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ALLGEMEINER
STAND DER TECHNIK
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Die
Erfindung betrifft Supraleiter, wie etwa zusammengesetzte Supraleiter.
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Supraleiter
sind im Allgemeinen entweder als Niedrigtemperatur- oder Hochtemperatursupraleiter
klassifiziert. Eine wichtige Eigenschaft des Supraleiters ist das
Verschwinden seines elektrischen Widerstands, wenn er unter seine
kritische Temperatur Tc gekühlt ist.
Für einen
gegebenen Supraleiter, der unter Tc arbeitet,
besteht eine Maximumstrommenge – als
kritischer Strom (Ic) des Supraleiters bezeichnet –, die durch
den Supraleiter an einem spezifischen Magnetfeld und spezifischer
Temperatur unter seiner kritischen Temperatur (Tc)
und kritischem Magnetfeld (Hc) geleitet
sein kann. Unter diesen Bedingungen bewirkt jeglicher Strom, der über Ic hinausgeht, den Beginn des Widerstands
im Supraleiter.
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Die Übergangskennzeichen
von Tieftemperatursupraleitungs- (LTS-) und Hochtemperatursupraleitungs-
(HTS) Materialien sind ziemlich unterschiedlich. Insbesondere für LTS-Material
erfolgt der Übergang
zwischen Supraleitung und Nichtsupraleitung eher abrupt. Dieses Übergangskennzeichen
hat den Gebrauch von LTS-Materialien bei Strombegrenzungsanwendungen
attraktiv gemacht. Derartige LTS-Strombegrenzungsgeräte begrenzen
den Fluss von übermäßigem Strom
in elektrischen Anlagen, der beispielsweise durch Kurzschlüsse, Blitzschläge oder
gewöhnliche
Leistungsschwankungen bewirkt ist. Da die Übergangstemperatur von LTS-Materialien verhältnismäßig niedrig
ist (d.h. im Allgemeinen ungefähr
Tc = 4 EK bis 30 EK), sind jedoch die Kosten hoch,
die mit dem Kühlen
derartiger Materialien auf Temperaturen unter ihre Tc = s zusammenhängen. Zudem
kommen durch die zum Erzielen derartiger niederer Temperaturen benutzen
Kryogene wesentliche Kosten und Komplexität hinzu, wodurch die Zuverlässigkeit
von Geräten,
die derartige LTS-Materialien benutzen, herabgesetzt ist, die außerdem mit großer Sorgfalt
gehandhabt werden müssen.
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Andererseits
ist das Übergangskennzeichen eines
HTS-Materials im
Allgemeinen nicht abrupt. Beim Erreichen seiner kritischen Temperatur
oder seines kritischen Stromwerts nimmt die Supraleitfähigkeit
des HTS-Materials stattdessen allmählich ab, wenn seine Temperatur
und sein Stromfluss zunehmen, bis es eine Temperatur oder einen
Stromwert erreicht, auf dem das Material keinerlei Supraleitfähigkeitskennzeichen
mehr aufweist.
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Wegen
der erheblichen Nichtlinearität
in den Strom-Spannungs-
(I-V-) Kennzeichen des HTS- sowie des LTS-Materials über einen Bereich, der sowohl
supraleitende als auch nichtsupraleitende Zustände beinhaltet, können kleine
Inhomogenitäten
im kritischen Strom des Supraleiters, die beispielsweise durch örtliche
Durchmesser- oder
Zusammensetzungsunterschiede bewirkt sind, zu einer inhomogenen
Spannungsverteilung über
den Supraleiter und örtliche
thermische Zerstörung
des Supraleiters an den überhitzten
Stellen dieser Verteilung führen.
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Die
Patentschrift
US 4,977,039 betrifft
mehrere Nieder-Tc-Supraleiterdrähte, die
zum Ausbilden eines Kabels zusammengefügt sind. Um zu verhindern,
dass Reibungs wärme,
die an der Oberfläche des
Kabels erzeugt ist, einen zusammengesetzten Leiter im Kern des Drahts
erreicht, ist eine thermische Leiterfolie zur Hitzelängsleitung
auf den Draht aufgebracht. Die vorzugsweise metallische thermische
Leiterfolie ist mithilfe einer Isolierfolie mit einer Stärke im Bereich
von 1 μm
bis 100 μm
von dem zusammengesetzten Leiter getrennt.
