DE19827225C1 - Resistiver Strombegrenzer - Google Patents

Abstract

Resistiver Strombegrenzer, mit mindestens einem mäanderförmigen Streifenleiter aus supraleitendem Material, wobei der Streifenleiter (1, 8) über einen Teil seiner Länge in zwei oder mehrere Teilstreifen (7a, 7b, 7c, 7d, 10a, 10b, 10c, 10d, 11a, 11b, 11c, 11d) getrennt ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen resistiven Strombegrenzer, mit mindestens einem mäanderförmig angeordneten Leiter aus supra­ leitendem Material.

Derartige resistive Strombegrenzer sind beispielsweise aus DE 41 19 984 A1 bekannt. Sie bestehen im wesentlichen aus einem Leiter aus supraleitendem Material, welcher zusätzlich auf seiner gesamten Länge mit einem metallischen Leiter elek­ trisch leitend verbunden sein kann (Parallelleiter). Dies kann z. B. dadurch geschehen, daß der Supraleiter mit einer metallischen Deckschicht versehen ist oder auf einem metalli­ schen Träger aufgebracht ist. Bei letzterem kann es notwendig sein, zwischen Metallträger und Supraleiter noch eine oder mehrere Pufferschichten aufzubringen. Der Supraleiter kann auch von dem metallischen Leiter umhüllt sein oder diesen in seinem Inneren enthalten. Ein solches Strombegrenzerelement wird seriell in den zu schützenden elektrischen Stromkreis geschaltet und auf eine Temperatur unterhalb der kritischen Temperatur des Supraleiters abgekühlt, so daß der über den Supraleiter zu führende Nennstrom ohne ohmsche Verluste flie­ ßen kann. Tritt nun im Stromkreis ein Kurzschluß auf, so geht der Supraleiter selbständig vom supraleitenden in den normal­ leitenden Zustand über. Dies resultiert aus dem schlagartigen Ansteigen des über den Supraleiter fließenden Stroms, wobei der Supraleiter bei Überschreiten seines kritischen Stroms seine supraleitende Eigenschaft verliert. Durch den nun vor­ handenen Widerstand wird der Kurzschlußstrom begrenzt, wobei der begrenzte Strom im Supraleiter selbst und - sofern vor­ handen - auch im metallischen Parallelleiter fließt. Das Strombegrenzerelement wird dabei auch aufgrund der ohmschen Heizung stark erwärmt. Das Ansprechen des Strombegrenzers er­ folgt innerhalb von Bruchteilen einer Millisekunde bis weni­ gen Millisekunden, wodurch alle anderen in Stromkreis liegen­ den Betriebsmittel wesentlich geringer belastet werden und folglich für wesentlich geringere Kurzschlußsströme ausgelegt werden können. Nachdem der Kurzschluß mittels konventioneller Schalter aus dem Stromkreis geschaltet wurde, kann der Supra­ leiter wieder zurückkühlen und steht für einen erneuten Be­ grenzungsvorgang zur Verfügung. Ein derartiger Strombegrenzer stellt also eine schnellgreifende selbstgenerierende Siche­ rung dar.

Um die notwendige Spannungsfestigkeit zu gewährleisten muß der Leiter eine Mindestlänge aufweisen, die von weniger als einem Meter bis mehrere 100 Meter betragen kann. Benutzt man als Leiterelement supraleitende Platten, so ist hierbei eine mäanderförmige Strukturierung des Leiters in Streifen beson­ ders geeignet. Da der Strom im Bereich der Leiterwendungen des Mäanders im Begrenzungsfall vor allem nahe der Innenkante fließt, ergeben sich aber aus der mäanderförmigen Strukturie­ rung Probleme dahingehend, daß lokal stark erhöhte Stromdich­ ten auftreten. Diese können durch hier nicht näher zu be­ zeichnende Effekte zur Beschädigung des Supraleiters und/oder des metallischen Parallelleiters führen. Wenngleich sich eine Verbesserung dadurch erzielen läßt, daß die Leiterwendung nicht eckig, sondern als gerundete Biegung ausgeführt wird, läßt sich das genannte Problem trotz allem nicht in befriedi­ gendem Maße beseitigen.

