ES2349167T3

ES2349167T3 - Instalación supraconductora resistiva de limitación de la corriente con bobinado bifilar de conductores de cinta hts y espaciador de espiras.

Info

Publication number: ES2349167T3
Application number: ES07765544T
Authority: ES
Inventors: Hans-Peter Kramer; Wolfgang Schmidt
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 2006-07-14
Filing date: 2007-06-21
Publication date: 2010-12-28
Anticipated expiration: 2027-06-21
Also published as: KR20090034974A; KR101377615B1; DE502007004584D1; ATE475992T1; US20090286685A1; EP2041809B1; US8255024B2; EP2041809A1; WO2008006689A1; DE102006032702B3

Abstract

Instalación supraconductora de limitación de la corriente de tipo resistivo con al menos un bobinado bifilar (11) de al menos un conductor HTS (12) en forma de cinta, en la que entre espiras (Wi, Wi-1) adyacentes del bobinado está dispuesto al menos un distanciador (13, 13') aislante de electricidad, que es transparente para un refrigerante al menos en zonas parciales, caracterizada porque el distanciador (13, 13') presenta una cinta de soporte en forma de banda de material aislante de electricidad, que está provista sobre al menos uno de sus lados planos (15a, 15b) con elementos distanciadores (16i) de material aislante de electricidad, que están distanciados entre sí en dirección de dilatación de la cinta de soporte (15) y están constituidos de un material con alta conductividad térmica.

Description

5 [0001] La invención se refiere a una instalación supraconductora de limitación de la corriente de tipo resistivo con al menos un bobinado bifilar de al menos un conductor HTS en forma de cinta, en la que entre espiras adyacentes del bobinado está dispuesto al menos un distanciador aislante de electricidad, que es transparente para

10 un refrigerante al menos en zonas parciales. Una instalación de limitación de la corriente resistiva de este tipo se deduce a partir del documento DE 10 2004 048 646 A1. [0002] Desde que se conocen compuestos de óxido de metal supraconductores con altas temperaturas críticas Tc de más de 77 K, que se designan, por lo tanto, también

15 como materiales supraconductores de alta Tc y que permiten especialmente una refrigeración con nitrógeno líquido (LN2), se intenta concebir con conductores HTS correspondientes también instalaciones supraconductoras de limitación de a corriente. Una instalación limitadora de la corriente de este tipo se deduce a partir del documento DE-A1 mencionado anteriormente. Está constituida con al menos un

20 conductor HTS en forma de cinta, que presenta una cinta de soporte texturizada metálica, especialmente una llamada cinta RABiTS de una aleación de Ni (ver “Applied Superconductivity”, Vol. 4, Nº 10-11, 1996, páginas 403 a 427). Sobre esta cinta de soporte está depositado un sistema de capas de materiales tampón oxídicos, como por ejemplo CeO2 o Y2O3, y del material HTS, especialmente de YBa2CU3Ox

25 (llamado “YBCO”).Esta estructura no está revestida todavía por una capa de cubierta fina conductora normal, para suprimir los llamados puntos calientes (Hot-Spots) (ver también el documento DE 198 36 860 A1), siendo tomadas adicionalmente todavía medidas para la prevención de descargas eléctricas entre la capa de cubierta y la cinta metálica de sustrato. Un tipo de conductor correspondiente se designa también como

30 conductor revestido (Coated Conductor). A partir de un conductor de cinta HTS de este tipo, en la instalación de limitación de la corriente conocida, se arrolla una bobina bifilar en forma de espiral con buena accesibilidad para el refrigerante LN2. A tal fin, con el conductor de cinta HTS se arrolla al mismo tiempo todavía un distanciador en forma de cinta de un material aislante, que garantiza al mismo tiempo

35 un aislamiento mutuo suficiente de espiras de bobinas adyacentes.

