DE112005001495B4

DE112005001495B4 - Supraleitendes Fehlerstrom-Begrenzungs-Element und Verfahren zur Herstellung desselben

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Publication number: DE112005001495B4
Application number: DE112005001495T
Authority: DE
Inventors: Hirofumi Yamasaki; Mitsuho Furuse
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2004-06-24
Filing date: 2005-06-17
Publication date: 2011-06-16
Anticipated expiration: 2025-06-18
Also published as: JPWO2006001226A1; WO2006001226A1; US20080026946A1; JP4644779B2; CN1973381A; US8088713B2; DE112005001495T5

Abstract

Supraleitendes Fehlerstrom-Begrenzungs-Element, umfassend:
ein Isolatorsubstrat,
eine auf dem Isolatorsubstrat ausgebildete supraleitende Dünnschicht und
eine auf der supraleitenden Dünnschicht ausgebildete Legierungsschicht, die im Vergleich zu einem Reinmetall bei Raumtemperatur einen mindestens doppelt so hohen spezifischen Widerstand aufweist,
wobei, wenn die supraleitende Dünnschicht durch einen Überstrom in einen normalleitenden Zustand übergeht, der durch die supraleitende Dünnschicht fließende Überstrom nur zur Legierungsschicht überführt wird,
wobei die Legierungsschicht eine binäre Legierungsschicht aus Gold und Silber oder eine multinäre Legierungsschicht aus Gold, Silber und einem anderen Element oder anderen Elementen umfasst.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein supraleitendes Fehlerstrom-Begrenzungs-Element zum Begrenzen eines Überstroms wie zum Beispiel eines durch einen Strompfad fließenden Kurzschlussstroms sowie auf das Verfahren zur Herstellung desselben.
STAND DER TECHNIK
Zwar lässt ein Supraleiter im supraleitenden Zustand einen. hohen elektrischen Strom ohne elektrischen Widerstand passieren, fließt jedoch ein Strom hindurch, der stärker ist als ein bestimmter Strom (kritischer Strom), erzeugt er einen elektrischen Widerstand. Wird die Stromstärke weiter erhöht, steigt die Temperatur des Supraleiters aufgrund der erzeugten Wärme derart an, dass der Supraleiter in einen normalleitenden Zustand übergeht, wodurch ein hoher elektrischer Widerstand erzeugt wird. Unter Ausnutzung dieses Merkmals des Supraleiters wurde ein supraleitender Fehlerstrombegrenzer verwendet, der während eines Normalzustands keinen Widerstand aufweist und bei einem Kurzschluss in einem Stromversorgungsnetz einen hohen Widerstand erzeugt, wodurch der Anstieg des Fehlerstroms unterdrückt wird.
Ein ernstes Problem bei der Förderung der Deregulierung der Stromsysteme ist ein Anstieg des Fehlerstroms bei einem Kurzschluss-Störfall aufgrund des Anschlusses von neuen verteilten Stromquellen. Daher ist die vielversprechendste Gegenmaßnahme die Einführung eines Fehlerstrombegrenzers, der bei Normalbetrieb eine niedrige Impedanz hat und bei einer Systemstörung eine hohe Impedanz entwickelt, wodurch der Fehlerstrom unterdrückt wird. Die Einführung des Fehlerstrombegrenzers bietet den Vorteil, dass die technischen Daten bezüglich des Fehlerstroms der verteilten Stromquellen reduziert werden können, und trägt auch zur Kostensenkung der verteilten Stromquellen und zur besseren Wartung der Einrichtungen bei. Unter dem Gesichtspunkt der Förderung der Stromderegulierung ist die Nachfrage seitens der Gesellschaft nach einer kostengünstigen Herstellung eines Fehlerstrombegrenzers mit hoher Zuverlässigkeit sehr groß. Unter der Annahme, dass der Fehlerstrombegrenzer in einem Stromverteilungsnetz eingesetzt wird, ist ein supraleitender Dünnschicht-Fehlerstrombegrenzer mit einer supraleitenden Dünnschicht, die eine große Fläche aufweist, unter verschiedenen Gesichtspunkten hervorragend geeignet, als da sind seine Kompaktheit, sein sofortiges Ansprechen auf einen Überstrom, das Erzeugen eines geringen Wechselstromverlusts bei Normalbetrieb usw., und daher ist er vom Standpunkt der Zuverlässigkeit, der Leistung, des Volumens und der Erweiterung auf eine hohe Kapazität aus betrachtet vermutlich besonders geeignet.
