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Die Erfindung bezieht sich auf eine
resistive Strombegrenzereinrichtung mit einem Leiterbahnaufbau zur
Führung
eines elektrischen Stromes in einer vorbestimmten Richtung, welche
Einrichtung einen Trägerkörper enthält, auf
dem sich wenigstens eine elektrisch leitende Leiterbahn befindet,
die zumindest einen entsprechenden Supraleitungsschichtteil aus einem
Supraleitermaterial und einen dem Supraleitungsschichtteil zugeordneten
Shuntteil aus einem nicht-supraleitenden Material mit vorbestimmtem spezifischen
elektrischen Widerstand aufweist. Eine entsprechende Strombegrenzereinrichtung
geht aus der
EP 0 345
767 B1 hervor.
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Der Aufbau und die Funktionsweise
von resistiven supraleitenden Strombegrenzern in der Energietechnik
sind prinzipiell bekannt (vgl. die vorgenannte EP-B-Schrift oder „Elektrie", Bd. 51, Berlin 1997,
Heft 11/12, Seiten 414 bis 424). Ein entsprechender Strombegrenzer
mit einer Leiterbahn aus Nieder- oder vorzugsweise Hochtemperatursupraleitermaterial
(HTS-Material) als Dünn-
oder Dickfilm sowie mit parallel dazu im flächigem Kontakt stehendem metallischen
Shuntschichtteil z.B. aus Ag, Au oder Cu wird in Serienschaltung
in einen zu schützenden
Stromkreis eingefügt
und trägt
betriebsmäßige Ströme widerstandslos.
In einem Fehlerfall, insbesondere bei Kurzschluss, übersteigt
der Strom den kritischen Strom Ic des Supraleitermaterials,
das dadurch einen endlichen elektrischen Widerstand annimmt (sogenannter „Quench"). Die dabei entstehende
Stromwärme
erwärmt
das Supraleitermaterial schnell über
die Sprungtemperatur Tc hinaus, wobei der
nunmehr hohe normalleitende Widerstand des Supraleitermaterials
den Fehlerstrom auf einen niedrigen Wert begrenzt.
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Bei entsprechenden bekannten Strombegrenzereinrichtungen
variiert der kritische Strom Ic unvermeidlich
entlang der supraleitenden Leiterbahn. Dies hat zur Folge, dass
Stellen (Bereiche) mit geringem Ic zuerst
normalleitend werden und deshalb den Fehlerstrom soweit reduzieren,
dass Abschnitte mit höherem
Ic nicht mehr über die Sprungtemperatur Tc gelangen können, d.h. keinen elektrischen
Widerstand entwickeln. Die gesamte Spannung fällt so allein über diskrete
normalleitende Stellen ab. Der Widerstand der Strombegrenzereinrichtung
ist dann zu klein und der begrenzte Fehlerstrom ist unter Umständen so
hoch, dass diese diskreten Stellen bis zum vollständigen Abschalten über normalerweise vorhandene
mechanische Lasttrenner sich unzulässig erwärmen und so beschädigt werden.
Der bei bekannten Strombegrenzereinrichtungen mit dem Supraleitungsschichtteil
in flächigem,
leitendem Kontakt stehende Shuntschichtteil ist niederohmiger als
der normalleitende Supraleiterschichtteil, übernimmt folglich den größten Teil
des Fehlerstroms und verringert die Wärmeerzeugung pro Fläche und
das Risiko einer Schädigung
in sogenannten „Hotspots" (des jeweiligen
gequenchten Bereichs). Ein solcher Shunt erfordert aber für eine gegebene
Spannung und einen bestimmten Fehlerstrom eine verhältnismäßig große Länge der
supraleitenden Schaltstrecke, also einen entsprechend hohen Aufwand
an supraleitendem und normalleitendem Leitermaterial für die Strombegrenzereinrichtung.
Dabei ist zu berücksichtigen,
dass bei den bekannten Strombegrenzereinrichtungen die Wärmeausbreitung
entlang der Schaltstrecke verhältnismäßig träge ist.
