WO1997002638A1 - Transformator als strombegrenzer - Google Patents

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WO1997002638A1
WO1997002638A1 PCT/EP1996/002938 EP9602938W WO9702638A1 WO 1997002638 A1 WO1997002638 A1 WO 1997002638A1 EP 9602938 W EP9602938 W EP 9602938W WO 9702638 A1 WO9702638 A1 WO 9702638A1
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transformer according
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superconducting
cylinder
carrier cylinder
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PCT/EP1996/002938
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Inventor
Helmut Kanbach
Mark Trautmann
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Daimler-Benz Aktiengesellschaft
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H9/00—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection
    • H02H9/02—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection responsive to excess current
    • H02H9/023—Current limitation using superconducting elements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F6/00—Superconducting magnets; Superconducting coils
    • H01F6/06—Coils, e.g. winding, insulating, terminating or casing arrangements therefor
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F6/00—Superconducting magnets; Superconducting coils
    • H01F2006/001—Constructive details of inductive current limiters
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E40/00—Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
    • Y02E40/60—Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment

Definitions

  • the invention relates to an transformer as a current limiter according to the preamble of claim 1.
  • the primary coil which for example surrounds a soft iron core
  • a solid ceramic component consisting of a ceramic superconductor cylinder.
  • the superconducting ring is arranged in an annular container which is filled with the coolant, for example liquid nitrogen.
  • ProDieme that are associated with the need to cool such current limiter units below the critical transition temperature of the superconductor are described, for example, in EP-PS 0 353 449 or by H. Kanbach, E. Bochenek, M. Trautmann, R. Fischer , H. Voigt, in: "Melt-processed YBCO for a Fault Current Limiter", 6th International Symposium on Superconductivity, ISS '93, Hiroshima, Japan, October 26-29, 1993.
  • the current-limiting effect in the event of an overcurrent is due to the transition of the superconductor from the superconducting to the normally conducting state.
  • the ring experiences a local, sudden heating and consequently a mechanical tension.
  • the ring expands during the transition due to the acting electromagnetic forces, and the brittle ceramic body builds up the tensile load due to mechanical damage, ie. H. Cracking, from.
  • the use of ceramic rings therefore poses great problems with the long-term stability of the current limiter arrangements. Aging effects are observed which, if the current limiter is switched repeatedly, can lead to a massive degradation of the properties of the material until the component is destroyed. The degradation effects
  • the invention is based on the object of further developing a transformer of the type mentioned at the outset in such a way that it can be used in a simple manner as a current limiter in medium-voltage networks.
  • Fig. 1 is a presen- tation of the funtion principle
  • Fig. 2 shows a transformer in a practical design.
  • the transformer 1 consists of a core ⁇ , a primary winding 2 and the superconducting ring 3, which is kept thermally insulated in a cooling vessel 4 (see FIG. 1).
  • the advantage of the transformer according to the invention is that it can be used in the high current range of more than 1 kA alternating current in distribution networks as a generator transformer or apparatus protection.
  • the secondary winding in the form of a short-circuit ring is flooded by a magnetic field below the critical field strength.
  • This critical field strength can easily be set by the number of primary turns to a value which corresponds to a maximum current I max.
  • the secondary winding changes from the superconducting to the normally conducting state and heats up very strongly in the process.
  • the ceramic ring from which the superconductor is made is formed as a thin layer 3, which is applied to a carrier 5, which prevents the superconducting ring from suddenly expanding too much and cracking.
  • FIG. 1 A first embodiment of the invention is shown in FIG. 1 shown.
  • the composite body 7 consists of a superconducting ring 3 made of YBaCuO and from a carrier 5 which surrounds the ring 3.
  • the carrier 5 is formed from glass fiber reinforced plastic (GRP).
  • GRP glass fiber reinforced plastic
  • a steel cylinder is used instead of the GRP sleeve. It is particularly advantageous to use a carrier cylinder with a suitable coating method such as electrophoresis, screen printing, plasma tips and the like. ⁇ . to coat on the inside or outside. Suitable layer thicknesses are 10 ⁇ m to 2 mm. Suitable intermediate layers can also be used in order to optimize the growth conditions or the adhesion to the base and similar properties of the superconductor layers.