Der supraleitende Dünnschicht-Fehlerstrombegrenzer weist ein Dünnschicht-Fehlerstrom-Begrenzungs-Element auf, das bei einer Flüssigstickstoff-Temperatur [66 K bis 77,3 K (–207°C bis –195,7°C)] aktiviert wird und mit einem Stromversorgungsnetz in Reihe geschaltet ist. Bei diesem Fehlerstrombegrenzer wechselt die Dünnschicht bei einem Anstieg der Stromstärke im Falle eines Kurzschlusses vom supraleitenden Zustand (S) in den normalleitenden Zustand (N), so dass der Systemstrom durch einen normalleitenden Widerstand unterdrückt wird. Dieser Fehlerstrombegrenzer wird auch als resistiver Fehlerstrombegrenzer vom SN-Übergangs-Typ bezeichnet. Bislang wurde eine großflächige supraleitende Dünnschicht verwendet, wobei die Dünnschicht eines supraleitenden Hochtemperaturoxids wie zum Beispiel Y-Ba₂Cu₃O₇ (nachstehend als YBCO bezeichnet) auf einem Isolatorsubstrat wie zum Beispiel einem Saphirsubstrat (Aluminiumoxid-Einkristallsubstrat) ausgebildet ist. Da die supraleitende Dünnschicht jedoch teuer ist, wurde eine weitestgehende Verringerung der Fläche der als Fehlerstrom-Begrenzungs-Element verwendeten supraleitenden Dünnschicht gefordert, um dadurch die Kosten zu senken.
Das supraleitende Dünnschicht-Fehlerstrom-Begrenzungs-Element begrenzt den Strom durch Erzeugen einer ohmschen Spannung V bei einer Störung. In diesem Fall kann die Länge des Dünnschicht-Fehlerstrom-Begrenzungs-Elements entsprechend gekürzt werden, wenn die Spannung, die für eine Einheitslänge des Elements erzeugt (angelegt) werden kann (gemeinsames elektrisches Feld), hoch ist, wodurch die für die supraleitende Dünnschicht erforderliche Fläche verringert werden kann. Da jedoch die Menge der durch das Dünnschicht-Fehlerstrom-Begrenzungs-Element während des Strombegrenzungs-Betriebs erzeugten Wärme als P = V²/R ausgedrückt werden kann, führt eine Erhöhung des gemeinsamen elektrischen Felds zu einem Anstieg der erzeugten Wärmemenge. Das Dünnschicht-Fehlerstrom-Begrenzungs-Element ist allgemein so ausgelegt, dass die Temperatur der supraleitenden Dünnschicht für eine Nenn-Fehlerdauer oder Nenn-Fehlstromdauer (zum Beispiel 0,1 s) die Raumtemperatur nicht übersteigt. Zur Verbesserung des gemeinsamen elektrischen Felds muss daher der Anstieg der von der supraleitenden Dünnschicht während des Strombegrenzungsbetriebs erzeugten Wärmemenge unterdrückt oder ein Temperaturanstieg durch eine Erhöhung der Wärmekapazität der supraleitenden Dünnschicht verhindert werden. Letzteres erfordert jedoch ein größeres Volumen an teurem Isolatorsubstrat und führt somit zu einem Kostenanstieg. Daher ist es wünschenswert, zur Verbesserung des gemeinsamen elektrischen Felds den Anstieg der Menge der erzeugten Wärme durch eine Erhöhung des Widerstands R zu unterdrücken, wenn der supraleitende Strompfad zum Übergang in den normalleitenden Zustand veranlasst wird.
Der Widerstand des supraleitenden Strompfads kann durch Hintereinander- oder Parallelschalten von ausschließlich supraleitenden Dünnschichten erhöht werden. Eine derartige Konfiguration lässt sich realisieren, wenn die für das Fehlerstrom-Begrenzungs-Element verwendete großflächige supraleitende Dünnschicht von äußerst einheitlicher Beschaffenheit ist und der Übergang in den normalleitenden Zustand nahezu gleichzeitig über die gesamte Fläche erfolgt. Ein Bericht über einen Laborversuch mit einer Dünnschicht mit einer niedrigen kritischen Stromdichte liegt vor (siehe Nicht-Patentliteratur 1). Da in der Praxis die Dünnschicht jedoch mit einer hohen kritischen Stromdichte verwendet wird, ergibt sich das im folgenden Abschnitt beschriebene Problem eines so genannten „Hot-Spots”. Um dieses Problem zu überwinden, muss, wie in 5 gezeigt, ein Shuntwiderstand parallel zur supraleitenden Dünnschicht geschaltet werden.
