DE19827225C9 - Resistiver Strombegrenzer - Google Patents

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    • H01C7/22Elongated resistive element being bent or curved, e.g. sinusoidal, helical
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N60/00Superconducting devices
    • H10N60/30Devices switchable between superconducting and normal states

Abstract

Resistiver Strombegrenzer, mit mindestens einem mäanderförmigen Streifenleiter aus supraleitendem Material, wobei der Mäander mehrere Leiterwendungen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass 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 und in den übrigen Bereichen nicht getrennt ist, wobei die parallel geführten Teilstreifen die Leiterwendungen (4) des Mäanders mit umfassen.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen resistiven Strombegrenzer, mit mindestens einem mäanderförmig angeordneten Leiter aus supraleitendem Material, wobei der Mäander mehrere Leiterwendungen aufweist.
  • 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 elektrisch leitend verbunden sein kann (Parallelleiter). Dies kann z. B. dadurch geschehen, daß der Supraleiter mit einer metallischen Deckschicht versehen ist oder auf einem metallischen 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 Supraleiten abgekühlt, so daß der über den Supraleiter zu führende Nennstrom ohne ohmsche Verluste fließen kann. Tritt nun im Stromkreis ein Kurzschluß auf, so geht der Supraleiter selbständig vom supraleitenden in den normalleitenden 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 vorhandenen Widerstand wird der Kurzschlußstrom begrenzt, wobei der begrenzte Strom im Supraleiter selbst und – sofern vorhanden – auch im metallischen Parallelleiter fließt. Das Strombegrenzerelement wird dabei auch aufgrund der ohmschen Heizung stark erwärmt. Das Ansprechen des Strombegrenzers erfolgt innerhalb von Bruchteilen einer Millisekunde bis wenigen Millisekunden, wodurch alle anderen in Stromkreis liegenden 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 Supraleiter wieder zurückkühlen und steht für einen erneuten Begrenzungsvorgang zur Verfügung. Ein derartiger Strombegrenzer stellt also eine schnellgreifende selbstgenerierende Sicherung 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 besonders geeignet. Da der Strom im Bereich der Leiterwendungen des Mäanders im Begrenzungsfall vor allem nahe der Innenkante fließt, ergeben sich aber aus der mäanderförmigen Strukturierung Probleme dahingehend, daß lokal stark erhöhte Stromdichten auftreten. Diese können durch hier nicht näher zu bezeichnende 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 befriedigendem Maße beseitigen.
  • Auf dem Gebiet der normalleitenden Widerstandselemente ist eine Unterleitung eines mäanderförmigen Leiters in einzelne Strompfade bekannt, um so un Umlenkstellen des Mäanders auch bei elektrischer Stoßbelastung keine Glühzonen zu bilden. Dabei werden aus thermischen Gründen zueinander parallel geführte Strompfade als nachteilig angesehen ( DE 1 993 602 U ).
  • Der Erfindung liegt somit das Problem zugrunde, einen Strombegrenzer anzugeben, über den hohe Ströme ohne die Gefahr einer lokalen Überhitzung geführt werden können.
  • Zur Lösung dieses Problems ist bei einem resistiven Strombegrenzer der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, daß der Streifenleiter über einen Teil seiner Länge in zwei oder mehrere Teilstreifen getrennt ist und in den übrigen Bereichen nicht getrennt ist, wobei die parallel geführten Teilstreifen die Leiterwendungen des Mäanders mit umfassen.
  • Durch die erfindungsgemäße Aufteilung in zwei oder mehrere Teilstreifen wird erreicht, daß im Begrenzungsfall der Untenchied 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 extreme Spitzenstromdichten werden vermieden. Das Strombegrenzerelement wird somit nicht beschädigt.