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Aus der
DE 27 12 990 A1 ist eine
resistive Strombegrenzereinrichtung zu entnehmen, bei der ein Abschnitt
eines herkömmlichen
supraleitenden Kabels als Strombegrenzer wirkt. Bei dem verwendeten
Kabel ist das Querschnittsverhältnis
Matrix-/Trägermetall
zu Supraleiter so ausgelegt, dass bei Überschreitung des kritischen
Ansprechstroms des Supraleitermaterials der Strom von dem mit dem
Supraleitermaterial über
die gesamte Kabellänge
innig verbundenen Matrix-/Trägermetall übernom men
wird, das dann einen vorbestimmten Begrenzungswiderstand bildet.
Als Matrix-/Trägermetall
ist insbesondere eine Cu-Ni-Legierung
vorgesehen.
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Die
DE 38 88 752 T2 offenbart eine Kohlefaser
oder ein Kohlefaserbündel,
das mit einem keramischen Supraleitermaterial (HTS-Material) beschichtet.
Auf diese Weise wird ein Supraleiter-Kohlefaser-Verbundwerkstoff
geschaffen. Bei einem solchen Verbundwerkstoff besteht eine innige
Verbindung zwischen den beiden Materialien, wobei das Kohlefasermaterial
in erster Linie eine hohe mechanische Stabilität des Verbundwerkstoffs gewährleistet.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, die Strombegrenzereinrichtung mit den eingangs genannten
Merkmalen dahingehend auszugestalten, dass der Leiteraufwand gegenüber bekannten
Einrichtungen verringert werden kann. Zugleich soll sich die Erwärmung über die
Sprungtemperatur, d.h. die Normalleitung, schnell, insbesondere
in einem Zeitraum von unter 1 Millisekunde bis zu einigen Millisekunden, über die
ganze Länge
des supraloitenden Leiterbahnteils ausbreiten können, damit sich der gesamte
elektrische Widerstand entwickelt, der Fehlerstrom auf den bestimmungsgemäßen Wert
begrenzt wird und die Temperatur nirgendwo einen unzulässig hohen
Wert annimmt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den
in Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen
gelöst. Dementsprechend
soll der Shuntteil der Strombegrenzereinrichtung mit den eingangs
genannten Merkmalen aus einem Gebilde aus graphitierten Kohlefasern
mit punktweisem und/oder linienartigen Kontakt der Fasern untereinander
und der Fasern mit dem Supraleitungsschichtteil bestehen.
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Damit wird vorteilhaft erreicht,
dass zur Ausbildung des Shuntteils auf einen besonderen Vakuumprozess
wie Aufdampfen, Sputtern von Edelmetall verzichtet werden kann.
Da nunmehr der Supraleitungsschichtteil durch das verhältnismäßig locke re Fasergebilde
thermisch teilweise von diesem als Shunt wirkendem Teil entkoppelt
ist, wird der Temperaturanstieg in einem Quench- bzw. Hotspot-Bereich auf
Grund einer Verbreiterung dieses Bereichs in Stromführungsrichtung
gesehen begrenzt und somit die Rückkühlzeit des
gequenchten Bereichs verringert.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der
erfindungsgemäßen Strombegrenzereinrichtung
sind den abhängigen
Ansprüchen
zu entnehmen.
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So kann vorteilhaft als Fasergebilde
ein Gitter oder ein Gewebe oder ein Netz oder ein Geflecht oder
ein Gespinst oder ein Vlies oder eine Matte vorgesehen sein. Entsprechende
Fasergebilde aus kurzen, geschnittenen oder langen Fasern lassen
sich auf einfache Weise herstellen.
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Vorteilhaft überdeckt das sich über die
gesamte Länge
der Leiterbahn erstreckende Fasergebilde mindestens 20% der Breite
des Supraleitungsschichtteils. Dabei wird unter einem Überdecken
die Projektion der Fasern auf die Oberfläche ver standen. Mit dieser
Bemessung ist einerseits eine hinreichend gute Wärmeausbreitung zu realisieren;
andererseits wird ein guter Zugang des immer erforderlichen Kühlmediums
zu dem Supraleitermaterial gewährleistet.