Der Erfindung liegt somit das Problem zugrunde, einen Strom­ begrenzer anzugeben, über den hohe Ströme ohne die Gefahr ei­ ner lokalen Überhitzung geführt werden können.

Zur Lösung dieses Problems ist bei einem resistiven Strombe­ grenzer der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgese­ hen, daß der Streifenleiter über einen Teil seiner Länge in zwei oder mehrere Teilstreifen getrennt ist.

Durch die erfindungsgemäße Aufteilung in zwei oder mehrere Teilstreifen wird erreicht, daß im Begrenzungsfall der Unter­ schied der lokalen Stromdichten im Wendungsbereich zwischen Innen- und Außenkante eines jeden Teilstreifens geringer ist, als beim ungeteilten einstückigen Streifenleiter. Der Strom verteilt sich also homogener auf den Wendungsbereich und ex­ treme Spitzenstromdichten werden vermieden. Das Strombe­ grenzerelement wird somit nicht beschädigt.

Erfindungsgemäß kann der Streifenleiter innerhalb eines ein­ zigen Längenabschnitts in zwei oder mehrere Teilstreifen ge­ trennt sein, das heißt, der Streifenleiter ist im wesentli­ chen über seine gesamte Länge - abgesehen von den an den Lei­ terenden vorgesehenen Kontaktflächen - in die Teilstreifen aufgetrennt. Alternativ hierzu besteht auch die Möglichkeit, den Streifenleiter innerhalb mehrerer Längenabschnitte in zwei oder mehrere Teilstreifen zu trennen, wobei zwischen diesen Längenabschnitten ungetrennte Leiterabschnitte vorge­ sehen sind. Diese sollten vorzugsweise den selben Leiterquer­ schnitt und somit bei gleicher Dicke die gleiche Gesamtbreite aufweisen wie die Summe der Teilstreifen. Bei beiden Ausfüh­ rungen können herstellungsbedingte Leiterinhomogenitäten aus­ geglichen werden. Die zweite Ausführung kann sich hierbei als besonders vorteilhaft erweisen, da sich der Strom auf den un­ getrennten Teilstücken zwischen den einzelnen Teilstreifen zusätzlich umverteilen kann.

Um eine möglichst gleichmäßige Verteilung des Stroms auf die Teilstreifen zu ermöglichen, kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, daß die Ausbildung der Teilstreifen derart ist, daß al­ le Teilstreifen im normalleitenden Zustand im wesentlichen den gleichen elektrischen Widerstand aufweisen. Um insbeson­ dere dieses Ziel zu erreichen, können erfindungsgemäß alle Teilstreifen die gleiche Länge und/oder Breite und/oder Dicke aufweisen. Dabei sollte die Breite der Teilstreifen zwischen 0,5 mm und 100 mm und ihr Abstand zwischen 0,001 mm und 10 mm liegen, die Dicke des Streifenleiters liegt im Bereich weni­ ger µm bis wenige mm. Die letztendliche Dimensionierung hängt von der zu erreichenden Stromtragfähigkeit, also dem Nenn­ strom, der über den Strombegrenzer geführt werden soll, ab und wird im Bedarfsfall entsprechend gewählt. Selbstverständ­ lich können die angegebenen Grenzen auch über- oder unter­ schritten werden, sofern dies im Bedarfsfall erforderlich ist.

Zweckmäßigerweise sollten der oder die Längenabschnitte, in­ nerhalb welchem oder welcher die Teilstreifen ausgebildet sind, eine ungerade Anzahl von Leiterschenkeln mit daran an­ schließenden Leiterwendungen umfassen, da auf diese Weise insbesondere eine gleiche Länge der Teilstreifen und damit ein gleicher elektrischer Widerstand - bei ebenfalls gleicher Teilstreifenbreite - erreichbar ist.

