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Die
Erfindung betrifft einen resistiven Strombegrenzer, mit mindestens
einem mäanderförmig angeordneten
Leiter aus supraleitendem Material, wobei der Mäander mehrere Leiterwendungen
aufweist.
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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.
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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.
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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 ).
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Der
Erfindung liegt somit das Problem zugrunde, einen Strombegrenzer
anzugeben, über
den hohe Ströme
ohne die Gefahr einer lokalen Überhitzung
geführt
werden können.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Weitere
Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im
folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen
sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
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1 einen
auf einem Trägermaterial
aufgebrachten Streifenleiter einer ersten Ausführungsform, und
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2 einen
auf einem Trägermaterial
aufgebrachten Streifenleiter einer zweiten Ausführungsform.
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1 zeigt
als wesentlichen Teil eines resistiven Strombegrenzen einen Streifenleiter 1 einer ersten
Ausführungsform,
der auf einer Substratplatte 2 abgeschieden ist.
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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.
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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 7a–7d 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 7a–7d,
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 7a–7d,
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.
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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 10a–10d bzw. 11a–11d 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.
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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.