  • Coating methods of this type are particularly suitable for components of large dimensions and, in addition to the better handling of the component, offer additional cost savings through lower material costs.
  • the carrier 5 is used as the coupling medium for the cooling.
  • the carrier can carry cooling coils or be double-walled, the cooling medium being guided in the cavities.
  • the carrier 5 itself represents a boundary wall of a bath cryostat or is immersed as a whole composite body in a cooling medium. For this reason, it is advantageous to use a metallic support.
  • the carrier can furthermore serve to receive fastening elements which are necessary for anchoring the composite body in a cryostat.
  • the carrier 5 consists of several layers of a band of glass or carbon fibers, which are living together.
  • the surface of the superconducting ring is densely sintered and polished.
  • the polishing is done in particular by water jet grinding.
  • a cap or sleeve 9 made of a high-strength alloy is enlarged in diameter by heating to such an extent that it can be pushed over the superconducting ring 3 together with the carrier cylinder 5.
  • the alloy has a high specific resistance in order to limit the current resulting from induction and the consequent losses to a value which is as low as possible.
  • a pressure preload is generated which the superconducting ceramic and the carrier cylinder under such a pretension that it cannot shatter when the kerami k suddenly heats up.
  • the carrier 5 is preferably made of a ceramic material on which the superconducting layer 3 adheres well. Otherwise an adaptation layer 8 (see FIG. 2) is applied to the carrier.
  • the transformer is dimensioned such that it can transmit the power that occurs in the event of a short circuit or overvoltages. Only at the maximum occurring size of the primary ampere turns may the core come close to saturation in order to ensure good shutdown behavior.
  • the cooling of the superconducting ring 3 takes place in a thermally insulated vessel 4, into which liquid nitrogen ⁇ 2 is introduced at the inlet connection 1, which leaves the cooling vessel 4 at the outlet 10 and is pumped through a refrigerator or fed to a storage vessel.
  • the cooling vessel 4 is preferably double-walled.
  • the primary winding 2 is applied as an inner winding on the transformer core 6 and the cooling vessel 4 with the superconducting ring 3, which takes up a little more space, is mounted concentrically thereon as a secondary winding.
  • the primary and secondary fluxes are chained together in such a way that the secondary impedance is transformed to the primary side and the inductive resistance is practically zero as long as the ring 2 is superconducting.
  • the critical magnetic field strength in the ring is exceeded and the ring behaves like a winding with high resistance, i. H. like an isolator.
  • the normal inductance of the choke with closed iron core can be felt in the network and limits the current to a value that can be set by the size of the inductance of the choke.
  • a carrier cylinder is coated with a thin layer of a ceramic superconductor.
  • All high-temperature superconductors with a high transition temperature and high come as coating materials Current carrying capacity in question. Suitable high-temperature superconductors are found in the group Y-Ba-Cu-O, Bi-Sr-Ca-Cu-O, Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O, Tl-Ba-Ca-Cu-O , Ba-K-Bi-O.
  • These layers can be produced by sealing layer processes, such as sol-gel processes, plasma spraying, electrophoresis, screen printing or electrochemical deposition.
  • the transformer according to the invention can advantageously be used in an energy distribution network in order to limit short-circuit currents.
  • the current intensity should be limited in the event of a short circuit if the current in the primary coil 2 of the transformer 1 rises above 14 kA.
  • the diameter of the iron core 6 is 40 cm, the core itself is 2 m high and has an O shape, as in FIG. 2 shown.
  • the primary coil 2 is designed in the copper cross section for a nominal current density of 2.5 A / mm 2 . It is cooled by a convection cooler.
  • the secondary turn 3 is part of the composite body 7, which was produced as a sintered ceramic k.
  • a buffer layer 8 here cerium oxide with a thickness of 0.5 ⁇ m, is applied between the Al 2 O 3 cylinder and the superconductor layer, which prevents an undesired interface fusion between carrier 5 and superconductor layer 3, which is known to indicate the superconductor properties Lich can worsen.
