ES2280500T3 - Un limitador de corriente de fallo superconductor. - Google Patents

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ES2280500T3 ES02405496T ES02405496T ES2280500T3 ES 2280500 T3 ES2280500 T3 ES 2280500T3 ES 02405496 T ES02405496 T ES 02405496T ES 02405496 T ES02405496 T ES 02405496T ES 2280500 T3 ES2280500 T3 ES 2280500T3
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Makan Chen
Lise Donzel
Martin Lakner
Willi Paul
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ABB Research Ltd Switzerland
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Abstract

Un limitador de corriente de fallo superconductor, incluyendo un compuesto conductor en forma de banda (1) con una primera y una segunda superficie principal, incluyendo una capa superconductora (11) hecha de un material superconductor a alta temperatura y una capa de derivación eléctrica (12), y una capa barrera térmica no conductora eléctrica (3) en contacto con la primera superficie principal del compuesto conductor (1), y dispuesta en la primera superficie principal de modo que se pueda poner en contacto con un fluido de refrigeración, caracterizado porque la capa barrera térmica (3) tiene propiedades térmicas que aumentan un tiempo de recuperación trec necesario para que el compuesto conductor (1) se enfríe por debajo de una temperatura crítica Tc del superconductor (11) después de un evento de fallo, en comparación con un compuesto conductor idéntico sin capa barrera térmica, y porque el grosor de la capa barrera térmica (3) es entre aproximadamente 0, 3 y 2 mm.