Die supraleitende Dünnschicht weist Unterschiede in der lokalen kritischen Stromdichte auf. Daher geht zu Beginn der Strombegrenzung unmittelbar nach der Störung der Abschnitt mit der geringeren kritischen Stromdichte zunächst in den normalleitenden Zustand über, während der gesamte Bereich nicht in den normalleitenden Zustand übergeht. Folglich fließt weiterhin ein hoher Strom. Wird die Wärme, die in dem Abschnitt erzeugt wurde, der zum Normalzustand wurde oder übergegangen ist, nur langsam abgeführt, steigt die Temperatur in diesem Abschnitt lokal plötzlich so stark an, dass die Dünnschicht durchbrennt. Eine konventionelle Maßnahme zur Verhinderung dieses Hot-Spot-Phänomens ist die Überschichtung der supraleitenden Dünnschicht mit einem normalleitenden Metall wie zum Beispiel Gold oder Silber, das zum Zeitpunkt des Übergangs in den Normalzustand als Shuntschicht fungiert (Schutzschicht gegen Durchbrennen) (siehe Nicht-Patentliteratur 2). Das Hinzufügen einer derartigen metallischen Shuntschicht verringert den elektrischen Widerstand des supraleitenden Strompfads jedoch erheblich und erhöht die Wärmeerzeugung während des Strombegrenzungsbetriebs. Aus diesem Grund muss das gemeinsame elektrische Feld reduziert werden. Daher muss, um die erforderliche Strombegrenzungskapazität zu erreichen, die Länge des Elements vergrößert und eine große Menge der teuren supraleitenden Dünnschicht verwendet werden. Dies wiederum stellt ein erhebliches Hindernis für den praktischen Einsatz dar.
Zur weitestgehenden Reduzierung der Fläche der zu verwendenden supraleitenden Dünnschicht wird ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem die metallische Shuntschicht nicht auf die supraleitende Dünnschicht aufgebracht wird, sondern eine dünne metallische Shuntschicht auf einem anderen Keramiksubstrat ausgebildet wird, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist und über einen galvanischen Indiumüberzug mit der supraleitenden Dünnschicht verbunden ist (siehe JP 2954124 B2 , Nicht-Patentliteratur 3). Bei diesem Verfahren wird die während des Strombegrenzungsbetriebs erzeugte Wärme von dem Keramiksubstrat absorbiert, das sich von der supraleitenden Dünnschicht unterscheidet. Daher kann der Temperaturanstieg in dem Element durch die Erhöhung seiner Wärmekapazität unterdrückt und dementsprechend das gemeinsame elektrische Feld des Elements erhöht werden. Zum Beispiel kann die für das Fehlerstrom-Begrenzungs-Element in der Klasse von 6,6 kV/2 kA erforderliche Fläche der auf einem Saphirsubstrat ausgebildeten supraleitenden Dünnschicht auf etwa 1/30 eines herkömmlichen Elements reduziert werden. Dies dürfte zu erheblichen Kostensenkungen führen. Bei diesem Verfahren ist jedoch der Einsatz einer großen Menge von hochwärmeleitfähigem Keramiksubstrat wie zum Beispiel galvanisch abgeschiedenes Aluminiumnitrid und/oder Indium erforderlich. Weil diese Materialien teuer sind, ist die zu erwartende Kostensenkung begrenzt.
JP 05-1251761 A beschreibt einen strombegrenzenden Leiter, der einen supraleitenden Oxid-Film verwendet. Der supraleitende Oxid-Film ist auf einem Substrat bereitgestellt, und darauf ist ein Metallfilm bereitgestellt, und weiter ist ein oberer Metallfilm bereitgestellt. Dieser obere Metallfilm ist höher als der (untere) Metallfilm. Dadurch soll ein stabiler Betrieb des strombegrenzenden Leiters ohne besondere Störung des normalleitenden Zustands ermöglicht werden.
EP 0 828 333 A2 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Strombegrenzers mit einem Hochtemperatursupraleiter, wobei auf einer ersten Hauptfläche einer Silberschicht ein pulverförmiges Ausgangsmaterial für einen Hochtemperatursupraleiter aufgebracht und danach durch eine Temperatur- und Sauerstoffbehandlung ein Hochtemperatursupraleiter hergestellt wird, welcher mit der Silberschicht einen Leiterverbund bildet.
DE 199 63 181 C2 beschreibt eine resistive Strombegrenzereinrichtung für Gleich- oder Wechselstrom, die mindestens einen für einen vorgegebenen Nennstrom ausgelegten Strombegrenzer mit wenigstens einer Leiterbahn aufweist. Die Leiterbahn enthält metalloxidisches Hoch-Tc-Supraleitermaterial.

