DE102018206912A1 - Superconductor strand for installation in a busbar system element and use of such a superconductor strand in a busbar system element - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Supraleiterstrang zum Einbau in ein Stromschienensystemelement, welches umfasst: ein sich entlang des Stromschienensystemelements erstreckenden Gehäuse; einen Supraleiterstrang, welcher im Gehäuse entlang des Gehäuses verläuft, ein Verbindungstück am Ende des Supraleiterstrangs zum elektrischen Verbinden des Supraleiterstrangs mit einem weiteren Supraleiterstrang eines weiteren Stromschienensystemelements mit einem Gegenverbindungsstück, wobei der Supraleiterstrang einen Stapel mit einer Vielzahl übereinander gestapelter HTSL-Bänder aufweist und jedes HTSL Band mindestens eine Gutseite mit einem keramischen Material als HTSL sowie ein Substrat zum Tragen der Gutseite umfasst. Erfindungsgemäß sind nun als Besonderheit Abstandshalter zwischen den HTSL Bändern vorgesehen, so dass sich die HTSL Bänder nicht untereinander berühren. Dieses Merkmal erlaubt die Erhöhung der Anzahl von HTSL Bändern zur Erhöhung der Stromtragfähigkeit des Gesamtsystems mit deutlich geringerer Ausprägung des Gesamtmagnetfelds als das bei dichter Packung mit eng aneinander liegenden HTSL-Bändern wäre.The invention relates to a superconductor strand for installation in a busbar system element, comprising: a housing extending along the busbar system element; a superconductor strand running in the housing along the housing, a connector at the end of the superconductor strand for electrically connecting the superconductor strand to another superconductor strand of another busbar system element with a mating connector, the superconductor strand comprising a stack of a plurality of stacked HTSC bands and each HTSL Band comprises at least one Gutseite with a ceramic material as HTSL and a substrate for supporting the Gutseite. According to the invention spacers between the HTSC bands are now provided as a special feature, so that the HTSL bands do not touch each other. This feature allows increasing the number of HTSC bands to increase the ampacity of the overall system with significantly less overall magnetic field than would be the case with closely packed HTSC bands.
Description
Die Erfindung betrifft ein Supraleiterstrang zum Einbau in ein Stromschienensystemelement. Ein solches Element umfasst: ein sich entlang des Stromschienensystemelements erstreckenden Gehäuse, einen Supraleiterstrang, welcher im Gehäuse entlang des Gehäuses verläuft und ein Verbindungstück am Ende des Supraleiterstrangs zum elektrischen Verbinden des Supraleiterstrangs mit einem weiteren Supraleiterstrang eines weiteren Stromschienensystemelements mit einem Gegenverbindungsstück.The invention relates to a superconductor strand for installation in a busbar system element. Such an element comprises: a housing extending along the busbar system element, a superconductor strand running in the housing along the housing, and a connector at the end of the superconductor strand for electrically connecting the superconductor strand to a further superconductor strand of another busbar system element with a mating connector.
Insbesondere betrifft die Erfindung sich auf eine technische Lösung zur Anordnung und Verlegung von Hochtemperatursupraleitern (HTSL) in elektrischen Stromschienensystemelementen, die für Hochstromzwecke eingesetzt werden und bei denen Gleichstrom im Bereich von Kiloampere bis zu Megaampere übertragen werden soll und deren Leitermaterial im Wesentlichen aus HTSL besteht, die im Nenntemperaturbereich unterhalb der sogenannten Sprungtemperatur den Gleichstrom verlustfrei leiten können. Diese HTSL liegen nicht in Drahtform sondern als Bandmaterial in üblichen Breiten von 4, 10, 12mm und geplant bis zu 100mm, sowie in Dicken von 30 bis 300µm vor. Die HTSL-Bänder werden zur Erreichung der erforderlichen hohen Stromtragfähigkeit des Systemelements zu Stapeln oder Bündeln zusammengefasst. Zumindest ein, meist aber mehrere Stapel ergeben dann einen Strang mit der Stromtragfähigkeit des Gesamtsystems. Sie werden mit einem Gehäuse umgeben, in dessen Inneren die zur Supraleitung erforderliche niedrige Temperatur herrscht und das nach Außen thermisch sehr gut isoliert ist. Die Isolierung besteht oft aus einem Vakuum, auch kombiniert mit zusätzlichen hochglanzverspiegelten Folien zur Isolierung der Strahlungswärme. Solche Gehäuse nennt man im Fachjargon Kryostate, sie ähneln im Prinzip dem Aufbau von Edelstahlthermosflaschen. Allerdings müssen sie für den beschriebenen Zweck wesentlich länger sein und zwei offene Enden aufweisen, an denen die HTSL der Stromschienenelemente untereinander verbunden werden und so zu längeren Strecken zusammengesetzt werden können.In particular, the invention relates to a technical solution for the arrangement and laying of high-temperature superconductors (HTSC) in electric busbar system elements which are used for high-current purposes and in which direct current in the range of kiloamps to megaamps is to be transmitted and whose conductor material consists essentially of HTSL. which in the nominal temperature range below the so-called transition temperature can conduct the DC loss without loss. These HTSL are not in wire form but as strip material in usual widths of 4, 10, 12mm and planned up to 100mm, and in thicknesses of 30 to 300μm ago. The HTSC tapes are combined to form the required high current carrying capacity of the system element into stacks or bundles. At least one, but usually several stacks then result in a strand with the current carrying capacity of the entire system. They are surrounded by a housing inside which the low temperature required for superconductivity prevails and which is thermally very well insulated to the outside. The insulation often consists of a vacuum, also combined with additional mirror-finished films to isolate the radiant heat. Such housings are called in the jargon cryostats, they are similar in principle to the structure of stainless steel thermos bottles. However, they must be much longer for the purpose described and have two open ends at which the HTSC of the busbar elements are interconnected and can be assembled to longer distances.
