DE19524579C2 - Transformer as a current limiter - Google Patents

Transformer as a current limiter

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DE19524579C2 DE19524579A DE19524579A DE19524579C2 DE 19524579 C2 DE19524579 C2 DE 19524579C2 DE 19524579 A DE19524579 A DE 19524579A DE 19524579 A DE19524579 A DE 19524579A DE 19524579 C2 DE19524579 C2 DE 19524579C2
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Description

Die Erfindung betrifft einen Transformator als Strombegrenzer nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a transformer as a current limiter according to the Preamble of claim 1.

Aus der europäischen Anmeldung EP 0 620 570 A1, nach welcher der Oberbegriff des Anspruchs 1 gebildet wurde, ist eine Anordnung bekannt, bei der die Primärspule, die beispielsweise einen Weicheisen­ kern umgibt, von einem massiven keramischen Bauteil, bestehend aus ei­ nem keramischen Supraleiterzylinder, konzentrisch umgeben ist. Der supraleitende Ring ist in einem ringförmigen Behälter angeordnet, der mit dem Kühlmittel, z. B. Flüssigstickstoff, angefüllt ist.From European application EP 0 620 570 A1, according to which the preamble of claim 1 was formed is an arrangement known in which the primary coil, for example a soft iron core surrounded by a solid ceramic component consisting of egg ceramic superconductor cylinder, is surrounded concentrically. Of the superconducting ring is arranged in an annular container which with the coolant, e.g. B. liquid nitrogen is filled.

Probleme, die mit der Notwendigkeit des Abkühlens solcher Strombe­ grenzereinheiten unter die kritische Übergangstemperatur des Supra­ leiters verbunden sind, werden beispielweise in der EP-PS 0 353 449 oder von H. Kanbach, E. Bochenek, M. Trautmann, R. Fischer, H. Voigt, in: "Melt-processed YBCO for a Fault Current Limiter", 6. International Symposium on Superconductivity, ISS ′93, Hiroshima, Japan, 26.-29.10.1993 beschrieben. Dieser Artikel ist in Kurzform im Aufsatz: "Supraleiter erobern neue Anwendungen" in etz. Bd. 115 (1994) Heft 3, S. 154 wiedergegeben.Problems associated with the need to cool down such electricity limiting units below the critical transition temperature of the Supra are connected, for example, in EP-PS 0 353 449 or by H. Kanbach, E. Bochenek, M. Trautmann, R. Fischer, H. Voigt, in: "Melt-processed YBCO for a Fault Current Limiter", 6th International Symposium on Superconductivity, ISS ′93, Hiroshima, Japan, October 26-29, 1993 described. This article is abbreviated: "Superconductors are conquering new applications" in etz. Vol. 115 (1994) Issue 3, P. 154 reproduced.

Die strombegrenzende Wirkung im Überstromfall ist auf den Übergang des Supraleiters vom supraleitenden in den normal leitenden Zustand zu­ rückzuführen. Der Ring erfährt eine lokale, stoßartige Erwärmung und demzufolge eine mechanische Verspannung. Darüber hinaus dehnt sich der Ring beim Übergang durch die wirkenden elektromagnetischen Kräfte aus, und der an sich spröde Keramikkörper baut die Zugbe­ lastung durch mechanische Schädigung, d. h. Rißbildung, ab. Die Ver­ wendung von keramischen Ringen bringt also große Probleme bei der Langzeitstabilität der Strombegrenzeranordnungen mit sich. Es werden Alterungseffekte beobachtet, die bei wiederholtem Schalten des Strombe­ grenzers zu einer massiven Degradation der Eigenschaften des Materials bis zur Zerstörung des Bauteils führen können. Die Degradationseffekte werden Mikrorissen zugeschrieben, die durch die thermische Beanspru­ chung des Supraleiters im Schaltfall entstehen.The current limiting effect in the event of an overcurrent is on the transition of the superconductor from the superconducting to the normal conducting state return. The ring experiences local, jerky heating and therefore mechanical tension. It also stretches the ring when passing through the acting electromagnetic Forces, and the brittle ceramic body builds the Zugbe exposure to mechanical damage, d. H. Cracking, from. The Ver The use of ceramic rings brings great problems with the Long-term stability of the current limiter arrangements with itself. It will Aging effects observed when switching the Strombe limiters to a massive degradation of the properties of the material can lead to the destruction of the component. The degradation effects  micro cracks are attributed to the thermal stress of the superconductor when switching.

