WO2000035026A1 - Resistive strombegrenzungseinrichtung mit mindestens einer von einer isolierenden schicht abgedeckten leiterbahn unter verwendung von hoch-tc-supraleitermaterial - Google Patents

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conductor track
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limiting device
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Björn HEISMANN
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    • Y10T428/24917—Discontinuous or differential coating, impregnation or bond [e.g., artwork, printing, retouched photograph, etc.] including metal layer

Definitions

  • Resistive current limiting device with at least one conductor track covered by an insulating layer using high-T c superconductor material
  • the invention relates to a resistive current limiting device with at least one conductor track designed for a predetermined nominal current, which contains metal oxide high-T c superconductor material, is arranged on a carrier body and is provided with a cover layer made of an at least largely insulating material.
  • a Stro limiting device emerges from DE 195 20 205 AI.
  • Short circuits and electrical arcing cannot be avoided with certainty in electrical AC supply networks.
  • the alternating current in the affected circuit increases very quickly, i.e. in the first half-wave, to a multiple of its nominal value until it is interrupted by suitable fuse and / or switching means.
  • considerable thermal and mechanical loads from current forces occur in all affected network components such as lines and busbars, switches and transformers. Since these short-term loads increase with the square of the current, a safe limitation of the short-circuit current to a lower peak value can considerably reduce the requirements for the load capacity of these network components. This enables cost advantages to be achieved, for example when building new networks or when expanding existing networks, by replacing network components with embodiments that can withstand higher loads by installing current limiting devices.
  • Resistive superconducting current limiting devices of the type mentioned in the introduction form a superconducting switching path to be inserted serially into a circuit.
  • the heating above the transition temperature T c occurs through Joule 'see heat in the superconductor of the conductor track itself, if after a short circuit the current density j rises above the critical value j c of the superconductor material, the material already assuming a finite electrical resistance below the transition temperature T c .
  • an advantageously reduced residual current continues to flow in the circuit until the circuit is completely interrupted, for example by means of an additional mechanical disconnector.
  • HTS materials metal oxide high-T c superconductor materials
  • LN 2 liquid nitrogen
  • the superconducting current path should be in heat-conducting contact with a coolant, which is able to return it to the superconducting operating state in a relatively short time after the critical current density j c has been exceeded.
  • the known current limiting device has a carrier body made of an electrically insulating material such as, for example, Y-stabilized ZrO 2 or glass, to which a metal oxide HTS material in the form of a layer structured at least one conductor track is applied directly or via an intermediate layer .
  • the conductor track can in particular be designed as a meander (cf. EP 0 523 374 AI). At its ends, the conductor track can be contacted with further conductors for feeding in or tapping off the current to be limited.
  • at least the superconductor material can also be covered with an insulating layer.
  • Embodiments of current limiting devices using HTS material are also known, in which the conductor tracks are covered with normally conductive material, which serve as a so-called shunt resistor (cf. EP 0 345 767 AI).
  • the main body that stores the conductor path during the switching phase is the carrier body carrying the conductor path, while the heat transfer from the material Conductor to a reservoir of the coolant, such as in particular LN 2, is small and further deteriorates due to the formation of a gas film on the surface.
  • the temperature gradients that can be tolerated locally by the layer system of the conductor tracks represent the material-specific limit for a maximum electrical power that can be switched.
  • liquid nitrogen (LN 2 ) or the nitrogen gas film that forms as a result of the heating additionally has a significantly lower dielectric strength compared to a solid body, which increases with switching capacity while at the same time using the space as optimally as possible by minimizing the spaces between individual conductor track parts, such as is particularly important for a meander shape.
  • the object of the present invention is therefore to design the current limiting device with the features mentioned at the outset in such a way that it can be used for comparatively higher switching powers.
  • the material of the cover layer is a plastic with at least one filler which increases the thermal conductivity and at least that part of the cover layer which is assigned to the surface of the at least one conductor track has a thickness which is greater than the thickness of the conductor track.
  • a cover layer of this type which represents an insulating solid, namely acts as an additional heat buffer for the thermal energy deposited in the conductor track during the switching process.
  • Filled plastic materials also have significantly better thermal conductivity, heat storage and heat transfer coefficients than a liquid and, above all, gaseous, turbulent flowing coolant such as LN 2 and also have the aforementioned high mechanical stability.
  • Insulating materials which are curable at room temperature or at elevated temperature and provided with the filler are advantageously chosen as the cover layer material, which in particular include synthetic materials. epoxy resin based resins. Such materials are relatively easy to apply and non-porous on the surface of the conductor track or the structure of the conductor track and support body and cure there.
  • the proportion of filler material in the plastic material is advantageously chosen between 5 and 60% by volume if electrically conductive filler material is provided. If electrically non-conductive full material is used, the proportion can be up to 80% by volume. This ensures not only adequate mechanical stability of the structure of the cover layer and the underlying conductor track, but also particularly good heat dissipation.