Im Folgenden werden handelsübliche Hochtemperatursupraleiterbänder (HTSL -Bänder) beschrieben, die mit allen hier genannten Merkmalen Bestandteil der der Erfindung sein können. HTSL Bänder bestehen im Wesentlichen aus einer auf einem metallischen Träger oder Substrat aufgebauten dünnen keramischen Schicht, die bei Unterschreitung der sogenannten Sprungtemperatur supraleitend wird. Die Schichten eines HTSL setzen sich je nach Anforderung, Hersteller oder Herstellverfahren unterschiedlich zusammen. In der Regel ist die supraleitende Schicht mit einer dünnen Silberschicht von 0,5-2µm beaufschlagt. Das fertige HTSL-Band kann zusätzlich noch galvanisch oder durch Laminieren mit einer Stabilisierung aus Kupfer beschichtet sein. Weiterhin kann der Leiter galvanisch oder durch Tauchen im Bad mit Lot beschichtet sein. Zum elektrischen Kontaktieren mit anderen HTSL Bändern empfehlen sich stets die auf der supraleitenden keramischen Schicht direkt kontaktierten metallischen Schichten aus elektrisch hochleitfähigem Material, da das Substrat im Vergleich dazu als hochohmig anzusehen ist. Als Unterscheidungsmerkmal in der Beschreibung wird die niederohmige HTSL Seite des Bandes als Gutseite bezeichnet wird. Im Falle einer Rundumbeschichtung mit Kupfer kann bei ausreichender Schichtdicke der Strom von der Gutseite auch auf die Rückseite, also den metallischen Träger geleitet werden, was aber mit ohmschen Widerstand behaftet ist, der durch Beschichtungsmaterial und Schichtdicke bestimmt wird.Hereinafter, commercially available high-temperature superconductor tapes (HTSC tapes) are described, which may be part of the invention with all the features mentioned here. HTSC strips essentially consist of a thin ceramic layer built up on a metallic support or substrate, which becomes superconducting when it falls below the so-called transition temperature. The layers of a HTSC are composed differently depending on requirements, manufacturers or production methods. As a rule, the superconducting layer is exposed to a thin silver layer of 0.5-2 μm. In addition, the finished HTSC tape may be electroplated or laminated by lamination with copper stabilization. Furthermore, the conductor can be galvanically coated or soldered by immersion in the bath with solder. For electrical contacting with other HTSC tapes, it is always advisable to use the metallic layers of highly electrically conductive material which are directly contacted on the superconducting ceramic layer, since the substrate must be regarded as having a high resistance in comparison. As a distinguishing feature in the description, the low-resistance HTS side of the tape is referred to as a good page. In the case of a circular coating with copper, with sufficient layer thickness, the current can also be conducted from the good side to the rear side, that is to say the metallic carrier, but this is associated with ohmic resistance, which is determined by the coating material and layer thickness.
Die supraleitende Schicht wird bei der Herstellung von HTSL-Bändern üblicherweise mittels physikalischen oder chemischen Verfahren einseitig auf den Träger aus Trägermaterial bzw. das Substrat aufgebracht. Als Träger kommen Nickel-Basislegierungen (HASTELLOY C-276) oder Wolfram-Nickellegierungen in Frage. Trägerbänder aus Wolfram-Nickellegierungen werden unter anderem einer Glühbehandlung unterzogen und gegebenenfalls auch vorstrukturiert. Verfahrensbedingt sind sie daher vergleichsweise dünn, typisch <= 60µm, und weich. Dadurch sind sie sehr empfindlich und können bei der späteren Handhabung leicht beschädigt werden oder degradieren. Um Handhabung und die Stromtragfähigkeit zu verbessern, werden solche Leiter mit ihren die jeweiligen Rückseiten bildenden Trägern zusammenlaminiert. Es entsteht ein Doppelleiter mit verbesserter Steifigkeit, Stromtragfähigkeit und Handhabbarkeit. Der Doppelleiter weist im Unterscheid zu Einzelleiter zwei Gutseiten auf. In einigen Fällen wird die supraleitende Schicht des handelsüblichen Einzelleiters, der dem Doppelleiter zugrunde liegt, mittels chemischer Verfahren hergestellt und zeigt in Lötversuchen eine hohe Druckempfindlichkeit. Der Leiter degradiert dann schon bei vergleichsweise geringer Druckbeaufschlagung. Daher verlangt dieser Leiter sowohl bei der Verlötung als auch bei der Stromübertragung von einem Verbinderteil auf das nächste Verbinderteil andere Voraussetzungen als der einseitig zu nutzende Einzelleiter, basierend auf Hastelloysubstrat und physikalischer Beschichtung.The superconducting layer is usually applied on one side to the carrier of carrier material or the substrate in the production of HTSC strips by means of physical or chemical methods. Suitable supports are nickel-base alloys (HASTELLOY C-276) or tungsten nickel alloys. Carrier tapes of tungsten-nickel alloys are subjected to, among other things, an annealing treatment and possibly also pre-structured. Due to the process, they are therefore comparatively thin, typically <= 60μm, and soft. As a result, they are very sensitive and can be easily damaged or degraded during subsequent handling. In order to improve handling and current carrying capacity, such conductors are laminated together with their backs forming the respective carriers. The result is a double conductor with improved stiffness, current carrying capacity and handling. The double conductor has in contrast to individual conductors on two Gutseiten. In some cases, the superconducting layer of the commercial single conductor based on the double conductor is produced by chemical methods and exhibits high pressure sensitivity in soldering tests. The conductor then degrades even at comparatively low pressure. Therefore, this conductor requires different conditions in terms of both soldering and power transmission from one connector part to the next connector part than the one-sided single-conductor based on Hastelloysubstrat and physical coating.
