design 12 respectively. 13 a high coolant permeability of the coil in direction A is achieved. It is particularly advantageous that as a result of the lower periodicity of the bands of the first design 12 large coolant channels 16 be kept in the direction of A The opposite the wavy bands first design 12 higher periodicity of the bands of the second design 13 limits the size of the coolant channels 16 only minimal. The coolant permeability of the coil is also determined by the distance 14 the two band-shaped superconductors 11 influenced each other. The distance 14 the band-shaped superconductor 11 is essentially due to the height of the corrugated design of the bands of the first design 12 specified.

Die Halterung der bandförmigen Supraleiter 11 in der radialen Richtung R ist im Wesentlichen durch die an den Flachseiten der bandförmigen Supraleiter 11 angeordneten gewellten Bänder der ersten Bauform 12 vorgegeben. Die Halterung des bandförmigen Supraleiters 11 in axialer Richtung A der Spule ist im Wesentlichen bestimmt durch die an den Längsseiten der bandförmigen Supraleiter 11 angeordneten gewellten Bänder der zweiten Bauform 13.The holder of the band-shaped superconductor 11 in the radial direction R is substantially by the on the flat sides of the band-shaped superconductor 11 arranged corrugated strips of the first design 12 specified. The holder of the band-shaped superconductor 11 in the axial direction A of the coil is essentially determined by the on the longitudinal sides of the band-shaped superconductor 11 arranged corrugated strips of the second design 13 ,

2 zeigt eine Querschnittsansicht entlang des in 1 dargestellten Schnittes. Dargestellt ist der Querschnitt 21 der bandförmigen Supraleiter 11 sowie die von den Bändern der ersten 12 und zweiten 13 Bauform eingenommenen Querschnitte 22 bzw. 23. Der Abstand der bandförmigen Supraleiter 11 ist im Wesentlichen durch die Ausgestaltung der gewellten Form der Bänder erster Bauform 12 in Richtung R bestimmt. Wie in 1 ist in 2 mit R die radiale Richtung der Spule und mit A eine axiale Richtung der Spule bezeichnet. 2 shows a cross-sectional view along the in 1 illustrated section. Shown is the cross section 21 the band-shaped superconductor 11 as well as those of the bands of the first 12 and second 13 Design taken cross sections 22 respectively. 23 , The distance of the band-shaped superconductor 11 is essentially due to the configuration of the corrugated shape of the bands first design 12 determined in the direction of R. As in 1 is in 2 R denotes the radial direction of the coil and A denotes an axial direction of the coil.

In axialer Richtung der Spule A addieren sich die Breiten 231 der an den Längsseiten der bandförmigen Supraleiter angeordneten Bänder der zweiten Bauform und die Breite 211 des bandförmigen Supraleiters zumindest passgenau zur Breite 221 der Bänder der ersten Bauform. Durch die zumindest passgenaue Aufnahme des bandförmigen Supraleiters 11 zwischen den Bändern erster 12 und zweiter Bauform 13 wird eine Positionierung des bandförmigen Supraleiters 11 in Richtung A erreicht. Durch die Halterung des bandförmigen Supraleiters 11 im Wesentlichen in einer Ebene senkrecht zur axialen Richtung A der Spule, werden die zwischen benachbarten Windungen der Spule wirkenden Lorentzkräfte minimiert. Wird die Spule als bifilar gewickelte Spule ausgeführt, so ergibt sich als Folge einer exakten Positionierung des bandförmigen Supraleiters 11 eine Minimierung der Induktivität der Spule, da sich die Induktivitäten der beiden Hälften der bifilaren Wicklung kompensieren.In the axial direction of the coil A, the widths add up 231 arranged on the longitudinal sides of the band-shaped superconductor tapes of the second design and the width 211 the band-shaped superconductor at least accurately to the width 221 the bands of the first design. By the at least accurately fitting recording of the band-shaped superconductor 11 between the bands first 12 and second design 13 becomes a positioning of the band-shaped superconductor 11 reached in the direction of A. Through the holder of the band-shaped superconductor 11 substantially in a plane perpendicular to the axial direction A of the coil, the Lorentz forces acting between adjacent turns of the coil are minimized. If the coil is designed as a bifilar-wound coil, the result is an exact positioning of the band-shaped superconductor 11 a minimization of the inductance of the coil, since the inductances of the two halves of the bifilar winding compensate each other.