  • other materials such as yttriumstabil-ionized zirconium oxide, MgO, SrTi ⁇ 3 and other systems are suitable with adapted 'lattice parameters.
  • the carrier cylinder has a wall thickness of 3 cm. This composite body is held in a double-walled cryostat in a bath made of liquid nitrogen.
  • the critical field strength can be set at around 14 kA using the number of turns n in the primary coil.
  • the magnetic flux in which the superconducting core changes to the normal conducting state is approximately 100 T.
  • the compound cylinder 7 is mechanically stable and shows no cracks, even after multiple short-circuit tests.
  • the superconducting layer also shows no signs of degradation.
  • the ceramic cylinder to which this layer is applied absorbs the high pressure loads and, in the event of a short circuit, initially behaves like a very strong sleeve which prevents any expansion of the superconducting layer.
  • the large surface of the superconducting layer also ensures that the heat loss that accompanies the transition from superconducting to normal conducting is dissipated very quickly to the liquid nitrogen.
  • the carrier cylinder 5 can of course also be made from other ceramic materials. Quartz is a good choice for electrical reasons, but the thermal expansion coefficients of the carrier and superconducting layer material and the lattice adaptation when applying the possible superconductor layers to the substrate must be taken into account.
  • Example 2 In a further embodiment, the compressive stress is not applied by the carrier cylinder itself, but by a bandage applied externally after the coating.
  • ⁇ wake particularly suitable is a metal carrier 5, for example, nickel-Basirison isten, but which is designed to avoid excessive losses due to unavoidable eddy currents induced in the carrier mög ⁇ lichst Phynwandi g.
  • the subsequently applied banding then puts the layer body under pressure and mechanically stabilizes the carrier.
  • the prestressing can also be applied via externally attached half-shells made of a high-strength alloy which are clamped together.
  • the carrier cylinder 5 is coated on the outside with the superconductor.
  • the compressive stress which protects the superconductor in the limited case against tensile load, is protected by a 3an ⁇ age 9 which is subsequently laminated on.

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Abstract

Bei einem Transformator als Strombegrenzer, bei dem ein im Störfall zu begrenzender Strom durch die Primärspule (2) fließt und ein supraleitender Ring (3) als Sekundärspule vorgesehen ist, welcher in einem Kühlgefäß (4) unter die Sprungtemperatur des Hochtemperatur-Supraleiters abgekühlt wurde, ist vorgesehen, daß der Supraleiter als dünne ringförmige Schicht (3) auf einem Trägerzylinder (5) aufgebracht ist und mit diesem einen Verbundkörper (7) bildet.

Description

Transformator als Strombegrenzer
Beschreibung
Die Erfindung betπfft einen i ransformator als Strombegrenzer nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus αer europäischen Anmeldung ED 0 620 570 A1 ist eine Anordnung bekannt, bei der die Pπmarspule, die beispielsweise einen Weicheisen- kern umgibt, von einem massiven keramischen Bauteil bestehend aus ei¬ nem keramischen Supraleiterzylinder, konzentrisch umgeben ist. Der supraleitende Ring ist in einem ringförmigen Behalter angeordnet, der mit dem Kuhlmittel, z.B. Flussigstickstoff, angefüllt ist.
ProDieme, die mit der Notwendigkeit des Abkühlens solcher Strombe- grenzeremheiten unter die kritische ubergangstemperatur des Supra¬ leiters verbunden sind, werden beispielweise in der EP-PS 0 353 449 oder von H. Kanbach, E. Bochenek, M. Trautmann, R. Fischer, H. Voigt, in: "Melt-processed YBCO for a Fault Current Limiter", 6. International Symposium on Superconductivity, ISS '93, Hiroshima, Japan, 26.- 29.10.1993 beschrieben.