Aus der Europäischen Anmeldung EP 0 620 630 A1 ist bekannt, den zy­ lindrischen Supraleiter mit einem wärmedämmenden Mantel zu umgeben, der auch die mechanische Stabilität des supraleitenden Zylinders verstärken kann.From European application EP 0 620 630 A1 it is known that the zy to surround the Lindrian superconductor with a heat-insulating jacket, which can also increase the mechanical stability of the superconducting cylinder.

Besonders problematisch werden diese Effekte bei einer etwaigen Skalie­ rung solcher Bauteile für Mittel- und Hochspannungsnetze, bei denen der Einsatz supraleitender Strombegrenzer anstatt der üblicherweise eingesetzten Explosionsschalter erwartet wird. Zur Rißbildung beim Schalten des Strombegrenzers kommt hier noch hinzu, daß für die ange­ sprochenen Leistungsbereiche Bauteile notwendig sind, die Dimensionen von z. B. 1 m Höhe und 50 cm Durchmesser aufweisen können.These effects become particularly problematic with a possible scale tion of such components for medium and high voltage networks where the use of superconducting current limiters instead of the usual one used explosion switch is expected. Cracking at Switching the current limiter is also added here for that spoken performance ranges components are necessary, the dimensions from Z. B. 1 m high and 50 cm in diameter.

Keramische Körper in dieser Größe sind schwierig in der Handhabung und brechen leicht. Die bisher bekannten Transformatoren zur Strombe­ grenzung haben den Nachteil, daß die Sekundärwicklungen sehr aufwen­ dig in der Herstellung sind, wobei auch die Materialkosten des Hochtemperatursupraleiters eine Rolle spielen.Ceramic bodies of this size are difficult to handle and break easily. The previously known transformers for electricity limitation have the disadvantage that the secondary windings are very expensive dig are in production, the material costs of High temperature superconductors play a role.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Transformator der eingangs erwähnten Art so weiterzuentwickeln, daß er auf einfache Weise als Strombegrenzer in Mittelspannungsnetzen einsetzbar ist.The invention is therefore based on the object of a transformer of the type mentioned at the outset so that it is easy Way can be used as a current limiter in medium-voltage networks.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Kennzeichen-Teil des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst.This object is achieved according to the invention by the in the license plate part of Features listed claim 1 solved.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten. Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß die Sekundärwicklung nur aus einer dünnen Schicht besteht. Durch diese ist die Herstellung der Sekundärwicklung sehr einfach, und auch die Kühlung mit flüssiger Luft wird wesentlich erleichtert. Wegen der thermischen Spannungen beim Übergang vom supraleitenden in den normal leitenden Zustand werden spezielle Maßnahmen vorgeschlagen, welche insbesondere auf die Sprö­ digkeit des keramischen Supraleiters abgestimmt sind. Further developments of the invention are contained in the subclaims. The essence of the invention is that the secondary winding only consists of a thin layer. Through this is the manufacture of the Secondary winding very easy, and also cooling with liquid air is much easier. Because of the thermal stresses in the Transition from superconducting to normal conducting proposed special measures, in particular on the Sprö of the ceramic superconductor are matched.  

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.The invention is explained below with reference to the drawing.

Es zeigt:It shows:

Fig. 1 eine Darstellung des Funktionsprinzips und Fig. 1 is a representation of the principle of operation and

Fig. 2 einen Transformator in praxisnaher Gestaltung. Fig. 2 shows a transformer in a practical design.

Der Transformator 1 besteht aus einem Kern 6, einer Primärwicklung 2 und dem supraleitenden Ring 3, welcher in einem Kühlgefäß 4 thermisch isoliert gehalten wird (s. Fig. 1). Der Vorteil des erfindungsgemäßen Transformators besteht darin, daß er im Hochstrombereich von über 1 kA Wechselstrom in Verteilernetzen als Generator-Transformator oder Apparateschutz eingesetzt werden kann. Bei Nennstrom ist dabei die Se­ kundärwicklung in Form eines Kurzschlußringes von einem Magnetfeld unterhalb der kritischen Feldstärke durchflutet. Diese kritische Feld­ stärke läßt sich durch die Anzahl der Primärwindungen leicht auf einen Wert einstellen, welcher einem maximalen Strom Imax entspricht. Bei ei­ nem Mehrfachen dieses maximalen Stroms geht die Sekundärwicklung vom supraleitenden in den normal leitenden Zustand über und heizt sich dabei sehr stark auf. Aus diesem Grunde wird der keramische Ring, aus welchem der Supraleiter hergestellt ist, als dünne Schicht 3 ausgebildet, die auf einem Träger 5 aufgebracht ist, welcher verhindert, daß der supraleitende Ring sich plötzlich zu stark ausdehnt und Risse bekommt.The transformer 1 consists of a core 6 , a primary winding 2 and the superconducting ring 3 , which is kept thermally insulated in a cooling vessel 4 (see FIG. 1). The advantage of the transformer according to the invention is that it can be used in the high current range of more than 1 kA alternating current in distribution networks as a generator transformer or device protection. At rated current, the secondary winding in the form of a short-circuit ring is flooded by a magnetic field below the critical field strength. This critical field strength can easily be set to a value by the number of primary turns, which corresponds to a maximum current I max . At a multiple of this maximum current, the secondary winding changes from the superconducting to the normally conducting state and heats up very strongly in the process. For this reason, the ceramic ring from which the superconductor is made is formed as a thin layer 3 , which is applied to a carrier 5 , which prevents the superconducting ring from suddenly expanding too much and cracking.

Ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 1 dargestellt. Der Verbundkörper 7 besteht aus einem supraleitenden Ring 3 aus YBaCuO und aus einem Träger 5, der den Ring 3 umgibt. In diesem Bei­ spiel wird der Träger 5 aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) ge­ bildet. Der Verbund wird im Ofen bei 120°C ausgeheizt, was die End­ festigkeit des GFK deutlich erhöht, wobei Werte bis 500 Mpa erreichbar sind.A first embodiment of the invention is shown in FIG. 1. The composite body 7 consists of a superconducting ring 3 made of YBaCuO and a carrier 5 which surrounds the ring 3 . In this case, the carrier 5 is made of glass fiber reinforced plastic (GRP). The composite is heated in the oven at 120 ° C, which significantly increases the final strength of the GRP, whereby values of up to 500 Mpa can be achieved.

Wird der Verbundkörper anschließend als Strombegrenzer eingesetzt, so wird auch nach hundertfachem Schalten keine der sonst üblichen Degra­ dationen beobachtet.If the composite body is then used as a current limiter, then even after switching a hundred times, none of the usual Degra dations observed.

In einem anderen Ausführungsbeispiel wird statt der GFK-Manschette ein Stahlzylinder verwendet. In another exemplary embodiment, a is used instead of the GRP sleeve Steel cylinder used.  

Besonders vorteilhaft ist es, einen Trägerzylinder mit einem geeigneten Beschichtungsverfahren wie Elektrophorese, Siebdruck oder Plasmaspritzen auf der Innenseite oder Außenseite zu beschichten. Geeignete Schichtdicken sind 10 µm bis 2 mm. Es können darüber hinaus Zwischenschichten verwendet werden, um die Wachstumsbedingungen bzw. das Haften auf der Unterlage der Supraleiter-Schichten zu optimieren.It is particularly advantageous to use a carrier cylinder with a suitable one Coating processes such as electrophoresis, screen printing or plasma spraying to coat on the inside or outside. Suitable Layer thicknesses are 10 µm to 2 mm. It can go beyond that Interlayers are used to cover the growing conditions or adhering to the base of the Optimize superconductor layers.

Solche Beschichtungsverfahren sind speziell für Bauteile großer Di­ mensionen geeignet und bieten neben der besseren Handhabung des Bauteils zusätzliche Kostenersparnisse durch geringere Material kosten.Such coating processes are especially for components of large di suitable dimensions and offer in addition to the better handling of the Component additional cost savings through lower material costs.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ergibt sich, wenn der Träger 5 als Koppelmedium der Kühlung eingesetzt wird. So kann der Träger bei­ spielsweise Kühlschlangen tragen oder doppelwandig ausgeführt sein, wobei in den Hohlräumen das Kühlmedium geführt ist. Eine weitere Mög­ lichkeit besteht darin, daß der Träger 5 selbst eine Begrenzungswand eines Badkryostaten darstellt oder auch als ganzer Verbundkörper in ein Kühlmedium eintaucht. Es ist aus diesem Grund vorteilhaft, einen metallischen Träger zu verwenden. Der Träger kann weiterhin dazu dienen, Befestigungselemente aufzunehmen, die notwendig sind, um den Ver­ bundkörper in einem Kryostaten zu verankern.Another advantage of the invention results when the carrier 5 is used as the coupling medium for the cooling. For example, the carrier can carry cooling coils or be double-walled, the cooling medium being guided in the cavities. Another possibility is that the carrier 5 itself represents a boundary wall of a bathroom cryostat or is immersed as a whole composite body in a cooling medium. For this reason, it is advantageous to use a metallic support. The carrier can also serve to accommodate fasteners that are necessary to anchor the composite body in a cryostat.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht der Träger 5 aus mehreren Lagen eines Bandes aus Glas- oder Kohlefasern, die miteinander verklebt sind.In a further advantageous embodiment of the invention, the carrier 5 consists of several layers of a band of glass or carbon fibers which are glued together.