Nicht-Patentliteratur 1: A. Heinrich, R. Semerad, H. Kinder, H. Mosebach und M. Lindmayer, „Fault current-limiting properties of YBCO-films an sapphire substrates”, IEEE Trans. Appl. Supercond. 9 (1999) 660–663
Nicht-Patentliteratur 2: B. Gromoll, G. Ries, W. Schmidt, H.-P. Kraemer, B. Seebacher, B. Utz, R. Nies, H.-W. Neumueller, E. Baltzer, S. Fischer und B. Reismann, „Resistive fault current limiters with YBCO films – 100 kVA functional model”, IEEE Trans. Appl. Supercond. 9 (1999) 656–659
Nicht-Patentliteratur 3: H. Kubota, Y. K. Arai, M. Yamazaki, H. Yoshino und H. Nagamura, „A new model of fault current-limiter using YBCO thin film”, IEEE Trans. Appl. Supercond. 9 (1999) 1365–1368
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Von der Erfindung zu lösende Probleme Bei einem herkömmlichen supraleitenden Dünnschicht-Fehlerstrom-Begrenzungs-Element wird, um das Hot-Spot-Phänomen zu Beginn der Strombegrenzung zu verhindern, ein auf die supraleitende Dünnschicht aufgebrachtes reines Metall wie zum Beispiel Gold oder Silber verwendet, das beim Übergang in den normalleitenden Zustand als Shuntschicht fungiert. Der spezifische elektrische Widerstand des Reinmetalls ist jedoch um etwa zwei Größenordnungen niedriger als der von supraleitendem Oxid, so dass der Widerstand des supraleitenden Strompfads erheblich reduziert wird. Auf diese Weise steigt während des Strombegrenzungsbetriebs die Menge der erzeugten Wärme derart an, dass das gemeinsame elektrische Feld des supraleitenden Dünnschicht-Fehlerstrom-Begrenzungs-Elements stark reduziert wird. Folglich erhöht sich die erforderliche Menge der teuren supraleitenden Dünnschicht. Dies wirkt sich sehr unvorteilhaft auf die Kosten aus. Kann das reine Metall sehr dünn (mit einer Schichtdicke im Nanometerbereich) und gleichmäßig auf die supraleitende Dünnschicht aufgebracht werden, lässt sich das Problem der Verringerung des elektrischen Widerstands lösen. Es ist bislang jedoch nicht geklärt, ob ein derartiges Verfahren zum Aufbringen einer Metallschicht praktisch durchführbar ist. Selbst wenn dieses Verfahren realisierbar sein sollte, ist noch ungeklärt, ob es das Problem des Hot-Spots löst.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist das Lösen des Hot-Spot-Problems einer supraleitenden Dünnschicht, ohne den Widerstand eines supraleitenden Strompfads wesentlich zu verringern, durch Aufbringen einer Legierungsschicht mit einem weit höheren spezifischen Widerstand als reines Metall auf die supraleitende Dünnschicht sowie das Bereitstellen eines supraleitenden Fehlerstrom-Begrenzungs-Elements, das ein höheres gemeinsames elektrisches Feld erreichen kann, indem ein aus einer Reinmetall- oder Legierungsleitung gebildeter externer Shuntwiderstand, der induktionsfrei gewickelt ist, parallel zur supraleitenden Dünnschicht geschaltet ist, auf der die Legierungsschicht ausgebildet ist, so dass der Widerstand des supraleitenden Strompfads erhöht wird, und das Verfahren zur Herstellung desselben.
Maßnahmen zur Problemlösung
Zur Lösung der vorstehend beschriebenen Probleme bedient sich die vorliegende Erfindung der folgenden Maßnahmen.
Die erste Maßnahme ist ein supraleitendes Fehlerstrom-Begrenzungs-Element mit einem Isolatorsubstrat, einer auf dem Isolatorsubstrat ausgebildeten supraleitenden Dünnschicht und einer auf der supraleitenden Dünnschicht ausgebildeten Legierungsschicht, die im Vergleich zu einem Reinmetall bei Raumtemperatur einen mindestens doppelt so hohen spezifischen Widerstand aufweist, wobei, wenn die supraleitende Dünnschicht durch einen Überstrom in einen normalleitenden Zustand übergeht, der durch die supraleitende Dünnschicht fließende Überstrom nur zur Legierungsschicht überführt bzw. transferiert wird, wobei die Legierungsschicht eine binäre Legierungsschicht aus Gold und Silber oder eine multinäre Legierungsschicht aus Gold, Silber und einem anderen Element oder anderen Elementen umfasst.
Die zweite Maßnahme ist ein supraleitendes Fehlerstrom-Begrenzungs-Element mit einem Isolatorsubstrat, einer auf dem Isolatorsubstrat ausgebildeten supraleitenden Dünnschicht und einer auf der supraleitenden Dünnschicht ausgebildeten Legierungsschicht, die im Vergleich zu Reinmetall bei Raumtemperatur einen mindestens doppelt so hohen spezifischen Widerstand aufweist, wobei das supraleitende Fehlerstrom-Begrenzungs-Element außerdem einen durch eine Leitung aus einem Reinmetall oder einer Legierung gebildeten Shuntwiderstand umfasst, und wobei der Shuntwiderstand parallel zur supraleitenden Dünnschicht geschaltet ist.