3 zeigt eine Schrägansicht des bandförmigen Supraleiters 11 und der im Wesentlichen parallel verlaufenden Bänder erster 12 und zweiter 13 Bauform. Die in 3 dargestellte Anordnung zeigt einen Ausschnitt aus der Windung einer Spule, wobei, wie aus den vorstehenden Figuren bekannt, die axiale Richtung dieser Spule mit A, und die radiale Richtung dieser Spule mit R bezeichnet ist. Der bandförmige Supraleiter 11 kommt zumindest passgenau zwischen den Bändern zweiter Bauform 13 und den Bändern erster Bauform 12 zu liegen. Wie aus 3 ersichtlich, besteht die Anforderung für die Halterung eines bandförmigen Supraleiters 11 in der Verwendung von mindestens einem Band erster Bauform 12 und mindestens zwei Bändern zweiter Bauform 13 pro Spulenwindung. 3 shows an oblique view of the band-shaped superconductor 11 and the substantially parallel bands first 12 and second 13 Design. In the 3 shown arrangement shows a section of the winding of a coil, wherein, as known from the preceding figures, the axial direction of this coil with A, and the radial direction of this coil is denoted by R. The band-shaped superconductor 11 At least fits exactly between the bands of the second design 13 and the bands of the first design 12 to lie. How out 3 it can be seen, the requirement for the support of a ribbon-shaped superconductor 11 in the use of at least one band of the first design 12 and at least two bands of the second design 13 per coil turn.

4 zeigt in Draufsicht einen Ausschnitt einer Spulenwindung gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel. 4 shows in plan view a section of a coil turn according to a further preferred embodiment.

Der bandförmige Supraleiter 11 wird in radialer Richtung R von an seinen Flachseiten angeordneten sägezahnförmig ausgestalteten Flachbändern 41 gehalten. In axialer Richtung A erstrecken sich sinusförmig ausgestaltete gewellte Bänder 42, an den Längsseiten des bandförmigen Supraleiters 11.The band-shaped superconductor 11 will be in radia Direction R of arranged on its flat sides sawtooth-shaped flat belts 41 held. In the axial direction A sinusoidally configured corrugated bands extend 42 , on the longitudinal sides of the band-shaped superconductor 11 ,

Gemäß einem weiteren in 5 dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel, welches in Draufsicht einen Ausschnitt einer Spulenwindung zeigt, kommt der bandförmige Supraleiter 11 zwischen zwei an seinen Flachseiten angeordneten sinusförmig ausgestalteten Bändern der ersten Bauform 12 zu liegen. Die sinusförmig ausgestalteten Bänder der ersten Bauform 12 sorgen für eine Halterung der bandförmigen Supraleiter 11 in radialer Richtung R der Spule. An den Längsseiten werden die bandförmigen Supraleiter 11 in Richtung A von trapezförmig ausgestalteten Bändern 51 einer zweiten Bauform gehalten.According to another in 5 illustrated preferred embodiment, which shows a section of a coil turn in plan view, comes the band-shaped superconductor 11 between two arranged on its flat sides sinusoidally configured bands of the first design 12 to lie. The sinusoidally designed bands of the first design 12 provide support for the band-shaped superconductor 11 in the radial direction R of the coil. On the long sides are the band-shaped superconductors 11 towards A of trapezoidal ribbons 51 held a second design.

Auch bei den in 4 und 5 dargestellten Ausführungsbeispielen addieren sich die Breiten der an den Längsseiten des bandförmigen Supraleiters 11 angeordneten Bänder zweiter Bauform 42, 51 und die Breite des bandförmigen Supraleiters 11 zur Breite des gewellten Bandes erster Bauform 41, 12. Des Weiteren sind vorteilhaft weitere geometrische Formen der gewellten Bänder erster und zweiter Bauform, welche nicht explizit in den vorgenannten Figuren dargestellt sind, sich aber z.B. aus einer Kombination der dargestellten Formen ergeben, realisierbar.Also with the in 4 and 5 illustrated embodiments, the widths add to the longitudinal sides of the band-shaped superconductor 11 arranged bands of the second design 42 . 51 and the width of the band-shaped superconductor 11 to the width of the corrugated strip first form 41 . 12 , Furthermore, further geometrical shapes of the corrugated strips of the first and second design, which are not explicitly shown in the aforementioned figures, but can result, for example, from a combination of the illustrated shapes, can be realized.