Um insbesondere die Rißbildung zu erschweren, ist die Oberfläche des supraleitenden Ringes dicht gesintert und poliert. Das Polieren geschieht insbesondere durch Wasserstrahlschleifen.In order to make crack formation more difficult, the surface of the superconducting ring densely sintered and polished. The polishing happens especially by water jet grinding.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird eine Schelle oder Manschette 9 aus einer hochfesten Legierung durch Aufheizen im Durchmesser so weit vergrößert, daß sie über den supraleitenden Ring 3 samt Trägerzylinder 5 geschoben werden kann. Die Legierung besitzt einen hohen spezifischen Widerstand, um den durch Induktion entste­ henden Strom und die dadurch bedingten Verluste auf einen möglichst niedrigeren Wert zu begrenzen. Beim Abkühlen wird eine Druckvorspan­ nung erzeugt, welche die supraleitende Keramik und den Trägerzylinder unter einer solchen Vorspannung hält, daß sie beim plötzlichen Aufhei­ zen der Keramik nicht zerspringen kann. Vorzugsweise ist der Träger 5 aus einem keramischen Material hergestellt, auf dem die supraleitende Schicht 3 gut haftet. Andernfalls wird eine Anpassungsschicht 8 (s. Fig. 2) auf den Träger aufgebracht.In an advantageous embodiment of the invention, a clamp or cuff 9 made of a high-strength alloy is increased in diameter by heating so that it can be pushed over the superconducting ring 3 together with the carrier cylinder 5 . The alloy has a high specific resistance in order to limit the current resulting from induction and the resulting losses to a value that is as low as possible. When cooling, a Druckvorspan voltage is generated, which holds the superconducting ceramic and the support cylinder under such a bias that they can not burst when the ceramic suddenly heats up. The carrier 5 is preferably made of a ceramic material on which the superconducting layer 3 adheres well. Otherwise an adaptation layer 8 (see FIG. 2) is applied to the carrier.

Der Transformator ist so bemessen, daß er im Kurzschlußfall oder bei Überspannungen, die dabei auftretende Leistung übertragen kann. Erst bei der maximal auftretenden Größe der primären Amperewindungen darf der Kern in die Nähe der Sättigung kommen, um ein gutes Abschaltver­ halten zu gewährleisten.The transformer is dimensioned so that it is in the event of a short circuit or Overvoltages that the power that occurs can be transmitted. First at the maximum size of the primary ampere turns the core come close to saturation to get a good shutdown keep guarantee.

Die Kühlung des supraleitenden Ringes 3 geschieht in einem wär­ meisolierten Gefäß 4, in das bei dem Einlaßstutzen 11 flüssiger Stickstoff 12 eingeleitet wird, der bei dem Auslaß 10 das Kühlgefäß 4 verläßt und durch eine Kältemaschine gepumpt oder einem Vorratsgefäß zugeführt wird. Das Kühlgefäß 4 ist vorzugsweise doppelwandig ausgeführt.The cooling of the superconducting ring 3 takes place in a heat-insulated vessel 4 , into which liquid nitrogen 12 is introduced at the inlet nozzle 11 , which leaves the cooling vessel 4 at the outlet 10 and is pumped through a refrigerator or supplied to a storage vessel. The cooling vessel 4 is preferably double-walled.