Die sτrombegrenzende Wirkung im uberstromfall ist auf den Übergang des Supraleiters vom supraleitenden in den normal leitenden Zustand zu¬ rückzufuhren. Der Ring erfahrt eine lokale, stoßartige Erwärmung und demzufolge eine mechanische Verspannung. Darüber hinaus dehnt sich der Ring beim Übergang durch die wirkenden elektromagnetischen Kräfte aus, und der an sich spröde Keramikkorper baut die Zugbe¬ lastung durch mechanische Schädigung, d. h. Rißbildung, ab. Die Ver¬ wendung von keramischen Ringen bringt also große Probleme bei der Langzeitstab ilitat der Strombegrenzeranordnungen mit sich. Es werden Alterungseffekte beobachtet, die bei wiederholtem Schalten des Strombe¬ grenzers zu einer massiven Degradation der Eigenschaften des Materials bis zur Zerstörung des Bauteils fuhren können. Die Degradationseffekte
ORIGINAL UNTERLAGEN werαen Mi kroπssen zugeschπeDen, die αurch die thermische Beanspru- cnung des Supraleiters im Schaltfall entstehen.
Aus der Europäischen Anmeldung EP 0 620 630 AI ist bekannt, den zy¬ lindrischen Supraleiter mit einem wärmedämmenden Mantel zu umgeben, αer die mechanische Stabilität des supraleitenden Zyiinαers verstärken sol l.
Besonders problematiscn werαen diese Effekte Dei einer etwaigen Skalie¬ rung solcher Bauteile für Mittel- unα hocnspannungsnetze, bei denen der Einsatz supraleiτender Strombegrenzer anstatt der üblicnerweise eingesetzten Explosionsscnalτer erwartet wi rd. Zur Ri ßbildung beim Scnalten des Strombegrenzers kommt hier noch hinzu, daß für die ange¬ sprochenen LeisτungsDereiche Bauteile notwendig sind, die Dimensionen von z. 3. 1 m Höhe und 50 cm Durcnmesser aufweisen können.
Keramische Körper in dieser Größe sine schwierig in der Handhabung unα brechen leicht. Die bisher Dekannten Transformatoren zur Sτromoe- grenzung haben den Nachtei l, daß d ie Sekunαärw icklungen sehr aufwen¬ dig in der Herstellung sind, wobei auch die Kosten für das Material des Hochτemperatursupraleiters eine Rol le spielen.
Der Erfindung liegt αaher die Aufgabe zugrunαe, einen Transformator der eingangs erwähnten Art so weiterzuentwickeln, daß er auf einfaene Weise als Strombegrenzer in Mittelspannungsnetzen einsetzbar ist.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung αurch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst.
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten. Das Wesen der Erfinαung besteht darin, daß die Sekundärwicklung nur aus einer dünnen Schicht besteht. Durch d iese ist die Herstellung der Sekundärwicklung senr einfach und auch die Künlung mit flüssiger Luft wirα wesentl ich erleichtert. Wegen der thermischen Spannungen beim Ü bergang vom supraleitenden i n αen normalleitenden Zustand werden speziel le Maßnahmen vorgescnlagen, welche insoesondere auf d ie Sprc- dig keit des keramischen Supraleiters abgestimmt sind. Die Erfindun g wi rd nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1 eine Darstel lung des Fun ktionsprinzips und
Fig. 2 einen Transformator in praxisnaher Gestaltung.
Der Transformator 1 besteht aus einem Kern β, einer Primärwicklung 2 und dem supraleitenden Ring 3, weicher in einem Kühigefäß 4 thermisch isoliert gehalten wird (s. Fig. 1 ). Der Vorteil des erfindungsgemäßen Transformators besteht darin, daß er im Hochstrombereich von über 1 kA Wechselstrom in Verteilernetzen als Generator-Transformator oder Apparateschut∑ eingesetzt werden kann. Bei Nennstrom ist dabei die Se¬ kundärwicklung in Form eines Kurzschlußringes von einem Magnetfeld unterhal b der kritischen Feldstärke durchflutet. Diese kritische Feld¬ stärke läßt sich durch die Anzahl der Primärwindungen leicht auf einen Wert einstellen, welcher einem maximalen Strom I max entspricht. Bei ei¬ nem Meh rfachen dieses maximalen Stroms geht d ie Sekundärwicklung vom supraleitenden in den normal leitenden Zustand über und heizt sich dabei sehr stark auf. Aus diesem Grunde wird der keramische Ring, aus wei¬ chem der Supraleiter hergestel lt ist, als dünne Scnicht 3 ausgebildet, die auf einem Träger 5 aufgebracht ist, welcher verhindert, daß der supraleitende Ring sich plötzlich zu stark ausdehnt und Risse bekommt.
Ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fi g. 1 dargestellt. Der Verbund körper 7 besteht aus einem supraleitenden Ring 3 aus YBaCuO und aus einem Träger 5, der den Ring 3 umgibt. In diesem Bei¬ spiel wird der Träger 5 aus g lasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) ge¬ bildet. Der Verbund wird im Ofen bei 120° ausgehei∑t, was die End- fesτigkeit des GFK deutlich erhöht, wobei Werte bis 500 Mpa erreichbar sind.
Wird der Verbundkörper anschließend als Strombegrenzer eingesetzt, wird auch nach hundertfachem Schalten keine der sonst üblichen Degra¬ dationen beobachtet.
In einem anderen Ausführungsbeispiel wird statt der GFK-Manschette ein Stahlzylinder verwendet. Besonders vorteilhaft ist es, einen Trägerzylinder mit einem geeigneten Beschichtungsverfahren wie Elektrophorese, Siebd ruck, Plasmaspitzen u. ä. auf der Innenseite oder Außenseite zu beschichten. Geeignete Schichtdicken sind 10 μm bis 2 mm. Es können darüber hinaus geeignete Zwischenschichten verwendet werden, um die Wachstumsbedingungen bzw. das Haften auf der Unterlage und ähnliche Eigenschaften der Supraleiter-Schichten zu optimieren.
Solche Beschichtungsverfahren sind speziell für Bauteile großer Di¬ mensionen geeignet und bieten neben der besseren Handhabung des Bauteils zusätzliche Kostenersparnisse durch geringere Material kosten.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ergi bt sich, wenn der Träger 5 als Koppelmedium der Kühlung eingesetzt wird. So kann der Träger bei¬ spielsweise Kühlschlangen tragen oder doppelwandig ausgeführt sein, wobei in den Hohlräumen das Kühlmedium geführt ist. Eine weitere Mög¬ lich keit besteht darin, daß der Träger 5 selbst eine Begrenzungswand eines Bad kryostaten darstel lt oder auch als ganzer Verbundkörper in ein Küh lmedium eintaucht. Es ist aus diesem Grund vorteilhaft, einen metallischen Träger zu verwenden. Der Träger kann weiterhin dazu dienen, Befestigungselemente aufzunehmen, die notwendig sind, den Ver¬ bundkörper in einem Kryostaten zu verankern.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht der Träger 5 aus mehreren Lagen eines Bandes aus Glas- oder Kohlefasern, die miteinander verk lebt sind.
Um insbesondere die Rißbildung zu erschweren, ist die Oberfläche des supraleitenden Ringes dicht gesintert und poliert. Das Polieren geschieht insbesondere durch Wasserstrahlschleifen.
Bei einer vortei l haften Ausführungsform der Erfindung wird eine Schel le oder Manschette 9 aus einer hochfesten Legierung durch Aufheizen im Durchmesser so weit vergrößert, daß sie über den supraleitenden Ring 3 samt Trägerzyl inder 5 geschoben werden kann. Die Legierung besitzt einen hohen spezifischen Widerstand, um den durch Induktion entste¬ henden Strom und d ie dadurch bedingten Verluste auf einen möglichst nied ri geren Wert zu begrenzen. Beim Abkühlen wird eine Druckvorspan¬ nung erzeugt, welche die supraleitende Keramik und den Trägerzylinder unter einer solchen Vorspannung hält, daß sie beim plötzlichen Aufhei¬ zen der Kerami k nicht zerspringen kann. Vorzugsweise ist der Träger 5 aus einem keramischen Material hergestellt, auf dem die supraleitende Schicht 3 gut haftet. Andernfalls wird eine Anpassungsschicht 8 (s. Fig. 2) auf den Träger aufgebracht.
