DE19825564A1 - Resistive current limiter especially for short-circuits - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine resistive Strombegren zungseinrichtung mit mindestens einer für jeweils einen vor gegebenen elektrischen Nennstrom ausgelegten Leiterbahn, die bekanntermaßen ein Hoch-Tc-Supraleitermaterial (HTS-Material) enthält. Zur elektrischen Kontaktierung dieses in Schichtform vorliegenden HTS-Materials dienen an dafür bestimmten Enden einer solchen Schicht vorgesehene elektrische Kontaktflächen. Beschreibungen solcher Strombegrenzungseinrichtungen sind z. B. der EP-A-0 523 374 und der DE-A-195 20 205 zu entnehmen.The invention relates to a resistive Strombegren tion device with at least one designed for a given electrical rated current before conductor track, which is known to contain a high-T c superconductor material (HTS material). For the electrical contacting of this HTS material, which is present in layer form, electrical contact surfaces provided at the ends of such a layer intended for this purpose are used. Descriptions of such current limiting devices are e.g. B. EP-A-0 523 374 and DE-A-195 20 205 can be found.
In elektrischen Stromversorgungsnetzen können Kurzschlüsse und elektrische Überschläge nicht mit Sicherheit vermieden werden. Tritt ein solches Ereignis ein, steigt die Stärke des elektrischen Stroms im betroffenen Stromkreis sehr schnell, bei Wechselstrom bereits in der ersten Halbwelle, auf ein Vielfaches seines Nennwertes an, bis der Stromfluß durch be kannte vorgesehene Sicherungs- oder Schaltmittel unterbrochen werden kann. Als Folge eines solchen rapiden Stromanstiegs treten in allen davon betroffenen Netzkomponenten, wie Lei tungen und Sammelschienen, Schaltern und Transformatoren und dgl. nicht nur große thermische, sondern auch erhebliche, durch Stromkräfte verursachte mechanische Belastungen auf. Da solche kurzzeitige Belastungen proportional dem Quadrat des Stromes zunehmen, können bei Vorhandensein einer sicheren Be grenzung des Kurzschlußstromes auf einen niedrigeren Maximal wert die Anforderungen an die einzelnen Netzkomponenten hin sichtlich deren Spitzen-Belastungsfähigkeit erheblich redu ziert werden. Dadurch lassen sich Kostenvorteile erzielen, und zwar sowohl beim Aufbau neuer als auch beim Ausbau beste hender Versorgungsnetze, nämlich indem man insbesondere, wie nachfolgend beschrieben, erfindungsgemäße Kurzschlußstrom-Be grenzer (zusätzlich) in ein solches Netz an vorgegebenen Stellen desselben einbaut.Short circuits can occur in electrical power supply networks and electrical flashovers cannot be avoided with certainty will. When such an event occurs, the strength of the increases electric current in the affected circuit very quickly, in the case of alternating current already in the first half-wave, on A multiple of its nominal value until the current flows through be Known intended fuse or switching means interrupted can be. As a result of such a rapid increase in electricity occur in all network components affected by this, such as lei lines and busbars, switches and transformers and Like. not only large thermal, but also considerable, mechanical loads caused by current forces. There such short-term loads proportional to the square of the Current can increase in the presence of a safe loading limitation of the short-circuit current to a lower maximum worth the requirements for the individual network components visibly their peak load capacity significantly reduced be adorned. This allows cost advantages to be achieved, both when building new ones and when expanding the best existing supply networks, namely by specifying how described below, short-circuit current Be according to the invention limiters (additionally) in such a network to given Places of the same built in.
Bekanntermaßen kann mit supraleitenden Strombegrenzungsein richtungen der hier relevanten Art vom resistiven Typ der Stromanstieg nach Eintritt eines Kurzschlusses auf einen Wert von wenigen Vielfachen des (maximalen) Nennstromes des be treffenden Netzes begrenzt werden. Ein weiterer Vorteil sol cher Einrichtungen ist, daß sie kurze Zeit nach dem Abschal ten (für sich genommen) wieder betriebsbereit sind. Sie ar beiten somit wie eine schnell wirksame, jedoch selbstheilende Sicherung. Sie sind nach jeweiligem Einsatz sofort wieder be triebsbereit. Eine solche resistive HTS-Strombegrenzungsein richtung gewährleistet eine sehr hohe Betriebssicherheit, da sie passiv ist, d. h. autonom ohne vorherige Detektion eines Kurzschlusses und ohne vorherige aktive Auslösung mittels ei nes Schaltsignals arbeitet.As is known, superconducting current limiting can be used directions of the type relevant here of the resistive type of Current rise to a value after a short circuit has occurred of a few multiples of the (maximum) rated current of the be applicable network. Another benefit sol One of the most important features is that they are shortly after the shuttering are (taken by themselves) ready for operation again. You ar thus work like a fast-acting, but self-healing one Fuse. They can be used again immediately after each use ready to drive. One such resistive HTS current limiting is direction ensures a very high level of operational reliability, since it is passive, d. H. autonomously without prior detection of one Short circuit and without prior active tripping by means of an ei nes switching signal is working.