Der erfindungsgemäß strukturierte Streifenleiter des Strombe­ grenzers kann aus einem metallischen Supraleiter bestehen, der infolge seiner niedrigen Sprungtemperaturen auf Tempera­ turen von -250°C und niedriger gekühlt werden muß. Vorteil­ haft ist jedoch der Einsatz eines keramischen Hochtemperatur- Supraleiters, insbesondere auf Basis eines Cuprats, für wel­ chen eine Kühlung mit flüssigem Stickstoff bei -196°C ausrei­ chend ist.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung er­ geben sich aus den im folgenden beschriebenen Ausführungsbei­ spielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:

Fig. 1 einen auf einem Trägermaterial aufgebrachten Strei­ fenleiter einer ersten Ausführungsform, und

Fig. 2 einen auf einem Trägermaterial aufgebrachten Strei­ fenleiter einer zweiten Ausführungsform.

Fig. 1 zeigt als wesentlichen Teil eines resistiven Strombe­ grenzers einen Streifenleiter 1 einer ersten Ausführungsform, der auf einer Substratplatte 2 abgeschieden ist. Der Strei­ fenleiter 1 kann beispielsweise aus einem keramischen Hochtemperatursupraleiter, z. B. Yttrium-Barium-Kupferoxid bestehen, auf dem eventuell noch eine Deckschicht aus Edelme­ tall abgeschieden ist. Der Streifenleiter 1 ist ersichtlich mäanderförmig strukturiert und weist fünf längere Leiter­ schenkel 3 auf, die über gebogene Leiterwendungen 4 miteinan­ der verbunden sind. An den Enden des Streifenleiters 1 sind Kontaktflächen 5 vorgesehen, an welchen der über den Strei­ fenleiter 1 zu führende Strom ein- bzw. ausgekoppelt wird. Es können aber auch mehrere solcher Platten über die Kontaktflä­ chen 5 miteinander verschaltet werden, um eine höhere Schalt­ leistung zu erreichen.

Wie Fig. 1 zu entnehmen ist, ist der Streifenleiter 1 über einen einzigen Längenabschnitt 6 in insgesamt vier Teilstrei­ fen 7a, 7b, 7c, 7d unterteilt. Die jeweilige trennende Aus­ nehmung zwischen den Teilstreifen ist an ihren Enden gerun­ det. Jeder Teilstreifen 7a-7d ist folglich ebenfalls mäan­ derförmig strukturiert und weist entsprechende Leiterschenkel und Leiterwendungen auf. Der an einer Kontaktfläche 5 zuge­ führte Strom verteilt sich im wesentlichen gleichmäßig auf die Teilstreifen 7a-7d, da diese bei der in Fig. 1 gezeig­ ten Konfiguration alle die gleiche Länge und Breite besitzen und alle im wesentlichen den gleichen elektrischen Widerstand aufweisen. Infolge der homogenen Aufteilung des geführten Stromes auf den Wendungsbereich werden lokal überhöhte Strom­ dichten insbesondere an den Innenseiten der Leiterbiegungen jedes Teilstreifens 7a-7d, die zu einer Zerstörung des Streifenleiters 1 führen können, vermieden. Der Leiterab­ schnitt 6 umfaßt insgesamt fünf Leiterschenkel 3, also eine ungerade Anzahl, was hinsichtlich der Ausbildung von gleich langen Teilstreifen von Vorteil ist.