Der Transformator ist so bemessen, daß er im Kurzschlußfal l oder bei Überspannungen, die dabei auftretende Leistung übertragen kann. Erst bei der maximal auftretenden Größe der primären Amperewindungen darf der Kern in d ie Nähe der Sättigung kommen, um ein gutes Abschaltver¬ halten zu gewährleisten.
Die Kühlung des supraleitenden Ringes 3 geschieht in einem wär¬ meisolierten Gefäß 4, in das bei dem Einlaßstutzen 1 1 flüssiger Stickstoff ^2 eingeleitet wi rd, der bei dem Auslaß 10 das Kühlgefäß 4 verläßt und durch eine Kältemaschine gepumpt oder einem Vorratsgefäß zugeführt wird. Das Kühlgefäß 4 ist vorzugsweise doppelwandig ausgeführt.
Es wird als günstig angesehen, wenn die Primärwicklung 2 als innere Wicklung auf dem Transformatorkern 6 aufgebracht ist und das etwas mehr Raum einnehmende Kühlgefäß 4 mit dem supraleitenden Ring 3 als Sekundärwicklung darauf konzentrisch angebracht ist. Es ist aber prin¬ zipiell nur wichtig, daß der primäre und sekundäre Fluß miteinander derart verkettet sind, daß d ie Sekundärimpedanz auf d ie Primärseite transformiert wird und dort der induktive Widerstand praktisch Nul l ist, solange der Ring 2 supraleitend ist. Bei Überlastung im Primärkreis wird die kritische magnetische Feldstärke im Ring überschritten und der Ring verhält sich wie eine Windung mit hohem Widerstand, d. h. wie ein Iso¬ lator. Dadurch wird die normale Induktivität der Drossel mit geschios- senem Eisenkern im Netz spürbar und begrenzt den Strom auf einen durch die Größe der Induktivität der Drossel einstellbaren Wert.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wi rd ein Trägerzyiinder mit einer dünnen Schicht eines keramischen Supra- leiters beschichtet. Als Beschichtungsmaterialien kommen alle Hochtempe¬ ratur-Supraleiter mit einer hohen Ü bergangstemperatur und hoher Stromtragfähigkeit in Frage. Geeignete Hochtemperatur-Supraieiter fin¬ den sich in der Gruppe Y-Ba-Cu-O, Bi-Sr-Ca-Cu-O, Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O, Tl-Ba-Ca-Cu-O, Ba-K-Bi-O. Diese Schichten können durch Dichschicht- verfahren, wie Sol-Gel-Verfahren, Plasmaspritzen, Elektrophorese, Sieb¬ druck oder elektrochemisches Abscheiden erzeugt werden.
Der erfindungsgemäße Transformator kann mit Vorteil in einem Energie¬ verteilungsnetz eingesetzt werden, um Kurzschlußströme zu begrenzen. Aus elektrotechnischen Gründen ist es sinnvoll, die Geometrie so zu wählen, daß die Gesamthöhe der Sekundärwindung im Verhältnis zu ihrem Außendurchmesser so gewählt ist, daß sie sich wie n:1 (mit 1 kleiner gleich n kleiner gleich 10) verhält. Dies kann entweder durch einen entsprechend geformten Trägerzylinder oder durch einen Stapel von beschichteten Ringen verwi rklicht werden.