[0003] El documento WO99/33122 publica una instalación supraconductora de limitación de la corriente de tipo resistivo, que presenta una cinta de conductor supraconductora. La cinta de conductor supraconductora se configura como devanado de disco bifilar, de manera que entre capas de cinta adyacentes del

5 devanado se encuentra cintas aislantes para el aislamiento eléctrico. Tales cintas aislantes pueden presentar, por ejemplo, una estructura ondulada o nervada. [0004] El documento EP 0 444 792 A2 publica una bobina supraconductora formada a partir de un supraconductor de capa fina (conductor revestido). El supraconductor de capa fina se puede configurar en una llamada bobina Pancake. Las espiras

10 adyacentes pueden estar distanciadas en este caso unas de las otras por medio de elementos distanciadores del tipo de nervadura, que están distanciados efectivamente entre sí en la dirección de dilatación de una cinta de soporte. [0005] Para la rentabilidad de las instalaciones de limitación de la corriente correspondientes son decisivos la cantidad necesaria de material de conductor de

15 cinta HTS y los costes específicos. La cantidad de material se determina, por su parte, a través de los parámetros “corriente crítica por anchura del (Ic/w)” y “caída admisible de la tensión por longitud de la cinta (U/L)”. Ambos parámetros deben ser lo más grandes posible. Mientras que la magnitud Ic/w se determina únicamente a través de las propiedades y el procedimiento de fabricación de la capa

20 supraconductora, la magnitud U/L depende de las propiedades de las partes nosupraconductoras de la estructura de la capa, es decir, especialmente de la cinta de sustrato y de la capa de cubierta. Con un tiempo de desconexión y una temperatura final predeterminados del devanado limitador de corriente durante la fase de limitación, (U/L)2 se determina a través del producto de la “resistencia superficial”

25 (la llamada “Sheet resistance) y la capacidad térmica relacionada con la superficie, sumando todas las capas de la estructura del conductor. Por ejemplo, para un conductor de cinta RABiTS con cinta de sustrato de aleación de Ni, cuya masa térmica se forma esencialmente por la cinta de sustrato, con un tiempo de desconexión de 50 ms y 300 K de temperatura final, resulta la magnitud U/L = 0,4

30 V/cm. Sin embargo, en otro tipo conocido de instalación de limitación de la corriente, en la que una cinta de conductores HTS está configurada sobre una placa de sustrato dilatada de zafiro y una capa de cubierta de Au, U/L está en el intervalo de 9 a 10 V/cm. La causa de este valor claramente más elevado de un “conductor de placa de zafiro” de este tipo es el sustrato, que proporciona una capacidad térmica

35 grande, pero al mismo tiempo, como aislante, no genera prácticamente calor de Joule. [0006] El cometido de la presente invención es configurar la instalación de limitación de la corriente con las características mencionadas al principio con la intención de que presente, frente a las instalaciones de limitación de la corriente

5 conocidas del mismo tipo, utilizando conductores de cinta HTS (conductores revestidos), una disipación mejorada del calor y una tensión admisible mayor por longitud de conductor. [0007] Este cometido se soluciona con las medidas indicadas en la reivindicación 1. De acuerdo con ello, la instalación de limitación de la corriente con las

10 características mencionadas al principio debe estar configurada de tal forma que su distanciador presenta una cinta de soporte en forma de banda de material aislante de electricidad, que está provista sobre al menos uno de sus lados planos con elementos distanciadores de material aislante de electricidad, que están distanciadores entre sí en la dirección de la dilatación de la cinta de soporte y están constituidos por un

15 material con alta conductividad térmica. Por una conductividad térmica alta se entiende en este contexto un valor λ de al menos 10 W/m·K. [0008] Las ventajas unidas con esta configuración de la instalación de limitación de la corriente se pueden ver especialmente en que su distanciador, además de una función de aislamiento eléctrico, actúa también, por decirlo así, como un “sumidero

20 de calor”. Este sumidero de calor se puede realizar en este caso de tal forma que, con calores específicos habituales de sustancias aislante, la magnitud U/L se eleva claramente (es decir, al menos en un factor 2) frente a un conductor de cinta “brillante” (sin distanciador). Esto se puede conseguir especialmente también a través de un espesor suficiente (en la dirección de la distancia entre las espiras) de

