DE2115798C3 - Supraleitfähige Schaltstrecke für Starkstrom - Google Patents

Description

durchläuft das Magnetfeld in der Spule auf Grund der Verkürzung der magnetischen Kraftlinien praktisch sprungartig den kritischen Bereich, in welchem die kritischen Magnetfeldstärken an den einzelnen Stellen der Spule streuen. Dadurch wird die gesamte Spule sehr schnell vom supraleitenden in den elektrisch normalleitenden Zustand übergeführt und ein Durchbrennen einzelner Stellen der Spule und die damit verbundene Zerstörung der SchaltstrecKe verhindert

Im Hauptpatent sind verschiedene Beispiele für den praktischen Aufbau derartiger Schaltstrecken angegeben worden. Dabei werden in der Regel die Schaltstrekkenleiter in Form von Bändern aus supraleitendem Material, insbesondere Niob, auf isolierende Träger in Form von Platten, Zylindermänteln od. dgl. aufgebracht. Dabei muß beim Aufwickeln des Supraleiters auf den Träger mit großer Vorsicht gearbeitet werden, um Beschädigungen bzw. Abreißen zu vermeiden. Die Dicke der Niobbänder liegt beispielsweise in der Größenordnung von etwa 1 bis 10 μιη, die Breite bei wenigen Zentimetern.

Beim Aufbau der Schaltstrecken ist es zweckmäßig, darauf Rücksicht zu nehmen, daß man beim Schaltvorgang einen möglichst raschen Temperaturanstieg im Schaltstreckenleiter erhält. Gelangt man schnell in den Bereich hohen spezifischen Widerstands, so werden die Gesamtverluste im Schaltstreckenleiter bis zum Abschalten durch die mechanischen Hilfsschalter kleiner. Außerdem ist nur ein geringerer Aufwand für die Rückkühlung des Kühlmediums erforderlich.

Diese Betriebseigenschaften supraleitender Schaltstrecken stehen weitgehend im Gegensatz zu denen supraleitender Spulen üblichen Aufbaus, da man dort in der Regel einen möglichst direkten Kontakt zwischen dem supraleitenden Material und dem Kühlmittel anstrebt. Bei einem solchen unmittelbaren Kontakt kann jedoch in einer supraleitenden Schaltstrecke die Temperatur im Schaltstreckenleiter während des Schaltvorgangs nur relativ langsam ansteigen, da der Schaltstreckenleiter intensiv gekühlt wird. Dient als Kühlmittel flüssiges Helium, so kann es leicht zu einer stoßartigen Heliumverdampfung kommen, bei welcher ein Druckstoß entsteht, der die Gesamtkonstruktion und insbesondere die Wand des Kryortaten belastet, in dem die Schaltstrecke angeordnet ist. Verwendet man als Kühlmittel Helium in Gasform bei Temperaturen, die bei Atmosphärendruck geringfügig über 4,2 K liegen, so werden zwar solche Schockwirkungen vermieden und eine weniger intensive Kühlung erzielt, doch ist es schwierig, eine ausreichende elektrische Isolierung zu erreichen, die den auftretenden Windungsspannungen beim Durchlauf von Stoßwellen sicher standhält.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die geschilderten Nachteile zu vermeiden und einen Aufbau des Supraleiters bei Schaltstrecken nach dem Hauptpatent anzugeben, der sowohl bei der Herstellung der Schaltstrecke als auch im Betrieb Vorteile bringt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der bandförmig ausgebildete Supraleiter der Schaltstrecke nicht in unmittelbarem Kontakt mit dem Kühlmittel steht, sondern in wärmedämmendes Isoliermaterial hoher Durchschlagsfestigkeit eingebettet ist, dessen Dicke wenigstens auf einer dem Kühlmittel zugewandten Seite des Supraleiters danach bemessen ist, welche Rückkühlzeit nach einem Ansprechen der Schaltstrecke gefordert wird.