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Die
Patentschrift
US 3,959,549 offenbart eine
flexible, mehrschichtige, elektrische Isolierung für tiefgekühlte Kabel
von Nieder-Tc-Supraleitern. Die Isolierung ist ein Laminat, das
Schichten von Spunbonded-Papieren und Schichten von Isolierfolie umfasst,
und ist zwischen zwei konzentrischen, röhrenförmigen Leitern des Kabels angeordnet.
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Die
Patentschrift
US 5,102,865 schlägt ein Metallsubstrat
für einen
(Hoch-Tc-) Keramiksupraleiter mit einer Oxidschnittstellenschicht
als Diffusionssperre vor. Der Supraleiter kann letztendlich auf
beide Seiten eines Bandsubstrats (
3 und
4) aufgebracht
sein.
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Kurzdarstellung der Erfindung.
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Die
Erfindung weist einen elektrischen Leiter auf, der für supraleitende,
Strombegrenzungsanwendungen gut geeignet ist, wie in Anspruch 1
offenbart. In einem Aspekt ist das Supraleiterglied ein Verbund mit
supraleitendem Material und einem nichtsupraleitendem, elektrisch
leitendem Matrixmaterial. In einem anderen Aspekt ist das Supraleiterglied
ein supraleitendes Massenmaterial. In wiederum einem anderen Aspekt
ist das Supraleiterglied ein Verbund mit supraleitendem Material,
das mechanisch durch ein im Wesentlich nichtleitendes Matrixmaterial
gestützt ist.
Der elektrische Leiter ist zum Steuern der Art und Weise konfiguriert,
in der das Supraleiterglied von seinem supraleitenden Zustand in
seinen nichtsupraleitenden (d.h. normalen) Zustand aufgrund von
beispielsweise einem Fehlerstromzustand übergeht.
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In
einem allgemeinen Aspekt der Erfindung enthält der elektrische Leiter einen
Wärmeleiter,
der an der Länge
des Supraleiterglieds und daran entlang angebracht ist, und ein
elektrisch isolierendes Material, das zwischen dem Wärmeleiter
und der Länge
des Supraleiterglieds angeordnet ist, wobei das elektrisch isolierende
Material eine Stärke
aufweist, die es ermöglicht,
dass Wärme
von dem Supraleiterglied zu dem befördert wird.
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In
einem anderen Aspekt der Erfindung enthält ein supraleitendes Strombegrenzungsgerät eine Stützstruktur
(z.B. ein inneres Stützrohr)
und den oben beschriebenen elektrischen Leiter, der auf der Stützstruktur
angeordnet ist.
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Im
Allgemeinen dient das Supraleiterglied zum Befördern des Stroms unter Nichtfehlerbedingungen
mit geringem Stromverlust. In einer bevorzugten Ausführungsform,
einem supraleitenden Verbund mit dem supraleitendem Material und
der Metallmatrix, kann die Matrix einen wechselnden Stromweg zum
Ausgleichen örtlicher
Inhomogenitäten
des Supraleiters bei Nichtfehlerzuständen vorsehen. Andererseits
befördert
das Glied bei einem Fehlerzustand den Fehlerstrom mit einem hohen
Widerstand über
kurze Zeiträume.
Der Wärmeleiter
dient als Wärmestabilisator
und Wärmesenke
während
vorübergehender
Fehlerstromereignisse. Im Allgemeinen verhindert der Wärmeleiter,
dass das supraleitende Material unter einer Fehlerbedingung zu heiß wird. Der
elektrische Leiter darf aus zwei Gründen nicht zu heiß werden:
1) muss er ein schnelles Wärmerückgewinnungskennzeichen
aufweisen und 2) können
rasche, umfassende Temperaturänderungen
Wärmebelastungen
bewirken, die ausreichen, um das supraleitende Material zu zerstören. Der
Wärmeleiter
ist direkt oder indirekt mit einem Kühlkanal verbunden. Der Kühlkanal
kann ein Flüssigkryogenbad,
Gaskühlung
oder ein Leitungskühlungsweg
(d.h. Kupfer oder Aluminiumoxid) sein.