Werden die HTSL-Bänder in Stapeln geschichtet, so beeinflussen sie sich gegenseitig über das selbst erzeugte Magnetfeld, in der Form, dass sich die Stromtragfähigkeit jedes einzelnen HTSL-Bandes umso mehr reduziert je höher das Magnetfeld, dem es an seiner Stapelposition ausgesetzt ist. Dieser Effekt muss bei der Berechnung der Stromtragfähigkeit des Gesamtsystems immer berücksichtigt werden, wird aber in der folgenden Beschreibung der Einfachheit und Verständlichkeit wegen ausgelassen. Um die Stromtragfähigkeit des späteren Gesamtsystems nicht negativ zu beeinflussen, dürfen auch im Verbinder die Abstände der einzelnen HTSL-Bänder nicht geringer werden als im weiteren Schienenverlauf. Es darf kein Flaschenhals entstehen, Aufweitungen dagegen sind unkritisch und stellen kein Problem dar.When stacked in stacks, the HTSL tapes mutually influence each other via the self-generated magnetic field in such a way that the current carrying capacity of each individual HTSC tape decreases the more the higher the magnetic field to which it is exposed at its stacking position. This effect must always be taken into account when calculating the ampacity of the overall system, but will be described in the following description omitted for simplicity and clarity. In order not to adversely affect the current carrying capacity of the later overall system, the distances of the individual HTSC strips in the connector must not be lower than in the further course of the rail. There must be no bottleneck, but widening is not critical and does not pose a problem.
Die Stromtragfähigkeit der HTSL ist begrenzt und wird üblicherweise bei einer Temperatur von 77 K (-196 °C) für einen von fremden Magnetfeldern > 60 µT unbeeinflussten einzelnen Leiter, gemessen und angegeben. Die Stromtragfähigkeit eines HTSL hängt sowohl von der Temperatur als auch von dem Magnetfeld ab, dem er ausgesetzt wird. Werden mehrere HTSL parallel betrieben, so erzeugen in Bezug auf einen betrachteten Leiter die benachbarten Leiter fremde Magnetfelder, die die Stromtragfähigkeit im betrachteten Leiter beeinflussen: Je tiefer die Temperatur unterhalb der Sprungtemperatur des HTSL liegt, desto höher wird die Stromtragfähigkeit des HTSL. Je stärker das Magnetfeld ist dem ein Leiter ausgesetzt wird desto schwächer ist seine Stromtragfähigkeit. Daraus ergeben sich für einen wirtschaftlichen Einsatz der HTSL die Forderungen die Temperatur so niedrig wie möglich zu wählen und den Einfluss des Magnetfeldes zu minimieren. Damit ist es möglich die Stromtragfähigkeit zu maximieren, um den Bedarf am HTSL und damit die Kosten für HTSL zu senken. Bei gleichbleibendem Strom sinkt mit größerer räumlicher Ausdehnung der HTSL-Stapel die Stärke des Magnetfelds und damit der Bedarf an HTSL. Es steigen aber die Kosten für den größeren Kryostat und es steigt der Wärmeintrag von außen in das System und somit der Aufwand für die Kühlung. Daraus folgt, dass man den Kryostat nicht beliebig groß machen kann, da der Einsparungseffekt an HTSL Material von den höheren Kosten für Kryostat und den höheren Kühlbedarf aufgezehrt würde.The current carrying capacity of the HTSC is limited and is usually measured and reported at a temperature of 77 K (-196 ° C) for a single conductor uninfluenced by external magnetic fields> 60 μT. The current carrying capacity of a HTSC depends on both the temperature and the magnetic field to which it is exposed. If several HTSCs are operated in parallel, the adjacent conductors generate external magnetic fields with respect to a considered conductor, which influence the current carrying capacity in the considered conductor: the lower the temperature lies below the critical temperature of the HTSC, the higher the current carrying capacity of the HTSC. The stronger the magnetic field to which a conductor is exposed, the weaker its current carrying capacity. This results in an economical use of the HTSL the demands to choose the temperature as low as possible and to minimize the influence of the magnetic field. This makes it possible to maximize current carrying capacity to reduce the need for HTSL and thus the cost of HTSC. If the current remains the same, the HTSC stack will decrease the strength of the magnetic field and thus the need for HTSC with a larger spatial extent. But it increases the cost of the larger cryostat and it increases the heat input from the outside into the system and thus the cost of cooling. It follows that one can not make the cryostat arbitrarily large, since the saving effect at HTSL material would be consumed by the higher costs for cryostat and the higher cooling requirement.