25 especialmente mayor de 0,5 mm. El sumidero de calor no limita en este caso de manera ventajosa la fabricación de bobinados correspondientes a partir del conductor de cinta HTS, puesto que a tal fin puede estar configurado suficientemente flexible. Además, su conductividad térmica se puede ajustar tan grande que el calor de Joule generado en los componentes metálicos del conductor de cinta HTS puede bajar

30 durante el tiempo de limitación de los limitadores de corriente en una medida suficientemente baja, es decir, que existe una constante de difusión térmica, y de esta manera se acondiciona una alta capacidad térmica por área de conductor. Además, también la resistencia de paso térmica entre el conductor de cinta HTS metálico y el sumidero de calor aislante de electricidad se puede mantener suficientemente

35 pequeña. Por último, el sumidero de calor solamente prolonga el tiempo de refrigeración después de una fase de limitación en una medida reducida. En efecto, puesto que el tiempo de refrigeración se determina esencialmente a través de la relación entre la energía almacenada y la superficie disponible para una disipación de calor, a través de la configuración del distanciador se puede incrementar la superficie

5 límite disponible para una refrigeración para el refrigerante de manera similar a una capacidad térmica elevada. [0009] Las configuraciones ventajosas de la instalación supraconductora de limitación de la corriente de acuerdo con la invención se deducen a partir de las reivindicaciones dependientes de la reivindicación 1. En este caso, la forma de

10 realización de acuerdo con esta reivindicación se puede combinar con las características de una de las reivindicaciones dependientes o con preferencia también con las características de varias reivindicaciones dependientes. De acuerdo con ello, la instalación delimitación de la corriente puede presentan según la invención todavía las siguientes características:

15

• De esta manera, los elementos distanciadores pueden estar configurados en forma de nervadura. Tales elementos distanciadores se pueden realizar suficientemente macizos con vistas a una buena disipación de calor, de manera que su distancia mutua se puede seleccionar también para una buena

20 transparencia del refrigerante. La flexibilidad necesaria de la cinta de soporte no se limita prácticamente en este caso.

• Los elementos distanciadores se forman con preferencia a partir de un material cerámico, Especialmente con Al2O3 o AIN se puede cumplir bien el requerimiento de una alta conductividad térmica.

25 • Los elementos distanciadores se pueden fijar sobre la cinta de soporte por un lado o también por ambos lados sobre su(s) lado(s) plano(s), de manera que forman entonces junto con la cinta de soporte un componente común prefabricado. De esta manera, se posibilita una aplicación universal del distanciador.

30 • La fijación de los elementos distanciadores sobre la cinta de soporte se puede realizar en este caso de manera ventajosa por medio de un encolado.

• Con preferencia, la cinta de soporte está constituida por un material de plástico, Las cintas de soporte correspondientes son, por un lado, suficientemente flexibles y, por otro lado, garantizan un buen aislamiento del

35 bobinado eléctrico.

• Adicionalmente, los elementos distanciadores pueden estar conectados mecánicamente con la parte adyacente respectiva del conductor HTS. Con una conexión correspondiente se puede conseguir una buena transmisión de calor entre estas partes.

5 • A tal fin, los elementos distanciadores se pueden encolar con la parte respectiva del conductor HTS o también se pueden soldar después de una soldadura previa de las zonas correspondientes.

[0010] Otras configuraciones ventajosas de la instalación de limitación de la corriente de acuerdo con la invención se deducen a partir de las reivindicaciones no

10 mencionadas anteriormente así como especialmente a partir del dibujo que se explica a continuación, en el que se indican configuraciones preferidas de la instalación de limitación de la corriente de acuerdo con la invención. En este caso se muestra en representación muy esquemática lo siguiente: La figura 1 muestra la estructura de principio de un bobinado bifilar de la

15 instalación de limitación de la corriente en vista superior. La figura 2 muestra como fragmento del bobinado según la figura 1 una primera posibilidad de configuración de la estructura del bobinado en la sección transversal, y La figura 3 muestra otra posibilidad de configuración de la estructura del