Die dritte Maßnahme ist ein supraleitendes Fehlerstrom-Begrenzungs-Element nach der dritten Maßnahme, wobei der Shuntwiderstand durch eine induktionsfrei gewickelte Leitung gebildet ist, um eine niedrigere Induktivität zu bewirken.
Die vierte Maßnahme ist ein Verfahren zur Herstellung des supraleitenden Fehlerstrom-Begrenzungs-Elements nach der ersten oder dritten Maßnahme, das das Durchführen einer Sputter-Auftragung der Legierungsschicht auf die auf dem Isolatorsubstrat ausgebildete supraleitende Dünnschicht umfasst.
Vorteil der Erfindung
Nach der in Anspruch 1 beschriebenen Erfindung kann das supraleitende Fehlerstrom-Begrenzungs-Element mit einem höheren gemeinsamen elektrischen Feld kostengünstig hergestellt werden.
Nach der in Anspruch 2 beschriebenen Erfindung ist das supraleitende Fehlerstrom-Begrenzungs-Element mit einem höheren gemeinsamen elektrischen Feld realisierbar, weil der Widerstand der Legierungsschicht erhöht werden kann.
Nach der in Anspruch 3 beschriebenen Erfindung kann ein Überstrom problemlos zu einem externen Shuntwiderstand überführt werden, weil die Induktivität des Shuntwiderstands verringert werden kann.
Nach der in Anspruch 4 beschriebenen Erfindung kann die Legierungsschicht, die im Wesentlichen dieselbe Zusammensetzung aufweist wie ein Target, leicht ausgebildet werden. Es lässt sich ohne Durchführung einer anschließenden Wärmebehandlung ein guter enger Kontakt mit der supraleitenden Dünnschicht erzielen, so dass ein Kontaktwiderstand zwischen der Legierungsschicht und der supraleitenden Dünnschicht verringert werden kann.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine Ansicht des Aufbaus eines supraleitenden Dünnschicht-Fehlerstrom-Begrenzungs-Elements nach einer Ausführungsform der Erfindung.
2 zeigt eine Ansicht des Aufbaus eines supraleitenden Dünnschicht-Fehlerstrom-Begrenzungs-Elements nach einer Ausführungsform der Erfindung, wobei ein aus einem Reinmetall- oder Legierungsdraht gebildeter induktionsfrei gewickelter externer Shuntwiderstand arallel zur supraleitenden Dünnschicht geschaltet ist.
3 zeigt ein Diagramm mit dem Ergebnis eines Strombegrenzungstests mit einem supraleitenden Dünnschicht-Fehlerstrom-Begrenzungs-Element nach einer Ausführungsform der Erfindung.
4 zeigt ein Diagramm mit dem Ergebnis eines Strombegrenzungstests mit einem supraleitenden Dünnschicht-Fehlerstrom-Begrenzungs-Element nach einer Ausführungsform der Erfindung, an das ein induktionsfrei gewickelter Shuntwiderstand angeschlossen ist.
5 zeigt eine Ansicht des Aufbaus eines herkömmlichen supraleitenden Fehlerstrom-Begrenzungs-Elements, bei dem ein Shuntwiderstand an eine supraleitende Dünnschicht angeschlossen ist.
Bezugszeichenliste

1: Isolatorsubstrat
2: Pufferschicht
3: Supraleitende Oxid-Dünnschicht
4: Legierungsschicht
5: Goldelektrode
6: Induktionsfrei gewickelter Shuntwiderstand

BESTE AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG
Unter Bezugnahme auf 1 bis 4 wird eine Ausführungsform der Erfindung beschrieben.
1 zeigt eine Ansicht des Aufbaus eines supraleitenden Dünnschicht-Fehlerstrom-Begrenzungs-Elements.
In 1 bezeichnet das Bezugszeichen 1 ein Isolatorsubstrat aus Saphir oder dergleichen, das Bezugszeichen 2 eine Pufferschicht aus Cer(IV)-oxid oder dergleichen, das Bezugszeichen 3 eine großflächige supraleitende Oxid-Dünnschicht und das Bezugszeichen 4 eine auf der supraleitenden Oxid-Dünnschicht 3 abgeschiedene Legierungsschicht mit einer. vorgegebenen Schichtdicke.
