ES2297358T3 - Componente superconductor de forma cilindrica y su uso como limitador resistivo de corriente. - Google Patents
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Abstract
Un componente superconductor cilíndrico que comprende un cuerpo superconductor cilíndrico (1), caracterizado porque el cuerpo superconductor cilíndrico está provisto de una ranura longitudinal (2) que se extiende paralela al eje longitudinal, a una cierta distancia desde uno de los extremos del cuerpo superconductor cilíndrico (1), hasta una cierta distancia del otro extremo del mismo, dejando una sección no cortada entre ese extremo y el otro extremo, respectivamente, del cuerpo superconductor cilíndrico (1), y el punto de comienzo y el punto final, respectivamente, de la ranura longitudinal (2), y un cierto número de ranuras azimutales (3) practicadas verticalmente con respecto a la ranura longitudinal (2) en el cuerpo superconductor cilíndrico, de tal modo que cada ranura azimutal (3) está cortada en el cuerpo superconductor cilíndrico (1) comenzando desde la ranura longitudinal (2) y extendiéndose a lo largo del perímetro o contorno del cuerpo superconductor cilíndrico (1) hasta un punto final (5) con una cierta distancia desde la ranura longitudinal (2), de tal modo que dicha distancia entre la ranura longitudinal (2), en el comienzo de la ranura azimutal (3) respectiva, y el punto final (5), define una sección no cortada en el perímetro o contorno del cuerpo superconductor cilíndrico, de manera que las ranuras azimutales (3) están cortadas en el perímetro del cuerpo cilíndrico (1) en paralelo, y de modo que cada ranura azimutal individual (3) parte de la ranura longitudinal (2) en un sentido, a lo largo del perímetro del cuerpo cilíndrico, opuesto al sentido de las ranuras azimutales (3) inmediatamente vecinas a la ranura individual (3) a lo largo de la ranura longitudinal (2).
Description
Componente superconductor de forma cilíndrica y
su uso como limitador resistivo de corriente.
La presente invención se refiere a un componente
superconductor de sección transversal sustancialmente cilíndrica,
en particular, a un componente superconductor de alta temperatura y
a su uso como limitador resistivo de corriente.
Los superconductores, en particular, los
superconductores cerámicos de alta temperatura, ofrecen un gran
potencial como limitadores de corriente de fallo que permiten una
limitación rápida y efectiva de la corriente, una recuperación
automática, una impedancia despreciable durante el funcionamiento
normal y su aplicación en alta tensión.
Tales limitadores de corriente resistivos son
capaces de desconectar o interrumpir la corriente en un tiempo muy
corto, tal como aproximadamente 2 ms, para proteger la instalación
de grandes rectificadores y otros equipos electrotécnicos de las
corrientes de cortocircuito.
Se conocen diferentes realizaciones de
limitadores de corriente.
En los denominados limitadores resistivos
(óhmicos), el elemento superconductor pasa normalmente a ser
conductor si se supera un nivel de corriente crítico. Esta
transición recibe también el nombre de supresión o "corte".
Por otra parte, tales limitadores de corriente superconductores
tienen la facultad de retornar a su estado superconductor tras el
suceso limitador de la corriente.
Se conocen también los denominados limitadores
de corriente inductivos. Cuando se aplica con corrientes de fallo,
el limitador de corriente inductivo proporciona una alta impedancia
que limita las corrientes de fallo por debajo de un nivel de
umbral. Por ejemplo, el documento
US-A-5.140.290 describe un limitador
de corriente inductivo en el que la corriente que se ha de limitar
fluye a través de una bobina inductiva. Un cilindro hueco de un
superconductor de alta temperatura se encuentra dispuesto en el
interior de esta bobina, y se ha dispuesto dentro,
concéntricamente, un material magnético blando con elevada
permeabilidad.
En funcionamiento normal (corriente nominal), la
superconductividad del cilindro hueco apantalla por completo los
campos magnéticos de la bobina de inducción con respecto a la
bobina, y la impedancia de la bobina de inducción se mantiene a un
nivel muy bajo. Cuando fluye una corriente de fallo a través de la
bobina de inducción, la superconductividad del cuerpo cilíndrico
desaparece y la impedancia de la bobina de inducción alcanza su
valor limitador de corriente máximo.
En general, la resistencia del material
superconductor en su estado conductor normal depende de la longitud
del conductor. De esta forma, para obtener una limitación de
corriente óptima, el conductor requiere una longitud muy grande.
Para el funcionamiento práctico, es necesario que, a pesar de la
longitud requerida, el conductor tan sólo ocupe un volumen tan
pequeño como sea posible.
Existen diversas propuestas para incrementar la
longitud eléctricamente activa de un conductor al tiempo que su
volumen y su extensión lineal, respectivamente, no superan unos
valores predeterminados.