20 bobinado en una representación correspondiente a la figura 2. En este caso, en las figuras las partes correspondientes están provistas en cada caso con los mismos signos de referencia. [0011] En la figura 1 se ilustran las partes esenciales de una estructura de un bobinado, designado en general con 11, de una instalación de limitación de la

25 corriente de acuerdo con la invención. En esta estructura, se parte de formas de realización conocidas en sí de bobinados bifilares de instalaciones correspondientes, como se pueden deducir, por ejemplo, a partir del documento DE 10 2004 048 646 A1 mencionado. El bobinado está creado con al menos un conductor HTS 12 en forma de cinta, como especialmente un conductor de cinta de YBCO (YBa2CU3Ox)

30 del tipo de “conductor revestido” como bobinado plano en forma de disco. Los conductores de cinta correspondientes presentan sobre un sustrato especialmente de un metal una capa de YBCO con al menos una capa tampón intermedia, de manera que la capa de YBCO está recubierta por una capa de cubierta conductora normal (ver, por ejemplo, la publicación DE-A1 mencionada). Durante la creación del

35 bobinado 11, junto con el conductor de cinta YBCO 12 es arrollado al mismo tiempo un distanciador 13 transparente al menos en secciones parciales para un refrigerante, cuyo distanciador presenta a tal fin una flexibilidad suficiente así como se ocupa de proporcionar un distanciamiento de espiras Wi, Wi-1 adyacentes y la transparencia necesaria para el refrigerante. Puesto que el distanciador 13 está constituido, al

5 menos parcialmente, de material aislante, se garantiza también el aislamiento eléctrico necesario entre las espiras. En la figura, además, también las direcciones de flujo de una corriente I a conmutar o bien a limitar se designan con Ih en la dirección de ida y con Ir en la dirección de retorno y se indican por medio de flechas. [0012] Una configuración de acuerdo con la invención del distanciador 13 se deduce

10 a partir de la figura 2, que reproduce un fragmento del bobinado plano 11 según la figura 1. La forma de realización mostrada del distanciador 13 comprende en este caso una cinta de soporte 15 flexible, aislante de electricidad, por ejemplo de una lámina aislante de venta en el comercio, cuya anchura está adaptada a la del conductor de cinta HTS 12 y es con preferencia aproximadamente igual.

15 [0013] Además, la cinta de soporte 15 de aislamiento eléctrico puede estar realizada más ancha que el conductor de cinta HTS 12, para cumplir especialmente requerimientos con respecto a una resistencia mejorada a la tensión. [0014] En los dos lados planos 15a y 15b de esta cinta de soporte 15 están fijados unos elementos distanciadores 16i en forma de nervadura unos detrás de otros en

20 dirección longitudinal o bien en la dirección de la dilatación del conductor HTS. Por ejemplo, estos elementos distanciadores pueden ser encolados sobre la cinta de soporte 15. De manera ventajosa forman con la cinta de soporte 15 un componente prefabricado, suficientemente flexible para la formación del bobinado. Los elementos distanciadores 16i que se extienden transversalmente a la dirección longitudinal

25 presentan un espesor d predeterminado y una distancia a mutua predeterminadas. Su anchura corresponde, al menos aproximadamente, a la de la cinta de soporte 15 y/o a la del conductor de cinta HTS en el bobinado adyacente respectivo. De la misma manea, de forma ventajosa, la anchura de la cinta de soporte 15 puede ser mayor que la anchura del conductor de cinta 12, en particular la anchura de la cinta de soporte

30 15 puede adoptar esencialmente el doble del valor que la anchura del conductor de cinta HTS 12. [0015] El espesor d y la distancia a se seleccionan de manera ventajosa para que los elementos distanciadores 16i puedan representar un sumidero de calor suficientemente pasivo para una función de conmutación y una supresión de puntos

35 calientes (Hot Spots). En particular, si se selecciona para los elementos distanciadores 16i una cerámica con alta conductividad térmica, por ejemplo Al2O3 o AIN, entonces d y a pueden estar, al menos aproximadamente, en el mismo orden de magnitud de 1 mm a 5 mm, por ejemplo. Es decir, que los elementos distanciadores 16ipueden estar distanciados en la dirección longitudinal del conductor de cinta en la