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Das Fasergebilde muss auf dem Supraleitungsschichtteil
mechanisch fixiert sein. Hierzu kann vorteilhaft das Fasergebilde
mittels einer Gitter- oder Lochplatte oder mittels einer Netzstruktur
auf den Supraleitungsschichtteil gepresst werden. Stattdessen ist
auch eine Fixierung mittels eines Klebers oder Lackes möglich.
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Ferner kann der Supraleitungsschichtteil
vorteilhaft mit einer dünnen,
vorzugsweise höchstens 0,1 μm dicken
Deckschicht aus einem normalleitenden Material wie z.B. Au oder
Ag oder Cu überzogen sein,
deren spezifischer elektrischer Widerstand in Stromführungsrichtung
größer als
der des Fasergebildes ist. Eine solche Deckschicht kann zum Schutz des
Supraleitungsschichtteils und zu dessen zuverlässiger Kontaktierung herangezogen
werden.
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Vorteilhaft kann eine Dicke des Fasergebildes
zwischen 0,05 und 0,5 mm gewählt
werden. Es wurde erkannt, dass bereits derartig dünne Fasergebilde
die geforderte gleichmäßige und
schnelle Wärmeausbreitung
gewährleisten
können.
Hierzu sollte vorteilhaft auch der mittlere spezifische elektrische Widerstand
des Fasergebildes zwischen 0,5 und 20 μΩ·m, vorzugsweise zwischen
1,0 und 10 μΩ·m, in Stromführungsrichtung
bei der Betriebstemperatur des Supraleitermaterials liegen.
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Für
den Trägerkörper kann
vorteilhaft ein elektrisch isolierendes Material gewählt sein.
Stattdessen ist es aber auch möglich,
einen Trägerkörper vorzusehen,
der zu einem Teil aus elektrisch leitendem Material und einem der
Leiterbahn zugewandten Teil aus elektrisch isolierendem Material
besteht. Für
eine erfindungsgemäße Strombegrenzereinrichtung
können somit
in großem
Umfang an sich bekannte Trägerkörper verwendet
werden.
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Vorzugsweise wird für den Supraleitungsschichtteil
eines der bekannten metalloxidischen Hoch-Tc-Supraleitermaterialien
vorgesehen. Für
die resistive Strombegrenzereinrichtung nach der Erfindung sind
jedoch ebenso gut auch Supraleitungsschichten aus einem der bekannten
metallischen Supraleitermaterialien verwendbar.
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Ein Ausführungsbeispiel der erfindung
wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. Es
zeigen jeweils schematisch
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deren 1 im
Längsschnitt
eine Stromleiterbahn einer bekannten Strombegrenzereinrichtung im
Quenchfall,
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deren 2 als
Diagramm die Temperaturverhältnisse
in dieser Leiterbahn gemäß 1,
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deren 3 im
Längsschnitt
ein Teilstück
einer Strombegrenzereinrichtung nach der Erfindung,
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deren 4 dieses
Teilstück
nach 3 in Aufsicht sowie
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deren 5 als
Diagramm die Temperaturverteilung in diesem Teilstück nach 3 oder 4.
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Dabei sind in den Figuren sich entsprechende
Teile jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Der 1 ist
eine Stromleiterbahn 2 einer bekannten Strombegrenzereinrichtung
(z.B. gemäß der eingangs
genannten EP-B1-Schrift zugrunde gelegt). Die Stromleiterbahn befindet
sich auf, einem Trägerkörper 3 aus
einem elektrisch nichtleitenden Material. Sie umfasst einen auf
dem Trägerkörper 3 abgeschiedenen,
zu der Leiterbahn 2 strukturierten Supraleitungsschichtteil 2a,
der von einem Shuntschichtteil 2b abgedeckt ist: Bei dem
Supraleitermaterial kann es sich um bekanntes metallisches Niedrig-Tc-Supraleitermaterial oder metalloxidisches Hoch-Tc-Supraleitermaterial handeln. Der Shuntschichtteil 2b besteht
aus bekanntem, zur Stabilisierung von Supraleitern üblicherweise
verwendetem normalleitenden Material. Wie in der Figur ferner angedeutet
ist, fließt
durch den Supraleitungsschichtteil 2a ein Strom I. Da der
Supraleitungsschichtteil in einem („Hotspot")-Bereich 4 bzw. Quenchbereich
mit geringer Ausdehnung B in den normalleitenden Zustand übergegangen
ist, wird dort der Strom in den Shuntschichtteil 2b auf
Grund seines gegenüber
dem normalleitenden Widerstand des Supraleitungsschichtteils vergleichsweise
niedrigeren Widerstand übergehen.