En el documento EP 0523374 se describe un
limitador de corriente resistivo que tiene la forma de una placa
ortogonal o perpendicular. En los lados que se extienden paralelos
al eje longitudinal de la placa se han cortado un número definido
de ranuras que se extienden verticalmente con respecto al eje
longitudinal de la placa. Es decir, las ranuras se han cortado
dentro de estos dos lados longitudinales de tal manera que se
alternan. Esto forma un conductor a modo de meandro o serpenteante a
partir de la placa. Debido a la forma a modo de meandro, la
longitud activa a lo largo de la cual fluye la corriente se ve
significativamente incrementada dependiendo del número de las
ranuras, sin que se incremente el volumen real. Los extremos del
conductor así formado se dotan de un polo de conexión eléctrica
cada uno de ellos.
En el documento EP 0525313 se describe un
limitador de corriente resistivo conformado con forma cilíndrica.
De acuerdo con esta propuesta, se cortan también unas ranuras en un
cilindro hueco hecho de un material superconductor,
alternativamente desde el extremo superior y el extremo inferior del
cuerpo hueco, de tal modo que dichas ranuras se extienden paralelas
al eje longitudinal del cilindro hueco. También en esta realización,
la longitud activa del flujo de corriente se ve incrementada por el
hecho de que la corriente fluye de arriba a abajo.
De acuerdo con otra solución, se dispone
enrollada una banda o tira larga hecha de un material
superconductor, de tal modo que forma una bobina plana y bifilar, o
de dos hilos, y se coloca sobre un sustrato. Debido a la forma con
dos hilos, la longitud activa se ve significativamente incrementada
y el área total ocupada por la bobina bifilar es, sin embargo,
pequeña.
La Solicitud de Patente Europea Nº 02 292 449.2
describe un cuerpo cilíndrico hueco en cuyo interior se ha cortado
una bobina o una bobina bifilar, que son susceptibles de utilizarse
en un limitador de corriente resistivo.
En el documento DE 196 34 424 A1 se describen un
superconductor plano, con forma de meandro, así como un limitador
de corriente superconductor, inductivo y cilíndrico.
Unos de los principales obstáculos en la
aplicación de componentes superconductores en los limitadores de
corriente es el intenso campo eléctrico que se produce en el
componente superconductor durante el fallo, tal como un
cortocircuito o, en su caso, descargas eléctricas o rayos. En
consecuencia, en los componentes superconductores tales como los
anteriormente referidos, en los que la corriente fluye en vueltas o
espiras adyacentes, como es el caso en bobinas, es necesario el
aislamiento entre las vueltas adyacentes para evitar descargas
eléctricas.
Por otra parte, en el caso de cortocircuitos y,
en particular, durante las descargas de rayos, la alta tensión
típicamente progresa en una rampa escalonada a lo largo del
conductor. La diferencia de tensiones se incrementa, por tanto, al
crecer la longitud del conductor.
Sin embargo, la geometría bifilar o el concepto
a modo de meandro según la dirección axial de un cilindro, tal y
como se ha referido anteriormente, presentan la desventaja de que
los extremos de entrada y de salida del recorrido o camino
superconductor de cada componente están más cerca uno de otro.
Debido a la gran longitud conductora, por lo común de varios
metros, se establece una elevada tensión entre ambos extremos. En
consecuencia, resulta difícil un aislamiento suficiente y ello
requiere un material aislante de considerable espesor.
Además, durante la supresión o corte, el
material superconductor se calienta significativamente. Para
regresar al estado superconductor es necesario un rápido
enfriamiento. Sin embargo, no es posible la necesaria minimización
de las velocidades del nuevo enfriamiento cuando se utilizan capas
de aislamiento gruesas.
Por lo tanto, existía la necesidad de un
componente superconductor de utilidad como limitador de corriente
resistivo en el que los campos eléctricos locales que se producían
entre los segmentos conductores vecinos fueran tan pequeños como
fuese posible, de tal manera que no fuese necesario ningún
aislamiento en absoluto o se consiguiese un aislamiento eléctrico
suficiente con tan sólo una capa de aislamiento delgada.
De acuerdo con la presente invención, según se
define en la reivindicación 1, este problema se resuelve por medio
de un componente superconductor cilíndrico en el que el cuerpo
superconductor cilíndrico del componente superconductor está
provisto de una ranura longitudinal que se extiende desde una cierta
distancia desde uno de los extremos del cuerpo cilíndrico, hasta
una cierta distancia del otro extremo del mismo, dejando una
sección no cortada entre ese extremo y el otro extremo,
respectivamente, del cuerpo superconductor, y el punto de comienzo
y el punto final, respectivamente, de la ranura longitudinal, y un
cierto número de ranuras azimutales practicadas verticalmente con
respecto a la ranura longitudinal en el cuerpo cilíndrico, de tal
modo que cada ranura azimutal está cortada en el cuerpo cilíndrico
comenzando desde la ranura longitudinal y extendiéndose a lo largo
del perímetro o contorno del cuerpo cilíndrico hasta un punto final
con una distancia d desde la ranura longitudinal, de tal modo que
la distancia d entre la ranura longitudinal, en el punto de comienzo
de la ranura azimutal respectiva, y el punto final, define una
sección no cortada en el perímetro del cuerpo cilíndrico, de manera
que las ranuras azimutales están cortadas en el perímetro del cuerpo
cilíndrico paralelamente y de forma alterna.