  • filler materials are advantageously at least one material from the group Cu, Ag, Al, alloys thereof, metal oxides, provided in particular A1 2 0 3 or Y 2 0 3 or CuO. Particularly good heat dissipation from the cryogenic coolant can be achieved with these materials. From the point of view of sufficient resilience, filler materials made of electrically non-conductive material are particularly suitable.
  • the average thickness of the cover layer should be between 10 ⁇ m and 1 mm. Adequate cooling of the superconducting conductor track is thus possible on the one hand; on the other hand, the aspect of mechanical stability is sufficiently taken into account.
  • the choice of material for the cover layer and in particular for the fillers is advantageously chosen such that a dielectric strength of the cover layer at operating temperature of the superconductor material of at least 15 kV / mm, preferably at least 20 kV / mm, is maintained. Such values of dielectric strength can be easily achieved with conventional filler materials and plastic materials. Further advantageous refinements of the current limiting device according to the invention emerge from the remaining dependent claims.
  • FIG. 1 shows a cross section through a current limiting device according to the invention and FIG. 2 shows a section of a further embodiment of such a current limiting device.
  • the concrete design of the current limiting device according to the invention is based on embodiments known per se (cf. DE 195 20 205 AI or EP 0 523 374 AI).
  • the current limiting device therefore comprises at least one support body, which can also be referred to as a substrate, optionally at least one intermediate layer deposited thereon, which is also to be regarded as a buffer or adhesive layer, and at least one layer of an HTS material applied to this intermediate layer.
  • a plate or a band or some other structure made of a metallic or electrically insulating material is used with an inherently arbitrary thickness and the dimensions required for the respective application.
  • Suitable metallic materials for this purpose are all elemental metals or alloys of these metals known as carriers for HTS materials.
  • Such supports generally have to be coated with an insulation layer compared to the HTS material.
  • metallic, electrically insulating material for the carrier body come ceramics such as with Y-stabilized Zr0 2 (abbreviation: "YSZ”), MgO, SrTi0 3 or in particular glass material rialien in question.
  • the intermediate layer can be selected in particular to promote textured growth of the HTS material.
  • YSZ, Ce0 2 , YSZ + Ce0 2 (as a double layer), Pr 6 O n , MgO, Y + SN-doped In 2 0 3 (as a double layer), SrTi0 3 or Lai- x Ca x MnOs are suitable, for example, as the intermediate layer material .
  • HTS materials All known metal-oxide high-T c superconductor materials are suitable as HTS materials, which in particular allow cooling technology with liquid nitrogen (LN 2 ).
  • These materials are only basic types; Therefore, individual components can be at least partially replaced in a manner known per se by suitable other components.
  • the HTS layer formed from this material is structured to form the at least one conductor track.
  • the layer or structure made of the HTS material can also be provided with at least one electrically conductive shunt resistor
  • Suitable shunt resistance materials are those that do not have any undesirable reactions with the HTS material. Examples include Ag and Au and their alloys with other alloy partners.
  • the conductor track which may have such a metallic shunt resistance layer, should be covered with at least one special, at least largely electrically insulating cover layer made of a plastic material and of sufficient thickness. The thickness of the cover layer should be greater, preferably at least 3 times as large as the conductor track in the corresponding surface area. This cover need not only be present in the area of the conductor track. Rather, it can also extend on the entire surface of the structure of the current limiting device on one or both sides. A corresponding structure of a current limiting device or a part thereof is shown in FIG. 1.
  • This current limiting device therefore contains a carrier body 3 of thickness d1, a thin intermediate layer or buffer layer possibly arranged thereon, not shown in the figure, and at least one applied thereon, Conductor path 4 formed from an HTS layer of thickness d2. At its ends, this conductor path is provided with contact surfaces, not shown, to which further conductors for feeding in or discharging a current to be limited are to be connected.
  • An insulating cover layer deposited on this at least in the region of the conductor track is denoted by 5 and has a thickness d3 (in the region of the conductor track). As shown in the figure, this cover layer can also cover the entire structure.
  • the rear side of the structure can also be provided with a corresponding cover layer 5 '.
  • Such embedding of the carrier body has practically no influence on the switching phase; it primarily serves for further mechanical stabilization.
  • the current limiting device 2 or its at least one conductor track 4 is kept at the cryogenic operating temperature by a coolant M such as LN 2 .
  • the cover layer 5 should consist of an insulating plastic material which is also filled in particular with at least 5% by volume of a filler material.
  • insulating materials are plastics which can be cured at room temperature or at higher temperatures and are also used as single- or multi-component adhesives, such as epoxy resins.
  • Suitable epoxy resins are known, for example, under the trade name “Stycast 2850 FT blue / black” from WR Grace & Co.-Conn., New York (US) or “Uhu plus endfest 300” from Uhu GmbH, Bühl (DE) .
  • Further examples of suitable plastic materials can be found in EP 0 488 275 A2 or US 3,291,758 A.
