DE19832273C1 - Resistiver Strombegrenzer mit Hoch-T¶c¶-Supraleitermaterial sowie Verfahren zur Herstellung des Strombegrenzers - Google Patents

Abstract

Der resistive Strombegrenzer (2) enthält mindestens eine schichtartige Leiterbahn (5) mit Hoch-T¶c¶-Supraleitermaterial auf einem Substrat (3). In der Schicht der Leiterbahn (5) sollen in vorbestimmter, insbesondere regelmäßiger oder zumindest weitgehend stochastischer Anordnung, Aussparungen (10, 10¶i¶) vorgesehen werden. Die Aussparungen (10, 10¶i¶) werden vorzugsweise nachträglich in die Schicht der Leiterbahn (5) eingearbeitet.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen resistiven Strombe­ grenzer mit mindestens einer für einen vorgegebenen Nennstrom ausgelegten schichtartigen Leiterbahn, die ein metalloxidi­ sches Hoch-T_c-Supraleitermaterial enthält, auf einem Substrat angeordnet ist und an ihren Enden kontaktierbar ist. Ein der­ artiger Strombegrenzer geht aus der DE 195 20 205 A1 hervor. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines solches Strombegrenzers.

In elektrischen Wechselstromversorgungsnetzen können Kurz­ schlüsse und elektrische Überschläge nicht mit Sicherheit vermieden werden. Dabei steigt der Wechselstrom im betroffe­ nen Stromkreis sehr schnell, d. h. in der ersten Halbwelle, auf ein Vielfaches seines Nennwertes an, bis er durch geeig­ nete Sicherungs- oder Schaltmittel unterbrochen wird. Als Folge davon treten in allen betroffenen Netzkomponenten, wie Leitungen und Sammelschienen, Schaltern oder Transformatoren, erhebliche thermische sowie mechanische Belastungen durch Stromkräfte auf. Da diese kurzzeitigen Lasten mit dem Quadrat des Stromes zunehmen, kann eine sichere Begrenzung des Kurz­ schlußstromes auf einen niedrigeren Spitzenwert die Anforde­ rungen an die Belastungsfähigkeit dieser Netzkomponenten er­ heblich reduzieren. Dadurch lassen sich Kostenvorteile erzie­ len, etwa beim Aufbau neuer als auch beim Ausbau bestehender Netze, indem durch einen Einbau von Strombegrenzern ein Aus­ tausch von Netzkomponenten gegen höher belastbare Ausfüh­ rungsformen vermieden werden kann.

Mit supraleitenden Strombegrenzern vom resistiven Typ kann der Stromanstieg nach einem Kurzschluß auf einen Wert von we­ nigen Vielfachen des Nennstromes begrenzt werden; darüber hinaus ist ein solcher Begrenzer kurze Zeit nach Abschaltung wieder betriebsbereit. Er wirkt also wie eine schnelle, selbstheilende Sicherung. Dabei gewährleistet er eine hohe Betriebssicherheit, da er passiv wirkt, d. h. autonom ohne vorherige Detektion des Kurzschlusses und aktiver Auslösung durch ein Schaltsignal arbeitet.

Resistive supraleitende Strombegrenzer der eingangs genannten Art bilden eine seriell in einen Stromkreis einzufügende su­ praleitende Schaltstrecke. Dabei wird der Übergang einer su­ praleitenden Leiterbahn vom praktisch widerstandslosen kalten Betriebszustand unterhalb der Sprungtemperatur T_c des Supra­ leitermaterials in den normalleitenden Zustand über T_c hinaus ausgenutzt, wobei der nun vorhandene elektrische Widerstand R_n der Leiterbahn den Strom auf eine akzeptable Höhe R = U/R_n begrenzt. Die Erwärmung über die Sprungtemperatur T_c ge­ schieht durch Joule'sche Wärme in dem Supraleiter der Leiter­ bahn selbst, wenn nach Kurzschluß die Stromdichte j über den kritischen Wert j_c des Supraleitermaterials ansteigt, wobei das Material auch unterhalb der Sprungtemperatur T_c bereits einen endlichen elektrischen Widerstand aufweist. Im begren­ zenden Zustand oberhalb der Sprungtemperatur T_c fließt in dem Stromkreis ein Reststrom weiter, bis ein zusätzlicher mecha­ nischer Trennschalter den Stromkreis völlig unterbricht.