La disposición específica de las ranuras en el
componente superconductor cilíndrico de la presente invención tiene
la ventaja de que la corriente fluye en sentidos opuestos en los
segmentos de recorrido adyacentes definidos por las ranuras y, por
tanto, los auto-campos o campos magnéticos propios
generados por la corriente casi se compensan unos con otros, por lo
que las inducciones y las pérdidas por corrientes parásitas pueden
ser reducidas.
Debido a estas ventajas, el componente
superconductor cilíndrico de la presente invención es
particularmente útil como limitador de corriente resistivo, en
particular para la corriente alterna (AC -"alternate current"),
con el propósito de evitar la creación de elevadas corrientes de
cortocircuito, especialmente en estaciones de potencia, y evitar la
destrucción de componentes de planta tales como generadores y
transformadores.
El componente superconductor de acuerdo con la
presente invención normalmente tiene una forma básica cilíndrica o
sustancialmente cilíndrica.
Una geometría de partida adecuada para el
componente superconductor es una barra o un tubo, un cuboide con
regiones de borde muy redondeadas o una geometría similar que tenga,
por encima de todo, una geometría externa sustancialmente
cilíndrica. Dentro del significado de la presente invención, se hace
referencia a los componentes superconductores que tienen semejante
forma como "componente superconductor cilíndrico".
Los cuerpos macizos pueden convertirse en el
correspondiente cuerpo hueco mediante tratamiento o procesamiento
mecánico. El componente superconductor cilíndrico ha de tener, en
caso de que sea apropiado, un espesor lo más uniforme posible, en
particular, una cavidad cilíndrica concéntrica con la superficie
externa. En principio, sin embargo, pueden también utilizarse otras
secciones transversales para el componente superconductor y la
cavidad.
El componente superconductor cilíndrico puede
estar fabricado a partir de tubos o cuerpos similares huecos o
macizos.
En principio, la presente invención puede
incluir cualquier superconductor cerámico que se desee. Ejemplos
típicos comprenden superconductores óxidos con material de base de
Bi-Ae-Cu-O, (Bi,
Pb)-Ae-Cu-O, (Y,
Re)-Ae-Cu-O o (Ti,
Pb)-(Ae, Y)-Cu-O.
En la fórmula anterior, Ae significa al menos un
elemento alcalino-térreo ("Alkaline earth"),
particularmente Ba, Ca y/o Sr.
Re significa al menos un elemento de tierra rara
("Rare earth"), particularmente Y o una combinación de dos o
más de los elementos Y, La, Lu, Sc, Sm, Nd o Yb.
En particular, ejemplos preferidos tienen una
composición de, o aproximadamente de, Bi_{2}(Sr,
Ca)_{2}Cu_{1}O_{x}, (Bi, Pb)_{2}
(Sr, Ca)_{2}Cu_{1}O_{x}, (Bi, Pb)_{2}(Sr, Ca)_{3}Cu_{2}O_{x''}, (Bi, Pb)_{2}(Sr, Ca)_{4}Cu_{3}O_{x'''}, (Y, Re)_{1}Ba_{2}Cu_{3}O_{y}, (Y, Re)_{2}Ba_{1}Cu_{1}O_{y}, (Tl,
Pb)_{2}(Ba, Ca)_{2}Cu_{1}O_{z}, (Tl, Pb)_{2}(Ca, Ba)_{3}Cu_{2}O_{z''}, (Tl, Pb)_{2}(Ca, Ba)_{4}Cu_{3}O_{z'''}, (Tl, Pb)_{1}(Ca, Ba)_{3}Cu_{2}O_{2'''}, (Tl, Pb)_{1}(Ca,
Ba)_{4}Cu_{3}O_{z''''}.
(Sr, Ca)_{2}Cu_{1}O_{x}, (Bi, Pb)_{2}(Sr, Ca)_{3}Cu_{2}O_{x''}, (Bi, Pb)_{2}(Sr, Ca)_{4}Cu_{3}O_{x'''}, (Y, Re)_{1}Ba_{2}Cu_{3}O_{y}, (Y, Re)_{2}Ba_{1}Cu_{1}O_{y}, (Tl,
Pb)_{2}(Ba, Ca)_{2}Cu_{1}O_{z}, (Tl, Pb)_{2}(Ca, Ba)_{3}Cu_{2}O_{z''}, (Tl, Pb)_{2}(Ca, Ba)_{4}Cu_{3}O_{z'''}, (Tl, Pb)_{1}(Ca, Ba)_{3}Cu_{2}O_{2'''}, (Tl, Pb)_{1}(Ca,
Ba)_{4}Cu_{3}O_{z''''}.