Wie auch aus den genannten Druckschriften bekannt, ist die einschlägige Strombegrenzungseinrichtung eine seriell im Stromkreis eingefügte/einzufügende supraleitende Schalt strecke. Der als Schaltvorgang zu wertende Funktionsablauf in der supraleitenden Leiterbahn ist ein Übergang aus praktisch elektrisch widerstandslosem kaltem Betriebszustand unterhalb der sog. Sprungtemperatur Tc des Supraleitermaterials in den widerstandsbehafteten normal leitenden Zustand, der oberhalb dieser Temperatur vorliegt. Der Widerstand Rn, der (oberhalb der Sprungtemperatur) normalleitenden Leiterbahn wird auf ei ne vorzugebende Größe = U/I ausgelegt, worin U die an diesem Widerstand Rn im Kurzschlußfall auftretende elektrische Span nung des Netzes und I der vorzugebende maximale Kurz schlußstrom im Netz ist (der dann im Regelfall durch sonstige andere Schutz-Netzkomponenten nach Wirksamwerden der erfin dungsgemäßen Strombegrenzungseinrichtung abschaltbar ist).As is also known from the cited documents, the relevant current limiting device is a superconducting switching path that is inserted / to be inserted in series in the circuit. The functional sequence in the superconducting conductor path, which is to be evaluated as a switching process, is a transition from the practically electrically resistance-free cold operating state below the so-called transition temperature T c of the superconducting material to the resistive, normally conductive state that is above this temperature. The resistance R n , the (above the critical temperature) normally conducting conductor track is designed to be given a size = U / I, where U is the electrical voltage of the network occurring at this resistor Rn in the event of a short circuit and I is the maximum short circuit current to be specified in the network (which can then as a rule be switched off by other other protective network components after the current limiting device according to the invention has taken effect).
Die bei einem Übergang in Normalleitung der Strombegrenzungs einrichtung in derselben auftretende Erwärmung auf Temperatu ren oberhalb der Sprungtemperatur der Supraleiterschicht be ruht auf Joule'scher Wärme, erzeugt in der supraleitenden Leiterbahn, nämlich wenn in dieser Leiterbahn die elektrische Stromdichte den Wert der kritischen Stromdichte jc des be treffenden HTS-Materials übersteigt. Dabei spielt eine Rolle, daß das Material auch unterhalb der Sprungtemperatur bei Überschreiten der kritischen Stromdichte bereits einen wenn auch geringen elektrischen Widerstand aufweist.The heating to temperatures above the transition temperature of the superconducting layer that occurs in the same during a transition in normal conduction of the current limiting device is based on Joule heat generated in the superconducting conductor track, namely when the electrical current density in this conductor track equals the value of the critical current density j c of the relevant HTS material. It plays a role here that the material already has an electrical resistance, albeit a low one, even below the critical temperature when the critical current density is exceeded.
Durch vorgesehene Kühleinwirkung kann das Vorhandensein des Strombegrenzungseffektes wieder aufgehoben werden, wenn durch eine üblicherweise vorgesehene sonstige Trenneinrichtung im Stromkreis jeglicher Stromfluß durch die HTS-Schicht auf Wer te unterhalb der kritischen Stromdichte (wieder) verringert worden ist. Solche Maßnahmen und Einrichtungen der Kühlung sind einschlägig bekannt.The presence of the Current limiting effect can be canceled again when through another separating device usually provided in the Circuit any current flowing through the HTS layer on who te below the critical current density (again) reduced has been. Such measures and facilities of cooling are well known.