Supraleitende Strombegrenzer mit bekannten metalloxidischen Hoch-T_c-Supraleitermaterialien, deren Sprungtemperatur T_c so hoch liegt, daß sie mit flüssigem Stickstoff von 77 K im su­ praleitenden Betriebszustand zu halten sind, zeigen eine schnelle Zunahme des elektrischen Widerstandes beim Über­ schreiten der kritischen Stromdichte j_c. Die Erwärmung in den normalleitenden Zustand und somit die Strombegrenzung ge­ schieht dabei in verhältnismäßig kurzer Zeit, so daß der Spitzenwert des Kurzschlußstromes auf einen Bruchteil des un­ begrenzten Stromes, etwa auf den 3- bis 10-fachen Nennstrom begrenzt werden kann. Der supraleitende Strompfad ist dabei in Kontakt mit einem Kühlmittel, das ihn in verhältnismäßig kurzer Zeit nach einer Überschreitung der kritischen Strom­ dichte j_c in den supraleitenden Betriebszustand wieder zu­ rückzuführen vermag.

Mit dem aus der eingangs genannten DE-A-Schrift zu entnehmen­ den Strombegrenzer sind entsprechende Anforderungen weitge­ hend zu erfüllen. Der bekannte Strombegrenzer weist ein Substrat aus einem elektrisch isolierenden Material wie z. B. aus Y-stabilisiertem ZrO₂ oder aus Glas auf, auf dem ein me­ talloxidisches Hoch-T_c-Supraleitermaterial (Abkürzung: HTS- Material) in Form einer zu mindestens einer Leiterbahn struk­ turierten Schicht aufgebracht ist. Die Leiterbahn kann z. B. als Mäander gestaltet sein (vgl. DE 41 19 984 A1). An ihren Enden ist die Leiterbahn mit weiteren Leitern zur Einspeisung bzw. Abnahme des zu begrenzenden Stromes kontaktierbar.

Es wurde festgestellt, daß in den Leiterbahnen dieser bekann­ ten Strombegrenzer die räumliche Verteilung der kritischen Stromdichte j_c in dem Supraleitermaterial inhomogen ist. Die Folge davon ist, daß beim Einsatz des Strombegrenzers nicht die gesamte Leiterfläche gleichmäßig geschaltet und belastet wird. Daraus resultieren geringere maximale Schaltleistungen und/oder eine reduzierte Betriebssicherheit durch die Gefahr einer verfrühten lokalen Zerstörung der Leiterbahn aufgrund von unerwünschten Überhitzungen an einer Phasengrenze.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, den Strom­ begrenzer mit den eingangs genannten Merkmalen dahingehend auszugestalten, daß dieses Problem bezüglich einer inhomoge­ nen räumlichen Verteilung der kritischen Stromdichte j_c ge­ mildert ist. Weiterhin soll hierzu ein spezielles Verfahren zur Ausbildung eines entsprechenden Strombegrenzers angegeben werden.

Diese Aufgabe bezüglich des Strombegrenzers wird erfindungs­ gemäß dadurch gelöst, daß in der Schicht der Leiterbahn in vorbestimmter Anordnung Aussparungen vorgesehen sind. Unter einer Aussparung der Leiterbahn wird dabei ein Bereich inner­ halb der supraleitenden Schicht der Leiterbahn verstanden, der sich durch die gesamte Schichtdicke der Leiterbahn senk­ recht hindurch erstreckt und selbst nicht-supraleitend ist. Eine entsprechende Aussparung kann dabei in Form eines Loches vorliegen oder durch einen entsprechenden, inselförmigen nicht-supraleitenden Bereich innerhalb der Schicht der Lei­ terbahn ausgebildet sein. Solche inselförmigen, nicht- supraleitenden Bereiche haben dieselbe Wirkung wie entspre­ chende Löcher.

Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, daß derarti­ ge Aussparungen im Schaltbetrieb des Strombegrenzers die räumliche Verteilung des Eigenmagnetfeldes bzw. der abschir­ menden Stromverteilung in der Leiterbahn verändern: Das Ein­ dringen des magnetischen Flusses als mikroskopische Ursache eines Phasenüberganges findet folglich nicht nur primär am Seitenrand der Leiterbahn, sondern nun vermehrt auch in davon beabstandeten, weiter innen liegenden Bereichen der Leiter­ bahn statt. Die Schaltleistung des erfindungsgemäßen Strombe­ grenzers ist dementsprechend erhöht.