Description

Un limitador de corriente de fallo superconductor.
Campo de la invención
La invención se refiere al campo de superconductores a alta temperatura. Se basa en un limitador de corriente de fallo superconductor según el preámbulo de la reivindicación 1.
Antecedentes de la invención
La memoria descriptiva alemana publicada
DE 196 34 424 A1 describe un dispositivo superconductor a alta temperatura para uso en un limitador de corriente. El dispositivo incluye una capa superconductora, una capa de plata en forma de una derivación eléctrica y que, juntamente con la capa superconductora, forma un compuesto conductor, y una capa compuesta de fibra. Ésta última contiene una matriz compuesta de resina epoxi y fibras de vidrio o carbono como un material base de refuerzo. Se usa para hacer el compuesto conductor mecánicamente robusto y se aplica por impregnación al vacío sobre al menos una superficie principal del compuesto conductor.
Los limitadores de corriente basados en superconductores a alta temperatura se sumergen en un medio de enfriamiento, preferiblemente nitrógeno líquido LN_{2}. Si el superconductor experimenta una transición pasiva al estado resistivo en el caso de una sobrecorriente resultante de un corto circuito, se genera energía en el compuesto conductor y éste último se calienta muy severamente y requiere una cierta cantidad de tiempo para enfriarse de nuevo a la temperatura operativa. Por lo tanto, el calor resistivo producido durante el evento de fallo tiene que ser disipado lo más eficientemente que sea posible, es decir, conducido hacia el nitrógeno líquido en ángulos rectos a la capa compuesta conductora. En un dispositivo superconductor mencionado anteriormente, la eficiencia de la transferencia de calor al nitrógeno líquido LN_{2} se reduce, sin embargo, tan pronto como se forma una película gaseosa en la superficie del dispositivo superconductor, dado que el calor específico del gas nitrógeno es inferior al calor latente de vaporización de LN_{2}.
En la memoria descriptiva alemana publicada DE 199 29 277 A1 se facilita un dispositivo superconductor a alta temperatura en el que el superconductor está protegido contra calentamiento excesivo después de un corto circuito. Esto se logra proporcionando una capa de almacenamiento de calor en contacto con el superconductor que absorbe el calor producido por una sobrecorriente a corto plazo en el superconductor, y más tarde lo emite al medio de enfriamiento. En consecuencia, el superconductor no se calienta adiabáticamente, sino a una temperatura máxima inferior, y se enfría de nuevo más rápidamente correspondientemente a su temperatura crítica. Según una realización preferida, la capa de almacenamiento de calor está formada de una capa de material compuesto de fibra a la que se le añade un material de llenado con un alto calor específico, con el fin de aumentar la capacidad de calor. Este material de relleno se añade a la matriz polimérica y pasa a través del tejido base del material compuesto.
Se ha observado que la capa de almacenamiento de calor mencionada anteriormente acelera de hecho el enfriamiento del compuesto conductor hasta la temperatura crítica después de un evento de fallo. Sin embargo, en la interface entre el dispositivo superconductor y el medio de enfriamiento, se vaporiza nitrógeno líquido LN_{2} y se crean ondas de choque o presión. Éstas últimas impactan en los componentes superconductores sumergidos en el mismo volumen de nitrógeno líquido. Se ejercen considerables esfuerzos mecánicos, a menudo en combinación con esfuerzos térmicos adicionales, en estos componentes superconductores y pueden hacer que éstos últimos fallen
mecánicamente.
El documento DE 19750758 se refiere a un superconductor a temperatura alta en un sustrato y cubierto por una capa shunt. El sustrato y la capa shunt están cubiertos por una capa superficial termoaislante que está en contacto con nitrógeno líquido como un refrigerante. La capa termoaislante incluye por ejemplo una laca, resina epoxi o Teflon, y sirve la finalidad clara e inesperada de disminuir el tiempo de recuperación, es decir, ayuda a que el superconductor se enfríe de nuevo a la temperatura del refrigerante más
rápidamente.
Descripción de la invención
Por lo tanto, un objeto de la invención es crear un limitador de corriente de fallo superconductor del tipo mencionado inicialmente, que está menos expuesto a esfuerzos mecánicos en el caso de una corriente de fallo en una línea incluyendo el dispositivo superconductor. Este objeto se logra con un limitador de corriente de fallo superconductor según la reivindicación de patente 1. Realizaciones preferidas son evidentes por las reivindicaciones dependientes.
En el novedoso limitador de corriente de fallo superconductor a alta temperatura, se dispone una barrera térmica no conductora eléctrica junto a un compuesto conductor. Se evita que el calor joule generado en el compuesto conductor durante un evento de corriente de fallo sea conducido al instante a un depósito de nitrógeno líquido. Dicho calor es liberado lentamente al líquido de enfriamiento después de iniciarse el evento de fallo. Así se incrementa el tiempo para enfriamiento a la temperatura operativa, preferiblemente al menos un factor de dos, con respecto a un dispositivo similar sin barrera térmica. Se crean menos ondas de choque o presión violentas en el fluido de refrigeración circundante después de un evento de corriente de fallo, y la ebullición por películas es prácticamente ausente.