Es sind spezielle Ausführungsformen einer einschlägigen resi stiven HTS-Strombegrenzungseinrichtung bekannt, die auch hier für Ausführungsformen nach der Erfindung geeignet sind. Es sind dies Ausführungsformen betreffend die oben erwähnte Kon taktierung, die Schichtausbildung des HTS-Materials, die Aus gestaltung in Mäanderform der Leiterbahn, stapelartige Auf- /Übereinanderanordnung solcher Leiterbahnen in Serien- und/oder Parallelschaltung derselben, das zusätzliche Vorse hen von sog. Hot-Spot-vermeidenden begleitenden Metallschich ten und dergl.There are special embodiments of a relevant resi Stiven HTS current limiting device known that also here are suitable for embodiments according to the invention. It are these embodiments relating to the above-mentioned Kon clocking, the layering of the HTS material, the Aus design in meander shape of the conductor track, stack-like structure / Superposition of such conductor tracks in series and / or Parallel connection of the same, the additional Vorse hen of so-called hot-spot-avoiding accompanying metal layers ten and the like.
Es ist oben bereits darauf hingewiesen worden, daß Kurz schlußströme innerhalb kürzester Zeit außerordentlich hohe Stromstärken annehmen können, d. h. der zeitliche Gradient des Stromanstiegs außerordentlich groß sein kann.It has already been pointed out above that Kurz circuit currents extremely high within a very short time Can accept currents, d. H. the time gradient of the Current rise can be extraordinarily large.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, Maßnahmen anzugeben, mit deren Hilfe eine solche Ausführung eines ein schlägigen Kurzschlußstrom-Begrenzers mit HTS-Material zu realisieren ist, der erfindungsgemäß maximierte/optimale zeitliche Ansprechempfindlichkeit aufweist, ohne Nachteile bezüglich der strombegrenzenden Wirkung zu haben (bis son stige üblicherweise vorgesehene Abschaltmittel wirksam werden können). Insbesondere soll sich mit der Erfindung die Mög lichkeit ergeben, einen möglichst kleinen Überstromfaktor k trotz dennoch gewährleisteter unverminderter Betriebssicher heit vorgeben zu können.The object of the present invention is therefore to provide measures specify, with the help of which such an execution of a relevant short-circuit current limiter with HTS material is to realize, the maximized / optimal according to the invention has temporal responsiveness without disadvantages regarding the current-limiting effect (up to s stige usually provided shutdown means become effective can). In particular, with the invention, the poss the possibility of using the smallest possible overcurrent factor k despite guaranteed undiminished operational reliability to be able to pretend.
Diese Aufgabe wird mit der Lehre des Patentanspruchs 1 gelöst und Weiterbildungen gemäß der Unteransprüche bieten weitere Vorteile.This object is achieved with the teaching of claim 1 and further developments according to the subclaims offer further Advantages.
In der genannten DE-A-195 20 205 ist die Lehre gegeben, die Dicke der Schicht aus HTS-Material nicht größer als 200 µm für HTS-Material mit kritischer Stromdichte jc von mindestens 103A/cm2 zu bemessen. Mit dieser bekannten Maßnahme wurden gegenüber Ausführungen mit aus HTS-Material-Keramikkörpern herausgearbeiteten Leiterbahnen relativ kurze Ansprechzeiten einer solchen Strombegrenzungseinrichtung erreicht. Bekannt ist es, daß zwischen den Anschlüssen an der Schicht aus HTS-Material ein stetiger Zusammenhang der Spannung U prop. Ip mit Werten für p = 8 bis 9 festzustellen ist. Die supralei tende Strecke wird so ausgelegt, daß im normalen Betrieb mit Spitzenstrom În ≦ Ic = jc.db die Spannung pro Länge U/l am Supraleiter den Wert 1 µV/cm nicht überschreitet. Dann sind die Verluste und Erwärmung vernachlässigbar gering. Im Feh lerfall wird bei weiterer Gültigkeit dieser Gesetzmäßigkeit U ∼ IP eine erhebliche Stromüberhöhung Î < Ic nötig, um eine ausreichend schnelle Erwärmung, d. h. den Verlust der Supra leitung, zu bewirken. Dies beeinträchtigt die Wirkung als strombegrenzende Einrichtung. Im Zusammenhang mit der Erfin dung ist jedoch erkannt worden, daß auch ein viel stärkerer Spannungsanstieg erreicht werden kann, so daß eine sehr schnelle Erwärmung schon bei Überstromwerten von etwa k.În stattfindet. Durch den sich entwickelnden elektrischen Wider stand ist im Kurzschlußfall ein weiterer Stromanstieg in dem unerwünschten Bereich von Kurzschlußströmen unterbunden. The above-mentioned DE-A-195 20 205 teaches that the thickness of the layer of HTS material should not be greater than 200 μm for HTS material with a critical current density j c of at least 10 3 A / cm 2 . With this known measure, relatively short response times of such a current limiting device were achieved compared to designs with conductor tracks made from HTS material ceramic bodies. It is known that between the connections on the layer of HTS material there is a constant relationship between the voltage U prop. I p can be determined with values for p = 8 to 9. The superconducting line is designed so that in normal operation with peak current Î n ≦ I c = j c .db, the voltage per length U / l on the superconductor does not exceed 1 µV / cm. Then the losses and heating are negligible. In the case of an error, if this regularity U ∼ I P is still valid, a significant current increase Î <I c is necessary in order to cause a sufficiently rapid heating, ie the loss of the super line. This impairs the effect as a current-limiting device. In connection with the invention, however, it has been recognized that a much greater increase in voltage can be achieved, so that very rapid heating takes place even at overcurrent values of about k.Î n. Due to the developing electrical resistance, a further increase in current in the undesired range of short-circuit currents is prevented in the event of a short circuit.