Für das Ziel minimaler Gesamtkosten eines supraleitenden Stromschienensystems ergeben sich die Auslegungsgrenzen hierzu folglich durch die optimierte Auslegung der drei Kostenfaktoren: HTSL (Anzahl); Kryostat (Größe und Wärmeeintrag) und Kältebereitstellung (Temperaturniveau).For the goal of minimal overall costs of a superconducting conductor rail system, the design limits therefore result from the optimized design of the three cost factors: HTSL (number); Cryostat (size and heat input) and cold provision (temperature level).
Für ein praxistaugliches Stromschienensystem gibt es weitere Anforderungen an die Anordnung der HTSL, welche bislang nicht realisiert waren und daher die erfindungsgemäß gewünschten Anwendungen verhinderten:
- - Die Sicherheitsreserve für den Überstromfall muss möglichst klein gehalten werden können.
- - Der HTSL darf an keiner Stelle die erforderliche Auslegungstemperatur überschreiten-Delaminierung durch schlagartige Gasbildung muss ausgeschlossen sein.
- - Die beim Abkühlen entstehende Schrumpfung darf nicht zu derartigen Scherspannungen im Supraleiter führen, dass Delaminierung, also eine Ablösung von einzelnen Schichten vom Substrat auftreten kann.
- - Die beim Abkühlen entstehende Schrumpfung darf nicht zu derartigen mechanischen Spannungen im Leiter führen, dass die Stromtragfähigkeit signifikant beeinträchtigt wird.
- - Es muss möglich sein die Stapel sowohl horizontal als auch vertikal in einem engen Bogen um die Ecke zu führen um eine sinnvolle Installation in Gebäuden zu ermöglichen.
- - Die HTSL müssen so im Strang gehalten sein, dass durch die elektromagnetische Kraftwirkung beim maximalen Stromdurchfluss keine degradierende Verformung entsteht, so dass die Stromtragfähigkeit des gesamten HTSL-Strangs erhalten bleibt.
- - The safety reserve for the overcurrent case must be kept as small as possible.
- - The HTSL must not exceed the required design temperature at any point - delamination due to sudden gas formation must be excluded.
- - The resulting shrinkage during cooling must not lead to such shear stresses in the superconductor that delamination, ie a detachment of individual layers from the substrate may occur.
- - The shrinkage on cooling must not lead to such mechanical stresses in the conductor that the current carrying capacity is significantly impaired.
- - It must be possible to guide the stacks both horizontally and vertically in a tight arc around the corner to allow a sensible installation in buildings.
- - The HTSL must be kept in line so that the electromagnetic force effect at the maximum current flow no degrading deformation, so that the current carrying capacity of the entire HTSL strand is maintained.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen verbesserten Supraleiterstrang zum Einbau in ein Stromschienensystemelement sowie eine Verwendung eines solchen Supraleiterstrangs in einem Stromschienensystemelement anzugeben.It is therefore an object of the present invention to provide an improved superconductor strand for installation in a busbar system element as well as a use of such a superconductor strand in a busbar system element.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Supraleiterstrang zum Einbau in ein Stromschienensystemelement mit den Merkmalen des Hauptanspruchs sowie einer Verwendung eines solchen Supraleiterstrangs in einem Stromschienensystemelement mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.This object is achieved by a superconductor strand for installation in a busbar system element having the features of the main claim and a use of such a superconductor strand in a busbar system element having the features of the independent claim. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.
Der vorgeschlagene Supraleiterstrang ist bestimmt zum Einbau in ein Stromschienensystemelement. Dieses weist zunächst ein Stabilität gebendes und den Kryostat bildendes Gehäuse auf, welches sich entlang des Stromschienensystemelements erstreckt. Ein Supraleiterstrang verläuft im Gehäuse entlang des Gehäuses und steht am seinen Enden vorzugsweise über das Gehäuse hinaus. Wie in der Einleitung beschrieben, weist der Supraleiterstrang eine Vielzahl nebeneinander verlaufender HTSL-Bänder auf. Nebeneinander bedeutet in der Regel, dass die Bänder gestapelt übereinander liegen. Jedes der HTSL Bänder weist nun eine Gutseite mit einem keramischen Material als HTSL auf einem Substrat als Träger auf. Unter diese Formulierung fällt demzufolge sowohl das Einzelleiter-Band mit einseitig HTSL beschichteten Träger, also auch das Doppelleiterband mit HTSL Schichten auf beiden Seiten des HTSL Bandes.The proposed superconductor strand is intended for installation in a busbar system element. This initially has a stability-giving and the cryostat forming housing, which extends along the busbar system element. A superconductor strand runs in the housing along the housing and preferably protrudes beyond the housing at its ends. As described in the introduction, the superconductor strand has a multiplicity of HTSC bands running side by side. Side by side usually means that the tapes are stacked on top of each other. Each of the HTSC bands now has a good side with a ceramic material as HTSL on a substrate as a carrier. Accordingly, this formulation includes both the single-conductor band with single-sided HTSC-coated carrier, and thus also the double-conductor band with HTSC layers on both sides of the HTSC band.