6 zeigt eine bifilar gewickelte Scheibenspule 61. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann eine bifilar gewickelte Spule 61 zum Einsatz in einer supraleitenden Strombegrenzereinrichtung kommen. In 6 dargestellt ist ein bifilar gewickelter supraleitender Bandleiter 11 sowie ein zwischen den Windungen der Spule angeordnetes Halteelement einer ersten Bauform. In 6 ist wie in den zuvor gezeigten Figuren mit A die axiale Richtung und R eine radiale Richtung der Spule bezeichne Das gewellte Band erster Bauform 12, welches zwischen den einzelnen Windungen der bifilar gewi ckelten Spule 61 angeordnet ist, kann gemäß einem der vorgenannten Ausführungsbeispiele insbesondere sinusförmig, sagezahnförmig oder trapezförmig ausgestaltet sein. 6 shows a bifilar wound disc coil 61 , According to a preferred embodiment, a bifilar wound coil 61 come for use in a superconducting current limiter device. In 6 a bifilar wound superconducting band conductor is shown 11 and a arranged between the turns of the coil holding element of a first design. In 6 is as in the figures previously shown with A the axial direction and R denotes a radial direction of the coil The corrugated tape first design 12 which lies between the individual turns of the bifilar wound coil 61 is arranged according to one of the aforementioned embodiments in particular sinusoidal, sagezahnförmig or trapezoidal be designed.

Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel kann der bandförmige Supraleiter 11 mit der supraleitenden Schicht zur Spuleninnenseite gewickelt sein. Vorteilhaft wird durch diese Art der Wicklung, die auf das Substrat aufgebrachte supraleitende Schicht, im Wesentlichen einer Druckbelastung ausgesetzt. Da z.B. oxidische Hochtemperatursupraleitermaterialien stärker auf Druck als auf Zug belastbar sind, führt diese Art der Wicklung zu einer geringeren Wahrscheinlichkeit für Rissbildung und damit einem Versagen der supraleitenden Schicht.According to a further preferred embodiment, the band-shaped superconductor 11 be wound with the superconducting layer to the coil inside. Advantageously, this type of winding, which is applied to the substrate superconducting layer, exposed to a substantial pressure load. Since, for example, oxidic high-temperature superconductor materials can be loaded more strongly on pressure than on tensile stress, this type of winding leads to a lower probability of crack formation and thus failure of the superconducting layer.

Der bandförmige Supraleiter 11 kann ferner wie folgt aufgebaut sein. Auf einem metallischen Substratband kann zunächst eine sogenannte Pufferschicht aufgebracht sein, auf welcher die eigentlich supraleitende oxidische Hochtemperatursupraleiterschicht (z.B. YBCO) aufgebracht ist. Der Aufbau solcher für supraleitende Strombegrenzereinrichtung geeigneten Bandleiter ist z.B. in DE 10 2004 048 646 A1 vorgeschlagen.The band-shaped superconductor 11 may further be constructed as follows. On a metallic substrate strip, a so-called buffer layer can first be applied, on which the actually superconductive oxide high-temperature superconductor layer (eg YBCO) is applied. The construction of such suitable for superconducting current limiting device band conductor is eg in DE 10 2004 048 646 A1 proposed.