Erfindungsgemäß ist, wie im Patentanspruch 1 angegeben, vor
gesehen, für eine optimale Lösung der Aufgabe die Dicke
der/einer jeweiligen Schicht aus HTS-Material des erfindungs
gemäßen Strombegrenzers entsprechend der Gleichung
d = n.Hc1/k.jc, mit Hc1 gleich einem für das HTS-Material
und der Anwendungstemperatur typischen unteren Magnet-Feld
stärkewert, zu bemessen, um eine schnelle Erwärmung im Kurz
schlußfall bei einem Stromwert k.În zu erreichen. Im Bereich
normaler Betriebsströme bis Spitzenstromwerte În sind Span
nungsabfall und Erwärmung vernachlässigbar klein, wenn die
Breite dieser so dicken Schicht mit
b größer/gleich În/jc.d (mit În = Nennstromspitzenwert)
gewählt wird. Für eine plane HTS-Schicht (auf einem planen
Substrat) ist n = 2. Für eine HTS-Schicht auf einer Zylinder
mantelfläche mit dem Durchmesser D ist n = 1 und die Breite
b = π.D bei Rundumbeschichtung der Mantelfläche. Durch eine
HTS-Schicht mit diesen Bemessungen kann ohne Eintreten eines
"Abschaltens" ein Nennstrom mit dem Spitzenwert În zwischen
den Stromanschlüssen hindurchgeschickt werden. D.h. daß bei
der Erfindung die Schichtdicke durch Art und Stromtragfähig
keit des HTS-Materials festgelegt ist und die Mindest-Breite
der Schicht sich nach dem Nennstrom bzw. bei mehreren elek
trisch parallel geschalteten Schichten sich die Breite der
einzelnen Schicht nach dem auf die einzelne Schicht entfal
lenden Anteil des Nennstroms richtet. Abweichung von dem für
die Schichtdicke d angegeben erfindungsgemäßem Bemessungswert
führt zu entsprechender Abweichung vom Optimum des mit der
Erfindung erreichbaren, mit dem Stand der Technik verglichen
erheblich rascheren bzw. abrupteren Strombegrenzungsvorgan
ges. Der Vollständigkeit halber sei darauf hingewiesen, daß
diese erfindungsgemäße Bemessungsregel für die wie auch im
Stand der Technik übliche Betriebstemperatur bei etwa 77 K
für das HTS-Material gilt. Für den üblichen Fall des Wechsel
strombetriebs ist der hier maßgebliche Scheitelwert În das
√2-fache des effektiven Nennstroms. Ebenso ist die erfin
dungsgemäße Bemessung auf einen Überstromfaktor k ausgerich
tet, der bei der Erfindung wegen des bei dieser Bemessung ab
rupt eintretenden "Abschalteffekts" auf k = 2 bis 3 bemessen
werden kann. Das erfindungsgemäße Abschalten erfolgt dann
beim k-fachen des Nennstroms În. Es können aber, etwa aus
Gründen der Selektivität des Netzschutzsystems, auch größere
Werte für k eingestellt/vorgegeben werden. Die erfindungsge
mäß zu bemessende Dicke d der Supraleiterschicht verringert
sich dann und der anspruchsgemäße Wert für die Breite b wird
entsprechend größer.According to the invention, as indicated in claim 1, is seen in front of, for an optimal solution of the task, the thickness of the / a respective layer of HTS material of the current limiter according to the invention according to the equation
d = n.Hc 1 / kj c , with Hc 1 equal to a lower magnetic field strength value typical for the HTS material and the application temperature, to be measured in order to achieve rapid heating in the event of a short circuit at a current value k.Î n . In the range of normal operating currents up to peak current values Î n , the voltage drop and heating are negligibly small if the width of this layer is so thick
b greater than / equal to Î n / j c .d (with Î n = nominal current peak value) is selected. For a planar HTS layer (on a planar substrate) n = 2. For an HTS layer on a cylinder jacket surface with the diameter D, n = 1 and the width b = π.D with all-round coating of the jacket surface. Through an HTS layer with these dimensions, a rated current with the peak value Î n can be sent through between the power connections without the occurrence of a "shutdown". That is, in the invention, the layer thickness is determined by the type and current-carrying capacity of the HTS material and the minimum width of the layer varies according to the rated current or, if several layers are electrically connected in parallel, the width of the individual layer varies according to the individual layer The share of the nominal current is directed. Deviation from the rated value according to