DE4119984A1 - Resistiver strombegrenzer - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen resistiven Strombe­ grenzer gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Strombegrenzer dieser Art sind seit vielen Jahren bekannt. Sie weisen wenigstens einen Leiter aus supraleitendem Mate­ rial auf, der in der Lage ist, Nennströme von vielen Ampere zu tragen. Strombegrenzer dieser Art können wegen der star­ ken Widerstandänderung während des Überganges vom supralei­ tenden in den normalleitenden Zustand für Schaltzwecke in diesem Bereich verwendet werden. Der Informationsschrift "Theoretische und experimentelle Untersuchungen über die Eigenschaften eines großen supraleitenden Gleichstrombe­ grenzers mit 40 MW Schaltleistung bei einer Spannung von 47 kV", Kernforschungszentrum Karlsruhe KfK 2672 (1978), ist entsprechendes zu entnehmen. Wegen seines verschwinden­ den elektrischen Widerstands verursacht das supraleitende Material des Strombegrenzers keinerlei ohmsche Verluste. Da dieser supraleitende Zustand nur unterhalb der kritischen Temperatur T_C, dem kritischen Strom und dem kritischen Mag­ netfeld auftritt, kann das supraleitende Material eines Strombegrenzers aus dem supraleitenden Zustand durch Über­ höhung eines dieser Parameter über den kritischen Wert hinaus in einen resistiven Zustand übergeführt werden. Sol­ che Strombegrenzer sind in der Lage, Ströme auf einen Rest­ strom zu begrenzen, der dann mit Hilfe eines Reststrom­ schalters abgeschaltet werden kann. Wegen des relativ ge­ ringen elektrischen Widerstandes des supraleitenden Mate­ rials oberhalb der kritischen Temperatur T_c ist für eine optimale Strombegrenzung ein sehr langer Leiter erforder­ lich, der induktivitätsarm in einem möglichst kleinen Volu­ men untergebracht werden muß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen resistiven Strombegrenzer aufzuzeigen, der für die Begrenzung von großen und kleinen Strömen geeignet und zudem klein dimen­ sioniert ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Der stromtragende Leiter des resistiven Strombegrenzers ist aus einem Hochtemperatur-Supraleiter-Material gefertigt. Vorzugsweise wird als supraleitendes Material ein polynäres Oxid verwendet. Besonders geeignet hierfür ist Yttrium- Barium-Kupferoxid bzw. Wismutcuprat, wobei letzteres Blei­ zusätze aufweisen kann. Es können auch keramische Mate­ rialien mit supraleitenden Eigenschaften verwendet werden, die anstelle von Yttrium ein anderes oder ein zusätzliches Seltenerdmetall enthalten. Ebenso kommen für die Fertigung des Leiters NbTi, Nb₃Sn oder Chevrel-Phasen in Frage.

Durch die spezielle Ausbildung des Leiters kann seine elek­ trisch wirksame Länge wesentlich vergrößert werden, während seine lineare Ausdehnung einen vorgebbaren Wert nicht über­ schreitet. Die elektrisch wirksame Länge des Leiters, sein Querschnitt und der senkrechte Abstand jeweils zweier be­ nachbarter Leiterabschnitte sind so bemessen, daß beim Überschreiten der kritischen Stromdichte der sich im supra­ leitenden Material oberhalb der Sprungtemperatur T_C ein­ stellende ohmsche Widerstand eine Größe aufweist, die eine Minderung des fließenden Stroms auf einen definierten Wert bewirkt.

Der Leiter kann erfindungsgemäß aus einer supraleitenden, orthogonalen Platte gefertigt werden. In die zur Längsachse der Platte parallel verlaufenden Seiten wird eine definier­ te Anzahl von Schlitzen eingeschnitten, die senkrecht zur Längsachse der Platte verlaufen. Die Schlitze werden alter­ nierend in diese beiden Längsseiten eingeschnitten. Hier­ durch wird aus der Platte ein mäanderförmiger Leiter gebil­ det. Die Enden des so gebildeten Leiters werden mit je einem elektrischen Anschlußpol versehen.

Es besteht auch die Möglichkeit, in der Oberfläche eines Trägers eine mäanderförmige Nut auszubilden. Die Abmes­ sungen der Nut sind gemäß den obigen Angaben für den Leiter festgelegt. Der Träger kann aus einem metallischen oder isolierenden Material gefertigt sein. Im Fall eines metal­ lischen Trägers wird die Nut zunächst mit einem isolieren­ den Material ausgekleidet und dann mit dem supraleitenden Material ausgefüllt.

