DE60217840T2

DE60217840T2 - Supraleitender Fehlerstrombegrenzer

Info

Publication number: DE60217840T2
Application number: DE60217840T
Authority: DE
Inventors: Makan Chen; Lise Donzel; Martin Lakner; Willi Paul
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland; ABB Research Ltd Sweden
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland; ABB Research Ltd Sweden
Priority date: 2002-06-17
Filing date: 2002-06-17
Publication date: 2007-11-15
Anticipated expiration: 2022-06-18
Also published as: ES2280500T3; DE60217840D1; ATE352874T1; EP1376709A1; EP1376709B1

Description

ERFINDUNGSGEBIET
Die Erfindung betrifft das Gebiet der Hochtemperatursupraleiter. Sie basiert auf einem supraleitenden Kurzschlußstrombegrenzer nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Die deutsche offengelegte Spezifikation DE 196 34 424 A1 offenbart eine Hochtemperatursupraleiteranordnung zur Verwendung in einem Strombegrenzer. Die Anordnung umfaßt eine Supraleiterschicht, eine Silberschicht in Form eines elektrischen Nebenschlusses, die zusammen mit der Supraleiterschicht ein Leiter-Composite bildet, und eine Faser-Composite-Schicht. Letztere enthält eine Matrix, die aus Epoxidharz und Glas- oder Kohlenstofffasern aus verstärkendem Basismaterial besteht. Durch sie wird das Leiter-Composite mechanisch robust und wird durch Vakuumimprägnierung auf mindestens eine Hauptoberfläche des Leiter-Composites aufgebracht.
Strombegrenzer auf der Basis von Hochtemperatursupraleitern werden in ein kühlendes Medium, bevorzugt flüssigen Stickstoff LN₂, eingetaucht. Wenn der Supraleiter im Fall eines sich aus einem Kurzschluß ergebenden Überstroms einen passiven Übergang zu dem Widerstandszustand erfährt, wird Energie in dem Leiter-Composite erzeugt, und letzteres erhitzt sich sehr stark und erfordert eine gewisse Zeitdauer zum Wiederabkühlen auf die Arbeitstemperatur. Die durch das Kurzschlußereignis produzierte Widerstanderwärmung muß deshalb so effizient wie möglich abgeleitet werden, d. h. in Richtung des flüssigen Stickstoffs im rechten Winkel zu der Leiter-Composite-Schicht geleitet werden. Bei einer Supraleiteranordnung wie oben erwähnt ist jedoch die Effizienz des Wärmetransfers auf den flüssigen Stickstoff LN₂ reduziert, sobald auf der Oberfläche der Supraleiteranordnung ein gasförmiger Film entsteht, da die spezifische Wärme von Stickstoffgas unter der latenten Verdampfungswärme von LN₂ liegt.
In der deutschen offengelegten Spezifikation DE 199 29 277 A1 wird eine Hochtemperatursupraleiteranordnung vorgesehen, bei der der Supraleiter gegenüber übermäßiger Erwärmung nach einem Kurzschluß geschützt ist. Erreicht wird dies durch Bereitstellen einer Wärmespeicherungsschicht in Kontakt mit dem Supraleiter, die die von dem kurzfristigen Überstrom in dem Supraleiter erzeugte Wärme absorbiert und sie später an das Kühlmedium emittiert. Folglich wird der Supraleiter nicht adiabatisch erhitzt, sondern auf eine niedrigere Höchsttemperatur, und kühlt sich dementsprechend schneller wieder auf seine kritische Temperatur ab. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird die Wärmespeicherungsschicht aus einer Faser-Composite-Materialschicht ausgebildet, der ein Füllmaterial mit einer hohen spezifischen Wärme zugeführt worden ist, um die Wärmekapazität zu erhöhen. Dieses Füllmaterial wird der Polymermatrix zugesetzt und durchdringt das Basisgewebe des Composite-Materials.