the invention specified for the layer thickness d leads to a corresponding deviation from the optimum of the considerably faster or more abrupt current limiting process that can be achieved with the invention and compared with the prior art. For the sake of completeness, it should be pointed out that this design rule according to the invention applies to the operating temperature of approximately 77 K for the HTS material, which is also customary in the prior art. For the usual case of alternating current operation, the relevant peak value Î n is √2 times the effective nominal current. Likewise, the measurement according to the invention is aligned to an overcurrent factor k, which in the invention can be rated at k = 2 to 3 because of the "switch-off effect" that occurs abruptly in this measurement. The shutdown according to the invention then takes place at k times the nominal current Î n . However, for reasons of the selectivity of the network protection system, larger values can also be set / specified for k. The thickness d of the superconductor layer to be measured according to the invention is then reduced and the value according to the claims for the width b is correspondingly larger.
Die erfindungsgemäße Bemessungsregel ist unabhängig von einer ggf. vorgesehenen Shunt-Schicht aus Normalleitermaterial, die zusätzlich zur Vermeidung von Hot-Spots auf der Schicht aus HTS-Material aufliegend angebracht sein kann.The design rule according to the invention is independent of one possibly provided shunt layer made of normal conductor material, the in addition to avoiding hot spots on the layer HTS material can be attached lying on top.
Die erfindungsgemäße Lehre wurde mit supraleitenden Schichten aus YBa2Cu3O7 und dergl. ähnlichem HTS-Material mit Erfolg erprobt, und zwar an den technisch besonders interessanten einkristallinen Film-Schichten auf einkristallinem Substrat, wie Saphir, Magnesiumoxid und Strontiumtitanat, und an Film-Schichten auf biaxial texturierter Bufferschicht auf polykri stallinem Substrat (sog. IBAD-Verfahren), wie z. B. beschrie ben in Journ. Appl. Phys. 74 (1993) Seite 1905 bzw. Journ. Appl. Phys. Lett. 67 (1995) Seite 2397.The teaching according to the invention was successfully tested with superconducting layers made of YBa 2 Cu 3 O 7 and the like -Layers on biaxially textured buffer layer on polycrystalline substrate (so-called. IBAD process), such as. B. described ben in Journ. Appl. Phys. 74 (1993) page 1905 and Journ. Appl. Phys. Lett. 67 (1995) p. 2397.
Man erhielt für Beispiele mit verschieden großer kritischer Stromdichte jc Dickenwerte d und dazu Werte für die Größe Nennstrom In/Breite b, wie sie der Tabelle zu entnehmen sind. For examples with different critical current densities j c, thickness values d and, in addition, values for the variable nominal current I n / width b, as can be seen in the table, were obtained.
Beispiele für HTS-Schichtdicken für Überstromfaktor k = 3Examples of HTS layer thicknesses for overcurrent factor k = 3
Beispiele für HTS-Schichtdicken für Überstromfaktor k = 3Examples of HTS layer thicknesses for overcurrent factor k = 3
Darin sind für die kritische Feldstärke Hc1 für die einkri stallinen Filme Werte von 50 bis 75 A/cm und für die Filme des IBAD-Verfahrens solche von 75 bis 150 A/cm berücksich tigt. Es sind auch Messungen an polykristallinen HTS-Schich ten, direkt abgeschieden auf polykristallinem Substrat, ge macht worden, für die sich vergleichsweise zu Schichten des IBAD-Verfahrens bei auf ein 1/3 bis 1/4 verringertem kriti schen Feld Hc etwa doppelt so große Schichtdicken d bei mehr fach geringeren Wert für In/b ergeben haben.It takes values of 50 to 75 A / cm for the critical field strength H c1 for the single-crystal films and those of 75 to 150 A / cm for the films of the IBAD process into account. Measurements have also been made on polycrystalline HTS layers, deposited directly on a polycrystalline substrate, for which, compared to layers of the IBAD method, with a critical field Hc reduced to 1/3 to 1/4, they are about twice as large Layer thickness d with several times the lower value for In / b.