Beispiel 1 :
Bei einem Nennstrom von beispielsweise 2,5 kA soll d ie Stromstärke im Kurzschlußfall begrenzt werden, falls der Strom in der Primärspule 2 des Transformators 1 über 14 kA ansteigt. Der Durchmesser des Eisen- kerns 6 beträgt 40 cm, der Kern selbst ist 2 m hoch und besitzt O- Form, wie in Fi g. 2 dargestellt. Die Primärspule 2 ist im Kupferquer¬ schnitt für eine Nennstromdichte von 2,5 A/mm2 ausgelegt. Sie wird durch einen Konvektionskühler gekühlt. Die Sekundärwindung 3 ist Tei l des Verbund körpers 7, welcher als Sinterkerami k hergestellt wurde. Der Trägerzylinder 5 besteht aus einem H=1 m hohen Al ∑Oϊ-Zylinder, auf welchem durch Innenbeschichtung eine 60 μm dicke und h=90cm hohe Schicht aus schmelzprozessiertem Y Ba2 Cu3 O7 aufgebracht wurde. Zwi¬ schen dem Al 2θ3-Zyl inder und der Supraleiterschicht ist eine Puffer¬ schicht 8, hier Ceroxid mit 0,5 μm Dicke aufgebracht, die eine uner- wünschte Interd iffusion zwischen Träger 5 und Supraieiterschicht 3 unterbindet, welche bekanntermaßen die Supraleitereigenschaften deut¬ lich verschlechtern kann. Als Puffer- oder Anpassungsschicht sind auch andere Materialien, wie z.B. yttriumstabil isiertes Zirkonoxid, MgO, SrTiθ3 und andere Systeme mit angepaßten 'Gitterparametern geeignet. Der Trägerzylinder hat eine Wandstärke von 3 cm. Dieser Verbund körper ist in einem doppelwand igen Kryostaten in einem Bad aus flüssigem Stick¬ stoff gehalten. Durch d ie Wind ungszahl n der Primärspule kann die kritische Feldstärke bei etwa 14 kA ein gestel lt werden. Bei dem verwendeten supraleitenden Material, dessen Herstel lung und Eigenschaften in der Patentschrift DE 42 26 942 C1 beschrieben sind, beträgt der magnetische Fluß, bei dem der supraleitende Kern in den normalleitenden Zustand übergeht, etwa 100 T. Der Verbundzylinder 7 ist mechanisch stabil und zeigt keinerlei Risse, auch nach mehrfacher Kurzschlußprüfung. Die supraleitende Schicht zeigt ebenfalls keinerlei Degradationserscheinungen. Das ist dar¬ auf zurückzuführen, daß der Kerami kzylinder, auf welchen diese Schicht aufgebracht ist, die hohen Druckbelastungen auffängt und sich im Kurz¬ schlußfall zunächst einmal wie eine sehr starke Manschette verhält, wel¬ che jede Ausdehnung der supraleitenden Schicht verhindert. Die große Oberfläche der supraleitenden Schicht sorgt außerdem dafür, daß die Verlustwärme, welche den Übergang supraleitend-normalleitend begleitet, sehr schnel l an den flüssi gen Stickstoff abgeführt wird.
Der Trägerzylinder 5 kann selbstverständlich auch aus anderen kerami¬ schen Material ien hergestellt werden. Aus elektrischen Gründen ist Quarz eine gute Wahl, doch sind die thermischen Ausdehnungskoef- fizienten von Träger- und supraleitenden Schichtmaτerial sowie die Git¬ teranpassun g beim Aufbringen der möglichen Supraleiterschichten auf die Unterlage des Trägers zu berücksichtigen.
Beispiel 2: In einer weiteren Ausführungsform wird die Druckspannung nicht vom Trägerzyi inder 5 sel bst aufgebracht, sondern von einer nach der Be¬ schichtung außen aufgebrachten Bandage.
Dies erlaubt einen weiteren F rei heitsgrad bei der Wahl des Trägerzylin- dermaterialε, da hier d ie Abstimmung der thermischen Ausdehnungskoef¬ fizienten weni ger ins Gewicht fäl lt.
Für Kühl∑wecke besonders geeignet ist ein metallischer Träger 5 , z.B. aus Nickel-Basisiegierungen, der jedoch zur Vermeidung von zu hohen Verlusten durch unvermeidlich induzierte Wirbelströme im Träger mög¬ lichst dünnwandi g ausgeführt wird. Die nachträglich angebrachte Ban¬ dage setzt dann den Schichτkörper unter Druck und stabilisiert den Träger mechanisch. Neben GFK- oder auch kohlefaserverstärkten Kunststoff-Bandagen kann die Druckvorspanung auch über außen angesetzte Halbschalen aus einer hochfesten Legierung, die miteinander verspannt sind, aufgebracht wer¬ den.