Es wurde beobachtet, daß die oben erwähnte Wärmespeicherungsschicht tatsächlich das Abkühlen des Leiter-Composites nach einem Kurzschlußereignis auf die kritische Temperatur beschleunigt. An der Grenzfläche jedoch zwischen der Supraleiteranordnung und dem Kühlmedium wird flüssiger Stickstoff LN₂ verdampft und Schock- oder Druckwellen werden erzeugt. Letztere wirken sich auf alle in dem gleichen Volumen aus flüssigem Stickstoff eingetauchten Supraleiterkomponenten aus. Erhebliche mechanische Beanspruchungen, oftmals in Kombination mit zusätzlichen thermischen Beanspruchungen, werden auf diese supraleitenden Komponenten ausgeübt und können dazu führen, dass letztere mechanisch versagen.
Das Dokument DE 197 50 758 betrifft einen Hochtemperatursupraleiter, der auf einem Substrat aufgewachsen ist und von einer Nebenschlußschicht bedeckt ist. Sowohl das Substrat als auch die Nebenschlußschicht sind von einer wärmeisolierenden Oberflächenschicht bedeckt, die mit flüssigem Stickstoff als Kühlmittel in Kontakt steht. Die wärmeisolierende Schicht umfaßt zum Beispiel einen Lack, Epoxidharz oder Teflon und dient dem zugestandenermaßen unerwarteten Zweck, die Erholungszeit herabzusetzen, d. h. sie unterstützt das schnellere Wiederabkühlen des Supraleiters auf die Temperatur des Kühlmittels.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der Erfindung besteht deshalb in der Herstellung eines supraleitenden Kurzschlußstrombegrenzers des anfänglich erwähnten Typs, der im Fall eines Kurzschlußstroms in einer die Supraleiteranordnung umfassenden Leitung mechanischen Beanspruchungen weniger ausgesetzt ist. Diese Aufgabe wird durch einen supraleitenden Kurzschlußstrombegrenzer nach Patentanspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
Bei dem erfindungsgemäßen hochtemperatursupraleitenden Kurzschlußstrombegrenzer ist eine elektrisch nicht leitende thermische Barriere neben einem Leiter-Composite vorgesehen. Die in dem Leiter-Composite während eines Kurzschlußstromeignisses erzeugte Joule'sche Wärme wird daran gehindert, sofort zu einem Behälter flüssigen Stickstoffs geleitet zu werden. Die Wärme wird einige Zeit nach Beginn des Kurzschlußereignisses langsam an die kühlende Flüssigkeit abgegeben. Die Zeit zum Abkühlen auf die Arbeitstemperatur wird somit, bevorzugt um mindestens einen Faktor von 2, bezüglich einer ähnlichen Anordnung ohne thermische Barriere heraufgesetzt. Es werden weniger heftige Schock- oder Druckwellen in dem umgebenden kühlenden Fluid nach einem Kurzschlußstromereignis erzeugt, und es kommt zu so gut wie keinem Filmsieden.
Die zugrundeliegende physikalische Größe, die den Wärmetransfer über die thermische Barriere hinweg bestimmt, ist das Verhältnis aus der Wärmeleitfähigkeit und der Dicke der Barriere. Bevorzugt sollte das Verhältnis zwischen 50 und 1000 W/m²K liegen. Andererseits definieren geometrische Überlegungen eine Obergrenze für die Gesamtdicke eines Moduls, das zwei Rücken an Rücken angeordnete bandförmige Leiter-Composites umfaßt, was zu einer größten Dicke der thermischen Barrieren von etwa 2 mm führt.
Bei einer bevorzugten Variante der Erfindung umfaßt die thermische Barriere einen voluminösen Körper, der aus einem porösen Material wie etwa Kork oder Preßpappe oder Wollfilz hergestellt ist, der mit Hilfe eines Klebers an das Leiter-Composite geklebt ist.
