WO2003107447A1 - Strombegrenzereinrichtung vom resistiven typ mit supraleitender leiterbahn und shuntteil - Google Patents

Strombegrenzereinrichtung vom resistiven typ mit supraleitender leiterbahn und shuntteil Download PDF

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WO2003107447A1
WO2003107447A1 PCT/DE2003/001753 DE0301753W WO03107447A1 WO 2003107447 A1 WO2003107447 A1 WO 2003107447A1 DE 0301753 W DE0301753 W DE 0301753W WO 03107447 A1 WO03107447 A1 WO 03107447A1
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WO
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shunt
current
layer part
superconducting layer
shunt element
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Application number
PCT/DE2003/001753
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English (en)
French (fr)
Inventor
Heinz-Werner NEUMÜLLER
Günter RIES
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N60/00—Superconducting devices
    • H10N60/30—Devices switchable between superconducting and normal states

Definitions

  • the invention relates to a current limiter device of the resistive type with a conductor track structure for guiding an electric current in a predetermined direction, which device contains a carrier body on which there is at least one electrically conductive conductor track, the at least one corresponding superconducting layer part made of a superconducting material and one of which Superconducting layer part associated shunt part made of electrically normal conductive material.
  • a corresponding current limiter device can be found in EP 0 345 767 B1.
  • HTS material such as YBa 2 Cu 3 O x , so-called YBCO
  • the current exceeds the critical current I c of the superconductor material, which as a result assumes a finite electrical resistance (so-called “quench”).
  • the resulting heat of current quickly heats the superconductor material beyond the transition temperature T c , the now high normal-conducting resistance of the superconductor material limiting the fault current to a low value.
  • the critical current I c inevitably varies along the superconducting conductor track.
  • the shunt layer part which is in flat, conductive contact with the superconducting layer part in known current limiting devices is lower-ohmic than the normal-conducting superconducting layer part, consequently takes over most of the fault current and reduces the heat generation per area and the risk of damage in so-called “hot spots ⁇ (of the respective quenched area) ,
  • a shunt requires a relatively large length of the superconducting switching path for a given voltage and a specific fault current, that is to say a correspondingly high expenditure of superconducting and normally conducting conductor material for the current limiter device. It must be taken into account here that in the known current limiting devices, the heat spread along the switching path is relatively slow.
  • a current limiter device can be found in which a strip of a YBCO film used as a superconducting layer part is arranged on a substrate and a gold or nickel film as a shunt layer part is arranged above or next to one another on a second substrate and connected in parallel with indium wires every 10 mm.
  • Such a current limiter device can handle currents up to 100 A and a high one specific voltage / length quotients of 9 V / cm can be operated safely. Without the cross-connections of the indium wires, however, there is a risk of the YBCO film burning through. However, the production and high number of such cross connections is very complex.
  • the object of the present invention is to design the current limiting device with the features mentioned at the outset such that such a temperature increase of the superconductor material can be limited to a comparatively lower value using simple means.
  • a shunt part made of a strip-shaped metallic element adapted to the shape of the conductor track should be provided in the current limiter device with the features mentioned at the outset, which has a wave or zigzag shape when viewed in the direction of current conduction and thus only in narrow, transverse to the current conduction direction Zones on the superconducting layer part is present.
  • the shunt part is electrically connected to the superconducting layer part in such a way that, on the one hand, a sufficient protective function as an electrical bypass for hotspots is ensured.
  • the shunt part is now thermally decoupled from the superconductor-substrate assembly so well that a high shunt temperature is practically no longer transferred to the superconductor-substrate assembly and can lead to damage there, for example due to high thermomechanical voltages , It is assumed that the superconductor material itself generates little heat in a region of a superconductor layer part that has become high-resistance and is surrounded by a coolant that is always required.
  • the wave-shaped or zigzag-shaped element can be provided with cutouts at least in the region of the transverse zones.
  • this advantageously achieves an increase in resistance of the shunt element.
  • the permeability for a coolant which is always required and thus a good access of the coolant to the surface of the superconducting layer part is achieved.
  • the shunt element can advantageously be provided with electrically highly conductive material in the region of the transverse zones. In this way, in the contact area
  • Superconducting layer part reduce the heat generation in the current-carrying shunt element.
  • the alignment of the superconducting device is particularly advantageous in such a way that its conductor track is at least approximately horizontal. This enables an unhindered convection flow to be formed in the existing vertical wave channels of the shunt element.
  • a material with a specific electrical resistance at operating temperature above that of copper preferably of more than 0.3 ⁇ -m in. Is used for the shunt element Current direction selected.
  • FIG. 1 shows schematically in longitudinal section a current conductor track of a known current limiter device in the case of a quench
  • FIG. 2 shows the temperature ratio in this as a diagram
  • FIG. 1 is the current conductor track 2 of a known current limiter device (for example based on the EP-B1 document mentioned at the beginning).