Es wird als günstig angesehen, wenn die Primärwicklung 2 als innere Wicklung auf dem Transformatorkern 6 aufgebracht ist und das etwas mehr Raum einnehmende Kühlgefäß 4 mit dem supraleitenden Ring 3 als Sekundärwicklung darauf konzentrisch angebracht ist. Es ist aber prin­ zipiell nur wichtig, daß der primäre und sekundäre Fluß miteinander derart verkettet sind, daß die Sekundärimpedanz auf die Primärseite transformiert wird und dort der induktive Widerstand praktisch Null ist, solange der Ring 2 supraleitend ist. Bei Überlastung im Primärkreis wird die kritische magnetische Feldstärke im Ring überschritten, und der Ring verhält sich wie eine Windung mit hohem Widerstand, d. h. fast wie ein Iso­ lator. Dadurch wird die normale Induktivität der Drossel mit geschlos­ senem Eisenkern im Netz wirksam und begrenzt den Strom auf einen durch die Größe der Induktivität der Drossel einstellbaren Wert.It is considered favorable if the primary winding 2 is applied as an inner winding on the transformer core 6 and the cooling vessel 4 with the superconducting ring 3, which takes up a little more space, is mounted concentrically thereon as a secondary winding. It is only important in principle, however, that the primary and secondary fluxes are chained together in such a way that the secondary impedance is transformed to the primary side and the inductive resistance is practically zero there as long as the ring 2 is superconducting. If the primary circuit is overloaded, the critical magnetic field strength in the ring is exceeded, and the ring behaves like a winding with high resistance, ie almost like an insulator. As a result, the normal inductance of the choke with closed iron core in the network is effective and limits the current to a value that can be set by the size of the inductance of the choke.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Trägerzylinder mit einer dünnen Schicht eines keramischen Supra­ leiters beschichtet. Als Beschichtungsmaterialien kommen alle Hochtempe­ ratur-Supraleiter mit einer hohen Übergangstemperatur und hoher Stromtragfähigkeit in Frage. Geeignete Hochtemperatur-Supraleiter fin­ den sich in der Gruppe Y-Ba-Cu-O, Bi-Sr-Ca-Cu-O, Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O, Tl-Ba-Ca-Cu-O, Ba-K-Bi-O. Diese Schichten können durch Dickschicht­ verfahren, wie Sol-Gel-Verfahren, Plasmaspritzen, Elektrophorese, Sieb­ druck oder elektrochemisches Abscheiden erzeugt werden.In a particularly preferred embodiment of the invention a carrier cylinder with a thin layer of a ceramic supra coated conductor. All high temperatures come as coating materials rature superconductors with a high transition temperature and high  Current carrying capacity in question. Suitable high-temperature superconductors fin in the group Y-Ba-Cu-O, Bi-Sr-Ca-Cu-O, Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O, Tl-Ba-Ca-Cu-O, Ba-K-Bi-O. These layers can be through thick layers procedures such as sol-gel procedures, plasma spraying, electrophoresis, sieve pressure or electrochemical deposition.

Der erfindungsgemäße Transformator kann mit Vorteil in einem Energie­ verteilungsnetz eingesetzt werden, um Kurzschlußströme zu begrenzen. Aus elektrotechnischen Gründen ist es sinnvoll, die Geometrie so zu wählen, daß die Gesamthöhe der Sekundärwindung im Verhältnis zu ihrem Außendurchmesser so gewählt ist, daß sie sich wie n : 1 (mit kleiner gleich n kleiner gleich 10) verhält. Dies kann entweder durch einen entsprechend geformten Trägerzylinder oder durch einen Stapel von beschichteten Ringen verwirklicht werden.The transformer according to the invention can advantageously in one energy distribution network can be used to limit short-circuit currents. For electrical engineering reasons, it makes sense to close the geometry in this way choose that the total height of the secondary turn in relation to its outer diameter is selected so that it is like n: 1 (with less than or equal to n less than or equal to 10). This can be done either an appropriately shaped carrier cylinder or by a stack of coated rings.

Beispiel 1example 1

Bei einem Nennstrom von beispielsweise 2,5 kA soll die Stromstärke im Kurzschlußfall begrenzt werden, falls der Strom in der Primärspule 2 des Transformators 1 über 14 kA ansteigt. Der Durchmesser des Eisen­ kerns 6 beträgt 40 cm, der Kern selbst ist 2 m hoch und besitzt O- Form, wie in Fig. 2 dargestellt. Die Primärspule 2 ist im Kupferquer­ schnitt für eine Nennstromdichte von 2,5 A/mm² ausgelegt. Sie wird durch einen Konvektionskühler gekühlt. Die Sekundärwindung 3 ist Teil des Verbundkörpers 7, welcher als Sinterkeramik hergestellt wurde. Der Trägerzylinder 5 besteht aus einem 1 m hohen Al₂O₃-Zylinder, auf welchem durch Innenbeschichtung eine 60 µm dicke und 90 cm hohe Schicht aus schmelzprozessiertem YBa₂Cu₃O₇ aufgebracht wurde. Zwi­ schen dem Al₂O₃-Zylinder und der Supraleiterschicht ist eine Puffer­ schicht 8, hier Ceroxid mit 0,5 µm Dicke aufgebracht, die eine uner­ wünschte Interdiffusion zwischen Träger 5 und Supraleiterschicht 3 unterbindet, welche bekanntermaßen die Supraleitereigenschaften deut­ lich verschlechtern kann. Als Puffer- oder Anpassungsschicht sind auch andere Materialien, wie z. B. yttriumstabilisiertes Zirkonoxid, MgO, SrTiO₃ und andere Systeme mit angepaßten Gitterparametern geeignet. Der Trägerzylinder hat eine Wandstärke von 3 cm. Dieser Verbundkörper ist in einem doppelwandigen Kryostaten in einem Bad aus flüssigem Stick­ stoff gehalten. At a nominal current of 2.5 kA, for example, the current intensity should be limited in the event of a short circuit if the current in the primary coil 2 of the transformer 1 rises above 14 kA. The diameter of the iron core 6 is 40 cm, the core itself is 2 m high and has an O-shape, as shown in Fig. 2. The primary coil 2 is designed in copper cross-section for a nominal current density of 2.5 A / mm². It is cooled by a convection cooler. The secondary turn 3 is part of the composite body 7 , which was produced as a sintered ceramic. The carrier cylinder 5 consists of a 1 m high Al₂O₃ cylinder, on which a 60 µm thick and 90 cm high layer of melt-processed YBa₂Cu₃O₇ was applied by internal coating. Between the Al₂O₃ cylinder and the superconductor layer is a buffer layer 8 , here applied cerium oxide with a thickness of 0.5 µm, which prevents unwanted interdiffusion between the carrier 5 and the superconductor layer 3 , which is known to significantly impair the superconductor properties. Other materials, such as e.g. B. yttrium-stabilized zirconium oxide, MgO, SrTiO₃ and other systems with adapted lattice parameters are suitable. The carrier cylinder has a wall thickness of 3 cm. This composite body is held in a double-walled cryostat in a bath made of liquid nitrogen.