Von besonderem Interesse als Material für die thermische Barriere ist eine Schicht aus Preßpappe, d. h. komprimierte Cellulose, bevorzugt zumindest teilweise mit einem duroplastischen Polymer wie etwa einem Epoxidharz imprägniert. Eine imprägnierte Preßpappe ist aufgrund ihres geringen Elastizitätsmoduls und der ausgezeichneten Entsprechung ihres Wärmeausdehnungskoeffizienten mit jenen des Leiter-Composites mechanisch günstig.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Der Gegenstand der Erfindung wird in dem folgenden Text unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsbeispiele, die in den beigefügten Zeichnungen illustriert sind, eingehender erläutert. Es zeigen:
1 schematisch einen Querschnitt durch eine sich senkrecht zu der Ebene des Querschnitts erstreckende Supraleiteranordnung,
2 die Abhängigkeit der Erholungszeit t_rec von der Dicke d der thermischen Barriere und
3 die Abhängigkeit der Erholungszeit t_rec von der pro Oberflächeneinheit der Anordnung abgeschiedenen Energie E
Die in den Zeichnungen verwendeten Referenzsymbole und ihre Bedeutungen sind in Übersichtsform in der Liste von Referenzsymbolen aufgelistet. Prinzipiell sind identische Teile in den Figuren mit den gleichen Referenzsymbolen versehen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 zeigt eine planare Supraleiteranordnung zur Verwendung in einem Kurzschlußstrombegrenzer gemäß der Erfindung mit einem Leiter-Composite 1, das eine supraleitende Schicht 11 und eine normal leitende elektrische Nebenschlußschicht 12 umfaßt. Eine thermische Barrierenschicht 3 steht in Kontakt sowohl mit einer Hauptoberfläche des Leiter-Composites 1 als auch einem Kühlfluid 4. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die thermische Barrierenschicht 3 auf der Nebenschlußseite des Leiter-Composites 1 angeordnet und an letzterem mit Hilfe einer Klebeschicht 2 angebracht, die gleichzeitig einen Wärmetransfer zwischen dem Leiter-Composite 1 und der thermischen Barriere 3 sicherstellt. Ein Hauptteil der während der kurzfristigen Überlastung des Leiter-Composites 1 abgeleiteten Wärme wird vorrübergehend in dem Composite 1 und der thermischen Barriere 3 zwischengespeichert. Die Wärme wird nach einigen wenigen Wechselstromzyklen an das Kühlmittel 4 abgegeben, d. h. in der Regel nach dem Ende des Kurzschlusses. Dementsprechend erfordert das Leiter-Composite zum Wiederabkühlen auf die Arbeitstemperatur mehr Zeit, doch werden aufgrund des glatten Wärmetransferprozesses in einem umgebenden Kühlfluid 4 keine Schockwellen erzeugt.
Typische Abmessungen für die Anordnung sind Schichtdicken von 0,5 mm sowohl für eine polykristalline Supraleiterschicht 11 auf Bi-Basis als auch eine Stahlnebenschlußschicht 12. Die Breite eines Composite- Leiterbands oder eine Composite-Leiterspur in Form eines Meanders zu Strombegrenzungszwecken beträgt etwa 2 cm. Der Composite-Leiter 1 kann an einem Substrat oder an einer weiteren Schicht mit einem höheren thermischen Widerstand als der thermischen Barrierenschicht 3 angebracht sein. Alternativ kann eine erste Anordnung dieses Typs auf Weise Rücken an Rücken mit einer zweiten Anordnung kombiniert sein, um ein sogenanntes Modul zu bilden, wie in dem oben erwähnten Dokument DE 196 34 424 A1 ausführlich erörtert. Eine beliebige Anzahl von Modulen kann weiterhin in Form eines Stabes angeordnet und miteinander verbunden sein, um für eine ausreichende Leiterlänge zu sorgen. Bei solchen Stapeln ist die elektrische Isolation zwischen benachbarten Leitern nur ein kleineres Problem, da die Spannungsdifferenz zwischen zwei Punkten proportional zu der Leiterlänge dazwischen ist und deshalb nur einen Bruchteil der im Fall eines Kurzschlusses an den Strombegrenzer angelegten Gesamtspannung beträgt. Um jedoch den in einem Kühlbehälter verfügbaren Raum effizient zu nutzen, ist die Gesamtdicke eines Moduls und somit die Dicke der beiden thermischen Barrierenschichten, die es verkapseln, begrenzt. Da zudem erwartet wird, daß eine Abdeckung von 70% der Oberfläche des Leiter-Composites 1 zu einer ausreichenden Reduzierung des an der Grenzfläche zwischen dem Kühlmedium 4 und der Supraleiteranordnung entstehenden gasförmigen N₂ führt, braucht das Leiter-Composite 1 nicht ganz von der thermischen Barrierenschicht 3 bedeckt zu sein.