Auf der anderen Seite des bandförmigen Supraleiters kann das Isoliermaterial auch eine größere Dicke aufweisen, die in erster Linie im Hinblick auf die angestrebte mechanische Festigkeit bemessen ist.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Schaltstrecke wird der bandförmige Supraleiter auf eine Kunststoffolie, beispielsweise aus Polyäthylenterephthalat aufgebracht beispielsweise durch Aufkleben an einzelnen Stellen. Der Supraleiter wird dann mit einer weiteren Kunststoffolie überdeckt Beide Folien werden an den Rändern beispielsweise durch Verkleben oder Verschweißen miteinander verbunden, so daß der Supraleiter völlig von Isoliermaterial umschlossen ist. Die beiden Kunststoffolien können vorteilhaft verschieden dick sein.

Man kann jedoch auch den Supraleiter mit einer Isolierlackschicht überziehen und ihn auf eine Kunststoffolie aufbringen oder den Supraleiter allseitig mit einer Isolierlackschicht umhüllen.

Falls dies aus Herstellungsgründen erwünscht ist, kann der bandförmige Supraleiter auch aus mehreren, elektrisch parallelgeschalteten Teilbändern aulgebaut sein, die nebeneinander auf eine Kunststoffolie aufgebracht und mit Isoliermaterial überdeckt sind.

An Hand einiger Figuren und Ausführungsbeispiele soll die Erfindung noch näher erläutert werden.

F i g. 1 zeigt schematisch im Schnitt einen Ausschnitt einer beispielhaften Ausführungsform einer Schaltstrekke;

Fig. 2 und 3 zeigen im Querschnitt weitere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Schaltstreckenleiters.

In F i g. 1 ist ein Ausschnitt aus einer Spule einer Schaltstrecke im Schnitt dargestellt Als Schaltstreckenleiter dient ein supraleitendes Band 1 aus Niob, das eine Dicke von etwa 1 bis 10 μιη, vorzugsweise 3 bis 5 μιη, haben und bis zu mehreren Zentimetern breit sein kann. Dieses Niobband 1 ist auf eine bandförmige Polyäthylenterephthalatfolie 2 mit einer Dicke von beispielsweise 10 bis 20 μηι aufgeklebt. Das Niobband 1 ist mit einer weiteren bandförmigen Polyäthylenterephthalatfolie 3 überdeckt, die beispielsweise etwa 6 bis 10 μιη dick sein kann. Die beiden Folien 2 und 3 sind an ihren Rändern bei 4 miteinander verschweißt, so daß das Niobband 1 vollständig von Kunststoff umschlossen ist. Das mit den Folien 2 und 3 umhüllte Niobband 1 ist in nebeneinanderliegenden Windungen auf einen Träger 5 aufgewikkelt. Da das supraleitende Niobband 1 durch die Kunststoffumhüllung mechanisch widerstandsfähiger ist, wird das Aufwickeln auf den Träger 5 erheblich erleichtert und somit die Herstellung der Schaltstrecke wesentlich vereinfacht.

Das Kühlmittel 6, beispielsweise flüssiges Melium, umspült die Oberfläche des dünneren Kunststoffbandes 3 und steht mit dem Niobband 1 nicht in direktem Kontakt. Im Augenblick des Ansprechens der Schaltstrecke fehlt daher die Kühlwirkung weitgehend, so daß im Niobband 1 ein steiler Temperaturanstieg eintritt. Es verzögert sich auch die Wärmeabgabe an das Kühlmittel, so daß die dabei ansonsten eintretende stoßartige Verdampfung ganz oder weitgehend vermieden wird.

Die Dicke der den Supraleiter umgebenden Kunststoffolie muß wenigstens auf einer dem Kühlmittel zugewandten Seite so bemessen werden, daß das Kühlmittel im Stande ist, innerhalb der geforderten Wiedereinschaltzeit die Rückkühlung des Supraleiters auf die Betriebstemperatur von beispielsweise etwa 4 K zu erzielen. In dem in F i g. 1 dargestellten Ausführungs-

beispiel, bei dem die Dicke der Folie 3 entsprechend bemessen ist, erreicht nach einem Schaltvorgang die Schaltstrecke in Sekundenbruchteilen wieder die für den supraleitenden Betriebszustand des Bandes 1 erforderliche Temperatur.