En la anterior fórmula, x, y y z rigen para el
contenido de oxígeno apropiado para el que los compuestos
respectivos exhiben superconductividad.
Superconductores especialmente adecuados son los
conocidos por las referencias BSCCO-2212,
BSCCO-2223, en los que las combinaciones numéricas
2212 y 2223 rigen para las relaciones estequiométricas de los
elementos Bi, Sr, Ca y Cu, en particular aquéllos en los que parte
del Bi ha sido sustituido por Pb; y los conocidos por las
referencias YBCO-123 e YBCO-211, en
los que las combinaciones numéricas 123 y 211 rigen para las
relaciones estequiométricas de los elementos Y, Ba y Cu.
Pueden estar presentes otros elementos
adicionales, bajo demanda, en el material superconductor. Por
ejemplo, los materiales superconductores basados en BSCCO pueden
contener SrSO_{4} y/o BaSO_{4} como auxiliares en una cantidad
de hasta el 20 por ciento en peso, o, cuando se utiliza BaSO_{4},
preferiblemente de sólo hasta aproximadamente el 10 por ciento en
peso.
Tales compuestos se describen, por ejemplo, en
los documentos EP-A-0524442 y
EP-A-0573798, a los que se hace
referencia expresa.
En general, los superconductores de alta
temperatura de óxido cerámico como, por ejemplo, los anteriormente
referidos, y los métodos para su fabricación son bien conocidos en
la técnica. En el documento WO 00/08657 se proporciona un resumen
de superconductores de alta temperatura adecuados y de los métodos
de fabricación de los mismos.
En principio, el componente superconductor
cilíndrico puede estar hecho de un material superconductor
previamente incinerado, sinterizado o ulteriormente recocido. Con
el fin de obtener un material superconductor de alta calidad, es,
en principio, necesario llevar a cabo las etapas de procedimiento de
incineración previa, tal como, por ejemplo, calcinación,
sinterización y, opcionalmente, recocido posterior, las cuales
pueden llevarse a cabo en una única operación de incineración o en
varias sub-etapas, posiblemente incluso repetidas.
Sin embargo, es también posible partir de un material
superconductor de alta calidad que contenga una elevada proporción
de una o más fases superconductoras.
Los cuerpos superconductores con material de
base de YBCO pueden prepararse, por ejemplo, por mezcla de óxidos
metálicos o de compuestos que se convierten en óxidos metálicos por
calentamiento, en relaciones molares adecuadas, al calentar la
mezcla en presencia de oxígeno hasta una temperatura de entre
aproximadamente 800ºC y aproximadamente 1.100ºC, y enfriar
lentamente la mezcla en presencia de oxígeno a lo largo de un
periodo de al menos aproximadamente 1 hora.
Los cuerpos superconductores con material de
base de BSCCO pueden prepararse por mezcla de óxidos, carburos o
carbonatos, o bien mezclas de los elementos respectivos en las
proporciones de mezcla adecuadas. Subsiguientemente, se lleva a
cabo la calcinación a una temperatura de entre aproximadamente 700ºC
y 900ºC durante un periodo de entre aproximadamente 2 horas y
aproximadamente 20 horas, la mezcla calcinada se rectifica, se
convierte en la forma deseada y se sinteriza a unas temperaturas de
entre aproximadamente 800ºC y aproximadamente 1.100ºC en el estado
semi-fundido o completamente fundido. Ejemplos de
compuestos con material de base de BSCCO adecuados y de métodos de
producción de los mismos se encuentran, por ejemplo, en los
documentos EP-B-0330305 y
EP-A-0327044, a los que se hace
aquí referencia expresa.
Particularmente preferidos son los cuerpos
superconductores producidos utilizando un método de colado en
fusión; en particular lo son los métodos de colado centrífugo que
se describen, por ejemplo, en los documentos
DE-A-38 30 092,
EP-A-0451532,
EP-A-0462409 y
EP-A-0477493, a los que se hace
aquí, de la misma manera, referencia expresa.
Por ejemplo, en el documento EP 0462409 se
describe un procedimiento para la producción de cuerpos
superconductores tubulares en el que se deja discurrir una mezcla
de partida de óxido en una estequiometría predeterminada, a
temperaturas de entre 900ºC y 1.100ºC, al interior de una zona de
colada que rota alrededor de su eje horizontal. El cuerpo
conformado y solidificado se extrae de la zona de colada y se trata
por calor durante entre 4 y 150 horas a entre 700ºC y 900ºC en una
atmósfera que contiene oxígeno. Este procedimiento resulta
particularmente adecuado para cuerpos superconductores con material
de base de BSCCO.