Ferner ist ein Verbindungsstück am Ende des Supraleiterstrangs vorgesehen, der typischerweise das Gehäuse überragt. Das Verbindungsstück dient dem elektrischen Verbinden des Supraleiterstrangs mit einem weiteren Supraleiterstrang eines weiteren Stromschienensystemelements mit einem passenden Gegenverbindungsstück. Im einfachsten Fall handelt es sich dabei um die Enden der einzelnen HTLS Bänder des Strangs.Further, a connector at the end of the superconductor strand is provided, which typically projects beyond the housing. The connector serves to electrically connect the superconductor strand with another superconductor strand of another busbar system element with a matching mating connector. In the simplest case, these are the ends of the individual HTLS bands of the strand.
Erfindungsgemäß sind nun als Besonderheit Abstandshalter zwischen den HTSL Bändern vorgesehen, so dass sich die HTSL Bänder nicht untereinander berühren. Dieses Merkmal erlaubt die Erhöhung der Anzahl von HTSL Bändern zur Erhöhung der Stromtragfähigkeit des Gesamtsystems mit deutlich geringerer Ausprägung des Gesamtmagnetfelds als das bei dichter Packung mit eng aneinander liegenden HTSL-Bändern wäre. Diese Abstandshalter widersprechen auf dem ersten Blick dem Fachmann geläufigen Auslegungen: Bei Anwendungen in der Supraleitung handelt es sich meist um Magnetanwendungen in Forschung und Medizin. Dort ist es das Ziel möglichst hohe Magnetfelder zu erzeugen, was häufig viele Spulenwindungen auf engstem Raum erfordert, bei kleinem Strom. Dadurch müssen die HTSL in solchen Anwendungen sehr eng und dicht an dicht beieinander liegen. Eine geringere Stromtragfähigkeit durch den Magnetfeldeinfluss wird durch eine größere Windungszahl und sehr tiefe Temperaturen kompensiert, die bis in den Bereich von Flüssighelium gehen. Dazu werden sehr teuere Kryostate und sehr teuere Anlagen zu Kältebereitstellung benötigt. Außerdem benötigt man HTSL-Bänder mit sehr großen Längen.According to the invention spacers between the HTSC bands are now provided as a special feature, so that the HTSL bands do not touch each other. This feature allows increasing the number of HTSC bands to increase the ampacity of the overall system with significantly less overall magnetic field than would be the case with closely packed HTSC bands. These spacers contradict at first glance familiar interpretations: Applications in superconductivity are mostly magnetic applications in research and medicine. There, the goal is to generate the highest possible magnetic fields, which often requires many turns of coil in a confined space, with low power. As a result, the HTSC in such applications must be very close and close to each other. A lower current carrying capacity due to the magnetic field influence is compensated by a larger number of turns and very low temperatures, which reach into the range of liquid helium. This requires very expensive cryostats and very expensive equipment for cooling. You also need HTSL bands with very long lengths.
Will man bei der Übertragung von hohen bis sehr hohen Strömen von Kiloampere bis hin zu Megaampere die Hochtemperatureigenschaft der Supraleiter ausnutzen und mit Flüssigstickstoff kühlen, ist es in den Anwendungen der Hochtemperatursupraleitung (HTSL) aufgrund der begrenzten Stromtragfähigkeit einzelner HTSL sinnvoll, den Flüssigstickstoff zu unterkühlen und die Stärke des auf die einzelnen HTSL wirkende Magnetfeld möglichst klein zu halten. Mit etwas Mehraufwand in der Kältetechnik, wie beispielsweise in der
Eine Möglichkeit zur Reduzierung des Magnetfelds ergibt sich durch Änderung der Geometrie der HTSL-Stapel. Die Stärke des Magnetfeldes B berechnet sich bei einem runden Leiterbündel mit der Formel
Bei dichtgepackten HTSL-Stapeln (
Erfindungsgemäß werden die HTSL-Bänder 1 im einzelnen Stapel 1a an den flachen Seiten mittels Zwischenlagen 2 (siehe
Wenn sich die einzelnen HTSL Bänder nicht berühren, wird eine lokale Überhitzung an Fehlstellen durch Wärmeabfuhrprobleme verhindert. Wird ein Supraleiter nicht ausreichend gekühlt verliert er zunächst einen Teil seiner Stromtragfähigkeit um bei Überschreiten der kritischen Sprungtemperatur TC seine supraleitende Fähigkeit ganz zu verlieren. Bei Magnet- oder Kabelanwendungen und beim Stromschienensystem ist es das Ziel den HTSL immer unter der maximalen Auslegungstemperatur zu halten, selbst im Falle eines geringen Überstroms von 10-20%. Für HTSL wird in der Spezifikation eine Stromtagfähigkeit IC min bei 77 Kelvin im Eigenfeld angegeben. Die Angabe bezieht sich auf einen Widerstand der einen Spannungsfall von 1 µV pro cm Länge bei IC min ergeben würde. Daraus ergib sich eine Verlustleistung von PV = 1 µV * IC min , die eine geringe Menge an Joule 'scher Wärme erzeugt. Im Falle eines Gleichstromes von 500 Ampere ergeben sich beispielsweise nur 0,05 Watt pro Meter Länge. Diese