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Strombegrenzers wird eine Hülse aus Metall, vorzugsweise aus Silber oder Kupfer, mit einem supraleitenden metalli­ schen oder keramischen Material ausgefüllt. Anschließend wird die Hülse gewalzt und gezogen, so daß ihr Querschnitt dem des zu bildenden Leiters entspricht. Anschließend wird die Hülse mäanderförmig gebogen, so daß ein Strombegrenzer entsteht, dessen Leiter die geforderten Abmessungen auf­ weist.

Der erfindungsgemäße resistive Strombegrenzer verliert beim Überschreiten einer kritischen Stromstärke seine supralei­ tenden Eigenschaften und wird zu einem ohmschen Widerstand. Wegen der speziell gewählten Abmessungen seiner elektrisch wirksamen Länge kehrt er aber in den supraleitenden Zustand zurück, sobald durch ihn kein überkritischer Strom mehr fließt.

Weitere erfindungswesentliche Merkmale sind in den Unteran­ sprüchen offenbart.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen aus einer supraleitenden Platte hergestell­ ten resistiven Strombegrenzer,

Fig. 2 einen weiteren resistiven Strombegrenzer,

Fig. 3 eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Strombegrenzers.

Der in Fig. 1 dargestellte resistive Strombegrenzer 1 weist einen Leiter 2 mit supraleitenden Eigenschaften auf. Der Leiter 2 ist aus einer supraleitenden Platte 3 gefertigt, die bei dem hier gezeigten Beispiel eine orthogonale Form aufweist. Die Platte 3 ist aus YBa₂Cu₃O_6,9 gefertigt. Sie wird bei einem Druck von 7 kbar verpreßt. Anschließend wird die Platte 3 bei 950°C etwa 24 Stunden gesintert. Hieran schließt sich eine Abkühlung des Plattenmaterials während 48 Stunden von 900 auf 400°C an. Die Platte 3 weist eine Abmessung von 85×50×5 mm^-3 auf. Sie besitzt eine Dichte von 4,69 g×cm^-3. Dies entspricht einer theoretischen Dichte von 74%. Die kritische Temperatur dieser Platte 3 liegt bei 89 K (R=0 Ohm). In die Platte 3 sind in die Längssei­ ten 3A und 3B Schlitze 4 eingesägt. Die Schlitze 4 sind al­ ternierend und senkrecht zur Längsachse der Platte 3 ange­ ordnet. Die Schlitze 4 sind so weit in die Platte 3 einge­ sägt, daß der Abstand d vom Schlitzende bis zur unmittelbar benachbarten Längsseite 3A, 3B etwa so groß ist wie der Ab­ stand f zweier benachbarter Schlitze 4. Dieser beträgt hierbei etwa 2 mm. Hierdurch wird ein mäanderförmiger Leiter 2 gebildet. Der Leiter 2 ist an seinen beiden Enden mit je einem elektrischen Anschlußpol 5 bzw. 6 versehen.

Wenn aus Gründen der elektrischen Leitfähigkeit des supra­ leitenden Materials die Verwendung einer Platte 3 erforder­ lich ist, die sich nicht selbst trägt, so wird diese zur Erhöhung ihrer Stabilität dauerhaft mit einem Träger (hier nicht dargestellt) verbunden. Dieser kann aus einem iso­ lierenden Material oder einem metallischen Material gefer­ tigt sein. Bei Verwendung eines metallischen Materials wird zwischen die Platte 3 und den Träger (hier nicht darge­ stellt) ein Isoliermaterial (hier nicht dargestellt) ange­ ordnet. Nach dem Verbinden der Platte 3 mit einem solchen Träger werden die Schlitze 4 wie oben beschrieben ausgebil­ det. Bei dem hier gezeigten Beispiel sind in die Platte 3 Schlitze 4 mit einer Länge von 4,2 cm und einer Breite von 1 mm eingesägt. Der Abstand zweier benachbarter Schlitze 4 beträgt 2 mm. Der hierdurch gebildete Leiter 2 weist eine Gesamtlänge von 169 mm und erfüllt die gewünschte Strombe­ grenzung in der gewünschten Weise.

Aus der gleichen Platte 3 entsteht, wenn sie mit nur 12 Schlitzen der gleichen Länge versehen wird, ein Leiter mit einer Länge von 67,7 cm. Der ohmsche Widerstand eines sol­ chen Leiters beträgt bei Raumtemperatur 0,70 Ohm. Bei 77 K und einer kritischen Stromdichte von 87 A cm² wird die Su­ praleitung bei einer Stromstärke von etwa 25 A unter­ brochen.