En lo que sigue, la presente invención se
explica con mayor detalle con referencia a las figuras, que muestran
una realización preferida de la presente invención, sin estar
limitada a esta realización concreta.
Se muestra
en la Figura 1, esquemáticamente, una
realización del componente superconductor cilíndrico de la presente
invención, desde el lado que tiene la ranura longitudinal; y
en la Figura 2 la realización de la Figura 1 en
el estado desarrollado o desplegado.
Como se muestra en la Figura 1, la ranura
longitudinal 2 alcanza desde uno de los extremos del cuerpo
superconductor 1 al otro extremo, dejando una región no cortada en
ambos lados, cada una de ellas situada entre el borde respectivo
del cuerpo superconductor y la ranura longitudinal 2.
La ranura longitudinal 2 se extiende en paralelo
con el eje longitudinal del cuerpo superconductor 1.
A lo largo de la longitud del cuerpo
superconductor definido por la ranura longitudinal 2, y
verticalmente con respecto a la ranura longitudinal 2, existen unas
ranuras azimutales 3 cortadas en el perímetro o contorno del cuerpo
superconductor, en paralelo y alternativamente. Cada ranura azimutal
3 parte de la ranura longitudinal 2, circunscribe el perímetro del
cuerpo superconductor 1 hasta un punto final 5, de tal manera que la
distancia entre el punto final 5 y el punto de comienzo de la
respectiva ranura azimutal 3 en la ranura longitudinal 2, define
una región no cortada en el perímetro del cuerpo superconductor 1.
Se ha proporcionado una ranura azimutal 3 en cada extremo de la
ranura longitudinal 2. Entre estas dos ranuras 3 de cada extremo de
la ranura longitudinal 2, se han proporcionado un cierto número de
ranuras azimutales 3 adicionales, en paralelo y de una manera
alternante. La corriente entrante fluye desde uno de los extremos
del cuerpo superconductor al otro extremo a lo largo del recorrido,
en arrollamientos 6 definidos por la ranura longitudinal 2 y por las
ranuras azimutales 3.
Para la presente invención, el término
"arrollamientos" significa un segmento de recorrido en el
cuerpo superconductor 1, entre dos ranuras azimutales 3
adyacentes.
Debido al diseño específico de las ranuras 2, 3,
en los arrollamientos adyacentes 6, la corriente fluye en sentidos
opuestos. Con propósitos ilustrativos, el componente superconductor
de la presente invención se muestra en la Figura 2 en el estado
desarrollado o desplegado. En la Figura 2, la ranura longitudinal 2
se ha indicado en el lado derecho. La corriente que fluye, por
ejemplo, desde la parte superior a la parte inferior se suministra
al primer arrollamiento desde el lado del extremo izquierdo de la
parte superior y fluye del lado izquierdo al derecho hasta el punto
final 5 de la ranura, vuelve al siguiente arrollamiento y fluye de
derecha a izquierda, y así sucesivamente hasta el arrollamiento
inferior situado en el extremo inferior o de fondo, por el que la
corriente sale del componente super-
conductor.
conductor.
La ventaja del diseño de la presente invención
es que, a lo largo de todo el recorrido eléctrico, la longitud de
recorrido entre arrollamientos adyacentes es pequeña. Por
consiguiente, la tensión local y la diferencia de tensiones en caso
de fallo entre los arrollamientos adyacentes son tan sólo pequeñas.
Puesto que la diferencia de tensiones es tan sólo pequeña, no
existe casi riesgo de descarga eléctrica en caso de fallo.
Por otra parte, puesto que en los arrollamientos
adyacentes la corriente fluye en sentidos opuestos, los campos
magnéticos propios generados por la corriente que fluye a través de
arrollamientos adyacentes, se ven reducidos unos por otros o
incluso compensados.
La anchura de la ranura longitudinal 2 y de las
ranuras azimutales 3 no está particularmente restringida y puede
seleccionarse de acuerdo con las necesidades.
Por ejemplo, de preferencia, la anchura se
selecciona de manera que sea lo suficientemente grande como para
obtener un aislamiento suficiente entre arrollamientos adyacentes.
Si se proporciona un aislamiento suficiente por las ranuras, puede
omitirse la provisión de material de aislamiento, lo que no sólo
ahorra costes sino que tiene como resultado un rendimiento de
enfriamiento mejorado del componente superconductor.
Con el fin de proporcionar el aislamiento
suficiente en los puntos de vuelta de los arrollamientos 6
adyacentes, o lo que es lo mismo, en la región situada en el
extremo 5 de la ranura azimutal 3, puede seleccionarse, en caso
necesario, en ambos lados de la ranura longitudinal 2, la anchura de
la ranura longitudinal 2 de manera que sea suficientemente más
grande que la anchura de las ranuras azimutales 3. Se proporcionan
valores concretos en el ejemplo que se da más adelante. Sin
embargo, como queda claro, estos valores pueden variar de acuerdo
con la dimensión real del componente superconductor.