Wärme wird vom Substrat und von der Kupferschutzschicht aufgenommen und an das Kühlmedium abgegeben. Lägen die HTSL dicht beieinander könnte das Kühlmedium nicht mehr strömen und ein Wärmeaustauch mit dem Kühlmedium wäre behindert. Eine lokale Übertemperatur in benachbarten HTSL-Bändern wäre nicht ausgeschlossen. Die Wärmeleitung in und durch das Substrat ist vergleichsweise gering, die Wärmeleitung in und durch die Stabilisierungsschicht aus Kupfer auf der mit supraleitenden Material beschichteten Seite ist dagegen gut, je nach Dicke der Stabilisierungsschicht. Dort sorgt die Wärmekapazität des Kupfers zunächst für einen verlangsamten Temperaturanstieg.If the individual HTSL tapes do not touch, local overheating at defects is prevented by heat removal problems. If a superconductor is not adequately cooled, it first loses part of its current carrying capacity in order to completely lose its superconducting ability when the critical critical temperature TC is exceeded. For magnetic or cable applications and the busbar system, the goal is to always keep the HTSL below the maximum design temperature, even in the case of a low overcurrent of 10-20%. For HTSL the specification specifies a current tag capability IC min at 77 Kelvin in the self field. The figure refers to a resistance that would result in a voltage drop of 1 μV per cm length at IC min. This results in a power loss of PV = 1 μV * IC min, which generates a small amount of Joule 's heat. In the case of a direct current of 500 amps, for example, only 0.05 watts per meter of length result. This heat is absorbed by the substrate and the copper protective layer and released to the cooling medium. If the HTSC were close together, the cooling medium could no longer flow and a heat exchange with the cooling medium would be hindered. Local overtemperature in adjacent HTSC bands would not be excluded. The heat conduction into and through the substrate is comparatively low, but the heat conduction into and through the stabilizing layer of copper on the side coated with superconducting material is good, depending on the thickness of the stabilizing layer. There, the heat capacity of the copper initially ensures a slower rise in temperature.
Aus diesem Grund ist bevorzugt, dass zwischen Abstandshalter und den flachen Seiten der HTSL Bänder nur eine Linienberührung, also allenfalls eine linienartige Berührungsfläche, vorliegt. Der Abstandshalter soll also nicht durch großflächiges Anliegen die Wärmeabfuhr behindern. Es hat sich gezeigt, dass eine Materialbreite des Abstandshalters von 10 mm bereits als großflächig betrachtet werden muss, insbesondere bei geringer Stärke der Substrat- bzw. Stabilisierungsschicht von 20µm oder weniger. Als Linienberührung im Sinn der Erfindung gilt hier eine Linienbreite von max. 2 mm, vorzugsweise max. 1 mm und insbesondere vorzugsweise max. 0,2 mm. Dabei soll vorzugsweise die Linienberührung im Wesentlichen quer zur Längsrichtung der HTSL Bänder verlaufen, also um mindestens 45°, vorzugsweise 60° und insbesondere vorzugsweise 75° zur Längsachse. Ein leicht realisierbarer und stabiler Aufbau ergibt sich, wenn die Abstandshalter an den flachen Seiten der HTSL Bänder anliegen und nicht beispielsweise nur an deren Räder die HTSL Bänder festhalten.For this reason, it is preferred that between spacers and the flat sides of the HTSL bands only one line contact, so at most a line-like interface is present. The spacer should not hinder the heat dissipation by large concerns. It has been shown that a material width of the spacer of 10 mm must already be considered as large-area, in particular with a low thickness of the substrate or stabilization layer of 20 μm or less. As line contact within the meaning of the invention here is a line width of max. 2 mm, preferably max. 1 mm and in particular preferably max. 0.2 mm. In this case, the line contact is preferably to extend substantially transversely to the longitudinal direction of the HTSC bands, ie by at least 45 °, preferably 60 ° and in particular preferably 75 ° to the longitudinal axis. An easily realizable and stable construction results when the spacers abut against the flat sides of the HTSL bands and not hold the HTSL bands only at the wheels, for example.
Eine Biegsamkeit um die flache Kante der Bänder, Verdrehbarkeit um die Längsachse des Stapels und verbesserte Stauchbarkeit des Supraleiterstrangs zum Ausgleich der Wärmedehnung ergibt sich, wenn die einzelnen HTSL Bänder zumindest in Richtung ihrer Längsachse gegeneinander verschiebbar sind.Flexibility about the flat edge of the tapes, rotatability about the longitudinal axis of the stack, and improved compressibility of the superconductor strand to compensate for thermal expansion results when the individual HTSL tapes are slidable relative to each other at least in the direction of their longitudinal axis.