Fig. 2 zeigt eine zweite erfindungsgemäße Ausgestaltung eines Streifenleiters 8. Im Unterschied zum vorher beschriebenen Streifenleiter weist dieser zwei Längenabschnitte 9 auf, in­ nerhalb welcher der Streifenleiter 8 in mehrere Teilstreifen 10a, 10b, 10c, 10d bzw. 11a, 11b, 11c, 11d unterteilt ist. Auch hier besitzen die Teilstreifen 10a-10d bzw. 11a-11d die gleiche Länge und Breite, also den gleichen elektrischen Widerstand. Zwischen den Längenabschnitten 9 ist ein einstüc­ kiger Leiterabschnitt 13 vorhanden, der den gleichen Leiter­ querschnitt besitzt, d. h. bei gleicher Dicke die gleiche Breite wie die Summe der Teilstreifen. Innerhalb dieses unge­ teilten Leiterabschnitts ist eine Umverteilung des Stromes möglich, so daß herstellungsbedingte Inhomogenitäten des Lei­ ters noch besser ausgeglichen werden können als beim Ausfüh­ rungbeispiel nach Fig. 1.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbei­ spiele beschränkt. So kann insbesondere der Streifenleiter länger ausgebildet sein, das heißt, es können mehrere als die beschriebenen Leiterschenkel und Leiterwendungen vorgesehen sein. In diesem Fall können dann auch entsprechend mehrere Längenabschnitte, innerhalb welcher die Teilstreifen reali­ siert sind, vorgesehen sein. Daneben kann der Mäander auch mit eckigen Leiterwendungen ausgeführt sein.

Claims (11)

1. Resistiver Strombegrenzer, mit mindestens einem mäander­ förmigen Streifenleiter aus supraleitendem Material, da­ durch gekennzeichnet, daß der Streifen­ leiter (1, 8) über einen Teil seiner Länge in zwei oder meh­ rere Teilstreifen (7a, 7b, 7c, 7d, 10a, 10b, 10c, 10d, 11a, 11b, 11c, 11d) getrennt ist.

2. Strombegrenzer nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Streifenleiter (1, 8) in­ nerhalb eines oder mehrerer Längenabschnitte (6, 9) in zwei oder mehrere Teilstreifen (7a, 7b, 7c, 7d, 10a, 10b, 10c, 10d, 11a, 11b, 11c, 11d) getrennt ist.

3. Strombegrenzer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausbildung der Teil­ streifen (7a, 7b, 7c, 7d, 10a, 10b, 10c, 10d, 11a, 11b, 11c, 11d) derart ist, daß alle Teilstreifen im normalleitenden Zu­ stand im wesentlichen den gleichen elektrischen Widerstand aufweisen.

4. Strombegrenzer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß alle Teil­ streifen (7a, 7b, 7c, 7d, 10a, 10b, 10c, 10d, 11a, 11b, 11c, 11d) die gleiche Länge und/oder Breite und/oder Dicke aufwei­ sen.

5. Strombegrenzer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Teilstreifen (7a, 7b, 7c, 7d, 10a, 10b, 10c, 10d, 11a, 11b, 11c, 11d) zwischen 0,5 mm und 100 mm liegt.

6. Strombegrenzer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ab­ stand der Teilstreifen (...) 0,001 bis 10 mm beträgt.

7. Strombegrenzer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Teil­ streifen (...) derart bemessen sind, daß die Summe ihrer Querschnitte im wesentlichen dem Querschnitt der nicht ge­ teilten Leiterabschnitte entspricht.

8. Strombegrenzer nach einem der Ansprüche 2 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß der oder die Längenabschnitte (6, 9), innerhalb welchem oder welcher die Teilstreifen (7a, 7b, 7c, 7d, 10a, 10b, 10c, 10d, 11a, 11b, 11c, 11d) ausgebildet sind, eine ungerade Anzahl von Leiter­ schenkeln (3, 12) umfassen.

9. Strombegrenzer nach einem der Ansprüche 2 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß bei mehreren Leiterabschnitten (9) jeder Abschnitt nur einen Leiterschen­ kel (12) und zwei daran anschließende Leiterwendungen, insbe­ sondere Leiterbögen umfaßt.

10. Strombegrenzer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Supra­ leiter ein Hochtemperatur-Supraleiter ist.

11. Strombegrenzer nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß es ein Hochtemperatur- Supraleiter auf Basis eines Cuprats ist.