  • plastic materials are said to also be filled with at least one filler which increases the thermal conductivity and is made of an electrically conductive or in particular electrically non-conductive material.
  • electrically non-conductive filler materials are preferred. Their proportion is generally between 5 and 80% by volume. A1 2 0 3 is particularly advantageous because of its good thermal conductivity (see, for example, EP 0 386 473 B1).
  • electrically conductive filler materials their maximum proportion is generally at comparatively lower values, in particular between 5 and 60% by volume. Examples of such filler materials are Cu, Al or Ag and their alloys.
  • the electrically non-conductive filler material A1 2 0 3 mentioned for example in the form of sapphire, other metal oxides such as Y 2 0 3 or CuO are also particularly suitable.
  • the thickness d3 of the cover layer 5 or 5 ' should be chosen at least in the area of the surface of the assigned conductor track 4 such that it is larger, preferably at least 3 times as large as the thickness d1 of the conductor track underneath.
  • This structure is provided on both sides with a covering layer 5 or 5 'made of "Uhu plus endfest 300" with 10% Cu powder filling and a thickness of 10 ⁇ m.
  • the dielectric strength of this layer is approximately 20 kV / mm.
  • FIG. 2 shows a section of a further embodiment of a current limiting device 12 according to the invention, the support body 3 of which is provided on both sides with HTS conductor tracks 4 or 4 '.
  • the carrier body for example, again consists of a special glass material that is thin on both sides, for example 0.3 ⁇ m thick Buffer layer 13 or 13 'made of YSZ is coated. On each of these buffer layers there is a conductor track 4 or 4 'made of an HTS material such as Bi 2 Sr 2 CaCu 2 0 8 + x .
  • These conductor tracks are each covered by a thin, for example 0.5 ⁇ m thick shunt resistance layer 14 or 14 'made of a normally conductive material such as Au or Ag.
  • This structure is covered on both sides with a cover layer 5 or 5 ', for example 10 ⁇ m thick, made of the special insulating plastic material with fillers.

Landscapes

  • Emergency Protection Circuit Devices (AREA)
  • Containers, Films, And Cooling For Superconductive Devices (AREA)

Abstract

Die Strombegrenzungseinrichtung (2) enthält mindestens eine Leiterbahn (4) mit Hoch-Tc-Supraleitermaterial auf einem Trägerkörper (3). Die Leiterbahn soll dabei mit einer Deckschicht (5) aus einem isolierenden Kunststoffmaterial versehen sein, das einen die Wärmeleitfähigkeit erhöhenden Füllstoff enthält. Die Dicke (d3) der Deckschicht (5) soll dabei grösser als die Dicke (d2) der Leiterbahn (4) sein.

Description

Beschreibung
Resistive Strombegrenzungseinrichtung mit mindestens einer von einer isolierenden Schicht abgedeckten Leiterbahn unter Verwendung von Hoch-Tc-Supraleitermaterial
Die Erfindung bezieht sich auf eine resistive Strombegrenzungseinrichtung mit mindestens einer für einen vorgegebenen Nennstrom ausgelegten Leiterbahn, die metalloxidisches Hoch- Tc-Supraleitermaterial enthält, auf einem Trägerkörper angeordnet ist und mit einer Deckschicht aus einem zumindest weitgehend isolierenden Material versehen ist. Eine derartige Stro begrenzungseinrichtung geht aus der DE 195 20 205 AI hervor.
In elektrischen Wechselstromversorgungsnetzen können Kurzschlüsse und elektrische Überschläge nicht mit Sicherheit vermieden werden. Dabei steigt der Wechselstrom im betroffenen Stromkreis sehr schnell, d.h. in der ersten Halbwelle, auf ein Vielfaches seines Nennwertes an, bis er durch geeignete Sicherungs- und/oder Schaltmittel unterbrochen wird. Als Folge davon treten in allen betroffenen Netzkomponenten wie Leitungen und Sammelschienen, Schaltern und Transformatoren erhebliche thermische sowie mechanische Belastungen durch Stromkräfte auf. Da diese kurzzeitigen Lasten mit dem Quadrat des Stromes zunehmen, kann eine sichere Begrenzung des Kurzschlußstromes auf einen niedrigeren Spitzenwert die Anforderungen an die Belastungsfähigkeit dieser Netzkomponenten erheblich reduzieren. Dadurch lassen sich Kostenvorteile erzie- len, etwa beim Aufbau neuer als auch beim Ausbau bestehender Netze, indem durch einen Einbau von Strombegrenzungseinrichtungen ein Austausch von Netzkomponenten gegen höher belastbare Ausführungsformen vermieden werden kann.