Por la Figura 1, que muestra el cuerpo
superconductor cilíndrico inciso 1 de acuerdo con la presente
invención, en el estado desarrollado, puede constatarse que el
material superconductor describe un recorrido de tal manera que el
curso del recorrido es comparable con una cinta a modo de meandro o
serpenteante. Generalmente, las propiedades eléctricas tales como
la densidad de corriente crítica y la capacidad de transporte de
corriente de un cuerpo superconductor se definen por su sección
transversal. Es decir, estas propiedades se incrementan con el
aumento de la sección trans-
versal.
versal.
\newpage
En la presente invención, la sección transversal
del recorrido formado por el material superconductor puede
definirse por el espesor de pared del cuerpo superconductor
cilíndrico, la anchura del recorrido definirse por la línea
perpendicular entre dos ranuras azimutales 3 adyacentes, y la
longitud por la línea perpendicular entre el punto final 5 de cada
ranura azimutal 3 y la ranura longitudinal 2.
Por lo común, dicha distancia entre dos ranuras
azimutales 3 adyacentes y dicha distancia entre el punto final 5 de
una ranura azimutal 3 y la ranura longitudinal 2 pueden ser la misma
o sustancialmente la misma. Sin embargo, en caso de que sea
apropiado, estas distancias pueden diferir. Por ejemplo, puede
resultar apropiado tener diferentes secciones transversales a lo
largo de los arrollamientos 6 y en el punto de vuelta con el fin de
conseguir, respectivamente, un flujo de corriente y un
comportamiento eléctrico mejorados.
Por otra parte, la forma de la ranura azimutal 3
en su punto final 5, es decir, la forma de la parte inferior o
fondo de la ranura 3, puede escogerse libremente de acuerdo con las
necesidades.
Habitualmente, por razones prácticas con vistas
a una producción más fácil, la parte inferior tiene una forma
angular tal como una forma rectangular. Pero es también posible
hacer que sea redondeada si ello es deseable para conseguir un
comportamiento eléctrico mejorado.
Como se ha indicado en la Figura 1 mediante el
número de referencia 4, en las regiones no cortadas situadas en
ambos extremos del cuerpo superconductor, pueden proporcionarse unos
contactos eléctricos para conectar el cuerpo superconductor con
equipos eléctricos adicionales.
Los contactos eléctricos 4 están hechos
preferiblemente de láminas de plata. Estos contactos pueden, sin
embargo, tener también contactos metálicos embebidos por quemado o
contactos en lámina con materiales de base metálicos diferentes de
la plata, por ejemplo, cobre.
Por otra parte, es posible aplicar una
derivación en la superficie externa del componente superconductor de
la presente invención. Dicha derivación está hecha de un material
conductor normal cuya resistencia es menor que la resistencia del
material superconductor en su estado conductor normal. Es bien
conocida la práctica de proporcionar componentes superconductores
con dicha derivación de material conductor normal con el fin de
evitar el sobrecalentamiento del material superconductor y la
generación de los denominados "puntos calientes". En caso de
un cierto incremento de la temperatura, por ejemplo, en un episodio
de limitación debido a un cortocircuito, la corriente se deriva o
puentea a la derivación y el calor es disipado.
Como material para la derivación, en lo
principal son adecuados todos los materiales que presenten una
resistencia apropiada para limitar la corriente de fallo a un valor
deseado. Dicho material puede ser, por ejemplo, un plástico
conductor en correspondencia, si bien se prefiere un metal. Ejemplos
concretos de metales son el cobre, una aleación de cobre, tal como
CuNi, y el acero inoxidable. La aleación de CuNi, por ejemplo, tiene
una resistencia de 30 \mu\Omega\cdotcm, y el acero inoxidable
de 50 \mu\Omega\cdotcm, a 77 K.
El material de derivación puede ser aplicado
sobre la superficie externa del cuerpo superconductor cilíndrico
por medio de cualquier método adecuado. Por ejemplo, la derivación
puede ser aplicada por soldadura con aporte de material
intermedio.
Por ejemplo, con el fin de dotar a la superficie
externa del componente superconductor cilíndrico de una derivación,
es posible soldar, con aporte de material intermedio, un
revestimiento de metal sobre la superficie externa del cuerpo
superconductor antes de la incisión de las ranuras. A continuación,
pueden cortarse las ranuras tanto en el material de revestimiento
como en el material superconductor.
Por lo común, la derivación está en contacto
eléctrico con las secciones de extremo del cuerpo superconductor
cilíndrico designadas como contactos eléctricos 4.
Por otra parte, el componente superconductor
cilíndrico de la presente invención puede dotarse de un elemento de
refuerzo para mejorar la estabilidad mecánica.