Hierzu sei ein Anwendungsbeispiel zahlenmäßig kurz wiedergegeben. Es sei angenommen, daß beim Ansprechen der Schakstrecke vor dem Abschalten durch den mechaschinen Hilfsschalter innerhalb von etwa 50 msec das Niobband eine Temperatur von etwa 100 K erreicht. Nimmt man eine mittlere Wärmeleitfähigkeit der Kunststoffolie von 6-10-^fccal/cm°Csec an und berücksichtigt, daß bei einer Dicke des Bandes 1 von etwa 3 μιη ein Wärmeinhalt von rund 3· 10~² Wsec pro cm² der Bandoberfläche an das Kühlmittel abgegeben werden muß, so kommt man zu dem Ergebnis, daß bei einer Dicke der Folie 3 von etwa 8 μιη innerhalb von etwa 0,1 see das Niobband 1 wieder in den Bereich der Supraleitfähigkeit mit hoher Strombelastbarkeit rückgekühlt werden kann. Diese Zeit reicht völlig aus, um Kurzschlußfortschaltungen zu ermöglichen, bei denen mit Wiedereinschaltzeiten von 0,2 bis 0,5 Sekunden gerechnet wird.

Die auf dem Träger 5 aufliegende Kunststoffolie 2 ist zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit des mit Isoliermaterial umhüllten Schaltstreckenleiters dicker bemessen als die an das Kühlmittel 6 angrenzende Folie 3. Falls zwischen dem Träger 5 und dem mit Isoliermaterial umhüllten Schaltstreckenleiter 1 Zwischenräume für das Kühlmittel, beispielsweise in Form von schmalen in die Oberfläche des Trägers eingearbeiteten Kanälen, vorhanden sind, kann der Schaltstrekkenleiter auch derart auf den Träger 5 aufgewickelt werden, daß die dünnere Kunststoffolie 3 dem Träger 5 zugekehrt ist.

Spielt die Geschwindigkeit der Rückkühlung keine ausschlaggebende Rolle, so besteht die Möglichkeit, die Dicke der Isolierstoffumhüllung weiter zu erhöhen, so daß die Auswirkungen eines Schaltvorganges auf das Kühlmittel noch weiter verringert werden. Eine erhöhte Dicke der Isolierstoffumhüllung kann insbesondere dann von Vorteil sein, wenn es auf eine Vergrößerung der Durchschlagsfestigkeit zur Beherrschung von Stoßspannungen beim Durchlauf von Wanderwellen mit steller Front ankommt.

Falls durch das Verschweißen der bandförmigen Kunststoffolien an den Rändern oder wegen der erforderlichen Durchschlagsfestigkeit der Abstand zwischen den nebeneinanderliegenden Windungen des bandförmigen Schaltstreckenleiters so groß wird, daß

ίο infolge von zwischen den Windungen hindurchtretenden Magnetfeldkomponenten die Stromdichte an den Bandrändern des Schaltstreckenleiters erhöht wird, können zur Führung des Magnetfeldes an den Stoßstellen zwischen zwei nebeneinanderliegenden Windungen Streifen aus magnetisch leitendem, elektrisch isolierendem Material, beispielsweise aus Ferrit oder Ferrit-Kunststoff-Verbundmaterial, parallel zu den Bandwindungen angeordnet sein. In F i g. 1 sind solche, beispielsweise im Träger 5 versenkt angeordnete Streifen 7 dargestellt.

F i g. 2 zeigt im Querschnitt eine andere Ausführungsform eines Schaltstreckenleiters, bei der ein supraleitendes Band 21 zunächst mit einer Isolierlackschicht 22 umgeben und dann auf eine bandförmige Kunststoffolie 23 aufgeklebt ist. Bei einer solchen Ausführungsform kann beispielsweise die Dicke der Isolierlackschicht 22 entsprechend den Rückkühlbedingungen und die Dicke der Kunststoffolie 23 entsprechend der angestrebten mechanischen Festigkeit bemessen sein.