La cantidad física subyacente que determina la transferencia de calor a través de la barrera térmica es la relación de la conductividad térmica y el grosor de la barrera. Preferiblemente, dicha relación deberá ser entre 50 y 1000 W/m^{2}K. Por otra parte, las consideraciones geométricas definen un límite superior al grosor total de un módulo incluyendo dos compuestos conductores en forma de banda yuxtapuestos, dando lugar a un grosor máximo de las barreras térmicas de aproximadamente 2 mm.
En una variante preferida de la invención, la barrera térmica incluye un cuerpo voluminoso hecho de un material poroso tal como corcho o cartón prensado o fieltro de lana, que se encola al compuesto conductor por medio de un adhesivo.
De particular interés como un material para la barrera térmica es una capa de cartón prensado, es decir, celulosa comprimida, preferiblemente al menos parcialmente impregnado con un polímero termoestable tal como una resina epoxi. Un cartón prensado impregnado es mecánicamente favorable debido a su bajo módulo elástico y la excelente adaptación de su coeficiente de expansión térmica con los del compuesto conductor.
Breve descripción de los dibujos
La materia de la invención se explicará con más detalle en el texto siguiente con referencia a realizaciones ejemplares preferidas que se ilustran en los dibujos adjuntos, en los que:
La figura 1 representa esquemáticamente una vista en sección transversal a través de un dispositivo superconductor que se extiende perpendicularmente al plano de la sección transversal.
La figura 2 representa la dependencia del tiempo de recuperación t_{rec} en el grosor d de la barrera térmica.
Y la figura 3 representa la dependencia del tiempo de recuperación t_{rec} en la cantidad de energía E depositada por unidad de superficie del dispositivo.
Los símbolos de referencia usados en los dibujos, y sus significados, se enumeran de forma sintética en la lista de símbolos de referencia. En principio, las partes idénticas llevan los mismos símbolos de referencia en las figuras.
Descripción detallada de las realizaciones preferidas
La figura 1 representa un dispositivo superconductor plano a usar en un limitador de corriente de fallo según la invención, que tiene un compuesto conductor 1 incluyendo una capa superconductora 11 y una capa conductora normal de derivación eléctrica 12. Una capa barrera térmica 3 está en contacto con una superficie principal del compuesto conductor 1 y un fluido de refrigeración 4. En esta realización ejemplar, la capa barrera térmica 3 está dispuesta en el lado de derivación del compuesto conductor 1 y unida a éste último por medio de una capa adhesiva 2 asegurando al mismo tiempo una transferencia de calor entre el compuesto conductor 1 y la barrera térmica 3. Una parte principal del calor disipado durante la sobrecarga a corto plazo del compuesto conductor 1 se amortigua temporalmente en el compuesto 1 y la barrera térmica 3. Dicho calor es liberado al refrigerante 4 después de unos pocos ciclos de corriente alterna, es decir típicamente después de que termina el corto circuito. Correspondientemente, el compuesto conductor requiere más tiempo para enfriarse hasta la temperatura operativa, pero debido al proceso liso de transferencia de calor, no se crean ondas de choque en un fluido de refrigeración circundante
4.
Las dimensiones típicas del dispositivo son grosores de capa de 0,5 mm para una capa superconductora policristalina bibase 11 y una capa de derivación de acero 12. La anchura de una banda o pista de compuesto conductor en forma de un meandro para limitación de corriente es aproximadamente 2 cm. El compuesto conductor 1 puede ser unido a un sustrato u otra capa con mayor resistencia térmica que la capa barrera térmica 3. Alternativamente, se puede combinar un primer dispositivo de este tipo en yuxtaposición de espalda con espalda con un segundo dispositivo para formar el llamado módulo, como se explica extensamente en dicho documento DE 196 34 424 A1. Se puede disponer e interconectar cualquier número de módulos en forma de pila para obtener una longitud suficiente del conductor. En tales pilas, el aislamiento eléctrico entre conductores contiguos es solamente una preocupación menor, puesto que la diferencia de voltaje entre dos puntos es proporcional a la longitud de conductor entremedio, y por lo tanto asciende solamente a una fracción del voltaje total aplicado al limitador de corriente en caso de fallo. Sin embargo, con el fin de hacer un uso eficiente del espacio disponible en un depósito de refrigeración, el grosor total de un módulo, y por lo tanto el grosor de las dos capas barrera térmica que lo encapsulan, es limitado. Además, dado que se espera que una cobertura de 70% de la superficie del compuesto conductor 1 dé lugar a una reducción suficiente del N_{2} gaseoso que se forma en la interface entre el medio de enfriamiento 4 y el dispositivo superconductor, el compuesto conductor 1 no se tiene que cubrir en su totalidad por la capa barrera térmica 3.