Noch weitere Erläuterungen gehen aus der Beschreibung zu den Figuren hervor:Further explanations can be found in the description of the Figures emerge:
Fig. 1 zeigt im Längsschnitt eine Ausführungsform eines Strombegrenzerelements mit ggf. beidseitiger Be schichtung eines planen Substrats. Fig. 1 shows, in longitudinal section, an embodiment of a current limiter element with possibly a double-sided coating of a planar substrate.
Fig. 1a zeigt eine Ausführungsform mit Außenbeschichtung der Mantelfläche eines Zylinders. Fig. 1a shows an embodiment with an outer coating of the surface of a cylinder.
Fig. 2 zeigt einen Strom-Spannungs-Verlauf im Zeitbereich des Übergangs aus Supraleitung in Normalleitung. Fig. 2 shows a current-voltage characteristic in the time region of the transition from superconducting to normal conduction.
Das insbesondere als Kurzschlußstrom-Begrenzer zu verwendende Strombegrenzungselement ist mit 2 bezeichnet. Es weist ein elektrisch isolierendes Substrat 3 mit allgemein bekannter Dicke auf, auf dessen mindestens einer Flachseite 3a eine Schicht 4 aus dem HTS-Material mit der erfindungsgemäßen Dic ke d aufgebracht ist. Das Substrat kann in entsprechender Weise auch beidseitig beschichtet sein, wobei die Leiterbah nen der beiden Seiten spannungsmäßig in Reihe oder strommäßig parallel geschaltet sein können, wobei im letzteren Fall hin sichtlich der für Parallelschaltung schon oben erwähnten Auf teilung des Nennstromes auf dann zwei Leiterbahn-Schichten 4 und 4a (letztere gestrichelt angedeutet) eine entsprechend verringerte Mindestbreite b ≧ În/jc.d je Schicht in Betracht kommt.The current limiting element to be used in particular as a short-circuit current limiter is denoted by 2. It has an electrically insulating substrate 3 with a generally known thickness, on the at least one flat side 3 a of which a layer 4 made of the HTS material with the thickness according to the invention is applied. The substrate can also be coated on both sides in a corresponding manner, with the conductor tracks on the two sides being connected in series or in parallel in terms of voltage, in the latter case visibly dividing the rated current into two conductor track layers for parallel connection already mentioned above 4 and 4 a (the latter indicated by dashed lines) a correspondingly reduced minimum width b ≧ Î n / j c .d per layer comes into consideration.
Im Gegensatz zum Stand der Technik, bei dem für die Dicke der Schicht 4 ein weiter Bereich bis 200 µm vorgegeben ist, ist hier die Dicke d in erfindungsgemäßer Weise eng begrenzt be messen. Vorzugsweise wird der Wert der Dicke d innerhalb t 40 % des sich aus der anspruchsgemäßen Gleichung d=n.Hc/k.jc ergebenden Wertes bemessen. Mit einer tatsächlichen Schicht dicke innerhalb eines Toleranzbereiches, lassen sich also ebenfalls aufgabengemäß noch abrupte Übergänge in den normal leitenden Zustand erzielen, so daß eine hohe Sicherheit der strombegrenzenden Wirkung mit Spitzenwerten des begrenzten Stromwertes k.În, speziell für den Kurzschlußfall, weit unterhalb der Strombegrenzung liegt, die ohne die erfindungs gemäße Maßnahme erzielt werden kann. Das heißt, daß die hohe Sicherheit mit der Erfindung auch bei geringem Überstromfak tor k = 2 bis 3 erreicht ist. Für eine Schicht 4 aus einkri stallinem HTS-Film gelten z. B. die Werte der voranstehenden Tabelle. Entsprechendes ist für Filme des IBAD-Verfahrens der Fall. Zu dem HTS-Material sind noch die an sich bekannten Einzelheiten zu erwähnen, nämlich daß es sich um metalloxidi sche Supraleitermaterialien handelt, deren Sprungtemperatur Tc so hoch liegt, daß sie mit flüssigem Stickstoff (LN2) auf ihrer supraleitenden Betriebstemperatur bei etwa 77 K zu hal ten sind. Technisch von besonderem Interesse sind die genann ten supraleitenden Schichten, die durch die an sich bekannten Herstellungsverfahren erzeugt sind. Beschreibungen hierzu sind auch den genannten Druckschriften zu entnehmen.In contrast to the prior art, in which a wide range of up to 200 μm is specified for the thickness of the layer 4 , the thickness d is here to be measured in a narrowly limited manner in accordance with the invention. The value of the thickness d is preferably measured within t 40% of the value resulting from the equation according to the claims d = nH c / kj c . With an actual layer thickness within a tolerance range, it is also possible, according to the task, to achieve abrupt transitions to the normally conductive state, so that a high level of security of the current-limiting effect with peak values of the limited current value k.