Mit supraleitenden Strombegrenzungseinrichtungen vom resisti- ven Typ kann in an sich bekannter Weise der Stromanstieg nach einem Kurzschluß auf einen Wert von wenigen Vielfachen des Nennstromes begrenzt werden; darüber hinaus ist eine solche Begrenzungseinrichtung kurze Zeit nach Abschaltung wieder betriebsbereit. Sie wirkt also wie eine schnelle, selbstheilende Sicherung. Dabei gewährleistet sie eine hohe Betriebssi- cherheit, da sie passiv wirkt, d.h. autonom ohne vorherige Detektion des Kurzschlusses und ohne aktive Auslösung durch ein Schaltsignal arbeitet.
Resistive supraleitende Strombegrenzungseinrichtungen der eingangs genannten Art bilden eine seriell in einen Stromkreis einzufügende supraleitende Schaltstrecke. Dabei wird der Übergang mindestens einer supraleitenden Leiterbahn vom praktisch widerstandslosen kalten Betriebszustand unterhalb der Sprungtemperatur Tc des Supraleitermaterials in den nor- malleitenden Zustand über Tc (sogenannter „Quench") hinaus ausgenutzt, wobei der nun vorhandene elektrische Widerstand Rn der Leiterbahn den Strom auf eine akzeptable Höhe I = U/Rn begrenzt. Die Erwärmung über die Sprungtemperatur Tc geschieht durch Joule' sehe Wärme in dem Supraleiter der Leiter- bahn selbst, wenn nach Kurzschluß die Stromdichte j über den kritischen Wert jc des Supraleitermaterials ansteigt, wobei das Material auch unterhalb der Sprungtemperatur Tc bereits einen endlichen elektrischen Widerstand annimmt. Im begrenzenden Zustand oberhalb der Sprungtemperatur Tc fließt in dem Stromkreis ein vorteilhaft verminderter Reststrom so lang weiter, bis der Stromkreis z.B. mittels eines zusätzlichen mechanischen Trennschalters völlig unterbrochen wird.
Supraleitende Strombegrenzungseinrichtungen mit bekannten e- talloxidischen Hoch-Tc-Supraleitermaterialien (Abkürzung: HTS-Materialien) , deren Sprungtemperatur Tc so hoch liegt, daß sie mit flüssigem Stickstoff (LN2) von 77 K im supraleitenden Betriebszustand zu halten sind, zeigen eine schnelle Zunahme des elektrischen Widerstandes beim Überschreiten der kritischen Stromdichte jc. Die Erwärmung in den normalleitenden Zustand und somit die Strombegrenzung geschieht dabei in hinreichend kurzer Zeit, so daß der Spitzenwert eines Kurz- schlußstromes auf einen Bruchteil des unbegrenzten Stromes, etwa auf den 3- bis 10-fachen Wert des Nennstromes begrenzt werden kann. Der supraleitende Strompfad sollte dabei in wärmeleitendem Kontakt mit einem Kühlmittel stehen, das ihn in verhältnismäßig kurzer Zeit nach einer Überschreitung der kritischen Stromdichte jc in den supraleitenden Betriebszustand wieder zurückzuführen vermag.
Mit der aus der eingangs genannten DE-A-Schrift zu entnehmen- den Strombegrenzungseinrichtung sind entsprechende Anforderungen weitgehend zu erfüllen. Die bekannte Strombegrenzungseinrichtung weist einen Trägerkörper aus einem elektrisch isolierenden Material wie z.B. aus Y-stabilisiertem Zr02 oder aus Glas auf, auf dem unmittelbar oder über eine Zwischen- schicht ein metalloxidisches HTS-Material in Form einer zu- mindestens einer Leiterbahn strukturierten Schicht aufgebracht ist. Die Leiterbahn kann dabei insbesondere als Mäander gestaltet sein (vgl. EP 0 523 374 AI). An ihren Enden ist die Leiterbahn mit weiteren Leitern zur Einspeisung bzw. Ab- nähme des zu begrenzenden Stromes kontaktierbar. Darüber hinaus kann bei der bekannten Strombegrenzungseinrichtung zum Schutz ihres HTS-Materials gegen Umwelteinflüsse wie Feuchtigkeit zumindest das Supraleitermaterial noch mit einer isolierenden Schicht abgedeckt sein.
Es sind auch Ausführungsformen von Strombegrenzungseinrichtungen unter Verwendung von HTS-Material bekannt, bei denen die Leiterbahnen mit normalleitendem Material abgedeckt sind, die als sogenannter Shunt-Widerstand dienen (vgl. EP 0 345 767 AI ) .