En los dispositivos superconductores mencionados anteriormente, la densidad de transferencia de calor \gamma a través del compuesto al refrigerante circundante, promediada durante el proceso de recuperación, tiene que ser se sólo 2 W/cm^{2}. Suponiendo una diferencia de temperatura promediada \DeltaT a través de la barrera térmica de unas pocas decenas de K, la relación \DeltaT, que es igual a la relación de la conductividad térmica \kappa y un grosor d_{tb} de la barrera térmica, asciende a 50 a 1000 W/m^{2}K. Sin embargo, si se han de esperar mayores diferencias de temperatura \DeltaT, como media o valores máximos, dicha relación se podría elegir de forma que fuese correspondientemente menor.
La figura 2 es un gráfico que representa el tiempo de recuperación t_{rec} en función del grosor d de la barrera térmica. El tiempo de recuperación t_{rec} es el tiempo necesario para que el superconductor 11, después de un evento de fallo, vuelva a su temperatura operativa, que generalmente es la temperatura del líquido refrigerante circundante. Por lo tanto, el tiempo de recuperación t_{rec} se determina convenientemente observando el tiempo hasta que no se forman más burbujas en el líquido refrigerante. A una barrera térmica cero, es decir con la capa de derivación en contacto directo con el refrigerante, el proceso de recuperación tarda 10 segundos (punto negro intenso a 0,0 mm), mientras que con una capa de epoxi resina curada como sugiere DE 199 29 277 A1 (segundo punto desde la izquierda, a d=0,05 mm) el tiempo de recuperación t_{rec} se reduce a 7 segundos. En estos dos casos, se ha observado daño mecánico en los componentes superconductores.
El tiempo de recuperación se podría incrementar y el daño mecánico se podría reducir por medio de una barrera térmica en forma de un cuerpo voluminoso o matriz con poros abiertos. El término "voluminoso" en este contexto se refiere a una barrera que consta de más de una capa de tela, es decir tejido o fibras con textura. Los cuerpos voluminosos se impregnan preferiblemente con una resina polimérica de baja viscosidad, que cierra al menos parcialmente los poros abiertos. En la figura 2, se enumeran los tiempos de recuperación t_{rec} para cartones prensados impregnados de varios grosores d. Se obtuvieron resultados similares con hojas de corcho de grosores comparables. Alternativamente, también se comprobaron con éxito capas de fieltro de lana y espuma de caucho. Al estar simplemente encoladas al compuesto conductor y/o solamente impregnadas parcialmente, dichas capas de fieltro de lana o espuma de caucho conservan esencialmente una estructura de poros abiertos. Atrapando las burbujas de N_{2} formadas en el interior de estos poros, se evita que el líquido refrigerante LN_{2} entre en contacto con el compuesto conductor, y se logra un retardo adicional de la transferencia de
calor.
La figura 3 representa la dependencia de los tiempos de recuperación t_{rec} de la cantidad de energía E generada por área superficial del compuesto, es decir la potencia disipada por área superficial integrada durante el evento de fallo. Como ya ilustrado en la figura 2, sin barrera térmica, t_{rec} es igual a 10 segundos (punto negro intenso en E=25 J/cm^{2}, "0,0 mm"). Con una capa fina de resina epoxi curada de 0,05 mm de grosor (triángulos, "0,05 mm") el tiempo de recuperación t_{rec} disminuye mientras que para una capa de cartón prensado impregnado de 0,5 mm de grosor (cuadrados, "0,5 mm"), el tiempo de recuperación para todas las energías investigadas aumenta.
Los cartones prensados, es decir, placas comprimidas hechas de celulosa se pueden impregnar con resinas poliméricas de baja viscosidad usando procesos apropiados, dando lugar a un compuesto de cartón prensado-matriz polimérica. Los sistemas de resina adecuados se basan, por ejemplo, en resinas epoxi, de silicio o de poliéster. Tales resinas pueden ser usadas alternativamente o al mismo tiempo como el adhesivo 2 para unir la barrera térmica 3 al compuesto 1. Al hacerlo así, la capa de resina polimérica 2 evita adicionalmente que el líquido de refrigeración 4 penetre entre dichas capas.
En el rango entre temperatura ambiente y la temperatura operativa, el coeficiente de expansión térmica medio del compuesto de cartón prensado-matriz polimérica es comparable al del compuesto conductor (10-15 x 10^{-6}/K). Esto da lugar a la posibilidad de poner el compuesto de celulosa y el compuesto conductor en contacto mecánico directo y permanente sin tener que preocuparse por el daño inducido por esfuerzos durante el enfriamiento o el calentamiento.
Lista de símbolos de referencia
1
\vtlargatri Conductor compuesto
11
\vtlargatri Superconductor
12
\vtlargatri Derivación eléctrica
2
\vtlargatri Adhesivo
3
\vtlargatri Barrera térmica
4
\vtlargatri Fluido de refrigeración.