Der gesamte Aufbau der Spule 61, insbesondere die Bänder erster 12, 41 und zweiter Bauform 13, 42, 51 können vorteilhaft hinreichend mechanisch stabil sein, d.h. einer Montage des bandförmigen Supraleiters 11 oder weiterer Teile der supraleitenden Strombegrenzereinrichtung ohne Schaden zu nehmen standhalten. Eine Stabilisierung der Spule kann insbesondere durch ein Verkleben von zumindest zwei gewellten Bändern verschiedener Bauform und vorzugsweise dem bandförmigen Supraleiter miteinander erfolgen. Insbesondere vorteilhaft ist eine auch teilweise Verklebung der Elemente der Spule miteinander, um die bei einem Schaltvorgang der Strombegrenzereinrichtung auftretenden Kräfte, in Folge eines Siedens des Kühlmittels, aufzunehmen. Einfluss auf die bei dem Sieden des Kältemittels auftretenden Kräfte hat ferner der Abstand 15 zwischen den einzelnen Windungen der Spule. Durch die Einhaltung eines Mindestabstandes von vorzugsweise 1 mm können so wohl die beim Sieden des Kältemittels auftretenden Kräfte begrenzt werden als auch die Kühlmittelzufuhr für den Rückkühlvorgang nach einem Schalten der supraleitenden Strombegrenzereinrichtung verbessert werden.The entire structure of the coil 61 , especially the tapes first 12 . 41 and second design 13 . 42 . 51 can advantageously be sufficiently mechanically stable, ie an assembly of the band-shaped superconductor 11 or other parts of the superconducting current limiter device without taking damage. A stabilization of the coil can be effected in particular by adhering at least two corrugated strips of different construction and preferably the strip-shaped superconductor to one another. Particularly advantageous is also a partial bonding of the elements of the coil with each other to absorb the forces occurring during a switching operation of the current limiting device, as a result of boiling of the coolant. Influence on the forces occurring during the boiling of the refrigerant also has the distance 15 between the individual turns of the coil. By maintaining a minimum distance of preferably 1 mm, the forces occurring during the boiling of the refrigerant can be limited as well as the coolant supply for the recooling process can be improved after switching the superconducting current limiter device.

Claims

A resistive-type superconductive current-limiting device having at least one coil, the conductor track of which is connected to at least one strip-shaped superconductor ( 11 ) is formed, which has opposite flat sides and longitudinal sides, wherein parallel to the strip-shaped superconductor ( 11 ) at least three wavy bands ( 12 . 13 ), of which a. at least one wavy band of a first design ( 12 ) in the radial direction of the coil between the flat sides of the strip-shaped superconductor ( 11 ) adjacent turns of the coil is provided, and b. in each case at least one wavy band of a second design ( 13 ) in the axial direction of the coil on the longitudinal sides of the band-shaped superconductor ( 11 ), wherein c. the widths of the longitudinal sides of the strip-shaped superconductor ( 11 ) wavy bands of the second design ( 13 ) and the width of the band-shaped superconductor ( 11 ) to the width of the Wavy band of the first design ( 12 ) add.

Superconducting current limiter device according to claim 1, characterized in that the wave-shaped configuration of the bands of the second design ( 13 ) has a higher periodicity than the wavy configuration of the band of the first design ( 12 ).

Superconducting current limiter device according to claim 1 or 2, characterized in that a bifilar winding of the strip-shaped superconductor ( 11 ) is provided.

Superconducting current limiter device according to one of the preceding claims, characterized in that as material for at least one of the wavy bands ( 12 . 13 ) An electrical insulator is provided.

Superconducting current limiter device according to claim 4, characterized in that the electrical insulator is a plastic is.

Superconductive current limiter device according to one of the preceding claims, characterized in that at least one of the wave-shaped bands ( 12 . 13 ) is periodically trapezoidal, sawtooth or sinusoidal in longitudinal direction.

Superconducting current limiter device according to one of the preceding claims, characterized in that for the strip-shaped superconductor ( 11 ) an HTS material or an LTS material is provided.

Superconducting current limiter device according to claim 7, characterized in that the band-shaped superconductor ( 11 ) is formed by a layer of oxidic superconducting material of the type AB ₂ Cu ₃ O _x applied to a normal conducting metallic substrate strip, wherein A is at least one rare earth metal including yttrium and B is at least one alkaline earth metal.

Superconductive current limiter device according to one of the preceding claims, characterized in that the band-shaped superconductor ( 11 ) is arranged with its substrate side to the outside in the coil.

Superconducting current limiter device according to one of the preceding claims, characterized in that at least two of the wave-shaped bands ( 12 . 13 ) are glued together by means of a synthetic resin while keeping coolant paths free.

Superconducting current limiter device according to one of the preceding claims, characterized in that at least two of the corrugated strips ( 12 . 13 ) and the band-shaped superconductor ( 11 ) are glued together by means of a synthetic resin while keeping coolant paths free.

Superconducting current limiter device according to one of the preceding claims, characterized in that the wavy band of the first design ( 12 ) is configured such that the mutual distance ( 15 ) between the turns of the coil ( 61 ) is at least 1 mm.