  • Erfindungsgemäß kann der Streifenleiter innerhalb eines einzigen Längenabschnitts in zwei oder mehrere Teilstreifen getrennt sein, das heißt, der Streifenleiter ist im wesentlichen über seine gesamte Länge – abgesehen von den an den Leiterenden 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 vorgesehen sind. Diese sollten vorzugsweise den selben Leiterquerschnitt und somit bei gleicher Dicke die gleiche Gesamtbreite aufweisen wie die Summe der Teilstreifen. Bei beiden Ausführungen können herstellungsbedingte Leiterinhomogenitäten ausgeglichen werden. Die zweite Ausführung kann sich hierbei als besonders vorteilhaft erweisen, da sich der Strom auf den ungetrennten 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 alle Teilstreifen im normalleitenden Zustand im wesentlichen den gleichen elektrischen Widerstand aufweisen. Um insbesondere 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 Streifenleiten liegt im Bereich weniger μm bis wenige mm. Die letztendliche Dimensionierung hängt von der zu erreichenden Stromtragfähigkeit, also dem Nennstrom, der über den Strombegrenzer geführt werden soll, ab und wird im Bedarfsfall entsprechend gewählt. Selbstverständlich können die angegebenen Grenzen auch über- oder unterschritten werden, sofern dies im Bedarfsfall erforderlich ist.
  • Zweckmäßigerweise sollten der oder die Längenabschnitte, innerhalb welchem oder welcher die Teilstreifen ausgebildet sind, eine ungerade Anzahl von Leiterschenkeln mit daran anschließenden 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 Strombegrenzen kann aus einem metallischen Supraleiter bestehen, der infolge seiner niedrigen Sprungtemperaturen auf Temperaturen von –250°C und niedriger gekühlt werden muß. Vorteilhaft ist jedoch der Einsatz eines keramischen Hochtemperatur-Supraleiters, insbesondere auf Basis eines Cuprats, für welchen eine Kühlung mit flüssigem Stickstoff bei –196°C ausreichend ist.
  • Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
  • 1 einen auf einem Trägermaterial aufgebrachten Streifenleiter einer ersten Ausführungsform, und
  • 2 einen auf einem Trägermaterial aufgebrachten Streifenleiter einer zweiten Ausführungsform.
  • 1 zeigt als wesentlichen Teil eines resistiven Strombegrenzen einen Streifenleiter 1 einer ersten Ausführungsform, der auf einer Substratplatte 2 abgeschieden ist.
  • Der Streifenleiter 1 kann beispielsweise aus einem keramischen Hochtemperatursupraleiter, z. B. Yttrium-Barium-Kupferoxid bestehen, auf dem eventuell noch eine Deckschicht aus Edelmetall abgeschieden ist. Der Streifenleiter 1 ist ersichtlich mäanderförmig strukturiert und weist fünf längere Leiterschenkel 3 auf die über gebogene Leiterwendungen 4 miteinander verbunden sind. An den Enden des Streifenleiters 1 sind Kontaktflächen 5 vorgesehen, an welchen der über den Streifenleiter 1 zu führende Strom ein- bzw. ausgekoppelt wird. Es können aber auch mehrere solcher Platten über die Kontaktflächen 5 miteinander verschaltet werden, um eine höhere Schaltleistung zu erreichen.
  • Wie 1 zu entnehmen ist, ist der Streifenleiter 1 über einen einzigen Längenabschnitt 6 in insgesamt vier Teilstreifen 7a, 7b, 7c, 7d unterteilt. Die jeweilige trennende Ausnehmung zwischen den Teilstreifen ist an ihren Enden gerundet. Jeder Teilstreifen 7a7d ist folglich ebenfalls mäanderförmig strukturiert und weist entsprechende Leiterschenkel und Leiterwendungen auf. Der an einer Kontaktfläche 5 zugeführte Strom verteilt sich im wesentlichen gleichmäßig auf die Teilstreifen 7a7d, da diese bei der in 1 gezeigten 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 Stromdichten insbesondere an den Innenseiten der Leiterbiegungen jedes Teilstreifens 7a7d, die zu einer Zerstörung des Streifenleiters 1 führen können, vermieden. Der Leiterabschnitt 6 umfaßt insgesamt fünf Leiterschenkel 3, also eine ungerade Anzahl, was hinsichtlich der Ausbildung von gleich langen Teilstreifen von Vorteil ist.
  • 2 zeigt eine zweite erfindungsgemäße Ausgestaltung eines Streifenleiters 8. Im Unterschied zum vorher beschriebenen Streifenleiter weist dieser zwei Längenabschnitte 9 auf, innerhalb welcher der Streifenleiter 8 in mehrere Teilstreifen 10a, 10b, 10c, 10d bzw. 11a, 11b, 11c, 11d unterteilt ist. Auch hier besitzen die Teilstreifen 10a10d bzw. 11a11d die gleiche Länge und Breite, also den gleichen elektrischen Widerstand. Zwischen den Längenabschnitten 9 ist ein einstückiger Leiterabschnitt 13 vorhanden, der den gleichen Leiterquerschnitt besitzt, d. h. bei gleicher Dicke die gleiche Breite wie die Summe der Teilstreifen. Innerhalb dieses ungeteilten Leiterabschnitts ist eine Umverteilung des Stromes möglich, so daß herstellungsbedingte Inhomogenitäten des Leiters noch besser ausgeglichen werden können als beim Ausführungbeispiel nach 1.
  • Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele 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 realisiert sind, vorgesehen sein. Daneben kann der Mäander auch mit eckigen Leiterwendungen ausgeführt sein.