Bei der Legierungsschicht 4 kann es sich um eine binäre Legierung aus Gold und Silber handeln, die luftbeständig ist und nicht mit der supraleitenden Oxid-Dünnschicht 3 reagiert 3. Hat die Legierungsschicht 4 eine Zusammensetzung aus Gold mit einem Silberanteil von 7 bis 82 Gew.-% ist ihr spezifischer Widerstand bei Raumtemperatur mindestens doppelt so hoch wie der von reinem Gold. Daher ist die Legierungsschicht mit einer derartigen Zusammensetzung für den Aufbau des supraleitenden Dünnschicht-Fehlerstrom-Begrenzungs-Elements gut geeignet. Insbesondere die Legierung mit einer Zusammensetzung, bei der Gold mit 23 Gew.-% Silber gemischt ist und deren spezifischer Widerstand maximal oder etwa fünfmal so groß ist wie der von reinem Gold, dürfte optimal sein. Im Übrigen reduziert sich der spezifische Widerstand von reinem Goldnahe 100 K (–173°C) auf etwa ein Drittel des Werts bei Raumtemperatur, während der spezifische Widerstand der Legierung bei weitem nicht so stark verringert wird. Es ergibt sich ein Unterschied von etwa dem 1,5-fachen.
Als Verfahren zum Abscheiden der Legierungsschicht 4 auf der supraleitenden Oxid-Dünnschicht 3 können verschiedene Verfahren wie zum Beispiel das Vakuumbedampfen oder Sputtern verwendet werden. Bei der vorliegenden Erfindung wird jedoch das Sputtern verwendet. Das gängigste Vakuumbedampfungsverfahren, bei dem eine Legierung aus Metallen mit unterschiedlichen Schmelzpunkten aufgedampft wird, um eine bestimmte Zusammensetzung zu erzielen, hat die Nachteile, dass es eine genaue Kontrolle des Aufdampfens der Legierungsmetalle und eine anschließende Wärmebehandlung aufgrund unzureichenden Kontakts zwischen der abgeschiedenen Legierungsschicht und der supraleitenden Dünnschicht erfordert. Beim Sputtern hingegen kann die Legierungsschicht, die im Wesentlichen dieselbe Zusammensetzung wie das Target aufweist, problemlos gebildet werden, und ohne anschließende Wärmebehandlung wird ein guter Kontakt mit der supraleitenden Oxidschicht erzielt. Auf diese Weise lässt sich der Kontaktwiderstand derart verringern, dass der resultierende Schichtaufbau unverändert als Fehlerstrom-Begrenzungs-Element verwendet werden kann.
Zusätzlich wird bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform die aus Gold und Silber bestehende binäre Legierung als Legierungsschicht 4 verwendet. Ohne auf diese Legierung beschränkt zu sein, lässt sich die gleiche Wirkung jedoch auch erzielen, wenn eine multinäre Legierung verwendet wird, bei der Gold und Silber mit einem anderen Element ergänzt sind, zum Beispiel 18-karätiges Gold (bestehend aus 75 Gew.-% Gold, 12,5 Gew.-% Silber und 12,5 Gew.-% Kupfer).
2 zeigt eine Ansicht des Aufbaus eines supraleitenden Dünnschicht-Fehlerstrom-Begrenzungs-Elements, bei dem ein aus Reinmetall- oder Legierungsdraht gebildeter externer induktionsfrei gewickelter Shuntwiderstand 6 parallel zur supraleitenden Oxid-Dünnschicht 3 geschaltet ist, um ein höheres gemeinsames elektrisches Feld zu ermöglichen. Der Shuntwiderstand 6 weist einen weitaus geringeren Widerstand auf als der zusammengesetzte Widerstand der supraleitenden Oxid-Dünnschicht 3 nach dem Übergang in den normalleitenden Zustand und der Legierungsschicht 4.
In 2 bezeichnet das Bezugszeichen 5 an beiden Enden der supraleitenden Oxid-Dünnschicht 3 angeordnete Goldelektroden. Die anderen Bezugszeichen beziehen sich auf in 1 gezeigte gleiche Teile.
Der induktionsfrei gewickelte Shuntwiderstand 6 hat die Funktion, das Problem der Entstehung von Hot Spots in der supraleitenden Oxid-Dünnschicht 3 derart weiter zu verringern, dass die Überführung eines Überstroms zum Zeitpunkt des Übergangs in den normalleitenden Zustand (zu Beginn der Strombegrenzung) nicht nur von der Legierungsschicht 4, sondern auch von dem induktionsfreien Shuntwiderstand 6 geteilt wird oder gemeinsam erfolgt, wodurch der Widerstand des supraleitenden Dünnschicht-Fehlerstrom-Begrenzungs-Elements weiter erhöht wird. Um die Überführung des Überstroms zu erleichtern, ist eine möglichst geringe Induktivität des externen induktionsfrei gewickelten Shuntwiderstands 6 wünschenswert. Aus diesem Grund wurde der Shuntwiderstand aus einer induktionsfreien Wicklung einer preiswerten Legierungsleitung hergestellt.