Î n , especially in the event of a short circuit, far below the Current limitation is that can be achieved without the fiction, contemporary measure. This means that the high level of security with the invention is achieved even with a low overcurrent factor k = 2 to 3. For a layer 4 from einkri stallinem HTS film z. B. the values in the table above. The same is the case for films from the IBAD process. For the HTS material, the known details should be mentioned, namely that it is metal oxide-specific superconductor materials whose transition temperature T c is so high that they reach their superconducting operating temperature of about 77 K with liquid nitrogen (LN2) hold are. Of particular interest from a technical point of view are the superconducting layers mentioned, which are produced by the production processes known per se. Descriptions of this can also be found in the publications mentioned.
Die Schicht 4 kann in vorgebbarer Weise hinsichtlich ihrer flächenmäßigen Ausdehnung strukturiert sein, z. B. kann sie für einen U-förmigen, mäanderförmigen oder dergl. Stromver lauf in der Schicht ausgestaltet sein. Es sind Abstände zwi schen benachbarten Bahnen, z. B. auch des Mäanders, betreffend mit Rücksicht auf die Größe b zu berücksichtigen, wie sie im Stand der Technik z. B. DE-A-195 20 205 (eingangs bereits ge nannt) zu entnehmen sind. Die gesamte Länge einer solchen Leiterbahn ist hinsichtlich des Verlaufs des hindurchfließen den Stromes, wie oben angegeben, so groß gewählt, daß im Fal le der Strombegrenzungsfunktion beim vorgegebenen Nennstrom und der gewählten Breite b) die Kurzschlußspannung über die Stromstrecke in der Schicht abfällt.The layer 4 can be structured in a predeterminable manner with regard to its areal extent, e.g. B. it can be designed for a U-shaped, meander-shaped or the like. Stromver run in the layer. There are distances between neighboring lanes, z. B. also of the meander, taking into account with regard to the size b, as in the prior art z. B. DE-A-195 20 205 (already mentioned above) can be found. The entire length of such a conductor track is selected so large in terms of the course of the current flowing through it, as stated above, that in the case of the current limiting function at the given nominal current and the selected width b) the short-circuit voltage drops across the current path in the layer.
Mit 5 ist eine häufig vorgesehene Shunt-Schicht aus z. B. Sil ber bezeichnet. Ihre Dicke ist wesentlich geringer als das erfindungsgemäße Maß d bemessen. Mit 7 und 8 sind die oben erwähnten Stromanschlüsse zur supraleitenden Schicht 4 be zeichnet. Die Länge l der supraleitenden Leiterbahn der Schicht 4 ergibt sich aus dem Abstand der Anschlüsse 7 und 8 voneinander.With 5 is a frequently provided shunt layer made of z. B. called silver. Their thickness is much smaller than dimension d according to the invention. With 7 and 8 , the above-mentioned power connections to the superconducting layer 4 are distinguished. The length l of the superconducting conductor track of the layer 4 results from the distance between the connections 7 and 8 from one another.
In der Regel ist die Schicht 4 zu deren Schutz gegen äußere Einflüsse noch mit einer Isolatorschicht 9 aus z. B. Stronti umtitanat bedeckt.As a rule, the layer 4 is also provided with an insulator layer 9 made of z. B. Stronti umtitanat covered.
Ausführungsformen mit beidseitiger Beschichtung des Substrats 3 und/oder mit Mäanderstruktur der Schicht 4 und dergl. sind aus dem Stand der Technik prinzipiell bekannt und sind für die Erfindung jeweils mit der erfindungsgemäßen Dicke d der Schicht 4 und dem Mindestmaß b der Breite der jeweiligen su praleitenden Bahn zu bemessen. Embodiments with double-sided coating of the substrate 3 and / or with a meandering structure of the layer 4 and the like are known in principle from the prior art and are for the invention each with the inventive thickness d of the layer 4 and the minimum dimension b of the width of the respective su pralleitenden Measure track.