Claims (11)

  1. Resistiver Strombegrenzer, mit mindestens einem mäanderförmigen Streifenleiter aus supraleitendem Material, wobei der Mäander mehrere Leiterwendungen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass 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 und in den übrigen Bereichen nicht getrennt ist, wobei die parallel geführten Teilstreifen die Leiterwendungen (4) des Mäanders mit umfassen.
  2. Strombegrenzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Streifenleiter (1, 8) innerhalb 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 Teilstreifen (7a, 7b, 7c, 7d, 10a, 10b, 10c, 10d, 11a, 11b, 11c, 11d) derart ist daß alle Teilstreifen im normalleitenden Zustand im wesentlichen den gleichen elektrischen Widerstand aufweisen.
  4. Strombegrenzer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß alle Teilstreifen (7a; 7b, 7c, 7d, 10a, 10b, 10c, 10d, 11a, 11b, 11c, 11d) die gleiche Länge und/oder Breite und/oder Dicke aufweisen.
  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 Abstand der Teilstreifen (7a, 7b, 7c, 7d, 10a, 10b, 10c, 10d, 11a, 11b, 11c, 11d) 0,001 bis 10 mm beträgt.
  7. Strombegrenzer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß die. Teilstreifen (7a, 7b, 7c, 7d, 10a, 10b, 10c, 10d, 11a, 11b, 11c, 11d derart bemessen sind, daß die Summe ihrer Querschnitte im wesentlichen dem Querschnitt der nicht geteilten Leiterabschnitte entspricht.
  8. Strombegrenzer nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Längenabschnitte (6, 9), innerhalb welcher oder welcher die Teilstreifen (7a, 7b, 7c, 7d, 10a, 10b, 10c, 10d, 11a, 11b, 11c, 11d) ausgebildet sind, eine ungerade Anzahl von Leiterschenkeln (3, 12) umfassen.
  9. Strombegrenzer nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei mehreren Leiterabschnitten (9) jeder Abschnitt nur einen Leiterschenkel (12) und zwei daran anschließende Leiterwendungen, insbesondere Leiterbögen umfaßt.
  10. Strombegrenzer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß der Supraleiter ein Hochtemperatur-Supraleiter ist.
  11. Strombegrenzer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß es ein Hochtemperatur-Supraleiter auf Basis eines Cuprats ist.
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