Bei Supraleiteranordnungen wie oben erwähnt darf die Wärmetransferdichte γ durch das Composite zu dem umgebenden Kühlmittel, während des Erholungsprozesses gemittelt, nur 2 W/cm² betragen. Unter Annahme einer gemittelten Temperaturdifferenz ΔT über die thermische Barriere von einigen Dutzend K hinweg, beträgt das Verhältnis γ/ΔT, das gleich dem Verhältnis der Wärmeleitfähigkeit κ und einer Dicke d_tb der thermischen Barriere ist, 50 bis 1000 W/m²K. Wenn jedoch größere Temperatur differenzen ΔT zu erwarten sind, entweder als Mittel- oder Spitzenwerte, könnte das oben erwähnte Verhältnis entsprechend kleiner gewählt werden.
2 ist ein Graph, der die Erholungszeit t_rec als Funktion der Dicke d der thermischen Barriere zeigt. Die Erholungszeit t_rec ist die Zeit, die der Supraleiter 11 nach einem Kurzschlußereignis benötigt, um zu seiner Arbeitstemperatur zurückzukehren, die im allgemeinen die Temperatur des umgebenden flüssigen Kühlmittels ist. Somit wird die Erholungszeit t_rec zweckmäßigerweise bestimmt durch Beobachten der Zeit, bis keine weiteren Blasen in dem flüssigen Kühlmittel entstehen. Bei einer thermischen Barriere von null, d. h. wenn die Nebenschlußschicht in direktem Kontakt mit dem Kühlmittel steht, benötigt der Erholungsprozeß 10 Sekunden (dicker Punkt bei 0,0 mm), wohingegen bei einer Schicht aus gehärtetem Epoxidharz, wie in DE 199 29 277 A1 vorgeschlagen (zweiter Punkt von links bei d = 0,05 mm), die Erholungszeit t_rec auf 7 Sekunden reduziert ist. In diesen beiden Fällen wurde in den supraleitenden Komponenten eine mechanische Beschädigung beobachtet.
Mit Hilfe einer thermischen Barriere in Form eines Volumenkörpers oder einer Volumenmatrix mit offenen Poren könnten die Erholungszeit vergrößert und die mechanische Beschädigung reduziert werden. Der Wortlaut "Volumen" bezieht sich in diesem Kontext auf eine Barriere, die aus mehr als lediglich einer Lage aus Tuch besteht, d. h. gehobenen oder texturierten Fasern. Die Volumenkörper sind bevorzugt mit einem Polymerharz geringer Viskosität imprägniert, wodurch zumindest teilweise die offenen Poren geschlossen werden. In 2 sind die Erholungszeiten t_rec für imprägnierte Preßpappen unterschiedlicher Dicken d aufgeführt. Ähnliche Ergebnisse wurden mit Korkplatten vergleichbarer Dicken erzielt. Alternativ wurden auch Schichten aus Wollfilz und Kautschukschaum mit Erfolg getestet. Da sie einfach an das Leiter-Composite geklebt und/oder nur teilweise imprägniert sind, behalten die Schichten aus Wollfilz oder Kautschukschaum ihre offenporige Struktur im wesentlichen bei. Indem die im Inneren dieser Poren ausgebildeten N₂-Blasen gefangen werden, wird die Kühlflüssigkeit LN₂ daran gehindert, in einen Kontakt mit dem Leiter-Composite zu treten, und eine zusätzliche Verzögerung bei dem Wärmetransfer wird erreicht.