Mit 5a, 7a, 8a und 9a sind in Fig. 1 Einzelheiten bezeich net, die für beidseitige Beschichtung 4, 4a den Einzelheiten 5, 7, 8 und 9 entsprechend vorgesehen sind.With 5 a, 7 a, 8 a and 9 a, details are designated in Fig. 1, which are provided for double-sided coating 4 , 4 a of the details 5 , 7 , 8 and 9 accordingly.
Die Fig. 1a zeigt eine zylindrische Ausführung. Zwischen den hier ringförmigen Stromanschlüssen 7 und 8 bedeckt die HTS-Schicht 4, hier mit der Dicke d = Hc/jc.d, die Mantelfläche 131 des (Voll- oder Hohl-) Zylinders 31 rundherum mit der Um fangslänge b = π.D mit D gleich dem Außendurchmesser. Dieses Maß D ist das Mindestmaß, damit die Ungleichung für b erfüllt ist. Bei die Mantelfläche nicht vollständig umschließender Schicht 4 ist D entsprechend (noch) größer zu bemessen. Fig. 1a shows a cylindrical design. Between the here ring-shaped power connections 7 and 8 , the HTS layer 4 , here with the thickness d = H c / j c .d, covers the jacket surface 131 of the (solid or hollow) cylinder 31 all around with the circumferential length b = π .D with D equal to the outside diameter. This dimension D is the minimum so that the inequality for b is fulfilled. In the case of layer 4 that does not completely enclose the jacket surface, D is to be (still) larger accordingly.
Die Fig. 2 zeigt über dem Strom aufgetragen, die Spannung, die zwischen den Anschlußelektroden 7 und 8 über die Länge l hinweg an der Schicht 4 abfällt. Der Strom und die Spannung wurden während des schnellen zeitlichen Stromanstiegs nach einem ausgelösten Kurzschluß in einem dafür ausgelegten Test kreis aufgenommen. Der Strom steigt dabei schnell über den kritischen Strom hinaus an, was für das erfindungsgemäß er zielte besonders abrupte Abschalten von besonderer Bedeutung ist. Der Spannungsanstieg ist zunächst mit U proportional Ip mit p = 5 bis 10, wie für HTS-Material bekannt, steil anstei gend. Die durchgezogene Kurve und die gestrichelte Kurve wur den dabei an verschiedenen Spannungsabgriffen der vom selben Strom durchflossenen Meßprobe aufgenommen. Nur etwa 0,1 ms nach dem Kurzschluß ergab sich an der Stelle 10 des Anstiegs, und zwar bei erfindungsgemäß eingehaltener Dicke und Mindest breite der Schicht mit einem Knick ein plötzlicher rasanter Spannungsanstieg bis zum Erreichen der Nennspannung. Dieser Anstieg ist derart abrupt, daß er meßtechnisch eingehender nicht mehr erfaßbar war, jedoch die Tatsache dieses rasanten Anstiegs durch das erreichte Endergebnis voll bestätigt ist. Dieser äußerst schnelle Widerstandsanstieg bewirkt die Be grenzung des Stromes. Fig. 2 shows plotted against the current, the voltage over the length l between the terminal electrodes 7 and 8 away falls on the layer 4. The current and the voltage were recorded in a test circuit designed for this purpose during the rapid rise in current over time after a short circuit triggered. The current quickly rises above the critical current, which is of particular importance for the particularly abrupt shutdown according to the invention. The voltage rise is initially proportional to U I p with p = 5 to 10, as known for HTS material, steeply rising. The solid curve and the dashed curve were recorded at different voltage taps of the test sample through which the same current flows. Only about 0.1 ms after the short-circuit there was a sudden rapid voltage increase at point 10 of the rise, namely with the thickness and minimum width of the layer adhered to according to the invention with a kink, until the nominal voltage was reached. This increase is so abrupt that it could no longer be measured in greater detail, but the fact of this rapid increase is fully confirmed by the final result achieved. This extremely rapid increase in resistance causes the current to be limited.
Beispielhafte Bemessung von Ausführungsbeispielen für plane
Ausführung und Rohrausführung:
Exemplary dimensioning of design examples for flat design and pipe design:
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