Bei der in 1 i g. 3 im Querschnitt dargestellten Ausführungsform eines Sehalislreckcnleilcrs isi der bandförmige Supraleiter aus mehreren, elektrisch parallelgcschahetcn. nebeneinanderlegenden Teilbändern SI bis 33 zusammengesetzt. Die Tcilbänder 31 bis 33 sind nebeneinander auf eine bandförmige Kunststoll· folie 34 aufgeklebt. Kinc weitere bandförmige Kunst stoflolic 35 überdeckt die Tcilbänder und ist an den Rändern bei 36 mit der Kunststoffolie 34 versdiwcillt. F.ine solche Ausführungsform ist dann vorteilhaft, wenn der Schaltstreckenlciter eine größere Breite haben soll als die einzelnen verfügbaren supraleitenden Bänder.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche: isolierendem Material parallel zu den Windungen angeordnet sind

1. Schaltstrecke für Starkstrom aus wenigstens einer supraleitfähigen, durch ihr Eigenmagnetfeld \pm supraleitenden in den elektrisch normalleitenden Zustand schaltbaren Spule, bei welcher in der Umgebung der Spule magnetische Abschirmungen aus supraleitfähigen! Material derart vorgesehen sind, daß im supraleitenden Zustand der Abschirmungen die von der Spule bei Stromdurchfluß erzeugten magnetischen Kraftlinien auf einen längeren Weg gezwungen sind als ohne Abschirmungen, so daß das Magnetfeld innerhalb der Spule kleiner ist als die niedrigste kritische Feldstärke an irgendeiner Stelle der Spule, und daß beim Erreichen einer vorgegebenen Stromstärke in der Spule die Abschirmwirkung der Abschirmungen infolge des erhöhten Magnetfeldes wenigstens teilweise verschwindet und infolge der dabei auftretenden Verkürzung der magnetischen Kraftlinien das Magnetfeld innerhalb der Spule auf einen Wert oberhalb der höchsten kritischen magnetischen Feldstärke an irgendeiner Stelle der vom vorgegebenen Strom durchflossenen Spule ansteigt, nach Patent 19 62 704, dadurch gekennzeichnet, daß der bandförmig ausgebildete Supraleiter (1) der Schaltstrecke nicht in unmittelbarem Kontakt mit dem Kühlmittel (6) steht, sondern in wärmedämmendes Isoliermaterial (2, 3) hoher Durchschlagsfestigkeit eingebettet ist, dessen Dicke wenigstens auf einer dem Kühlmittel (6) zugewandten Seite des Supraleiters danach bemessen ist, welche Rückkühlzeit nach einem Ansprechen der Schaltstrecke gefordert wird.

2. Schaltstrecke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Supraleiter (1) auf eine Kunststoffolie (2) aufgebracht und mit einer Kunststoffolie (3) überdeckt ist und beide Kunststoffolien an den Rändern (4) miteinander verbunden sind.

3. Schaltstrecke nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kunststoffolien (2,3) verschieden dick sind.

4. Schaltstrecke nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Supraleiter (1) ein Niobband von etwa 1 bis 10 μπι Dicke auf eine Kunststoffolie (2) von etwa 10 bis 20 μπι Dicke aufgebracht und mit einer Kunststoffolie (3) von etwa 6 bis 10 μιη Dicke überdeckt ist.

5. Schaltstrecke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Supraleiter (21) mit einer Isolierlackschicht (22) überzogen und auf eine Kunststoffolie (23) aufgebracht ist.

6. Schaltstrecke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Supraleiter allseitig mit einer Isolierlackschicht umgeben ist.

7. Schaltstrecke nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Supraleiter aus mehreren, elektrisch parallelgeschalteten Teilbändern (31,32,33) aufgebaut ist, die nebeneinander auf eine Kunststoffolie (34) aufgebracht und mit Isoliermaterial (35) überdeckt sind.