Durch die Windungszahl n der Primärspule kann die kritische Feldstärke bei etwa 14 kA eingestellt werden. Bei dem verwendeten supraleitenden Material, dessen Herstellung und Eigenschaften in der Patentschrift DE 42 26 942 C1 beschrieben sind, beträgt der magnetische Fluß, bei dem der supraleitende Kern in den normal leitenden Zustand übergeht, etwa 100 T. Der Verbundzylinder 7 ist mechanisch stabil und zeigt keinerlei Risse, auch nach mehrfacher Kurzschlußprüfung. Die supraleitende Schicht zeigt ebenfalls keinerlei Degradationserscheinungen. Das ist dar­ auf zurückzuführen, daß der Keramikzylinder, auf welchen diese Schicht aufgebracht ist, die hohen Druckbelastungen auffängt und sich im Kurz­ schlußfall zunächst einmal wie eine sehr starke Manschette verhält, wei­ che jede Ausdehnung der supraleitenden Schicht verhindert. Die große Oberfläche der supraleitenden Schicht sorgt außerdem dafür, daß die Verlustwärme, welche den Übergang supraleitend-normalleitend begleitet, sehr schnell an den flüssigen Stickstoff abgeführt wird.The critical field strength can be set at around 14 kA by the number of turns n of the primary coil. In the superconducting material used, the manufacture and properties of which are described in the patent DE 42 26 942 C1, the magnetic flux in which the superconducting core changes to the normal conducting state is approximately 100 T. The compound cylinder 7 is mechanically stable and shows no cracks, even after multiple short-circuit tests. The superconducting layer also shows no signs of degradation. This is due to the fact that the ceramic cylinder, to which this layer is applied, absorbs the high pressure loads and, in the event of a short circuit, initially behaves like a very strong sleeve, preventing any expansion of the superconducting layer. The large surface area of the superconducting layer also ensures that the heat loss that accompanies the transition from superconducting to normal conducting is dissipated very quickly to the liquid nitrogen.

Der Trägerzylinder 5 kann selbstverständlich auch aus anderen kerami­ schen Materialien hergestellt werden. Aus elektrischen Gründen ist Quarz eine gute Wahl, doch sind die thermischen Ausdehnungskoef­ fizienten von Träger- und supraleitenden Schichtmaterial sowie die Git­ teranpassung beim Aufbringen der möglichen Supraleiterschichten auf die Unterlage des Trägers zu berücksichtigen.The carrier cylinder 5 can of course also be made from other ceramic materials. Quartz is a good choice for electrical reasons, but the thermal expansion coefficients of carrier and superconducting layer material and the lattice adaptation when applying the possible superconducting layers to the substrate must be taken into account.

Beispiel 2Example 2

In einer weiteren Ausführungsform wird die Druckspannung nicht vom Trägerzylinder 5 selbst aufgebracht, sondern von einer nach der Be­ schichtung außen aufgebrachten Bandage.In a further embodiment, the compressive stress is not applied by the carrier cylinder 5 itself, but by a bandage applied externally after the coating.

Dies erlaubt einen weiteren Freiheitsgrad bei der Wahl des Trägerzylin­ dermaterials, da hier die Abstimmung der thermischen Ausdehnungskoef­ fizienten weniger ins Gewicht fällt.This allows a further degree of freedom in the choice of the carrier cylinder dermaterials, since here the coordination of the thermal expansion coefficient efficient less weight.