5 medida de la distancia a entre 1 mm y 5 mm. Su espesor d medido en esta dirección puede estar en este caso entre 1 mm y 5 mm. La conductividad térmica λ de las cerámicas mencionadas está en este caso en un intervalo desde aproximadamente 10 W/mK hasta 60 W/mK (a 20 ºC), así por ejemplo para Al2O3 en 45 W/mK. [0016] El distanciador 13, que se puede considerar de esta manera como una “cinta

10 nervada” se puede arrollar, en virtud de su flexibilidad suficiente, junto con el conductor de cinta HTS 12 de manera conocida para formar un bobinado plano bifilar 11. En este caso, al menos la cinta de soporte 15 actúa al mismo tiempo también como aislamiento eléctrico entre las espiras Wi, Wi-1 individuales del bobinado. Los espacios intermedios remanentes, que forman canales de refrigeración

15 17, entre los elementos distanciadores 16i en forma de nervadura permiten una buena transparencia para un refrigerante, como LN2. En este caso es ventajoso que el distanciador 13 y el conductor de cinta HTS 12 estén separados en primer lugar uno del otro, es decir, que se pueden fabricar también en etapas de trabajo separadas o bien se pueden adquirir de fabricantes diferentes. El fabricante del conductor de cinta

20 HTS 12 puede mantener inalterado de esta manera su proceso estándar. [0017] Evidentemente, también se pueden emplear otras formas de realización para los elementos distanciadores 16i, con tal que con ello se acondicione una “masa térmica” o bien una capacidad térmica suficientemente grande de un sumidero de calor, con la que se pueden cumplir las funciones mencionadas. De esta manera, se

25 pueden prever diferentes tamaños para una distancia a y/o para el espesor d así como otras formas para los elementos distanciadores. [0018] De manera especialmente ventajosa, se proporciona una buena transmisión de calor entre el conductor de cinta HTS 12 y el distanciador 13 con sus elementos distanciadores 16i. Para la generación de un “contacto de cuerpo sólido”

30 correspondiente entre estas partes, por ejemplo el bobinado plano se puede impregnar, después del proceso de bobinado, con una resina de impregnación muy fluida, que penetra también en los intersticios estrechos entre el conductor de cinta HTS 12 y los elementos distanciadores 16i adyacentes, pero fluye de nuevo fuera de la zona entre los elementos distanciadores 16i y de esta manera libera de nuevo o bien deja abiertos los canales de refrigeración 17 deseados entre los elementos distanciadores 16’. [0019] Evidentemente también son posibles otras técnicas para un contacto térmico correspondiente de los elementos distanciadores 16i con el conductor de cinta HTS

5 12. Así, por ejemplo, los lados de los distanciadores 16i cerámicos, que están en contacto con el conductor de cinta HTS 12, se pueden metalizar y se pueden proveer con una capa de soldadura. El bobinado acabado se calienta a continuación a la temperatura de fusión de la soldadura, de manera que ésta se conecta con la superficie metálica, dado el caso igualmente presoldada, del conductor de cinta HTS

10 12 o bien de su capa de cubierta conductora normal. En las figuras, los puntos de soldadura correspondientes (o puntos de encolado de acuerdo con la técnica de unión alternativa) entre los elementos distanciadores 16i y el conductor de cinta HTS solamente se indican y se designan con 18. [0020] La estructura descrita anteriormente posibilita una dilatación radial suficiente

15 con relación al bobinado o bien un espesor de los elementos distanciadores 16i y, por lo tanto, de todo el distanciador 13. Esta dilatación o bien espesor puede ser de manera ventajosa mayor que la profundidad de difusión térmica. Esta profundidad de difusión térmica es, por ejemplo, en elementos distanciadores 16i de Al2O3, a una temperatura de 300 K y un valor habitual para el tiempo de conmutación de 50 ms,