Bei derartigen Strombegrenzungseinrichtungen besteht ein technisches Problem in der Abfuhr der während eines Schaltprozesses lokal in den Supraleiter- und/oder Metallschichten deponierten thermischen Energie: Als Hauptwärmespeicher während der Schaltphase dient hierbei der die Leiterbahn tragende Trägerkörper, während der Wärmeübergang vom Material der Leiterbahn zu einem Reservoir des Kuhlmittel wie insbesondere LN2 gering ist und sich zudem durch Bildung eines Gasfilms an der Oberflache weiter verschlechtert. Es zeigt sich auch, daß sich zwischen noch supraleitenden und bereits geschalteten und damit sich von der Kuhlmitteltemperatur auf höhere Temperaturniveaus aufheizenden Leiterbahnbereichen m der ersten Schaltphase vor dem merklichen Einsetzen einer Warmediffusion Temperaturgradienten von mehr als 100 K/mm ausbilden. Dabei stellen letztendlich die lokal vom Schichtsystem der Leiter- bahnen tolerierbaren Temperaturgradienten die materialspezi- fische Grenze für eine maximal zu schaltende elektrische Leistung dar.
Darüber hinaus weist flussiger Stickstoff (LN2) bzw. der sich durch die Erhitzung bildende Stickstoffgasfilm zusatzlich eine im Vergleich zu einem Festkörper deutlich geringere Span- nungsfestigkeit auf, die mit zunehmender Schaltleistung bei zugleich möglichst optimaler Flachennutzung durch Minimierung der Zwischenräume zwischen einzelnen Leiterbahnteilen wie z.B. bei einer Mäanderform von besonderer Bedeutung ist.
Aufgrund der vorstehend skizzierten kuhltechnischen Probleme sah man sich deshalb bisher gezwungen, die Schaltleistung solcher Strombegrenzungseinrichtungen auf einem verhaltnisma- ßig niedrigen Wert begrenzt zu halten.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die Strombegrenzungseinrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen dahingehend auszugestalten, daß sie für vergleichsweise hohe- re Schaltleistungen eingesetzt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfmdungsgemaß dadurch gelost, daß das Material der Deckschicht ein Kunststoff mit mindestens einem die Wärmeleitfähigkeit erhöhenden Füllstoff ist und zumindest der der Oberflache der mindestens einen Leiterbahn zugeordnete Teil der Deckschicht eine Dicke hat, die großer ist als die Dicke der Leiterbahn. Die mit dieser Ausgestaltung der Strombegrenzungseinrichtung verbundenen Vorteile sind insbesondere darin zu sehen, daß das Ausmaß von Temperaturgradienten in der Leiterbahn redu- ziert wird und so eine räumliche Homogenisierung des Phasenübergangs bewirkt wird. Darüber hinaus wird mit der auf der Vorder- und gegebenenfalls auf der Rückseite des Aufbaus der Strombegrenzungseinrichtung befindlichen Deckschicht der Aufbau insgesamt mechanisch stabilisiert. Durch geeignete Wahl der Kunststoff- und Füllstoffmaterialien läßt sich ferner eine hinreichend hohe Spannungsfestigkeit gewährleisten.
Eine derartige einen isolierenden Festkörper darstellende Deckschicht fungiert nämlich während des Schaltvorganges als zusätzlicher Wärmepuffer für die in der Leiterbahn deponierte thermische Energie. Gefüllte Kunststoffmaterialien weisen zudem gegenüber einem flüssigen und vor allen Dingen gasförmigen, turbulent strömenden Kühlmittel wie LN2 deutlich bessere Wärmeleit-, Wärmespeicher- und Wärmeübergangskoeffizienten auf und verfügen zudem über die erwähnte hohe mechanische Stabilität. Als Folge der verbesserten Wärmeabfuhr aus der Leiterbahn in den aufgebrachten Puffer aus dem Deckschichtmaterial werden lokale Bereiche der Leiterbahnen während der ersten Millisekunde des Schaltvorganges weniger stark er- wärmt; d.h. die Temperaturgradienten werden entsprechend reduziert. Somit fällt der lokale Widerstandsbeitrag geringer aus und der stärkere Stromanstieg wird dazu genutzt, Bahnbereiche mit höherem jc zeitlich früher und bei geringeren anliegenden NominalSpannungen in den resistiven Zustand zu schalten. Im Resultat wird der zur Strombegrenzung nötige Widerstand vermehrt durch die Zunahme von schaltender Fläche den durch Materialerhitzung erzeugt und somit das Schichtsystem thermisch sowie mechanisch weniger belastet.
Als Deckschichtmaterial werden vorteilhaft bei Raumtemperatur oder bei erhöhter Temperatur aushärtbare, mit dem Füllstoff versehene Isoliermaterialien gewählt, die insbesondere Kunst- harze auf Epoxidharzbasis sind. Solche Materialien sind verhältnismäßig leicht und porenfrei auf der Oberflache der Leiterbahn bzw. des Aufbaus aus Leiterbahn und Tragerkorper aufzubringen und dort auszuhärten.
Vorteilhaft wird der Anteil an Fullstoffmaterial m dem Kunststoffmatenal zwischen 5 und 60 Vol.-% gewählt, falls elektrisch leitendes Fullmaterial vorgesehen ist. Im Fall einer Verwendung von elektrisch nicht-leitendem Fullmaterial kann der Anteil bis 80 Vol.-% betragen. Damit sind nicht nur eine hinreichend mechanische Stabilität des Aufbaus aus Deckschicht und darunterliegender Leiterbahn sondern auch eine besonders gute Warmeabfuhr zu gewahrleisten.