Vorzugsweise sind die Abstandshalter als zwischen benachbarten HTSL Bändern liegendes Wellband ausgestaltet, ähnlich der namensgebenden Zwischenlage bei der Wellpappe. Es stützen sich dabei die Wellenberge und Wellentäler des Wellbandes gegen die benachbarten HTSL Bänder ab und die Wellen verlaufen in Richtung der Längsachse. Wenn dabei vorzugsweise nur die Wellenberge stofflich mit dem jeweiligen HTSL Band verbunden sind, ist einerseits die gewünschte relative Beweglichkeit der HTSL Bänder gegeneinander gegeben, während die Abstandshalter unverlierbar gelagert sind. Dies ist später in
Im Wesentlichen haben die Abstandshaltern die Aufgabe, die HTSL Bänder auf Abstand zu halten. Darüber hinaus ist es von Vorteil, wenn diese auch von den Abstandshaltern gehalten werden, die Halter also dem Stapel seine eigene Stabilität verleihen. Dies ist beispielsweise bei den folgenden beiden Ausgestaltungen gegeben:Essentially, the spacers have the task to keep the HTSL bands at a distance. In addition, it is advantageous if they are also held by the spacers, the holder so give the stack its own stability. This is for example given in the following two embodiments:
Dabei sind ein einer Ausgestaltung Abstandshalter als jeweils zwischen benachbarten HTSL Bändern liegende wellenförmiger Drähte ausgebildet. Diese Variante ist später in
In einer weiteren Ausgestaltung sind die Abstandshalter einstückig als gewellte Fläche ausgestaltet ist, dessen Wellenberge über den einen Rand der HTSL Bänder und dessen Wellentäler über den anderen Rand der HTSL Bänder hervorstehen, so dass sich Öffnungen zwischen den Wellenbergen und den Rändern ergeben. Diese Variante ist später in
Vorzugsweise weist der Supraleiterstrang eine bewegliche Käfigstruktur auf, in welcher die HTSL Bänder mit den Abstandshaltern derart gehalten werden, dass sowohl unter Umgebungstemperaturen als auch unter Betriebstemperaruten unter Kühlmittel die HTSL Bänder über ihre Länge eine Welligkeit um ihre biegeschlaffe Kante aufweisen. Eine solche Struktur ist unter
Vorzugsweise weist der Supraleiterstrang mehrere gleichartige parallel nebeneinander verlaufende Stapel von HTSL Bändern mit Abstandhaltern auf, mit einem Abstandsband, welches zwischen den beiden Stapeln verläuft und mit Linienkontakt gegen die seitlichen Ränder der HTSL Bänder drückt. Durch die Verteilung der einzelnen HTSL Bänder auf mehrere Stapel sinkt die Stärke des Magnetfeldes. Jedoch müssen untereinander die Stapel seitlich ebenfalls auf Abstand gehalten werden. Das geschieht an der hohen Kante der HTSL-Bänder vorzugsweise mit einem Abstandsband, das stark genug ist um die seitlich wirkenden Stromkräfte zwischen den Leiterstapeln aufzunehmen, das aber auch durchlässig für das Kühlmedium ist.Preferably, the superconductor strand has a plurality of similar parallel spaced apart stacks of HTSL strips with spacers, with a spacer strip extending between the two stacks and pressing against the lateral edges of the HTSL strips with line contact. Due to the distribution of the individual HTSL bands on several stacks, the strength of the magnetic field decreases. However, the stacks must also be kept at a distance from one another laterally among each other. This is preferably done at the high edge of the HTSL bands with a spacer band that is strong enough to receive the laterally acting current forces between the conductor stacks, but which is also permeable to the cooling medium.