Normalerweise muss das gemeinsame elektrische Feld des supraleitenden Dünnschicht-Fehlerstrom-Begrenzungs-Elements außerdem so bemessen sein, dass die Temperatur des Fehlerstrom-Begrenzungs-Elements während des Strombegrenzungsbetriebs nicht auf Raumtemperatur oder sogar höher steigt. Durch das Anfügen des externen induktionsfrei gewickelten Shuntwiderstands 6, der einen geringen Widerstand aufweist, wird in diesem Bereich eine erhebliche Wärmemenge erzeugt. Der Temperaturanstieg kann jedoch durch den Einsatz eines induktionsfrei gewickelten Shuntwiderstands 6 unterdrückt werden, der eine hinreichend große Wärmekapazität besitzt. Daher wird die im induktionsfrei gewickelten Shuntwiderstand 6 erzeugte Wärme nicht verursachen, dass das gemeinsame elektrische Feld des Körpers des supraleitenden Dünnschicht-Fehlerstrom-Begrenzungs-Elements verringert wird.
Nachstehend wird das Ergebnis eines Strombegrenzungstests mit dem supraleitenden Dünnschicht-Fehlerstrom-Begrenzungs-Element nach der vorstehenden Ausführungsform beschrieben. Zunächst wird bei dem für diesen Strombegrenzungstest verwendeten supraleitenden Dünnschicht-Fehlerstrom-Begrenzungs-Element als supraleitende Oxid-Dünnschicht eine YBCO-Dünnschicht (kritische Gleichstromstärke 45 A) mit einer Dicke von 300 nm und einer kritischen Stromdichte von 3 MA/cm² auf einem Saphirsubstrat mit den Abmessungen 5 mm × 60 mm × 1 mm gebildet. In den an beiden Enden auf der supraleitenden Dünnschicht befindlichen 10 mm breiten Bereichen wird Gold aufgebracht, das als Elektroden dient. In dem 40 mm breiten Bereich in der Mitte auf der supraleitenden Dünnschicht wird durch Sputtern mit Hilfe des aus einer Legierung mit einer Gold/Silber-Zusammensetzung mit 23 Gew.-% Silber bestehenden Targets eine Au-Ag-Legierungsschicht mit einer Schichtdicke von etwa 100 nm aufgebracht. Durch Aufbringen der Au-Ag-Legierungsschicht wurde der Widerstand des supraleitenden Dünnschicht-Fehlerstrom-Begrenzungs-Elements bei Raumtemperatur im Vergleich zu dem Fall, bei dem nur die YBCO-Schicht benutzt wird, auf etwa 1/7 reduziert (ca. 60 Ω).
3 zeigt ein Diagramm mit dem Ergebnis des Strombegrenzungstests mit dem vorstehenden supraleitenden Fehlerstrom-Begrenzungs-Element.
Wie in 3 gezeigt, wurde zur Simulation eines Kurzschlusses in einem Stromversorgungsnetz in einem Zustand, in dem ein Strom von etwa 40 A_peak durch das supraleitende Dünnschicht-Fehlerstrom-Begrenzungs-Element mit der darauf aufgebrachten Legierungsschicht 4 fließt, für einen Augenblick eine Hochspannung angelegt. Sofort floss ein Überstrom von ca. 80 A_peak durch das supraleitende Dünnschicht-Fehlerstrom-Begrenzungs-Element. Die supraleitende Oxid-Dünnschicht 3 wurde ist in den normalleitenden Zustand übergegangen, ohne durchzubrennen, so dass der durch die supraleitende Oxid-Dünnschicht 3 geleitete Überstrom zur Legierungsschicht 4 überführt, d. h. transferiert, wurde. Auf diese Weise wurde der Überstrom sofort begrenzt. Damit wurde gezeigt, dass zu Beginn der Strombegrenzung durch die zusätzliche Shunt-Schutzschicht aus der Ag/Au-Legierung, deren Widerstand etwa halb so groß ist wie der der YBCO-Dünnschicht, das Problem des Hot-Spots in der supraleitenden Oxid-Dünnschicht 3 lösbar ist. Bei einer an das supraleitende Dünnschicht-Fehlerstrom-Begrenzungs-Element nach dieser Ausführungsform angelegten Spannung von etwa 100 V_peak kann das Durchleiten des Stroms über fünf Zyklen (0,1 s) erfolgen, ohne dass die supraleitende Oxid-Dünnschicht 3 durchbrennt. Somit wurde nachgewiesen, dass das supraleitende Dünnschicht-Fehlerstrom-Begrenzungs-Element mit einem hohen gemeinsamen elektrischen Feld von 25 V_peak/cm oder mehr hergestellt werden kann.