Vorteilhaft werden als Fullstoffmaterialien mindestens ein Material aus der Gruppe Cu, Ag, AI, deren Legierungen, Me- talloxide, insbesondere A1203 oder Y203 oder CuO vorgesehen. Mit diesen Materialien ist eine besonders gute Warmeabfuhr an das kryogene Kuhlmittel zu erreichen. Unter dem Gesichtspunkt einer hinreichenden Spannungsfertigkeit sind dabei Fullstoff- material en aus elektrisch nicht-leitendem Material besonders geeignet.
Im allgemeinen sollte die mittlere Dicke der Deckschicht zwi- sehen 10 μm und 1 mm liegen. Damit ist zum einen eine hinreichende Kühlung der supraleitenden Leiterbahn möglich; zum anderen wird dem Gesichtspunkt der mechanischen Stabilität hinreichend Rechnung getragen.
Die Materialauswahl für die Deckschicht und insbesondere für die Füllstoffe wird vorteilhaft so gewählt, daß eine Span- nungsfestigkeit der Deckschicht bei Betriebstemperatur des Supraleitermaterials von mindestens 15 kV/mm, vorzugsweise mindestens 20 kV/mm eingehalten wird. Mit an sich gangigen Fullstoffmaterialien und Kunststoffmaterialien sind derartige Werte der Spannungsfestigkeit ohne weiteres zu erreichen. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Strombegrenzungseinrichtung gehen aus den übrigen abhängigen Ansprüchen hervor.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend auf die Zeichnung Bezug genommen. Dabei zeigen jeweils εchema- tisch deren Figur 1 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Strombegrenzungseinrichtung sowie deren Figur 2 einen Ausschnitt aus einer weiteren Ausführungsform einer solchen Strombegrenzungseinrichtung.
Bei der konkreten Gestaltung der Strombegrenzungseinrichtung nach der Erfindung wird von an sich bekannten Ausführungsformen ausgegangen (vgl. DE 195 20 205 AI oder EP 0 523 374 AI ) . Die Strombegrenzungseinrichtung umfaßt deshalb mindestens einen auch als Substrat zu bezeichnenden Trägerkörper, gegebe- nenfalls wenigstens eine darauf abgeschiedene, auch als Puffer- oder Haftschicht anzusehende Zwischenschicht sowie mindestens eine auf dieser Zwischenschicht aufgebrachte Schicht aus einem HTS-Material. Für den Trägerkörper wird eine Platte oder ein Band oder eine sonstige Struktur aus einem metalli- sehen oder elektrisch isolierenden Material mit einer an sich beliebigen Dicke und den für den jeweiligen Anwendungsfall geforderten Abmessungen verwendet. Als metallische Materialien kommen hierfür alle als Träger für HTS-Materialien bekannten elementaren Metalle oder Legierungen dieser Metalle in Frage. Beispielsweise sind Cu, AI oder Ag oder deren Legierungen mit einem der Elemente als Hauptkomponente oder Stähle wie spezielle NiMo-Legierungen (z.B. „Hastelloy") geeignet. Solche Träger müssen im allgemeinen gegenüber dem HTS-Material mit einer Isolationsschicht überzogen sein. Als nicht-metallisches, elektrisch isolierendes Material für den Trägerkörper kommen Keramiken wie mit Y-stabilisiertes Zr02 (Abkürzung: „YSZ"), MgO, SrTi03 oder insbesondere Glasmate- rialien in Frage. Die Zwischenschicht kann insbesondere zur Förderung eines texturierten Wachstums des HTS-Materials ausgewählt sein. Deshalb sind beispielsweise als Zwischenschichtmaterial YSZ, Ce02, YSZ + Ce02 (als Doppelschicht), Pr6On, MgO, Y + SN-dotiertes ln203 (als Doppelschicht), SrTi03 oder Lai-xCaxMnOs geeignet.