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Das
elektrisch isolierende Material wirkt als kleine thermische und
elektrische Sperre mit doppeltem Zweck. Zunächst verhindert das isolierende
Material Stromübertragung
von dem Supraleiterglied in den Wärmeleiter. Zweitens bewirkt
das isolierende Material eine Verzögerung der Wärmeübertragung zwischen
dem Supraleiterglied und der thermischen Sperre, sodass das supraleitende
Material vollständig
in seinen normalen, nichtsupraleitenden Zustand zurückkehren
kann.
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Das
elektrisch isolierende Material sieht eine thermische Sperre vor,
die die Zeit reduziert, welche der Supraleiter zum übergehen
von einem supraleitenden Zustand in einen nichtsupraleitenden Zustand benötigt, wodurch
die Strommenge reduziert ist, die durch das supraleitende Material
des Glieds fließt, und
der Gesamtstrom vermindert ist, der durch den elektrischen Leiter
fließt.
Infolgedessen ist eine mögliche
Beschädigung
des Supraleiterglieds minimiert, die durch den übermäßigen Stromfluss und mechanische
Belastungen (beispielsweise Umfangsspannungen) bewirkt ist.
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Ausführungsformen
von jedem der Aspekte der Erfindung können eines oder mehrere der
folgenden Merkmale enthalten.
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Das
supraleitende Material ist in der Form mehrerer supraleitender Fäden, wobei
die supraleitenden Fäden
von einer nichtsupraleitenden Metallmatrix (z.B. Silber oder Silberlegierung)
umgeben sind. Alternativ ist das supraleitende Material in Monolithform
als Beschichtung auf einer nichtleitenden, oder vorzugsweise leitenden,
Keramikpufferschicht, die auf einem Metallsubstrat (z.B. Nickel,
Kupfer oder Aluminiumlegierung) gestützt ist.
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Der
Wärmeleiter
ist aus voneinander beabstandeten wärmeleitenden Elementen ausgebildet. Das
elektrisch isolierende Material und der Wärmeleiter bilden zusammen ein
erstes Laminat aus. Ein zweites Laminat ist auf dem ersten Laminat
angeordnet und enthält
eine zweite Fläche
von elektrisch isolierendem Material, das auf den mehreren ersten wärmeleitenden
Elementen des ersten Laminats angeordnet ist, und einen zweiten
Wärmeleiter
(vorzugsweise aus mehreren zweiten, voneinander beabstandeten wärmeleitenden
Elementen ausgebildet), der an dem zweiten, elektrisch isolierenden
Material angebracht ist.
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Die
wärmeleitenden
Elemente des ersten Laminats und die wärmeleitenden Elemente des zweiten
Laminats sind bezüglich
der Länge
des Supraleiterglieds zueinander versetzt. Infolgedessen weist der
elektrische Leiter erhöhte
mechanische Festigkeit, insbesondere in gewickelten Strukturen, auf.
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In
bestimmten Ausführungsformen
ist das erste Laminat an eine erste Seite der Länge des Supraleiterglieds angebracht
und das zweite Laminat an einer zweiten, gegenüberliegenden Seite der Länge des
Supraleiterglieds angebracht. Das Supraleiterglied ist in Sandwichbauweise
zwischen zwei Stabilisierungsglieder eingeschoben, wodurch verbesserte
thermische Stabilität
und mechanische Festigkeit bereitgestellt ist.
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Das
Supraleiterglied ist in der Form eines Bands mit einer Stärke im Bereich
zwischen ungefähr 25
und 300 Mikron. Das supraleitende Material ist aus einem anisotropen
Hochtemperatursupraleitermaterial ausgebildet.