Als Nächstes wurde durch Sputtern der Au-Ag-Legierungsschicht mit einer Schichtdicke von etwa 50 nm auf der supraleitenden Oxid-Dünnschicht 3 ähnlich der für das supraleitende Dünnschicht-Fehlerstrom-Begrenzungs-Element in dem Strombegrenzungstest der 3 verwendeten YBCO-Dünnschicht eine supraleitende Dünnschicht hergestellt, die mit der Legierungs-Shuntschicht versehen war, die einen höheren Raumtemperatur-Widerstand (ca. 15 Ω) aufwies. Außerdem war an deren beiden Enden ein externer Shuntwiderstand 6 (ca. 2,8 Ω) aus einem induktionsfrei gewickelten Manganindraht (Kupfer-Mangan-Legierung) angeschlossen.
4 zeigt ein Diagramm mit dem Ergebnis eines Strombegrenzungstests mit dem vorstehenden supraleitenden Dünnschicht-Fehlerstrom-Begrenzungs-Element.
Wie in 4 gezeigt, ist die supraleitende Oxid-Dünnschicht 3, als der durchgeleitete Wechselstrom plötzlich von Ca. 30 A_peak auf Ca. 80 A_peak erhöht wurde in den normalleitenden Zustand übergegangen, ohne durchzubrennen, so dass der durch die supraleitende Oxid-Dünnschicht 3 geleitete Überstrom zur Legierungsschicht 4 und zum induktionsfrei gewickelten Shuntwiderstand 6 überführt wurde. Während des Vorgangs der Strombegrenzung lag eine Wechselspannung von ca. 176 V_peak an beiden Enden des supraleitenden Dünnschicht-Fehlerstrom-Begrenzungs-Elements an, und das Durchleiten des Stroms konnte über fünf Zyklen (0,1 s) erfolgen, ohne dass die Dünnschicht durchbrannte. Auf diese Weise wurde nachgewiesen, dass das supraleitende Dünnschicht-Fehlerstrom-Begrenzungs-Element mit einem hohen gemeinsamen elektrischen Feld von 44 V_peak/cm oder mehr hergestellt werden kann.
Zum Vergleich wurde das supraleitende YBCO-Dünnschicht-Fehlerstrom-Begrenzungs-Element ohne die Legierungsschicht als Shunt-Schutzschicht hergestellt. Mit dem parallel geschalteten externen Shuntwiderstand wurde derselbe Strombegrenzungstest durchgeführt. Bei diesem Test brannte, als der durchgeleitete Wechselstrom plötzlich von ca. 30 A_peak auf ca. 60 A_peak erhöht wurde, beim Durchleiten des Stroms in einem der Zyklen ein Teil der Dünnschicht durch, was einen Isolationszustand zur Folge hatte. Damit war bestätigt, dass die Dünnschicht mit einer so hohen kritischen Stromdichte den Strombegrenzungsvorgang ohne die Maßnahme zur Verhinderung von Hot-Spots nicht ausführen kann.

Claims

Supraleitendes Fehlerstrom-Begrenzungs-Element, umfassend: ein Isolatorsubstrat, eine auf dem Isolatorsubstrat ausgebildete supraleitende Dünnschicht und eine auf der supraleitenden Dünnschicht ausgebildete Legierungsschicht, die im Vergleich zu einem Reinmetall bei Raumtemperatur einen mindestens doppelt so hohen spezifischen Widerstand aufweist, wobei, wenn die supraleitende Dünnschicht durch einen Überstrom in einen normalleitenden Zustand übergeht, der durch die supraleitende Dünnschicht fließende Überstrom nur zur Legierungsschicht überführt wird, wobei die Legierungsschicht eine binäre Legierungsschicht aus Gold und Silber oder eine multinäre Legierungsschicht aus Gold, Silber und einem anderen Element oder anderen Elementen umfasst.
Supraleitendes Fehlerstrom-Begrenzungs-Element, umfassend: ein Isolatorsubstrat, eine auf dem Isolatorsubstrat ausgebildete supraleitende Dünnschicht und eine auf der supraleitenden Dünnschicht ausgebildete Legierungsschicht, die im Vergleich zu Reinmetall bei Raumtemperatur einen mindestens doppelt so hohen spezifischen Widerstand aufweist, wobei das supraleitende Fehlerstrom-Begrenzungs-Element außerdem einen durch eine Leitung aus einem Reinmetall oder einer Legierung gebildeten Shuntwiderstand umfasst, und wobei der Shuntwiderstand parallel zu der supraleitenden Dünnschicht geschaltet ist.
Supraleitendes Fehlerstrom-Begrenzungs-Element nach Anspruch 2, wobei der Shuntwiderstand durch eine induktionsfrei gewickelte Leitung gebildet ist, um eine niedrigere Induktivität zu bewirken.
Verfahren zur Herstellung des supraleitenden Fehlerstrom-Begrenzungs-Elements nach Anspruch 1 oder 2, das umfasst: Durchführen einer Sputter-Auftragung der Legierungsschicht auf die auf dem Isolatorsubstrat ausgebildete supraleitende Dünnschickt.