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2 zeigt
in einem Diagramm die entsprechenden Temperaturverhältnisse
bzw. Aufheizung. Dabei sind in Ordinatenrichtung die Temperatur
T in dem Supraleitungsschichtteil und in Abszissenrichtung die Ausdehnung
x der Leiterbahn in Stromführungsrichtung
aufgetragen.
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Die 3 und 4 zeigen ein bevorzugtes
Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäß ausgebildeten
Strombegrenzereinrichtung 10, während aus 5 deren Temperaturverhältnisse
in einem Quenchbereich in 1 bzw. 2 entsprechender Darstellung
wiedergegeben ist. Wie aus 3 zu
entnehmen ist, befindet sich in Abweichung zu der Ausführungsform
nach 1 bei einer erfindungsgemäßen Leiterbahn 12 auf
ihrem Supraleitungsschichtteil 2a ein besonderer Shuntteil 12b.
Bei diesem Shuntteil soll es sich um ein Gebilde aus graphitierten
Kohlefasern handeln, das flächig
auf dem Supraleitungsschichtteil 2a aufgebracht ist. Das
Fasergebilde kann dabei insbesondere die Form eines Gitters oder
eines Gewebes oder eines Netzes oder eines Geflechtes oder eines
Gespinstes oder eines Vlieses oder einer Matte haben. Da die Fasern 12a oder
Faserstücke
nur aus verhältnismäßig lockere
Struktur dieses Gebilde ausmachen, ergibt sich ein punktweiser und/oder
linienartiger Kontakt der Fasern untereinander und der Fasern mit
dem Supraleitungsschichtteil 2a.
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Mit handelsüblichen graphitierten Kohlefasern 12a ist
in Stromführungsrichtung
der Leiterbahn 12 bei einer Betriebstemperatur der Supraleitungseinrichtung
von beispielsweise 77 K ein mittlerer spezifischer elektrischer
Widerstand zwischen 0,5 und 20 μΩ·m, vorzugsweise
zwischen 1,0 und 10 μΩ·m, auszubilden.
Damit kann das Fasergebilde den Shuntteil 12b bzw. einen
Bypass zum thermischen Schutz darstellen, indem es den Strom an
einer normalleitend gewordenen Stelle 4 im Supraleitermaterial
vorbeileitet. Dabei ist der elektrische Widerstand erheblich kleiner
als der des normalleitend gewordenen Supraleitungsschichtteils.
Dieser Widerstand des Shuntteils wird durch die Dicke ds des
Fasergebildes und den elektrisch wirksamen Flächenanteil β der Längsfasern in dem Gebilde eingestellt.
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Die punktweisen bzw. linienartigen
elektrischen Kontakte zwischen den einzelnen Fasern 12a untereinander
und mit dem Supraleitungsschichtteil 2a gewährleisten
den geforderten Übertritt
des Stromes I von dem Supraleitermaterial in das Fasergebilde auf
einer Länge
b, die über
die entsprechende Länge
eines Quenchbereiches 4 über dessen beide Seiten hinausgeht.
In diesem Übertrittsbereich
entsteht dann in dem Fasergebilde die gewünschte Dissipation, die eine
Normalleitung im zunächst
noch supraleitenden Supraleitermaterial auslösen kann. Auf diese Weise breitet
sich in dem Supraleitungsschichtteil die Normalleitung schnell über die
gesamte Länge
der Leiterbahn aus.