  • the electrical conductor track is located on a carrier body 3 made of an electrically non-conductive material. It comprises a superconducting layer part 2a which is deposited on the carrier body 3 and structured to form the conductor track 2 and which is covered by a shunt layer part 2b.
  • the superconductor material can be known metallic low-T c superconductor material or metal oxide high-T c superconductor material.
  • the shunt layer part 2b consists of known, normally conductive material which is usually used for stabilizing superconductors. As is further indicated in the figure, a current I flows through the superconducting layer part 2a.
  • FIG. 2 shows the corresponding temperature conditions or heating in a diagram.
  • the temperature T in the superconducting layer part and the dimension x of the conductor track in the direction of current flow are plotted in the ordinate direction.
  • a specially designed shunt part of a conductor track 21 is provided in the current limiter device 20 shown in FIG. 3.
  • This shunt part is formed by a strip-shaped shunt element 22, which is seen, waved in the guiding direction of an operating current I and at least largely has the lateral extent a of the superconductor layer part 2a.
  • a zigzag shape can also be selected.
  • the term “wave or zigzag shape *” is also intended to encompass similar shapes (for example a meandering shape), which in particular are caused by bending or folding a thin, strip-shaped body such as e.g. of a sheet when stretched in the longitudinal direction have a greater length than the conductor track and are only in contact with the superconducting layer part 2a in discrete zones.
  • the shunt element with a wave height h and a wave length w is made of metal, is elastically resilient and advantageously has a high specific electrical resistance of preferably> 0.3 ⁇ -m at 77 K.
  • it consists of a FeCr-Ni or Cu Ni alloy.
  • the shunt element is pressed by means of pressure elements 23a and 23b, e.g. in the form of strips extending in the length of the conductor track, pressed onto the superconducting layer part 2a in a defined manner. This results in zones Z running transversely to the direction of current conduction
  • the shunt element 22 is advantageously provided with cutouts or cutouts 25 ⁇ at least in the region of the transverse zones Z j , in order to improve the unimpeded access of the coolant K to the surface of the superconducting layer part 2a.
  • individual independent leaf spring elements with a defined contact pressure are advantageously formed in the corresponding arc parts of the shunt element.
  • the superconducting layer part 2a and the shunt element 22 are contacted with connecting lines 27 in connection regions 26. Only one of these connection areas can be seen from the figure.
  • an insulating film coated or vapor-coated on one side can also be used for its shunt element 22 instead of a metal strip.
  • the arc regions forming the zones Zj can additionally be covered with highly conductive material, for example by silvering or copper plating, in order to reduce the heat generation in the current-carrying shunt element in the contact region with the superconducting layer part.
  • a soft graphite color can be used, which guarantees defined contact resistances and helps to avoid damage to the surface of the superconductor layer part. It is of course also possible to cool the substrate with the superconductor layer part from the rear side thereof.
  • FIGS. 4 to 8 show various design options for metal strips or metallized foils with which corrugated or zigzag-shaped shunt elements for current limiter devices according to the invention are to be formed.
  • a strip-shaped element 22a can be provided with longitudinal slots 25 ⁇ , which should advantageously lie in the region of the transition zones Zj.
  • Such an element is assumed for the embodiment according to FIG. 3.
  • a strip-shaped element 22b can also have transverse slots 29 ⁇ .
  • Such transverse slots lead, just like the holes 301 present in a strip-shaped element 22c shown in FIG. 6, to an advantageous increase in resistance of a shunt element in the direction of current conduction.
  • Strip-shaped lattice elements 22d according to FIG. 7 are also suitable for forming wavy or zigzag-shaped shunt elements.
  • the strip-shaped element 22e illustrated in FIG. 8 in a top view and in a longitudinal view differs from the element 22a in accordance with FIG. a graphite suspension in binder is occupied.
  • a contact resistance then forms at the contact points, which advantageously generates a broadening of the current transition zone between the superconductor and the shunt material in the case of a partial quench.
  • the dissipation at the corresponding contact points leads to normal conduction and thus causes quick quench propagation along the conductor track.
  • An electrically insulating material will generally be selected for the carrier body 3. Instead, however, it is also possible to provide a carrier body which leads to a Part consists of electrically conductive material and a part facing the conductor track made of electrically insulating material. Carrier bodies known per se can thus be used on a large scale for current limiter devices according to the invention.
  • one of the known HTS materials such as YBCO or Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O x (so-called BSCCO) or (Bi, Pb) 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O x (so-called B (P) SCCO) for the superconducting layer part 2a
  • one of the known metallic low-T c superconducting materials such as Nb 3 Sn or NbTi can also be provided for the latter.
  • the measure according to the invention of thermally decoupling the shunt element from the superconducting layer part with a measure which causes a short, normally conductive zone, for example at a point with a particularly low critical current, to quickly form in the time interval in the superconductor material 1 ms to a few milliseconds over the entire length. Then the fault current is immediately limited to the intended value and the temperature does not take on an impermissibly high value, i.e. hotspots are avoided.
  • a corresponding possibility is the choice of material for the shunt element.
  • a specific exemplary embodiment of a current limiter device 20 according to FIG. 3 can have the following specifications:

Landscapes

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

Abstract

Die Strombegrenzereinrichtung (20) weist einen Trägerkörper (3) auf, auf dem sich eine Leiterbahn (21) mit einem Supraleitungsschichtteil (2a) und einem darauf befindlichen normalleitenden Shuntteil befindet. Der Shuntteil soll als ein streifenförmiges, metallisches Shuntelement (22) mit Wellen- oder Zickzackform ausgebildet sein, das nur in quer verlaufenden Zonen (Zj) an dem Supraleitungsschichtteil (2a) anliegt. Das Material des Shuntelementes weist vorzugsweise einen spezifischen elektrischen Widerstand von über 0,3 µΩ.m auf.

Description

Beschreibung
Strombegrenzereinrichtung vom resistiven Typ mit supraleitender Leiterbahn und Shuntteil
Die Erfindung bezieht sich auf eine Strombegrenzereinrichtung vom resistiven Typ mit einem Leiterbahnaufbau zur Führung eines elektrischen Stromes in einer vorbestimmten Richtung, welche Einrichtung einen Trägerkörper enthält, auf dem sich wenigstens eine elektrisch leitende Leiterbahn befindet, die zumindest einen entsprechenden Supraleitungsschichtteil aus einem Supraleitermaterial und einen dem Supraleitungsschichtteil zugeordneten Shuntteil aus elektrisch normalleitendem Material aufweist. Eine entsprechende Strombegrenzereinrich- tung geht aus der EP 0 345 767 Bl hervor.
Der Aufbau und die Funktionsweise von resistiven supraleitenden Strombegrenzern in der Energietechnik sind prinzipiell bekannt (vgl. die vorgenannte EP-B-Schrift oder „Elektrieλλ, Bd. 51, Berlin 1997, Heft 11/12, Seiten 414 bis 424) . Ein entsprechender Strombegrenzer mit einer Leiterbahn aus Nieder- oder vorzugsweise Hochtemperatursupraleitermaterial (HTS-Material wie z.B. YBa2Cu3Ox, sogenanntes YBCO ) als Dünnoder Dickfilm sowie mit parallel dazu im flächigem Kontakt stehendem metallischen Shuntschichtteil z.B. aus Ag, Au oder Cu wird in Serienschaltung in einen zu schützenden Stromkreis eingefügt und trägt betriebsmäßige Ströme widerstandslos. In einem Fehlerfall, insbesondere bei Kurzschluss, übersteigt der Strom den kritischen Strom Ic des Supraleitermaterials, das dadurch einen endlichen elektrischen Widerstand annimmt (sogenannter „Quench* ) . Die dabei entstehende Stromwärme erwärmt das Supraleitermaterial schnell über die Sprungtemperatur Tc hinaus, wobei der nunmehr hohe normalleitende Widerstand des Supraleitermaterials den Fehlerstrom auf einen niedrigen Wert begrenzt. Bei entsprechenden bekannten Strombegrenzereinrichtungen variiert der kritische Strom Ic unvermeidlich entlang der supraleitenden Leiterbahn. Dies hat zur Folge, dass Stellen bzw. Bereiche mit geringem Ic zuerst normalleitend werden und des- halb den Fehlerstrom soweit reduzieren, dass Abschnitte mit höherem Ic nicht mehr über die Sprungtemperatur Tc gelangen können, d.h. keinen elektrischen Widerstand entwickeln. Die gesamte Spannung fällt so allein über diskrete normalleitende Stellen ab. Der Widerstand der Strombegrenzereinrichtung ist dann zu klein und der begrenzte Fehlerstrom ist unter Umständen so hoch, dass diese diskreten Stellen bis zum vollständigen Abschalten über normalerweise vorhandene mechanische Lasttrenner sich unzulässig erwärmen und so beschädigt werden. Der bei bekannten Strombegrenzereinrichtungen mit dem Supraleitungsschichtteil in flächigem, leitendem Kontakt stehende Shuntschichtteil ist niederohmiger als der normalleitende Supraleiterschichtteil, übernimmt folglich den größten Teil des Fehlerstroms und verringert die Wärmeerzeugung pro Fläche und das Risiko einer Schädigung in sogenannten „Hotspotsλ (des jeweiligen gequenchten Bereichs) . Ein solcher Shunt erfordert aber für eine gegebene Spannung und einen bestimmten Fehlerstrom eine verhältnismäßig große Länge der supraleitenden Schaltstrecke, also einen entsprechend hohen Aufwand an supraleitendem und normalleitendem Leitermaterial für die Strombegrenzereinrichtung. Dabei ist zu berücksichtigen, dass bei den bekannten Strombegrenzereinrichtungen die Wärmeausbreitung entlang der Schaltstrecke verhältnismäßig träge ist.