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Der
Wärmeleiter
kann aus einem Metall, einer Metalllegierung oder elektrischem Isolierstoff
mit guter Wärmeleitfähigkeit
wie etwa einem hochgradig mineralgefülltem Harz ausgebildet sein,
ist jedoch vorzugsweise aus Edelstahl ausgebildet. Jedes der wärmeleitenden
Elemente weist eine Stärke
in einem Bereich zwischen ungefähr
100 und 1000 Mikron auf. Das elektrisch isolierende Material ist
aus Glas-Epoxyd oder anderem Material ausgebildet, wie etwa durch
herkömmliche
oder UV-Systeme gehärtetem Lack,
Thermoplasten, Epoxidharze oder Verbundstoffe (d.h. Glasfaser-Harz-Verbundstoffe
oder imprägniertes
Papier), das imstande ist, als Isolierstoff bei Tieftemperaturen
zu dienen. In bestimmten Ausführungsformen
ist das elektrisch isolie rende Material ein Polyimidmaterial mit
einer Stärke
in einem Bereich zwischen 5 und 50 Mikron.
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In
einer alternativen Ausführungsform
ist das supraleitende Material in Monolithform mit der nichtsupraleitenden
Matrix in engem Kontakt mit dem supraleitenden Material.
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Andere
Vorteile und Merkmale werden aus der folgenden Beschreibung und
den Ansprüchen
ersichtlich.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine auseinandergezogene Ansicht eines Abschnitts des elektrischen
Leiters gemäß der Erfindung.
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2 ist
eine Querschnittseitenansicht des elektrischen Leiters von 1.
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3 ist
ein Schaubild, das Strom und Temperatur als Zeitfunktion für einen
Hochtemperatursupraleiter ohne Wärmestabilisator
zeigt.
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4 ist
ein Schaubild, das Strom und Temperatur als Zeitfunktion für einen
Hochtemperatursupraleiter mit einem Wärmestabilisator zeigt, der
direkt daran angebracht ist.
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5 ist
ein Schaubild, das Strom und Temperatur als Zeitfunktion für einen
elektrischen Leiter gemäß der Erfindung
mit einer thermischen Sperre zeigt, die zwischen einem Hochtemperatursupraleiter und
einem Wärmestabilisator
angeordnet ist.
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6 ist
eine Querschnittseitenansicht einer supraleitenden Spule, die mit
dem elektrischen Leiter von 1 gewickelt
ist.
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7A bis 7C stellt
einen Vorgang zum Fertigen des supraleitenden Verbunds von 1 dar.
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8 ist
eine Perspektivansicht eines alternativen Ansatzes zum Ausbilden
von Unterbrechungen in dem thermischen Stabilisator.
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9 ist
ein Schaubild, das Strom und Temperatur als Zeitfunktion für einen
anderen elektrischen Leiter gemäß der Erfindung
mit einer thermischen Sperre zeigt, die zwischen einem Hochtemperatursupraleiter
und einem Wärmestabilisator
angeordnet ist.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG
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Unter
Bezugnahme auf 1 enthält ein Supraleiterverbund 10 ein
Supraleiterband 12, das aus Hochtemperatursupraleiter-
(HTS-) Material ausgebildet ist, wie etwa jene, die aus supraleitender
Keramik, die Metalloxid enthält,
hergestellt sind, die typischerweise anisotrop sind, was bedeutet,
dass sie im Allgemeinen bezüglich
der Kristallinstruktur besser in eine Richtung leiten als in die
andere. Anisotrope Hochtemperatursupraleiter enthalten die Familie
von Cu-O-basierten Keramiksupraleitern, wie etwa Mitglieder der
Seltenerd-Kupferoxid-Familie
(YBCO), der Thallium-Barium-Calcium- Kupferoxid-Familie (TBCCO), der Quecksilber-Barium-Calcium-Kupferoxid-Familie
(HgBCCO) und der Wismut-Strontium-Calcium-Kupferoxid-Familie
(BSCCO), sind aber nicht darauf beschränkt. Diese Zusammensetzungen können mit
stöchiometrischen
Mengen von Blei oder anderen Materialien zum Verbessern von Eigenschaften
dotiert sein (z.B. (Bi, Pb)2Sr2Ca2Cu3O10-δ).