Als HTS-Materialien kommen alle bekannten metalloxidischen Hoch-Tc-Supraleitermaterialien in Frage, die insbesondere ei- ne Kühltechnik mit flüssigem Stickstoff (LN2) erlauben. Entsprechende Materialien sind beispielsweise YBa2Cu307-x bzw. RBa2Cu3θ7-x (mit R = Seltenes Erdmetall), HgBa2CaCu206+x, HgBa2Ca2Cu308+x, Bi2Sr2CaCu208+x oder (Bi, Pb) 2Sr2Ca2Cu3Oι0+χ. Diese Materialien stellen nur Grundtypen dar; einzelne ihrer Kompo- nenten können deshalb in an sich bekannter Weise durch geeignete andere Komponenten wenigstens teilweise ersetzt sein. Die aus diesem Material gebildete HTS-Schicht ist zu der mindestens einen Leiterbahn strukturiert. Die Schicht bzw. die Struktur aus dem HTS-Material kann außerdem mit wenigstens einer als Shuntwiderstand dienenden, elektrisch leitenden
Schicht aus Metall versehen sein. Geeignete Shuntwiderstands- materialien sind solche, die mit dem HTS-Material keine unerwünschten Reaktionen eingehen. Beispiele hierfür sind Ag und Au sowie deren Legierungen mit weiteren Legierungspartnern. Darüber hinaus soll die Leiterbahn, die gegebenenfalls eine derartige metallische Shuntwiderstandsschicht besitzt, mit mindestens einer besonderen, zumindest weitgehend elektrisch isolierenden Deckschicht aus einem Kunststoffmaterial und mit hinreichender Dicke abgedeckt sein. Die Dicke der Deckschicht sollte dabei größer, vorzugsweise mindestens 3mal so groß sein wie die Leiterbahn in dem entsprechenden Oberflächenbereich. Diese Abdeckung braucht nicht nur im Bereich der Leiterbahn vorhanden zu sein. Vielmehr kann sie sich auch auf die gesamte Oberfläche des Aufbaus der Strombegrenzungsein- richtung ein- oder beidseitig erstrecken. Einen entsprechenden Aufbau einer Strombegrenzungseinrichtung oder eines Teils von derselben zeigt Figur 1. Diese allgemein mit 2 bezeichnete Strombegrenzungseinrichtung enthält deshalb einen Trägerkörper 3 der Dicke dl, eine gegebenenfalls darauf angeordnete, in der Figur nicht ausgeführte dünne Zwischenschicht bzw. Pufferschicht sowie mindestens eine darauf aufgebrachte, aus einer HTS-Schicht der Dicke d2 gebildete Leiterbahn 4. An ihren Enden ist diese Leiterbahn mit nicht dargestellten Kontaktflächen versehen, an denen weitere Lei- ter zum Einspeisen bzw. Abführen eines zu begrenzenden Stromes anzuschließen sind. Eine zumindest im Bereich der Leiterbahn auf dieser abgeschiedene isolierende Deckschicht ist mit 5 bezeichnet und hat eine Dicke d3 (im Bereich der Leiterbahn) . Diese Deckschicht kann, wie in der Figur dargestellt, auch den gesamten Aufbau abdecken. Wie ferner aus der Figur hervorgeht, kann auch die rückwärtige Seite des Aufbaus mit einer entsprechenden Deckschicht 5' versehen sein. Eine derartige Einbettung des Trägerkörpers beeinflußt die Schaltphase praktisch nicht; sie dient in erster Linie einer weiteren mechanischen Stabilisierung. Die Strombegrenzungseinrichtung 2 bzw. ihre mindestens eine Leiterbahn 4 wird von einem Kühlmittel M wie LN2 auf der kryogenen Betriebstemperatur gehalten.
Gemäß der Erfindung soll die Deckschicht 5 (und gegebenenfalls 5' ) aus einem isolierenden Kunststoffmaterial bestehen, das zudem insbesondere mit mindestens 5 Vol.-% eines Fullstoffmaterials gefüllt ist. Als isolierendes Kunststoffmaterial kommen insbesondere bei Raumtemperatur oder bei höheren Temperaturen aushärtbare, auch als Ein- oder Mehrkomponentenkleber verwendete Kunststoffe wie z.B. Epoxidharze in Frage. Geeignete Epoxidharze sind z.B. unter dem Handelsnamen „Sty- cast 2850 FT blau/schwarz" der Firma W. R. Grace & Co.-Conn., New York (US) oder „Uhu plus endfest 300" der Firma Uhu GmbH, Bühl (DE) bekannt. Weitere Beispiele geeigneter Kunststoffmaterialien gehen aus der EP 0 488 275 A2 oder der US 3,291,758 A hervor. Diese Kunststoffmaterialien sollen außerdem noch mit mindestens einem die Wärmeleitfähigkeit erhöhenden Füllstoff aus einem elektrisch leitenden oder insbesondere elektrisch nicht-leitenden Material gefüllt sein. Aus Gründen einer hohen Spannungsfestigkeit sind elektrisch nicht-leitende Füllstoffmaterialien zu bevorzugen. Deren Anteil liegt dabei im allgemeinen zwischen 5 und 80 Vol.-%. Besonders vorteilhaft ist dabei A1203 wegen seiner guten thermischen Leitfähigkeit (vgl. z.B. EP 0 386 473 Bl). Bei Verwendung von elektrisch leitenden Füllstoffmaterialien liegt deren maximaler Anteil im allgemeinen bei vergleichsweise niedrigeren Werten, insbesondere zwischen 5 und 60 Vol.-%. Beispiele solcher Füllstoffmaterialien sind Cu, AI oder Ag sowie deren Legierungen. Neben dem erwähnten elektrisch nicht-leitenden Füllstoffmaterial A1203 z.B. in Form von Sa- phir kommen insbesondere auch andere Metalloxide wie Y203 oder CuO in Frage. Die Dicke d3 der Deckschicht 5 bzw. 5' soll dabei zumindest im Bereich der Oberfläche der zugeordneten Leiterbahn 4 so gewählt sein, daß sie größer, vorzugsweise mindestens 3mal so groß wie die Dicke dl der darunterlie- genden Leiterbahn ist.