Besonders vorteilhaft ist eine zumindest weitgehend hexagona­ le oder stochastische Verteilung/Anordnung der einzelnen Aus­ sparungen über die Oberfläche der Leiterbahn gesehen. Denn damit wird eine Ausbreitung des Phasenüberganges vom supra­ leitenden in den normalleitenden Zustand auch in Längsrich­ tung forciert.

Ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung eines erfindungs­ gemäßen Strombegrenzers ist dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparungen nachträglich, insbesondere auf mechanischem oder chemischem Wege in die Schicht der Leiterbahn eingearbeitet werden. Ein derartiges Verfahren ist verhältnismäßig einfach durchzuführen. Als hierfür einsetzbares Mittel zum mechani­ schen Einarbeiten solcher Aussparungen ist insbesondere ein Laser geeignet, mit dem vorteilhaft scharf umrissene Bereiche definiert werden können.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Strombegrenzers sowie des Verfahrens zu seiner Herstellung gehen aus den jeweiligen abhängigen Unteransprüchen hervor.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung noch wei­ ter erläutert. Dabei zeigen jeweils schematisch

deren Fig. 1 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Strombegrenzer in Längsrichtung sowie

deren Fig. 2 bis 4 jeweils als Aufsicht Anordnungsmöglich­ keiten für Aussparungen in der Leiterbahn die­ ses Strombegrenzers.

Bei der Gestaltung des Strombegrenzers nach der Erfindung wird von an sich bekannten Ausführungsformen (vgl. DE 195 20 205 A oder DE 41 19 984 A1) ausgegangen. Der Strom­ begrenzer umfaßt deshalb mindestens einen auch als Substrat zubezeichnenden Trägerkörper, gegebenenfalls wenigstens eine darauf abgeschiedene, auch als Puffer- oder Haftschicht anzu­ sehende Zwischenschicht sowie eine auf dieser Zwischenschicht aufgebrachte Schicht aus einem HTS-Material. Für den Träger­ körper wird eine Platte oder ein Band oder eine sonstige Struktur aus einem metallischen oder elektrisch isolierenden Material mit einer an sich beliebigen Dicke und den für den jeweiligen Anwendungsfall geforderten Abmessungen verwendet. Als metallische Materialien kommen hier alle als Träger für HTS-Materialien bekannten elementaren Metalle oder Legierun­ gen dieser Metalle in Frage. Beispielsweise sind Cu, Al oder Ag oder deren Legierungen mit einem der Elemente als Haupt­ komponente oder Stähle wie spezielle NiMo-Legierungen, insbe­ sondere mit dem Handelsnamen "Hastelloy", geeignet. Als nicht-metallisches, elektrisch isolierendes Material für den Trägerkörper kommen Keramiken wie mit Y stabilisiertes ZrO₂ (Abkürzung: "YSZ"), MgO, SrTiO₃ oder Glasmaterialien in Fra­ ge. Die Zwischenschicht kann insbesondere zur Förderung eines texturierten Wachstums des HTS-Material dienen. Deshalb sind beispielsweise als Zwischenschichtmaterial YSZ, CeO₂, YSZ + CeO₂ (als Doppelschicht), Pr₆O₁₁, MgO, YSZ + Sn-dotiertes In₂O₃ (als Doppelschicht), SrTiO₃ oder La_1-xCa_xMnO₃ geeignet.

Als HTS-Materialien kommen alle bekannten metalloxidischen Hoch-T_c-Supraleitermaterialien in Frage, die insbesondere ei­ ne Kühltechnik mit flüssigem Stickstoff erlauben. Entspre­ chende Materialien sind beispielsweise YBa₂Cu₃O_7-x bzw. RBa₂Cu₃O_7-x (mit R = Seltenes Erdmetall), HgBa₂CaCu₂O_6+x, HgBa₂Ca₂Cu₃O_8+x, Bi₂Sr₂CaCu₂O_8+x oder (Bi,Pb)₂Sr₂Ca₂Cu₃O_10+x. Die HTS-Schicht ist insbesondere zu der Leiterbahn strukturiert. Außerdem kann sie mit mindestens einer weiteren Schicht wie z. B. einer Schutzschicht oder einer als Shuntwiderstand die­ nenden, elektrisch leitenden Schicht aus Metall abgedeckt sein.