Por ejemplo, dentro de la cavidad del componente
superconductor cilíndrico puede ajustarse un elemento de refuerzo
de forma correspondientemente cilíndrica, hecho de un material no
conductor o sustancialmente no conductor, tal como plástico
reforzado con fibra de vidrio.
El elemento de refuerzo conformado con forma
cilíndrica puede consistir en un cuerpo macizo o hueco,
prefiriéndose un cuerpo hueco tal como un tubo o conducción.
Las dimensiones del elemento de refuerzo
conformado con forma cilíndrica se ajustan de manera que encajen
con las dimensiones de la cavidad del cuerpo superconductor
cilíndrico. La dimensión longitudinal tanto del elemento de
refuerzo conformado con forma cilíndrica como del cuerpo
superconductor cilíndrico puede ser la misma o esencialmente la
misma. Habitualmente, para un manejo más sencillo, la longitud del
elemento de refuerzo conformado con forma cilíndrica se selecciona
de manera que sea un poco mayor.
El elemento de refuerzo se fija al componente
superconductor por medios apropiados para evitar un deslizamiento
fortuito hacia fuera. Por ejemplo, la superficie externa del
elemento de refuerzo puede ser soldada con aporte de material
intermedio o pegada a la superficie interna del componente
superconductor cilíndrico.
Para la aplicación en un limitador de corriente
resistivo, pueden estar presentes más de un componente
superconductor de acuerdo con la presente invención. Estos
componentes superconductores pueden ser conectados entre sí en
paralelo o en serie, de preferencia en serie.
Con propósitos de ilustración, en el siguiente
ejemplo se da en mayor detalle, con referencia a la Figura 1, una
realización concreta del componente superconductor cilíndrico de la
presente invención.
El componente superconductor cilíndrico se
prepara partiendo de un cuerpo superconductor cilíndrico hecho de
BSCCO 2212, con una longitud de 280 mm y un diámetro exterior de 50
mm, y un diámetro interior de 46 mm. Sobre la superficie externa
del componente superconductor se suelda con aporte de material
intermedio un revestimiento o tubo de aleación de CuNi, que tiene
un espesor de 2 mm (no mostrado).
Se practica una ranura longitudinal 2 en el
cuerpo superconductor cilíndrico, en paralelo con el eje
longitudinal, dejando en ambos extremos del cuerpo superconductor
secciones de extremo no cortadas de 20 mm de longitud.
Como se muestra en la Figura 1, se practican un
cierto número de ranuras azimutales 3, en paralelo y
alternativamente, en perpendicular al eje longitudinal, de tal modo
que cada ranura azimutal 3 parte de la ranura longitudinal 2. Como
puede observarse en la Figura 1, la ranura longitudinal 2 está
provista, en cada uno de sus dos extremos, de una ranura azimutal
3, las cuales tienen en esta realización el mismo sentido. Por otra
parte, en esta realización, las ranuras azimutales 3 y la ranura
longitudinal 2 tienen la misma anchura de 2 mm. Como se ha
establecido anteriormente, la anchura de las ranuras 2, 3 no está
particularmente restringida y puede seleccionarse de acuerdo con
las necesidades. Por ejemplo, en esta realización, es posible
también una anchura de 1 mm para las ranuras 2, 3.
La distancia entre ranuras azimutales 3
adyacentes, que define la anchura del recorrido en este segmento,
así como la línea perpendicular desde el punto final 5 de una ranura
azimutal 3 hasta la ranura longitudinal 2, es, por ejemplo, 15
mm.
En ambos extremos del cuerpo superconductor
cilíndrico se han proporcionado unos contactos eléctricos 4 hechos
de cobre, que abrazan el cuerpo superconductor cilíndrico hasta una
profundidad de, por ejemplo, 15 mm, dejando un espacio de
separación de 5 mm entre el borde del contacto 4 cercano a la
primera ranura azimutal 3 y esta ranura azimutal 3.