Für Kühlzwecke besonders geeignet ist ein metallischer Träger 5, z. B. aus Nickel-Basislegierungen, der jedoch zur Vermeidung von zu hohen Verlusten durch unvermeidlich induzierte Wirbelströme im Träger mög­ lichst dünnwandig ausgeführt wird. Die nachträglich angebrachte Ban­ dage setzt dann den Schichtkörper unter Druck und stabilisiert den Träger mechanisch. A metallic carrier 5 , e.g. B. made of nickel-based alloys, which is however as thin as possible to avoid excessive losses due to inevitably induced eddy currents in the carrier. The retrofitted Ban dage then puts the laminate under pressure and mechanically stabilizes the support.

Neben GFK- oder auch kohlefaserverstärkten Kunststoff-Bandagen kann die Druckvorspanung auch über außen angesetzte Halbschalen aus einer hochfesten Legierung, die miteinander verspannt sind, aufgebracht wer­ den.In addition to GRP or carbon fiber reinforced plastic bandages the prestressing also from the outside with half shells attached from one high-strength alloy, which are clamped together, who applied the.

Beispiel 3Example 3

In einer weiteren Ausführungsform ist der Trägerzylinder 5 auf der Außenseite mit dem Supraleiter beschichtet. Wie im vorangegangenen Beispiel wird die Druckspannung, die den Supraleiter im Begrenzungsfall vor Zugbelastung schützt, von einer nachträglich auflaminierten Bandage 9 geschützt.In a further embodiment, the carrier cylinder 5 is coated on the outside with the superconductor. As in the previous example, the compressive stress, which protects the superconductor against tensile loads in the limited case, is protected by a bandage 9 which is subsequently laminated on.

Claims (19)