Einen entsprechenden Aufbau eines Strombegrenzers oder eines Teils von demselben zeigt Fig. 1. Dieser allgemein mit 2 be­ zeichnete Strombegrenzer enthält deshalb ein Substrat 3, eine gegebenenfalls darauf angeordnete, in der Figur nur angedeu­ tete Zwischenschicht 4 sowie eine darauf aufgebrachte, aus einer HTS-Schicht gebildete Leiterbahn 5. An ihren Enden ist die Leiterbahn mit Kontaktflächen 6 und 7 versehen, an denen weitere Leiter zum Einspeisen bzw. Abführen eines zu begren­ zenden Stromes anzuschließen sind. Eine auf der Leiterbahn aufgebrachte Schutz- oder Shuntwiderstandsschicht ist mit 8 bezeichnet.

Gemäß der Erfindung sollen in der Leiterbahn 5 Aussparungen 10 in vorbestimmter Anordnung vorgesehen sein, um so den Ein­ fluß von Schwankungen der kritischen Stromdichte j_c auf das Schaltverhalten des Strombegrenzers zu reduzieren und einen homogeneren Phasenübergang zwischen der supraleitenden und der normalleitenden Phase (bzw. Zustand) zu gewährleisten. Die Anordnung der einzelnen Aussparungen ist dabei so vorzu­ nehmen, daß weder die Stromtragfähigkeit der gesamten Leiter­ bahn noch ihre thermische oder mechanische Stabilität negativ beeinflußt werden.

Eine entsprechende Strukturierung der Leiterbahn 5 mit Aus­ sparungen 10 in zumindest annähernd rechteckiger oder auch quadratischer Anordnung ist aus der Aufsicht der Fig. 2 nä­ her ersichtlich. Die Strukturierung kann dabei durch senk­ recht in die Schicht eingebrachte, die Schicht vollständig durchdringende Löcher 10 _i realisiert sein. Solche Löcher las­ sen sich z. B. auf physikalischem, insbesondere mechanischem, oder auf chemischem Wege einarbeiten. Beispielsweise können die Löcher mittels eines Lasers erzeugt werden. Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Löcher 10 _i als kreisförmig angenommen. Sie können aber auch eine andere Form ihrer Querschnittsfläche besitzen, z. B. in Form einer Ellip­ se, eines Rechtecks oder in der Gestalt eines Polygons.

Der (effektive) Durchmesser d zumindest der Mehrzahl der Lö­ cher 10 _i sollte dabei vorteilhaft zwischen 10 µm und 2 mm liegen. Sind Löcher mit von der Kreisform abweichender Ge­ stalt vorgesehen, so soll die von ihnen jeweils eingenommene Fläche der eines Kreises mit einem Durchmesser in der genann­ ten Größenordnung entsprechen. Demgegenüber wird für den mittleren Abstand a zwischen zwei benachbarten Löchern vor­ teilhaft ein Wert zwischen a = 2 . d und a = 100 . d gewählt. Darüber hinaus sollte ein entsprechender Abstand auch zwi­ schen den randnahen Löchern und dem jeweiligen Seitenrand der Leiterbahn eingehalten werden.

Gemäß einem konkreten Ausführungsbeispiel für eine Verteilung der Löcher 10 _i entsprechend einer quadratischen oder rechtec­ kigen Anordnung in einem kubischen Gitter beträgt der Abstand a_x zwischen zwei Löchern 10 _i in x-Richtung (= Längsrichtung) der Leiterbahn 800 µm, der Abstand a_y in y-Richtung (= Quer­ richtung dazu) 500 µm, so daß sich ein mittlerer Abstand von 796,7 µm ergibt. Der Durchmesser d der Lochfläche beträgt da­ bei 200 µm.

Fig. 3 zeigt eine Verteilung von Löchern 10 _i entsprechend einer zumindest angenäherten Anordnung in einem hexagonalen Gitter. Die Gitterkonstante a bestimmt dabei den mittleren Abstand zwischen benachbarten Löchern. Als Ausführungsbei­ spiel sind hier ein Lochdurchmesser d = 110 µm und eine Git­ terkonstante a = 212 µm angenommen.