- 1
- cuerpo superconductor cilíndrico
- 2
- ranura longitudinal
- 3
- ranura azimutal
- 4
- contacto
- 5
- punto final de ranura azimutal 3
- 6
- arrollamiento
Claims (11)
1. Un componente superconductor cilíndrico que
comprende un cuerpo superconductor cilíndrico (1),
caracterizado porque
el cuerpo superconductor cilíndrico está
provisto de una ranura longitudinal (2) que se extiende paralela al
eje longitudinal, a una cierta distancia desde uno de los extremos
del cuerpo superconductor cilíndrico (1), hasta una cierta
distancia del otro extremo del mismo, dejando una sección no cortada
entre ese extremo y el otro extremo, respectivamente, del cuerpo
superconductor cilíndrico (1), y el punto de comienzo y el punto
final, respectivamente, de la ranura longitudinal (2), y un cierto
número de ranuras azimutales (3) practicadas verticalmente con
respecto a la ranura longitudinal (2) en el cuerpo superconductor
cilíndrico,
de tal modo que cada ranura azimutal (3) está
cortada en el cuerpo superconductor cilíndrico (1) comenzando desde
la ranura longitudinal (2) y extendiéndose a lo largo del perímetro
o contorno del cuerpo superconductor cilíndrico (1) hasta un punto
final (5) con una cierta distancia desde la ranura longitudinal (2),
de tal modo que dicha distancia entre la ranura longitudinal (2),
en el comienzo de la ranura azimutal (3) respectiva, y el punto
final (5), define una sección no cortada en el perímetro o contorno
del cuerpo superconductor cilíndrico,
de manera que las ranuras azimutales (3) están
cortadas en el perímetro del cuerpo cilíndrico (1) en paralelo,
y
de modo que cada ranura azimutal individual (3)
parte de la ranura longitudinal (2) en un sentido, a lo largo del
perímetro del cuerpo cilíndrico, opuesto al sentido de las ranuras
azimutales (3) inmediatamente vecinas a la ranura individual (3) a
lo largo de la ranura longitudinal (2).
2. Un componente superconductor cilíndrico de
acuerdo con la reivindicación 1,
caracterizado porque
el cuerpo superconductor cilíndrico (1) está
hecho de un material superconductor de alta temperatura.
3. Un componente superconductor cilíndrico de
acuerdo con la reivindicación 1 ó la reivindicación 2,
caracterizado porque
el material superconductor a alta temperatura se
selecciona de entre
Bi-Ae-Cu-O, (Bi,
Pb)-Ae-Cu-O, (Y,
Re)-Ae-Cu-O y (Ti,
Pb)-(Ae, Y)-Cu-O,
donde
Ae significa al menos un elemento
alcalino-térreo y Re significa al menos un elemento
de tierra rara.
4. Un componente superconductor cilíndrico de
acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3,
caracterizado porque
el material superconductor de alta temperatura
se selecciona de entre materiales superconductores de alta
temperatura con material de base de BSCCO-2212 ó
BSCCO-2223.
5. Un componente superconductor cilíndrico de
acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes,
caracterizado porque
en la superficie externa del cuerpo
superconductor (1) se ha aplicado una derivación de material
conductor normal.
6. Un método para producir un componente
superconductor cilíndrico de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 5,
caracterizado porque
se dota a un cuerpo superconductor cilíndrico
(1) de una ranura longitudinal (2) y, verticalmente con respecto a
la ranura longitudinal (2), de un cierto número de ranuras
azimutales (3),
de manera que la ranura longitudinal (2) se
extiende desde una cierta distancia de uno de los extremos del
cuerpo superconductor cilíndrico (1), hasta una cierta distancia del
otro extremo del mismo, dejando una sección no cortada entre ese
uno de los extremos y el otro extremo, respectivamente, del cuerpo
superconductor (1), y el punto de comienzo y el punto final,
respectivamente, de la ranura longitudinal (2), y
de tal modo que el número de ranuras azimutales
(3) se practican en paralelo y alternativamente, y de forma que
cada ranura azimutal (3) se corta en el cuerpo superconductor
cilíndrico (1) partiendo de la ranura longitudinal (2) y de manera
que se extiende a lo largo del perímetro o contorno del cuerpo
superconductor cilíndrico (1) hasta un punto final, con una
distancia d desde la ranura longitudinal (2), de tal modo que la
distancia d entre la ranura longitudinal (2) situada en el punto de
comienzo de la ranura azimutal (3) respectiva y el punto final (5)
define una sección no cortada en el perímetro o contorno de cuerpo
superconductor cilíndrico (1).
7. Un método de acuerdo con la reivindicación
6,
caracterizado porque
se utiliza un cuerpo superconductor cilíndrico
(1) que tiene un revestimiento de un metal conductor normal,
aplicado sobre su superficie externa, y se cortan las ranuras (2),
(3) tanto en el revestimiento como en el material
superconductor.
8. Un método de acuerdo con la reivindicación 6
ó la reivindicación 7,
caracterizado porque
el cuerpo superconductor cilíndrico (1) está
hecho de BSCCO-2212 ó
BSCCO-2223.
9. Un método de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 6 a 8,
caracterizado porque
el material para el revestimiento se selecciona
de entre cobre, aleación de cobre o acero inoxidable.
10. Un limitador de corriente resistivo que
comprende al menos un componente superconductor cilíndrico de
acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5.
11. Un limitador de corriente resistivo de
acuerdo con la reivindicación 10,
caracterizado porque
los componentes superconductores cilíndricos
están conectados entre sí en paralelo o en serie.
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| EP04300502A EP1622209B1 (en) | 2004-07-30 | 2004-07-30 | Cylindrically shaped superconductor component and its use as resistive current limiter |
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