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Das
Supraleiterband 12 weist ein verhältnismäßig großes Längenverhältnis auf (d.h. seine Breite ist
größer als
seine Tiefe) und ist als Mehrfadenverbundsupraleiter gefertigt,
der einzelne Hochtemperatursupraleiterfäden enthält, welche sich im Wesentlichen
den Mehrfadenverbundleiter entlang erstrecken und von einem matrixbildenden
Material (z.B. Silber oder Silberlegierung) umgeben sind. Es kann
typischerweise eine Stärke
von über
5 Mikron bis zu ungefähr
500 Mikron aufweisen, vorzugsweise 10 bis 100 Mikron.
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Weil
der Supraleiter in einer leitfähigen
Matrix eingebettet ist, ist, aufgrund des Widerstandsbeginns in
dem Supraleiter jeder Zuwachsstrom über Ic zwischen
dem Supraleiter und dem Matrixmaterial geteilt. Das Verhältnis Supraleitermaterial
zu Materialgesamtmenge (d.h. dem matrixbildenden Material und dem
Supraleitermaterial) in einem gegebenen Querschnittbereich ist als
Fülldichte
bekannt und beträgt
im Allgemeinen weniger als 50%. Obgleich das matrixbildende Material
Elektrizität
leitet, ist es nicht supraleitend. Zusammen bilden die supraleitenden Fäden und
das matrixbildende Material ein zusammengesetztes Mehrfaden-Hochtemperatursupraleiterglied
aus.
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Ein
Stabilisator 13 ist über
das Supraleiterband 12 laminiert, das einen Wärmeweg für Hitze vorsieht,
die während
des Zeitraums in dem Supraleiterband 12 erzeugt ist, in
dem das Supraleiterband 12 von seinem supraleitenden Zustand
in seinen Normalzustand, beispielsweise aufgrund eines Fehlerstroms, übergeht.
Zudem sieht der Stabilisator 13 mechanische Unterstützung für das Supraleiterband 12 durch
Aufnehmen von mechanischen Belastungen (z.B. Lorenzkräfte, Umfangsspannung)
vor, die durch thermische Ausdehnung in dem Band während des Übergangszeitraums
erzeugt sind. Wie unten beschrieben, sind die mechanischen, thermischen
und Dimensionskennzeichen der Bestandteile des Stabilisators 13 entscheidend
beim Steuern der Art und Weise, in der das Supraleiterband 12 in
seinen Normalzustand übergeht.
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Der
Stabilisator 13, wie in 1 gezeigt,
ist in Schichten von unterbrochenen Stabilisatorgliedern 14a, 14b, 14c ausgebildet,
die jeweils einen wärmeleitenden
Streifen 16a, 16b, 16c aufweisen, welche über einer
elektrisch isolierenden Schicht 18a, 18b, 18b angeordnet
sind. Unter Bezugnahme auf 2 können zusätzliche
Stabilisatorglieder 16d, 16e, 16f mit
entsprechenden leitfähigen
Streifen 16d, 16e, 16f, die Isolierschichten 18d, 18e, 18f überlagern,
auf der gegenüberliegenden
Seite des Supraleiterbands 14 vorgesehen sein, sodass das
Supraleiterband 12 entlang einer neutralen Ebene des Verbunds 10 liegt. Die
leitfähigen
Streifen 16a bis 16f sind aus einem Material mit
hoher Wärmeleitfähigkeit
ausgebildet und durch hohen Modul, große Festigkeit und Flexibilität gekennzeichnet.
In bestimmten Ausführungsformen
sind die leitfähigen
Streifen 16a bis 16f aus Metall, wie etwa Edelstahl oder
Kupfer, mit guten Wärmeleitfähigkeitskennzeichen
zumindest bei den niedrigen Temperaturen ausgebildet, bei denen
die Erfindung arbeitet.
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Wiederum
unter Bezugnahme auf 1 sowie 2 sind die
Isolierschichten 18a bis 18f aus einem rückseitig
mit Klebstoff versehenen Polyimidmaterial (z.B. Karton®, ein
Erzeugnis von. E.I. Dupont aus Nemours, Wilmington, DE, USA) mit
einer Stärke (z.B.