20 aproximadamente 0,8 mm. Al mismo tiempo, hay que garantizar una superficie de refrigeración grande con las superficies laterales, dirigidas hacia los canales de refrigeración 17, de los elementos distanciadores 16i. [0021] También en la figura 2, las direcciones de flujo de la corriente antiparalelas lh y lr en bobinados Wi, Wi-1 adyacentes en virtud de la estructura bifilar del bobinado

25 se ilustran por medio de flechas en el conductor de cinta HTS 12. [0022] En la forma de realización de distanciadores 13, mostrada en la figura 2, se ha partido de que sus elementos distanciadores 16i están colocados a ambos lados en una cinta de soporte 15. La figura 3 muestra, a diferencia de ello, una forma de realización de un distanciador 13’ con disposición unilateral de los elementos

30 distanciadores 16l en una cinta de soporte 15.

Claims

REIVINDICACIONES

1.-Instalación supraconductora de limitación de la corriente de tipo resistivo con al menos un bobinado bifilar (11) de al menos un conductor HTS (12) en forma de cinta, en la que entre espiras (Wi, Wi-1) adyacentes del bobinado está dispuesto al

5 menos un distanciador (13, 13’) aislante de electricidad, que es transparente para un refrigerante al menos en zonas parciales, caracterizada porque el distanciador (13, 13’) presenta una cinta de soporte en forma de banda de material aislante de electricidad, que está provista sobre al menos uno de sus lados planos (15a, 15b) con elementos distanciadores (16i) de material aislante de electricidad, que están

10 distanciados entre sí en dirección de dilatación de la cinta de soporte (15) y están constituidos de un material con alta conductividad térmica. 2.-Instalación de limitación de la corriente de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada por elementos distanciadores (16i) con una conductividad térmica a 20 ºC entre 10 y 200 W/mK.

15 3.-Instalación de limitación de la corriente de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, caracterizada porque los elementos distanciadores (16i) están configurados en forma de nervadura.
4.-Instalación de limitación de la corriente de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque los elementos distanciadores (16i) 20 están formados de un material cerámico. 5.-Instalación de limitación de la corriente de acuerdo con la reivindicación 4, caracterizada porque como material cerámico está previsto Al2O3 o AIN. 6.-Instalación de limitación de la corriente de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque los elementos distanciadores (16i) 25 están fijados sobre la cinta de soporte (15).
7.-Instalación de limitación de la corriente de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizada porque los elementos distanciadores (16i) están encolados con la cinta de soporte (15).
8.-Instalación de limitación de la corriente de acuerdo con una de las 30 reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la cinta de soporte (15) está constituida de un material de plástico.
9.-Instalación de limitación de la corriente de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque los elementos distanciadores (16i) y la cinta de soporte (15) forman un componente común prefabricado.

35 10.-Instalación de limitación de la corriente de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque los elementos distanciadores (16i) están distanciados en la dirección longitudinal a una distancia (a) entre 1 mm y 5 mm.
11.-Instalación de limitación de la corriente de acuerdo con una de las 5 reivindicaciones anteriores, caracterizada porque los elementos distanciadores presentan en la dirección longitudinal un espesor (d) entre 1 mm y 5 mm.
12.-Instalación de limitación de la corriente de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la cinta de soporte (15) y/o los elementos distanciadores (16i) presentan una anchura, que corresponde al menos

10 aproximadamente a la del conductor de cinta HTS (12). 13.-Instalación de limitación de la corriente de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 11, caracterizada porque la cinta de soporte (15) y/o los elementos distanciadores (16i) presentan una anchura que corresponde al menos aproximadamente al doble de la anchura del conductor de cinta (12).

15 14.-Instalación de limitación de la corriente de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque los elementos distanciadores (16i) están conectados mecánicamente con la parte adyacente respectiva del conductor de cinta HTS (12).
15. Instalación de limitación de la corriente de acuerdo con la reivindicación 20 14, caracterizada porque los elementos distanciadores (16i) están encolados o

soldados con la parte respectiva del conductor de cinta HTS. Siguen dos páginas de dibujos.