Vorzugsweise ist der Supraleiterstrang um die biegeschlaffe Kante der HTSL Bänder gebogen, insbesondere um 90°, um dem gewünschten und gegebenen Verlauf einer Installation, z. B.: um Gebäudeecken folgen zu können. Da aber nur ein Bogen um die biegeschlaffe Kante der HTSL Bänder bildbar ist, wird vorgeschlagen, dass der Supraleiterstrang im geradlinigen Verlauf der Stromschiene um seine eigene Längsachse um 90° tordiert. Dies wird erst durch den erfindungsgemäßen bandartigen Aufbau ermöglicht. Damit kann ein Bogen in jede beliebige Richtung gebaut werden. Ferner können Verbindungselemente zwischen den einzelnen Stromschienensystemelementen in die gleiche Ausrichtung gebracht werden um verbindbar zu sein. Diese Wirkung kann offensichtlich auch ohne Verwendung der Abstandshalter erreicht werden, da sie unabhängig von deren Vorteil ist, also der Reduktion der Stärke des Magnetfeldes. Wenn diese Reduktion aufgrund der Anordnung der HTSL Bänder oder der Stromstärke nicht geboten ist, wird der Fachmann darauf verzichten. Schließlich wird die Verwendung des erfindungsgemäßen Supraleiterstrangs vorgeschlagen zum Einbau in ein Stromschienensystemelement, mit einem sich entlang des Stromschienensystemelements erstreckenden Gehäuse; dem Supraleiterstrang, welcher im Gehäuse entlang des Gehäuses verläuft, einem Verbindungstück am Ende des Supraleiterstrangs zum elektrischen Verbinden des Supraleiterstrangs mit einem weiteren Supraleiterstrang eines weiteren Stromschienensystemelements mit einem Gegenverbindungsstück. Es ergibt sich somit ein Stromschienensystemelement, welches vielseitig und einfach verbaubar ist. Dabei verbleibten die durch Wärmedehnung verursachten Ausdehnungen bzw. Schrumpfungen des erfindungsgemäßen Supraleiterstrangs in jedem einzelnen Element und addieren sich nicht über die Länge der ganzen aus zahlreichen Elementen zusammengesetzten Stromschiene auf.Preferably, the superconductor strand is bent around the pliable edge of the HTSC strips, in particular by 90 ° to the desired and given course of an installation, for. B .: to follow building corners. However, since only one arc can be formed around the pliable edge of the HTSC strips, it is proposed that the superconductor strand be twisted in the rectilinear course of the busbar about its own longitudinal axis by 90 °. This is made possible only by the band-like construction according to the invention. This allows a bow to be built in any direction. Furthermore, connecting elements between the individual busbar system elements can be brought into the same orientation in order to be connectable. Obviously, this effect can also be achieved without using the spacers, since it is independent of their advantage, ie the reduction of the strength of the magnetic field. If this reduction is not warranted due to the placement of the HTSL tapes or the current, the skilled person will dispense with this. Finally, the use of the superconductor strand according to the invention is proposed for installation in a busbar system element, with a housing extending along the busbar system element; the superconductor strand, which runs in the housing along the housing, a connecting piece at the end of the superconductor strand for electrically connecting the superconductor strand to a further superconductor strand of a further busbar system element with a mating connector. This results in a busbar system element, which is versatile and easy to install. In this case, caused by thermal expansion or shrinkage of the superconductor strand according to the invention remained in each individual element and do not add up over the length of the whole composed of numerous elements busbar.
Im Folgenden wird die Erfindung mit Ausführungsbeispielen erläutert.The invention will be explained below with exemplary embodiments.
Als Zwischenlagen bzw. Abstandshalter 2 zwischen den HTSL Bändern kommen vorzugsweise Wellbänder 2 in Frage, so wie man beispielsweise die Zwischenschicht von der Wellpappe kennt. Im Stand der Technik sind gewellte Abstandhalter in bifilaren Spulen aus HTSL-Bändern. Die gewellten Bänder können sowohl aus nichtleitendem als auch aus leitendem Material kostengünstig hergestellt werden, beispielsweise aus kältebeständigen Kunststofffolien für mehrpolige Stromschienen oder aus dünnem Metallband für monopolare Stromschienen. In einer vorteilhaften Ausgestaltung aus
Auch bei teilweiser stoffschlüssiger Verbindung 21 aus
Dieses Problem wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das für die HTSL-Stränge erforderliche Schrumpfmaß komplett durch den HTSL-Strang innerhalb eines Systemelementes ausgeglichen werden kann, indem der Strang mindestens um das Maß der Schrumpfung länger hergestellt wird und in Form vom Longitudinalwellen im Innenrohr des Kryostaten verlegt wird, wie in
Zur Verlegung in Installationsschächten kennt man aus dem Stand der Technik supraleitende Kabel gemäß
Diese Problem wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, das das Abstandsband so gestaltet ist, dass es sich mitsamt der HTSL-Stapel auf einer Länge zwischen 0,2 und 3 Metern um den geforderten Winkel zwischen den Ebenen, im Beispiel also um 90° axial verdrehen lässt, ohne dabei auf die HTSL-Bänder schädliche Zug-, Druck-, Biege- und Torsionskräfte aufzubringen. Vorzugweise geschieht die Verdrehung in einem längeren geraden Abschnitt eines Winkelelementes. In
Die Fig. zeigen, dass die HTSL-Stapel beispielsweise durch wechselweises Schichten von HTSL-Band und Abstandshalter in Form von gewelltem Band aufgebaut werden können. Die multiplen HTSL- Stapel werden durch eine käfigartige Struktur in in Zick-Zack-Trapezform in Position und damit auf Abstand gehalten. Die HTSL-Stapel erhalten an ihren Außenseiten jeweils eine Lage Metallband, um die HTSL vor mechanischen Beschädigungen durch die Käfigstruktur oder durch zu starke Biegung zu schützen.The figures show that the HTSL stacks can be constructed, for example, by alternately laminating HTSC tape and spacers in the form of corrugated tape. The multiple HTSL stacks are held in place by a cage-like structure in zig-zag trapezoidal shape and thus spaced. The HTSL stacks each receive a layer of metal tape on their outsides to protect the HTSL from mechanical damage from the cage structure or excessive flexing.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 19850911 C2 [0014]DE 19850911 C2 [0014]
- EP 1818946 [0049]EP 1818946 [0049]
- DE 3811051 [0049]DE 3811051 [0049]
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-
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