5 bis 25 Mikron) ausgebildet, die viel geringer, typischerweise
5 bis 100 Mal geringer und vorzugsweise zumindest eine Größenordnung
geringer als die der leitfähigen
Streifen 16a, 16b, 16c (z.B. 300 Mikron)
ist. Insbesondere stellen die Isolierschichten 18a bis 18f eine
thermische Sperre zwischen dem supraleitenden Verbund 10 und
den Stabilisatorgliedern 14a, 14b, 14c dar
und weisen vorzugsweise eine Wärmeleitfähigkeit
auf, die zumindest ungefähr eine
Größenordnung
geringer als die von Edelstahl ist. Die Stärke von jeder der Isolierschichten 18a bis 18f ist
zum Steuern der Geschwindigkeit des Übergangs des Supraleiterbands 12 aus
supraleitendem Material von seinem supraleitenden Zustand in seinen
normalen, nichtsupraleitenden Zustand ausgewählt. Daher gehen die supraleitenden
Fäden derart in
ihren nichtsupraleitenden Zustand über, dass der Strom in dem
Matrixmaterial des Verbunds statt in den Fäden fließt, die ein verhältnismäßig höheres Leitfähigkeitskennzeichen
in ihrem nichtsupraleitendem Zustand aufweisen. Infolgedessen ist
die Leistungsgesamtmenge, die in dem supraleitenden Verbund 10 abgeführt wird,
vorteilhaft reduziert und eine mögliche
Zerstörung
der supraleitenden Fäden
minimiert.
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Obgleich
der Stabilisator als fortlaufende Länge aus Hochmodulmaterial ausgebildet
sein kann, können
in Ausführungsformen,
bei denen die leitfähigen
Streifen 16a bis 16f aus elektrisch leitfähigen Materialien
ausgebildet sind, Fehlstellen (z.B. kleine Löcher oder Risse) in den Isolierschichten 18a bis 18f bestehen.
Daher kann elektrische Kontinuität zwischen
den leitfähigen
Streifen 16a bis 16f und dem Supraleiterband 12 stattfinden.
Um einen kompletten elektrischen Kurzschlusszustand entlang der Länge der
leitfähigen
Streifen 16a bis 16f zu verhindern und stattdessen
einen nichtanziehenden Stromflussweg zu bilden, enthält jeder
Streifen Unterbrechungen 20 in Form von Spalten entlang
ihrer Länge, um
den Widerstand der Stabilisatorglieder 14a bis 14f am
Ort der Fehlstelle zu erhöhen.
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Unter
Bezugnahme auf 3 bis 5 sind Fehlerstrombegrenzungskennzeichen
für drei
verschiedene Supraleiterdrahtanordnungen gezeigt, um die Vorteile
der Erfindung besser vorzuführen.
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Unter
Bezugnahme auf 3 sind die Fehlerstrombegrenzungskennzeichen
eines Supraleiterdrahts ohne thermischen Stabilisator gezeigt. Insbesondere
sind Wellenformen für
den durchfließenden Strom
und Temperatur eines HTS-Supraleiters (entlang der Ordinate) als
Zeitfunktion (Abszisse) gezeigt. Die Stromwellenform 100 ist
anfangs in einem Fehlerzustand (z.B. Blitzschlag) gezeigt, wobei
der Strom bei Punkt 102 400 Ampere übersteigt. Die Temperaturwellenform 110 des
HTS-Supraleiters zeigt den unmittelbaren Anstieg bei Beginn des
Fehlers. Kurz nach der Einleitung des Fehlers (Punkt 104)
fällt die
Stromwellenform 100 auf einen Dauerzustand, wobei die Temperaturwellenform 110 weiterhin über einen
200-Millisekunden-Zeitraum stetig ansteigt, bis der Fehlerzustand
beseitigt ist (Punkt 106). An diesem Punkt übersteigt
die Temperatur des Supraleiters jedoch 400 EK, ein Anstieg von über 300 EK.
Im Allgemeinen erleidet ein HTS-Supraleiter, der Anstiegen von über 100
EK ausgesetzt ist, erheblichen Schaden.