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Zu einer erforderlichen mechanischen
Fixierung des Fasergebildes auf dem Supraleitungsschichtteil kann
beispielsweise gemäß der Darstellung
nach 3 eine Gitter-
oder Lochplatte 13 aus Isoliermaterial vorgesehen werden,
die beispielsweise mit Hilfe von Federelementen 14 mit
einstellbarem Federdruck auf den Supraleitungsschichtteil gepresst
wird. Die Platte 13 ist für ein das Supraleitungsmaterial
auf seiner Betriebstemperatur haltendes Kühlmittel hinreichend transparent.
Die Übertrittslänge b wird
durch Messungen ermittelt und lässt sich
durch den Anpressdruck variieren.
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Statt der in der Figur dargestellten
mechanischen Fixierung kann das Fasergebilde auch auf eine auf den
Supraleitungsschichtteil 2a aufgebrachte, noch flüssige Kleber-
oder Lackschicht bis zum Aushärten
aufgedrückt
werden. Die Übertrittslänge b wird
dabei gegebenenfalls gemessen und über den Anpressdruck eingestellt.
Durch einen eventuellen Zusatz leitfähiger Pulver wie z.B. Graphit
zu dem Klebermaterial ist die Übertrittslänge weiter
einstellbar.
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Zum Schutz und zu einer zuverlässigen Kontaktierung
kann auch der Supraleitungsschichtteil 2a zumindest teilweise
mit einer dünnen
metallischen Schicht abgedeckt werden. Der spezifische elektrische
Widerstand des Materials dieser Schicht sollte dabei größer sein
als der des parallel wirkenden Fasergebildes. Es kommen deshalb
insbesondere Legierungen wie z.B. mit Au, Ag oder Cu in Frage. Die Dicke
einer derartigen Deckschicht sollte unter 0,1 μm liegen.
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4 zeigt
den Teil der Supraleitungseinrichtung 10 gemäß 3 in Aufsicht. Aus dieser
Darstellung ist insbesondere die Kühlmitteltransparenz des als
Shuntteil 12b dienenden Kohlefasergebildes zu ersehen.
Neben der erwünschten
Kühlmitteltransparenz
sollte das als Shuntteil 12b dienende Kohlefasergebilde
jedoch mindestens 20% der Oberfläche des
Supraleitungsschichtteils 2a abdecken, um die geforderte
Wärmeausbreitung
gewährleisten
zu können.
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Die mit der erfindungsgemäßen Verwendung eines
Kohlefasergebildes zu erreichende Verbreiterung des Stromübergangsbereichs
b in einem Quenchbereich 4 gegenüber dem Stand der Technik nach den 1 und 2 ist aus dem Diagramm der 5 in 2 entsprechender Darstellung ersichtlich.
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Für
konkrete Ausführungsbeispiele
von erfindungsgemäßen Supraleitungseinrichtungen 10 gemäß den 3 bis 5 kann man zur Ausbildung eines Strombegrenzers
auf einer ZrO2-Platte von 10 · 10 cm2 als Trägerkörper 3 zunächst einen
mäanderförmigen Supraleitungsschichtteil 2a aus
einkristallinem YBa2Cu3Ox von 0,1 bis 1 μm Dicke und 1 cm Breite ausbilden.
Danach wird dieser Schichtteil zumindest weitgehend deckungsgleich
mit einem 0,05 bis 0,1 mm dicken Kohlefasergewebe oder -vlies 12b aus
einem ausgeschnittenen Fasergebilde belegt und durch eine Lochplatte über Federn
angedrückt
oder unter Druck aufgeklebt. Auf metallisierten Kontaktschichten
(„Kontaktpads") an den Enden der
Schaltstrecke bzw. Leiterbahn endet das Fasergebilde, wo es elektrisch
mit dem darunterliegenden Supraleitungsschichtteil und mit erforderlichen
Stromzuleitungen verbunden wird.