In Fig. 2 ist eine weitere Ausführungsform des erfindungs­ gemäßen Strombegrenzers 1 in vergrößertem Maßstab darge­ stellt. Dieser wird hierbei durch einen Träger 20 gebildet, in dessen Oberfläche 20a eine mäanderförmige Nut 21 ausge­ bildet ist. Diese ist zur Ausbildung des Leiters 2 mit su­ praleitendem Material 22 ausgefüllt. Die Nut 21 hat, damit der hierdurch gebildete Leiter 2 die gleichen Eigenschaften wie der in Fig. 1 dargestellte und in der zugehörigen Be­ schreibung erläuterte Leiter 2 aufweist, die gleichen Ab­ messungen wie dieser Leiter 2. Ist der Träger 20 aus einem elektrisch leitenden Material hergestellt, so wird die Nut 21 zunächst mit einem Isoliermaterial (hier nicht darge­ stellt) ausgekleidet.

Ist der Träger 20 aus einem isolierenden Material gefer­ tigt, so kann die Nut 21 unmittelbar mit dem Ausgangsmate­ rial ausgefüllt werden, das später supraleitende Eigen­ schaften aufweist. Durch eine entsprechende Nachbehandlung erhält dieses Material 22 seine supraleitenden Eigenschaf­ ten.

Wie Fig. 3 zeigt, kann der Leiter 2 des Strombegrenzers 1 auch aus einer Hülse 30 gebildet werden, die mit supralei­ tendem Material 32 ausgefüllt ist. Die Hülse 30 ist so ge­ walzt und gezogen, daß der Leiter 2 den gleichen Quer­ schnitt wie der in Fig. 1 dargestellte Leiter 2 aufweist. Die Hülse 30 wird zusätzlich so gebogen, daß der Leiter 2 die gewünschte Mäanderform zeigt. Er wird an seinen Enden zusätzlich mit elektrischen Anschlußpolen 5 versehen. Falls es erforderlich ist, kann die als Leiter 2 dienende Hülse 30 mit einem Träger 40 verbunden werden, um die mechanische Stabilität des Strombegrenzers 1 zu verbessern.

Claims (10)

1. Resistiver Strombegrenzer mit wenigstens einem den Nenn­ strom tragenden Leiter (2) aus einem Hochtemperatur-Su­ praleiter-Material, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch wirksame Länge des Leiters (2) um mindestens das dreifache größer ist als seine lineare Ausdehnung.

2. Resistiver Strombegrenzer nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Gesamtlänge des Leiters (2), sein Querschnitt und der senkrechte Abstand seiner Leiterab­ schnitte (2A) so gewählt sind, daß beim Überschreiten der kritischen Stromdichte der sich im supraleitenden Material oberhalb seiner Sprungtemperatur T_C einstellen­ de ohmsche Widerstand eine Größe aufweist, die eine Min­ derung des fließenden Stroms bewirkt.

3. Resistiver Strombegrenzer nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß der Leiter (2) aus einer su­ praleitenden Platte mit definierten Abmessungen gefer­ tigt ist.

4. Resistiver Strombegrenzer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter (2) aus einer supraleitenden, orthogonalen Platte gefertigt ist, die zur Ausbildung des Leiters (2) mit Schlitzen (4) verse­ hen ist, welche in definiertem Abstand parallel und alternierend zueinander in die beiden zur Längsachse (3A, 3B) der Platte (3) verlaufenden Seiten geschnitten sind.

5. Resistiver Strombegrenzer nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter (2) durch eine mit supraleitendem Material (22) ausgefüllte Nut (21) gebildet ist, die mäanderförmig in der Ober­ fläche eines Trägers (20) angeordnet ist.

6. Resistiver Strombegrenzer nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter (2) durch eine mit supraleitendem Material gefüllte Hülse (30) gebildet ist, die durch Walzen und Ziehen an den gewünschten Querschnitt des Leiters (2) angepaßt und mäanderförmig angeordnet ist.

7. Resistiver Strombegrenzer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das zur Fertigung des Leiters (2) verwendete Hochtemperatur-Supraleiter- Material ein polynäres Oxid ist, das Bismut, Calcium, Strontium und Kupfer mit oder ohne Zusatz von Blei ent­ hält.

8. Resistiver Strombegrenzer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter (2) aus einem Hochtemperatur-Supraleiter-Material in Form eines polynären Oxids besteht, das Yttrium und/oder ein Sel­ tenerdmetall sowie Barium und Kupfer enthält.

9. Resistiver Strombegrenzer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter (2) aus YBa₂Cu₃O_6,9 oder Bi₂Sr₂CaCu₂O₈ oder Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀ besteht.

10. Resistiver Strombegrenzer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter (2) aus NbTi, Nb₃Sn oder Chevrel-Phasen besteht.