Claims (4)

1. Un limitador de corriente de fallo superconductor, incluyendo un compuesto conductor en forma de banda (1) con una primera y una segunda superficie principal, incluyendo una capa superconductora (11) hecha de un material superconductor a alta temperatura y una capa de derivación eléctrica (12), y
una capa barrera térmica no conductora eléctrica (3) en contacto con la primera superficie principal del compuesto conductor (1), y dispuesta en la primera superficie principal de modo que se pueda poner en contacto con un fluido de refrigeración,
caracterizado porque la capa barrera térmica (3) tiene propiedades térmicas que aumentan un tiempo de recuperación t_{rec} necesario para que el compuesto conductor (1) se enfríe por debajo de una temperatura crítica T_{c} del superconductor (11) después de un evento de fallo, en comparación con un compuesto conductor idéntico sin capa barrera térmica,
y porque el grosor de la capa barrera térmica (3) es entre aproximadamente 0,3 y 2 mm.
2. El limitador de corriente de fallo según la reivindicación 1, caracterizado porque la relación de una conductividad térmica \kappa y un grosor d_{tb} de la capa barrera térmica (3) es entre 50 y 1000 W/m^{2}K.
3. El limitador de corriente de fallo según la reivindicación 1, caracterizado porque la capa barrera térmica (3) incluye un cuerpo voluminoso hecho de un material poroso.
4. El limitador de corriente de fallo según la reivindicación 3, caracterizado porque la capa barrera térmica (3) incluye un cartón prensado al menos parcialmente impregnado con una resina polimérica.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009098345A1 (es) * 2008-02-04 2009-08-13 Universidade De Santiago De Compostela Limitador superconductor de corriente integrado en el intercambiador de calor de un refrigerador termoacústico

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080194411A1 (en) * 2007-02-09 2008-08-14 Folts Douglas C HTS Wire
US7724482B2 (en) 2007-02-09 2010-05-25 American Superconductor Corporation Parallel HTS transformer device
US20080191561A1 (en) 2007-02-09 2008-08-14 Folts Douglas C Parallel connected hts utility device and method of using same

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19750758A1 (de) * 1997-11-11 1999-05-12 Siemens Ag Strombegrenzungseinrichtung
AU1308200A (en) * 1998-08-11 2000-03-06 Abb Transmission & Distribution Technologies Ltd Superconducting conductors and their method of manufacture
DE19856607C1 (de) * 1998-12-08 2000-03-02 Siemens Ag Resistive Strombegrenzungseinrichtung mit mindestens einer von einer isolierenden Schicht abgedeckten Leiterbahn unter Verwendung von Hoch-T¶c¶-Supraleitermaterial
DE19929277A1 (de) * 1999-06-25 2000-12-28 Abb Research Ltd Hochtemperatursupraleiteranordnung
DE19958727A1 (de) * 1999-12-06 2001-06-07 Abb Research Ltd Hochtemperatursupraleiteranordnung und supraleitende Spule

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009098345A1 (es) * 2008-02-04 2009-08-13 Universidade De Santiago De Compostela Limitador superconductor de corriente integrado en el intercambiador de calor de un refrigerador termoacústico

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