3 zeigt die Abhängigkeit der Erholungszeiten t_rec von der pro Flächeninhalt des Composites erzeugten Energiemenge E, d. h. der abgeleiteten Leistung pro Flächeninhalt integriert über die Dauer des Kurzschlußereignisses. Wie bereits in 2 dargestellt, ist ohne thermische Barriere t_rec gleich 10 Sekunden (dicker Punkt bei E = 25 J/cm², "0,0 mm"). Mit einer dünnen Schicht aus gehärtetem Epoxidharz mit einer Dicke von 0,05 mm (Dreicke, "0,05 mm") nimmt die Erholungszeit t_rec ab, wohingegen die Erholungszeit für eine imprägnierte Preßpappenschicht von 0,5 mm Dicke (Quadrate, "0,5 mm") für alle untersuchten Energien zunimmt.
Preßpappen, d. h. komprimierte, aus Cellulose produzierte Platten, können unter Verwendung von entsprechenden Prozessen mit Polymerharzen mit einer geringen Viskosität imprägniert werden, was zu einem Preßpappe-Polymermatrix-Composite führt. Geeignete Harzsysteme basieren beispielsweise auf Epoxid-, Silicium- oder Polyesterharzen. Solche Harze können alternativ oder gleichzeitig als der Kleber 2 für das Bonden der thermischen Barriere 3 an das Composite 1 verwendet werden. Dadurch verhindert die Polymerharzschicht 2 zusätzlich, daß die Kühlflüssigkeit 4 zwischen die oben erwähnten Schichten eindringt.
In dem Bereich zwischen Raumtemperatur und der Arbeitstemperatur ist der mittlere Wärmeausdehnungskoeffizient des Preßpappe-Polymermatrix-Composites vergleichbar mit dem des Leiter-Composites (10–15 × 10^–6/K). Dies führt zu der Möglichkeit, das Cellulose-Composite und das Leiter-Composite in direkten und permanenten mechanischen Kontakt zu bringen, ohne daß man über Schäden besorgt sein muß, die durch Beanspruchung während des Kühlens oder Erwärmens induziert werden.

1: Leiter-Composite
11: Supraleiter
12: elektrischer Nebenschluß
2: Kleber
3: thermische Barriere
4: Kühlfluid

Claims

Supraleitender Kurzschlußstrombegrenzer, umfassend: ein bandförmiges Leiter-Composite (1) mit einer ersten und einer zweiten Hauptoberfläche, mit einer aus einem Hochtemperatursupraleitermaterial hergestellten Supraleiterschicht (11) und einer elektrischen Nebenschlußschicht (12), und eine elektrisch nichtleitende thermische Barrierenschicht (3) in Kontakt mit der ersten Hauptoberfläche des Leiter-Composites (1) und angeordnet an der ersten Hauptoberfläche derart, daß sie in Kontakt mit einem Kühlfluid gebracht werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Barrierenschicht (3) thermische Eigenschaften aufweist, die eine Erholungszeit t_rec heraufsetzen, die das Leiter-Composite (1) benötigt, nach einem Kurzschlußereignis unter eine kritische Temperatur T_C des Supraleiters (11) abzukühlen, im Vergleich zu einem identischen Leiter-Composite ohne jegliche thermische Barrierenschicht, und daß die Dicke der thermischen Barrierenschicht (3) zwischen etwa 0,3 und 2 mm liegt.
Kurzschlußstrombegrenzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis aus einer Wärmeleitfähigkeit κ und einer Dicke d_tb der thermischen Barrierenschicht (3) zwischen 50 und 1000 W/m²K liegt.
Kurzschlußstrombegrenzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Barrierenschicht (3) einen aus einem porösen Material hergestellten Volumenkörper umfaßt.
Kurzschlußstrombegrenzer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Barrierenschicht (3) eine zumindest teilweise mit einem Polymerharz imprägnierte Preßpappe umfaßt.