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Unter
Bezugnahme auf 4 ist der Gebrauch eines unterbrochenen
Edelstahlglieds, das als thermischer Stabilisator dient und entlang
desselben HTS-Supraleiterdrahts von 3 und in
direktem Kontakt damit angeordnet ist, gezeigt. In diesem Fall ist
wiederum eine Stromwellenform 200 anfangs in einem Fehlerzustand
gezeigt (Punkt 202). Wie es in 3 der Fall
war, steigt die Temperaturwellenform 210 des HTS-Supraleiters
bei Beginn des Fehlers stetig an. Da sich der thermische Stabilisator
in direktem Kontakt mit dem HTS-Supraleiter befindet, folgt die
Temperaturwellenform 212 des Stabilisators im Wesentlichen
der Temperaturwellenform des Supraleiters. Obgleich der thermische
Stabilisator dazu tendiert, die Größe der Fehlerstrom-Wellenform herabzusetzen,
besteht, da sich der thermische Stabilisator und der Supraleiter
in engem Kontakt befinden, jedoch kein Mechanismus zum Zwingen des
Hochtemperatursupraleiters in einen normalen, nichtsupraleitenden
Zustand.
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Unter
Bezugnahme auf 5 ist gemäß der Erfindung der Gebrauch
eines unterbrochenen Edelstahlglieds, das auf dem HTS-Supraleiter
angeordnet ist, und einer thermischen Sperre (z.B. Karton®-Schicht),
die dazwi schen angeordnet ist, gezeigt. Wiederum ist die Stromwellenform 300 anfangs
in einem Fehlerzustand gezeigt (Punkt 302). Da der HTS-Supraleiter
durch die thermische Sperre von dem unterbrochenen Edelstahlglied
getrennt ist, folgen ihre jeweiligen Temperaturen einander jedoch nicht.
Tatsächlich
steigt im Gegensatz zu der oben in Zusammenhag mit 4 besprochenen
Anordnung, da das Supraleiterglied und der Stabilisator voneinander
getrennt sind, die Temperatur des Supraleiters rasch von ungefähr 60 EK
auf ungefähr
90 EK an (Punkt 304). Daher erreichen die Supraleiterfäden in dem
Supraleiterdraht ihre kritischen Stromwerte sehr schnell, und er
wird weniger leitfähig
als das umgebende Matrixmaterial. Der Fehlerstrom nimmt um ungefähr 50% ab.
Ferner nimmt, wenn der Fehlerzustand beseitigt ist (Punkt 306),
die Temperatur des Supraleiterglieds rasch ab. Daher wirkt die thermische
Sperre zum Vorsehen einer schnellen Wärmerückgewinnung (eingekreister
Bereich 308), wodurch sie eine mögliche Beschädigung des
HTS-Supraleiters reduziert und zur Wiederherstellung des Supraleiters
in seinen supraleitenden Zustand verhilft.
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Wie
oben unter Bezugnahme auf 1 und 2 besprochen,
sehen die Stabilisatorglieder 14a bis 14f mechanische
Unterstützung
des Supraleiterbands 12 durch Begrenzen der Ausdehnung
des Supraleiterverbunds 10 aufgrund der heftigen Temperaturänderung
während
des Übergangszeitraums
vor. Um einheitliche mechanische Unterstützung vorzusehen, sind die
Positionen der Unterbrechungen 20 entlang der Länge des
Supraleiterverbunds 10 zueinander versetzt.
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Unter
Bezugnahme auf 6 enthält eine mechanisch robuste,
supraleitende Hochleistungsstrombegrenzungsspule in einer Transformatoranordnung 30 einen
Eisenkern 32 und eine supraleitende Strombegrenzungsspule 34.
Die Strombegrenzungsspule 34 ist um ein inneres Stützrohr 35 mit dem
supraleitenden Verbund 10 gewickelt, wie oben beschrieben,
der ein geringes Verlustkennzeichen in seinem supraleitenden Zustand
aufweist, in seinem Normalzustand jedoch ein verhältnismäßig großes Widerstandskennzeichen
aufweist. Daher kehrt im Falle eines elektrischen Stromfehlers das
Supraleiterband 12 des Verbunds 10 für eine Zeit
in seinen normalen, nichtsupraleitenden Zustand zurück, der ausreicht,
um zu verhindern, dass die Strombegrenzungsspulenanordnung 30 aufgrund
der Überhitzung beschädigt wird.
Während
dieser Zeit ist der Strom durch den Verbund 10 in seinem
Normalzustand begrenzt, ein Unterbrecher oder eine Sicherung kann zum Öffnen des
Kreises und Verhindern weiteren Stromflusses benutzt sein.