Beispiel 3:
In einer weiteren Ausführungsform ist der Trägerzyl inder 5 auf der Außenseite mit dem Supraleiter Deschichtet. Wie im vorangegangenen Beispiel wird αie Druckspannung, die den Supraleiter im Begrenzungsfall vor Zugoelastung scnützt, von einer nachträglich auflaminierten 3anαage 9 geschützt.

Claims

Patentansprüche
1. Transformator als Strombegrenzer, bei dem ein im Störfall zu begrenzender Strom durch die Primärspule (2) fließt und ein supraleitender Ring (3) auf einem Trägerzyiinder (5) als Sekundärspule vorgesehen ist, welcher in einem Kühlgefäß (4) unter die Sprungtemperatur des Hochtemperatur- Supraleiters abgekühlt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Supraleiter als dünne hohlzylinderförmige Schicht (3) auf dem Trägerzylinder (5) aufgebracht ist, so daß er mit diesem einen Verbund¬ körper (7) bildet, und daß die supraleitende Schicht von einem Zylinder umgeben ist, der im Schaltfall die supraleitende Schicht unter
Druckspannung setzt.
2. Transformator nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (3) auf der Innenseite des Trägerzylinders (5) aufgebracht ist.
3. Transformator nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (3) auf der Außenseite des Trägerzylinders (5) aufgebracht und von einer Manschette umgeben ist, die eine Druckspannung erzeugt, die im Schaltfall die Rißbildung im Supraleiter verhindert.
4. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (3) 10μm - 2mm dick ist.
5. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (3) 50 - 500 μm dick ist.
6. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerzylinder (5) eine Wandstärke kleiner als 1/10 des Außendurchmessers aufweist.
7. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitende Schicht (3) im Verbundkörper (7) durch Vorspannung des Trägerzylinders (5) unter Druckspannung gesetzt ist.
8. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerzylinder (5) aus einem Metall gebildet ist, insbesondere aus einer Nickel-Basislegierung.
9. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerzylinder (5) einen elektrischen Widerstand aufweist, der so groß ist, daß im Begrenzungsfall im Trägerzylinder höchstens ein Zehntel der Stromstärke fließt, verglichen mit der Stromstärke in der supraleitenden
Schicht (3).
10. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerzylinder (5) aus einem Isolator gebildet ist, insbesondere aus einer Keramik und/oder aus einem glasfaserverstärkten Kunststoff und/oder aus einem kohlefaserverstärkten Kunststoff.
1 1. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitende Schicht (3) durch Keramikprozesse als Massivmaterial hergestellt ist.
12. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitende Schicht (3) durch Beschichtungsverfahren hergestellt ist, insbesondere durch Dickschichtverfahren wie Sol-Gel-Verfahren, Plasmaspritzen, Elektrophorese, Siebdruck oder elektrochemisches Abscheiden.
13. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärspule (2) die supraleitende Schicht (3) konzentrisch umschließt.
14. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitende Schicht (3) die Primärspule (2) konzentrisch umschließt.
15. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerzylinder (5) eine Begrenzungswand der Kühleinrichtung darstellt.
16. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitende Schicht (3) aus mindestens einem keramischen Supraleiter aus der Gruppe Y-Ba-Cu-O, Bi-Sr-Ca-Cu-O, Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O, Tl-Ba-Ca-Cu-O, Ba-K-Bi-O besteht.
17. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (3) als keramischer Supraleiter eine Verbindung der allgemeinen Formel Yι +2χ+y Ba2+x Cu3+x Oz mit 0 < x < 0,5 ;
0 < y < 0,5 und 6 < z < 7 ist.
18. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe (h) des supraleitenden Zylinders (3) zu seinem Außendurch- messer (d) sich wie n:1 verhält, wobei 1 < n < 10 ist.
19. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Schicht (3) und dem Trägerzylinder eine Anpas¬ sungsschicht (8) zur Verbesserung der Haftfähigkeit der supraleitenden Schicht (3) und zur Vermeidung von Schädigung durch Diffussion aus benachbarten Schichten vorgesehen ist.
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