1. Transformator als Strombegrenzer, bei dem ein im Störfall zu begrenzender Strom durch die Primärspule (2) fließt und ein supraleitender Ring (3) auf einem Trägerzylinder (5) als Sekundärspule vorgesehen ist, welcher in einem Kühlgefäß (4) unter die Sprungtemperatur des Hochtemperatur- Supraleiters abgekühlt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Supraleiter als dünne hohlzylinderförmige Schicht (3) auf dem Trägerzylinder (5) aufgebracht ist, so daß er mit diesem einen Verbund­ körper (7) bildet, und daß die supraleitende Schicht von einem Zylinder umgeben ist, der im Schaltfall die supraleitende Schicht unter Druckspannung setzt, derart, daß im Schaltfall die Rißbildung im Supraleiter verhindert.1. Transformer as a current limiter, in which a current to be limited in the event of a fault flows through the primary coil ( 2 ) and a superconducting ring ( 3 ) is provided on a carrier cylinder ( 5 ) as a secondary coil, which in a cooling vessel ( 4 ) below the transition temperature of the High-temperature superconductor is cooled, characterized in that the superconductor is applied as a thin hollow cylindrical layer ( 3 ) on the carrier cylinder ( 5 ) so that it forms a composite body ( 7 ) with this, and that the superconducting layer is surrounded by a cylinder is that puts the superconducting layer under compressive stress in the switching case, in such a way that in the switching case the cracking in the superconductor is prevented. 2. Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (3) auf der Innenseite des Trägerzylinders (5) aufgebracht ist.2. Transformer according to claim 1, characterized in that the layer ( 3 ) on the inside of the carrier cylinder ( 5 ) is applied. 3. Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (3) auf der Außenseite des Trägerzylinders (5) aufgebracht ist.3. Transformer according to claim 1, characterized in that the layer ( 3 ) on the outside of the carrier cylinder ( 5 ) is applied. 4. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (3) 10 µm-2 mm dick ist.4. Transformer according to one of claims 1 to 3, characterized in that the layer ( 3 ) is 10 µm-2 mm thick. 5. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (3) 50-500 µm dick ist. 5. Transformer according to one of claims 1 to 4, characterized in that the layer ( 3 ) is 50-500 µm thick. 6. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerzylinder (5) eine Wandstärke kleiner als 1/10 des Außendurchmessers aufweist.6. Transformer according to one of claims 1 to 5, characterized in that the carrier cylinder ( 5 ) has a wall thickness less than 1/10 of the outer diameter. 7. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitende Schicht (3) im Verbundkörper (7) durch Vorspannung des Trägerzylinders (5) unter Druckspannung gesetzt ist.7. Transformer according to one of claims 1 to 6, characterized in that the superconducting layer ( 3 ) in the composite body ( 7 ) by prestressing the carrier cylinder ( 5 ) is placed under compressive stress. 8. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerzylinder (5) aus einem Metall gebildet ist, insbesondere aus einer Nickel-Basislegierung.8. Transformer according to one of claims 1 to 7, characterized in that the carrier cylinder ( 5 ) is formed from a metal, in particular from a nickel-based alloy. 9. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Widerstand des Trägerzylinders (5) so groß ist, daß im Begrenzungsfall im Trägerzylinder höchstens ein Zehntel der Stromstärke fließt verglichen mit der Stromstärke in der supraleitenden Schicht (3).9. Transformer according to one of claims 1 to 8, characterized in that the electrical resistance of the carrier cylinder ( 5 ) is so large that in the limited case in the carrier cylinder at most one tenth of the current flows compared to the current in the superconducting layer ( 3 ). 10. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerzylinder (5) aus einem Isolator gebildet ist, insbesondere aus einer Keramik und/oder aus einem glasfaserverstärkten Kunststoff und/oder aus einem kohlefaserverstärkten Kunststoff.10. Transformer according to one of claims 1 to 9, characterized in that the carrier cylinder ( 5 ) is formed from an insulator, in particular from a ceramic and / or from a glass fiber reinforced plastic and / or from a carbon fiber reinforced plastic. 11. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitende Schicht (3) durch einen Keramikprozeß als Massivmaterial hergestellt ist.11. Transformer according to one of claims 1 to 10, characterized in that the superconducting layer ( 3 ) is produced by a ceramic process as a solid material. 12. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitende Schicht (3) durch ein Beschichtungsverfahren hergestellt ist, insbesondere durch ein Dickschichtverfahren wie Sol-Gel-Verfahren, Plasmaspritzen, Elektrophorese, Siebdruck oder elektrochemisches Abscheiden.12. Transformer according to one of claims 1 to 11, characterized in that the superconducting layer ( 3 ) is produced by a coating process, in particular by a thick-film process such as the sol-gel process, plasma spraying, electrophoresis, screen printing or electrochemical deposition. 13. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärspule (2) die supraleitende Schicht (3) konzentrisch umschließt.13. Transformer according to one of claims 1 to 12, characterized in that the primary coil ( 2 ) concentrically surrounds the superconducting layer ( 3 ). 14. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitende Schicht (3) die Primärspule (2) konzentrisch umschließt.14. Transformer according to one of claims 1 to 13, characterized in that the superconducting layer ( 3 ) concentrically surrounds the primary coil ( 2 ). 15. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerzylinder (5) als eine Begrenzungswand der Kühleinrichtung ausgebildet ist.15. Transformer according to one of claims 1 to 14, characterized in that the carrier cylinder ( 5 ) is designed as a boundary wall of the cooling device. 16. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitende Schicht (3) aus mindestens einem keramischen Supraleiter aus der Gruppe Y-Ba-Cu-O, Bi-Sr-Ca-Cu-O, Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O, Tl-Ba-Ca-Cu-O, Ba-K-Bi-O besteht.16. Transformer according to one of claims 1 to 15, characterized in that the superconducting layer ( 3 ) made of at least one ceramic superconductor from the group Y-Ba-Cu-O, Bi-Sr-Ca-Cu-O, Bi-Pb -Sr-Ca-Cu-O, Tl-Ba-Ca-Cu-O, Ba-K-Bi-O. 17. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (3) als keramischer Supraleiter eine Verbindung der allgemeinen Formel Y1+2x+y Ba2+x Cu3+x Oz mit 0 x 0,5; 0 y 0,5 und 6 z 7 ist.17. Transformer according to one of claims 1 to 16, characterized in that the layer ( 3 ) as a ceramic superconductor is a compound of the general formula Y 1 + 2x + y Ba 2 + x Cu 3 + x O z with 0 x 0.5 ; 0 y 0.5 and 6 z 7. 18. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe des supraleitenden Zylinders (3) zu seinem Außendurch­ messer sich wie n : 1 verhält, wobei 1 n 10 ist.18. Transformer according to one of claims 1 to 17, characterized in that the height of the superconducting cylinder ( 3 ) to its outer diameter behaves like n: 1, where 1 n is 10. 19. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Schicht (3) und dem Trägerzylinder eine Anpas­ sungsschicht (8) zur Verbesserung der Haftfähigkeit der supraleitenden Schicht (3) und zur Vermeidung von Schädigung durch Diffusion aus benachbarten Schichten vorgesehen ist.19. Transformer according to one of claims 1 to 18, characterized in that between the layer ( 3 ) and the carrier cylinder, an adaptation layer ( 8 ) to improve the adhesiveness of the superconducting layer ( 3 ) and to avoid damage from diffusion from adjacent layers is provided.
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