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In
Verbindung mit 7A bis 7C wird ein
Ansatz zum Ausbilden eines Stabilisatorglieds 14a auf dem
Supraleiterband 12 beschrieben. Es versteht sich, dass
derselbe Vorgang zum Ausbilden der restlichen Stabilisatorglieder
auf dem Supraleitenden Verbund 10 benutzt wird. Das Stabilisatorglied 14a weist
eine Breite und Länge
auf, die denen des Supraleiterbands 12 entspricht.
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Unter
Bezugnahme auf 7A ist das Stabilisatorglied 14a anfangs
in Form eines einzelnen Bands 40 aus Edelstahl vorgesehen,
das auf eine Isolierschicht 18a (z.B. Polyimid) laminiert
ist. Die entblößte Oberfläche der Isolierschicht 18a weist
einen Klebstoff 19 auf, um weitere Laminierung an das Band 12 zu
ermöglichen.
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Unter
Bezugnahme auf 7B und 7C wird
dann nach der Anbringung an dem Band 12 der Verbund in
dieser Form einem Schneide- oder Stanzvorgang zugeführt, um
Unterbrechungen 20 entlang der Länge des Verbunds auszubilden.
Es ist hohe Präzision
erforderlich, um zu gewährleisten,
dass das Schneidewerkzeug 21 durch die Stärke des Edelstahls
verläuft,
ohne durch die unterliegende Isolierschicht 18a zu schneiden.
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Andere
Ausführungsformen
befinden sich innerhalb der Ansprüche. Beispielsweise ist, obgleich der
oben beschriebene, supraleitende Verbund flache, plattenartige Stabilisatorglieder
nutzt, das Konzept der Erfindung außerdem mit Stabilisatorgliedern in
anderen Formen anwendbar.
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Beispielsweise
enthält
unter Bezugnahme auf 8 ein supraleitender Verbund 50 ein
supraleitendes Band 52 mit Stabilisatorgliedern 54,
die entlang breiterer Flächen 55 des
Bands angeordnet sind. Jedes Stabilisatorglied 54 enthält einen
Edelstahl- oder Kupferleiter 56 mit einer verhältnismäßig dünnen, elektrisch
isolierenden Beschichtung 58. Alternativ kann eine isolierende
Beschichtung auf entblößten Oberflächen des
Bands 52 ausgebildet oder anderweitig vorgesehen sein.
Zum Fertigen des supraleitenden Verbunds 50 ist das Stabilisatorglied
in Form eines Drahts vorgesehen, der um das Band 52 gewickelt
ist. Abschnitte 60 (in gestrichelten Linien gezeigt) werden
dann entfernt, wodurch der Leiter 56 zurückbleibt.
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Unter
Bezugnahme auf 9 ist gemäß einem anderen Aspekt der
Erfindung der Gebrauch eines 300 μm
starken, fortlaufenden Stahlsubstrats gezeigt, das auf dem HTS-Supraleiter mit einer
kritischen Temperatur von 110 K und einer dazwischen angeordneten
thermischen Epoxydsperre von 50 μm angeordnet
ist. Es wurde ein Fehlerzustand durch einen Kurzschluss von 150
ms simuliert, wonach der Strom abgeschaltet wurde. Wiederum ist
die Stromwellenform 900 anfangs in einem Fehlerzustand
gezeigt (Punkt 902). Da das HTS-Supraleiterglied durch die
thermische Sperre von dem Stahlsubstrat getrennt ist, folgen ihre
jeweiligen Temperaturen einander jedoch nicht, und eine Rückkehr in
den normalen, d.h. supraleitenden Zustand war innerhalb von 100 ms
nach dem Ende des Kurzschlusses möglich. Demgegenüber würde eine
Anordnung, die mit demselben 300 μm
starken, fortlaufenden Stahlsubstrat, das auf demselben HTS-Supraleiter
angeordnet ist, hergestellt ist, jedoch wie in 4 ohne
Trennung des Supraleiterglieds und des Stabilisatorsubstrats gestaltet
ist, den Dauerzustand bei einer Supraleitertemperatur von über 110
K erreichen.
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Wieder
andere Ausführungsformen
fallen unter den Anwendungsbereich der Ansprüche.