8. Schaltstrecke nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß an den Stoßstellen zwischen zwei nebeneinanderliegenden Windungen des Supraleiters (1) zur Führung des Magnetfeldes Streifen (7) aus magnetisch leitendem, elektrisch Das Hauptpatent 19 62 704 betrifft eine Schaltstrecke für Starkstrom aus wenigstens einer supraleitfähigen, durch ihr Eigenmagnetfeld vom supraleitenden in den

ίο elektrisch normalleitenden Zustand schaltbaren Spule, Der Schaltvorgang beginnt bei einer solchen Schaltstrecke, wenn bei Strombelastung der Schaltstrecke eine bestimmte kritische magnetische Feldstärke und eine entsprechende Stromdichte erreicht werden. Der

Supraleiter der Schaltstrecke kann bandförmig so angeordnet sein, daß das sich in der Spule ausbildende Eigenmagnetfeld parallel zur Oberfläche des Bandes verläuft. Schaltungstechnische Maßnahmen beim Einsatz derartiger Schaltstrecken sind in »Elektrotechni-

ao sehe Zeitschrift«. Ausgabe A, Bd. 89 (1968), S. 335 bis 339, insbesondere S. 338. Bild 6 und S. 339 erläutert. Schwierigkeiten beim Betrieb solcher Schaltstrecken sind vor allem dadurch bedingt, daß oft schon kleine Unterschiede in den Materialeigenschaften des Supra-

»5 leiters und in der Ausbildung des magnetischen Feldes entlang dem bei hohen Spannungen viele Kilometer langen Schaltstreckensupraleiter den Übergang zunächst nur vereinzelter Stellen der Schaltstrecke vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand herbei-

führen können. Und zwar werden zunächst diejenigen Stellen der Schaltstrecke normalleitend, deren kritisches Magnetfeld und kritische Stromdichte auf Grund der erwähnten Unterschiede in den Materialeigenschaften und der Ausbildung des magnetischen Feldes niedriger sind bzw. früher erreicht werden als die der anderen Stellen der Schaltstrecke. Diese vereinzelten, als erste in den normalleitenden Zustand übergehenden Stellen können hierbei durchbrennen, was zur Zerstörung der gesamten Schaltstrecke führen kann. Dies ist besonders kritisch bei verhältnismäßig langsamem

Stromdnstieg in der Schaltstrecke, beispielsweise bei weiter entfernten Kurzschlüssen bzw. bei geringerer Überlastung einzelner Netzteile.

Um eine einwandfreie Funktion der Schaltstrecke zu gewährleisten, ist im Hauptpatent vorgeschlagen worden, in der Umgebung der Spule magnetische Abschirmungen aus supraleitfähigem Material derart vorzusehen, daß im supraleitenden Zustand der Abschirmungen die von der Spule bei Stromdurchfluß

jo erzeugten magnetischen Kraftlinien auf einen längeren Weg gezwungen sind als ohne Abschirmungen, so daß das Magnetfeld innerhalb der Spule kleiner ist als die niedrigste kritische magnetische Feldstärke an irgendeiner Stelle der Spule. Wird in der Spule eine

SJ vorgegebene Stromstärke erreicht, bei welcher der Schaltvorgang ausgelöst werden soll, so wird infolge der mit dem Stromanstieg in der Spule verbundenen Erhöhung des Magnetfeldes die Abschirmwirkung der Abschirmungen wenigstens teilweise zum Verschwinden gebracht. Infolge der dabei auftretenden Verkürzungen der magnetischen Kraftlinien steigt das Magnetfeld innerhalb der Spule auf einen Wert oberhalb der höchsten kritischen magnetischen Feldstärke an irgendeiner Stelle der vom vorgegebenen

6j Strom durchflossenen Spule an.

Da die Abschirmwirkung der supraleitenden Abschirmungen beim Überschreiten des kritischen Magnetfeldes der Abschirmungen sehr rasch verschwindet,