Gemäß einem konkreten Ausführungsbeispiel ist auf einem Trägerkörper 3 aus einem Aluminosilikat-Glasmaterial mit einer Dicke dl = 0,4 mm eine HTS-Leiterbahn aus YBa2Cu307-x der Dik- ke d2 = 1 μm aufgebracht. Dieser Aufbau ist beidseitig mit einer Deckschicht 5 bzw. 5' aus „Uhu plus endfest 300" mit 10%iger Cu-Pulververfüllung und einer Dicke von 10 μm versehen. Die Spannungsfestigkeit dieser Schicht beträgt etwa 20 kV/mm.
Figur 2 zeigt einen Ausschnitt aus einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Strombegrenzungseinrichtung 12, deren Trägerkörper 3 beidseitig mit HTS-Leiterbahnen 4 bzw. 4' versehen ist. Entsprechende Ausführungsformen sind prinzipiell bekannt (vgl. z.B. WO 96/10269) .Der Trägerkörper besteht z.B. wiederum aus einem speziellen Glasmaterial, das beidseitig mit einer dünnen, beispielsweise 0,3 μm dicken Pufferschicht 13 bzw. 13' aus YSZ beschichtet ist. Auf diesen Pufferschichten befindet sich jeweils eine Leiterbahn 4 bzw. 4' aus einem HTS-Material wie z.B. Bi2Sr2CaCu208+x. Diese Leiterbahnen sind jeweils von einer dünnen, beispielsweise 0,5 μm dicken Shuntwiderstandsschicht 14 bzw. 14' aus einem normalleitenden Material wie z.B. Au oder Ag abgedeckt. Dieser Aufbau ist beidseitig mit einer z.B. 10 μm dicken Deckschicht 5 bzw. 5' aus dem besonderen isolierenden Kunststoffmaterial mit Füllstoffen überzogen.

Claims

Patentansprüche
1. Resistive Strombegrenzungseinrichtung mit mindestens einer für einen vorgegebenen Nennstrom ausgelegten Leiterbahn, die - etalloxidisches Hoch-Tc-Supraleitermaterial enthält,
- auf einem Trägerkörper angeordnet ist und
- mit einer Deckschicht aus einem zumindest weitgehend isolierenden Material versehen ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Material der Deckschicht (5, 5' ) ein Kunststoff mit mindestens einem die Wärmeleitfähigkeit erhöhenden Füllstoff ist und zumindest der der Oberfläche der mindestens einen Leiterbahn (4, 4') zugeordnete Teil der Deckschicht (5, 5') eine Dicke (d3) hat, die größer ist als die Dicke (d2) der Leiterbahn.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, g e k e n n z e i c h n e t durch eine Dicke (d3) der Deckschicht (5, 5'), die mindestens 3mal so groß ist wie die Dicke (d2) der zugeordne- ten Leiterbahn (4, 4').
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Deckschichtmaterial ein aushärtendes, gefülltes Isoliermaterial ist.
4. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, g e k e n n z e i c h n e t durch ein Kunststoffmaterial aus einem Kunstharz, insbesondere auf Epoxidharzbasis.
5. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, g e k e n n z e i c h n e t durch ein Füllstoffmaterial aus einem Material aus der Gruppe Cu, Ag, AI, deren Legierungen, Metalloxide, insbesondere A1203 oder Y203 oder CuO.
6. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, g e k e n n z e i c h n e t durch einen Anteil an dem Fullstoffmaterial in dem Kunststoffmaterial zwischen 5 und 60 Vol.-% bei Verwendung eines elektrisch leitenden Fullstoffmaterials und zwischen 5 und 80 Vol.-% bei Verwendung eines elektrisch nicht-leitenden Füllstoffmaterials.
7. Einrichtung nach einem der vorangehenden -Ansprüche, g e k e n n z e i c h n e t durch eine mittlere Dicke (d3) der Deckschicht (5, 5' ) zwischen 10 μm und 1 mm.
8. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, g e k e n n z e i c h n e t durch eine Spannungsfestigkeit der Deckschicht (5, 5') bei Betriebstemperatur des Supraleitermaterials von mindestens 15 kV/mm, vorzugsweise mindestens 20 kV/mm.
9. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, g e k e n n z e i c h n e t durch Deckschichten (5, 5') aus dem gefüllten Kunststoffmaterial zu beiden Seiten des Aufbaus aus Trägerkörper (3) und mindestens einer Leiterbahn (4, 4' ) .
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