Neben solchen zumindest weitgehend regelmäßigen Verteilungen der Löcher 10 _i gemäß den Fig. 2 und 3 sind auch zumindest weitgehend stochastische Lochanordnungen möglich. Fig. 4 zeigt ein entsprechendes Ausführungsbeispiel, bei dem der mittlere Abstand a zwischen benachbarten Löchern 10 _i etwa 250 µm beträgt bei einem Lochdurchmesser d von etwa 100 µm.

Gemäß den dargestellten Ausführungsbeispielen wurden als Aus­ sparungen durch die Schicht der Leiterbahn hindurchgehende Löcher angenommen. Diese Löcher werden zweckmäßig nachträg­ lich in die Leiterbahn eingearbeitet oder zugleich mit der Strukturierung der Leiterbahn aus einer HTS-Schicht ausgebil­ det. Da es jedoch bei dem erfindungsgemäßen Strombegrenzer nicht auf die Lochform, sondern nur auf die Veränderung der räumlichen Verteilung des Eigenmagnetfeldes bzw. der abschir­ menden Stromverteilung der Leiterbahnanordnung im Schaltbe­ trieb ankommt, wird eine entsprechende Funktion auch durch den Löchern 10 _i entsprechende Bereiche der Leiterbahn er­ füllt, die von vornherein nicht-supraleitend sind oder nach­ träglich so gemacht sind. So können beispielsweise in einer HTS-Schicht einer Leiterbahn nachträglich den Löchern ent­ sprechende Bereiche quasi inselartig geschaffen werden, in denen die supraleitenden Eigenschaften wieder zerstört worden sind. Dies kann in bekannter Weise wie z. B. durch einen La­ serstrahl erfolgen.

Claims (11)

1. Resistiver Strombegrenzer mit mindestens einer für einen vorgegebenen Nennstrom ausgelegten schichtartigen Leiterbahn, die ein metalloxidisches Hoch-T_c-Supraleitermaterial enthält, auf einem Substrat angeordnet ist und an ihren Enden kontak­ tierbar ist, dadurch gekennzeich­ net, daß in der Schicht der Leiterbahn (5) in vorbe­ stimmter Anordnung Aussparungen (10, 10 _i) vorgesehen sind.

2. Strombegrenzer nach Anspruch 1, gekenn­ zeichnet durch nicht-supraleitende Bereiche als Aus­ sparungen in der Schicht der Leiterbahn (5).

3. Strombegrenzer nach Anspruch 1 oder 2, gekenn­ zeichnet durch eine zumindest weitgehend regelmäßige Verteilung der Aussparungen (10, 10 _i) in der Leiterbahn (5).

4. Strombegrenzer nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Verteilung der Aussparun­ gen (10 _i) der einer Anordnung in einem rechteckigen oder qua­ dratischen oder hexagonalen Gitter entspricht.

5. Strombegrenzer nach Anspruch 1 oder 2, gekenn­ zeichnet durch eine zumindest weitgehend stochasti­ sche Verteilung der Aussparungen (10 _i) in der Leiterbahn (5).

6. Strombegrenzer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß zumindest die Mehrzahl der Aussparungen (10, 10 _i) jeweils eine Fläche der Leiterbahn (5) einnehmen, die der eines Kreises mit einem Durchmesser d zwischen 10 µm und 2 mm entspricht.

7. Strombegrenzer nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der mittlere Abstand a zwi­ schen zwei benachbarten Aussparungen (10, 10 _i) und/oder von einem Seitenrand der Leiterbahn (5) zwischen a = 2 . d und a = 100 . d liegt.

8. Strombegrenzer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, ge­ kennzeichnet durch Aussparungen (10, 10 _i) mit Querschnittsflächen in Form von Kreisen oder Rechtecken oder von Polygonen.

9. Verfahren zur Herstellung eines Strombegrenzers nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Aussparungen (10, 10 _i) nachträg­ lich in die Schicht der Leiterbahn (5) eingearbeitet werden.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Aussparungen (10, 10 _i) auf physikalischem, insbesondere mechanischem Wege oder auf chemischem Wege in die Schicht der Leiterbahn (5) eingearbei­ tet werden.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zur Einarbeitung der Ausspa­ rungen (10, 10 _i) auf physikalischem Wege ein Laser verwendet wird.