Ferner ist aus „IEEE Trans. Appl. Supercond. , Vol. 9, 1999, Seiten 1365 bis 1368 eine Strombegrenzereinrichtung zu entnehmen, bei der ein als Supraleitungsschichtteil verwendeter Streifen aus einem YBCO-Film auf einem Substrat und ein Gold-^ oder Nickelfilm als Shuntschichtteil auf einem zweiten Sub- strat über oder nebeneinander angeordnet und alle 10 mm parallel mit Indiumdrähten verbunden sind. Eine solche Strombegrenzereinrichtung kann mit Strömen bis 100 A und einem hohen spezifischen Spannungs-/Länge-Quotienten von 9 V/cm sicher betrieben werden. Ohne die Querverbindungen der Indiumdrähte besteht jedoch die Gefahr eines Durchbrennens des YBCO-Films. Die Herstellung und hohe Anzahl solcher Querverbindungen ist jedoch sehr aufwendig.
Ferner wurde als eine Maßnahme zu einer schnellen Quench- ausbreitung im Verbund Substrat-Supraleiter-Shunt eine zusätzliche Schicht aus elektrisch schwach-leitendem Material zwischen einem Supraleiterschichtteil und einem metallischen Shuntschichtteil vorgeschlagen. Damit ist der Bereich des Stromübertritts vom supraleitenden Material in das Shuntmate- rial auf eine einstellbare Länge in der Umgebung der Grenze „supraleitend-normalleitend,Λ zu verbreitern. Die Folge ist, dass dort eine schnelle Erwärmung des noch supraleitenden Materials bewirkt und für eine schnelle Ausbreitung der Normalleitung auf die gesamte Länge der Leiterbahn gesorgt wird.
Bei allen diesen bekannten Strombegrenzungseinrichtungen wird davon ausgegangen, dass das Shuntmaterial und das Supraleitermaterial thermisch eng gekoppelt werden, so dass der Verbund aus Supraleiter- und Shuntmaterial bei einem Quench praktisch dieselbe hohe Temperatur annimmt. Um zu hohe Temperaturen der Supraleitungsschicht am Ende eines Begrenzungs- Vorganges beim Öffnen eines Lasttrenners nach ca. 50 ms zu vermeiden, uss zum Ausgleich mit wirksamem Shunt die Spannung pro Länge erniedrigt werden, d.h. die Länge und damit die bereitzustellende Fläche der Schaltstrecke erhöht werden. Dies führt zu einem entsprechenden Anstieg der Kosten und verursacht einen höheren Platzbedarf. Eine hohe Endtemperatur erhöht auch die Rückkühlzeit der Strombegrenzereinrichtung unter die supraleitende Sprungtemperatur, nach der der Stromkreis erst wieder geschlossen werden kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Strombegrenzungseinrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen dahingehend auszugestalten, dass eine derartige Temperaturerhöhung des Supraleitermaterials mit einfachen Mitteln auf einen vergleichsweise geringeren Wert zu begrenzen ist.
Diese Aufgabe wird mit den in Anspruch 1 angegebenen Maßnah- men gelöst. Dementsprechend soll bei der Strombegrenzereinrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen ein Shuntteil aus einem der Gestalt der Leiterbahn angepassten, streifen- förmigen metallischen Element vorgesehen sein, das in Stromführungsrichtung gesehen eine Wellen- oder Zickzackform auf- weist und somit nur in schmalen, quer zur Stromführungsrichtung verlaufenden Zonen an dem Supraleitungsschichtteil anliegt.
Mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen wird der Shuntteil elekt- risch an den Supraleitungsschichtteil so angeschlossen, dass einerseits eine hinreichende Schutzfunktion als elektrischer Bypass für Hotspots gewährleistet wird. Andererseits ist nunmehr abweichend von Stand der Technik der Shuntteil von dem Supraleiter-Substrat-Verbund so gut thermisch entkoppelt, dass eine hohe Shunttemperatur sich praktisch nicht mehr auf den Supraleiter-Substrat-Verbund überträgt und dort zu Schäden z.B. auf Grund hoher thermomechanischer Spannungen führen kann. Dabei wird davon ausgegangen, dass das Supraleitermaterial in einem hochohmig gewordenen Bereich eines Supralei- tungsschichtteils, der von einem stets erforderlichen Kühlmittel umgeben ist, selbst wenig Wärme erzeugt. Dies führt dazu, dass die Endtemperatur und die Abkühlzeit in vorteilhafter Weise sinken und nur in geringem Umfang von der verhältnismäßig hohen Temperatur und dem langsamen Abkühlung des Shuntmaterials beeinträchtigt werden. Die damit verbundenen Vorteile sind in einer Erhöhung der effektiven Spannung pro Länge Un/L und in einer Verringerung der erforderlichen Länge und des Flächenbedarfs einer Strombegrenzereinrichtung für eine gegebene Nennspannung zu sehen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Strombegrenzereinrichtung gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.
So kann insbesondere das wellen- oder zickzackförmige Element zumindest im Bereich der quer verlaufenden Zonen mit Aussparungen versehen sein. Damit wird vorteilhaft zum einen eine Widerstandserhöhung des Shuntelements erreicht. Zum anderen wird die Durchlässigkeit für ein stets erforderliches Kühl- mittel und damit ein guter Zutritt des Kühlmittels zur Oberfläche des Supraleitungsschichtteils erreicht.
Vorteilhaft kann das Shuntelement im Bereich der quer verlaufenden Zonen mit elektrisch gut-leitendem Material versehen sein. Auf diese Weise lässt sich im Kontaktbereich zu dem
Supraleitungsschichtteil die Wärmeerzeugung im stromtragenden Shuntelement reduzieren.
Besonders vorteilhaft ist die Ausrichtung der Supraleitungs- einrichtung dahingehend, dass eine zumindest annähernd horizontale Lage ihrer Leiterbahn gegeben ist. Damit lässt sich in den vorhandenen senkrechten Wellenkanälen des Shuntelementes eine ungehinderte Konvektionsströmung ausbilden.
Im Hinblick auf eine gute thermische Entkopplung des Shuntelementes von dem Supraleitungsschichtteil sowie auf eine Verbreiterung des Bereichs eines Hotspots wird für das Shuntelement ein Material mit einem spezifischen elektrischen Widerstand bei Betriebstemperatur über dem von Kupfer, vorzugs- weise von über 0,3 μΩ-m in Stromführungsrichtung gewählt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Strombegrenzereinrichtung gehen aus den vorstehend nicht angesprochenen Unteransprüchen hervor.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung noch weiter erläutert, die vorteilhafte Ausfüh- rungsformen erfindungsgemäßer Strombegrenzereinrichtungen offenbart. Es zeigen jeweils schematisch deren Figur 1 im Längsschnitt eine Stromleiterbahn einer bekannten Strombegrenzereinrichtung im Quench- fall, deren Figur 2 als Diagramm die Temperaturverhältnis in dieser
Leiterbahn, deren Figur 3 in Schrägansicht eine erfindungsgemäß ausgebildete Strombegrenzereinrichtung und deren Figuren 4 bis 8 in Aufsicht jeweils eine Ausführungsform eines streifenförmigen Elementes, mit dem ein Shuntelement einer Strombegrenzereinrichtung nach der Erfindung auszubilden ist. Dabei sind in den Figuren sich entsprechende Teile jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
Der Figur 1 ist die Stromleiterbahn 2 einer bekannten Strombegrenzereinrichtung (z.B. gemäß der eingangs genannten EP- Bl-Schrift zugrunde gelegt) . Die Stromleiterbahn befindet sich auf einem Trägerkörper 3 aus einem elektrisch nichtleitenden Material. Sie umfasst einen auf dem Trägerkörper 3 abgeschiedenen, zu der Leiterbahn 2 strukturierten Supraleitungsschichtteil 2a, der von einem Shuntschichtteil 2b abge- deckt ist. Bei dem Supraleitermaterial kann es sich um bekanntes metallisches Niedrig-Tc-Supraleitermaterial oder me- talloxidisches Hoch-Tc-Supraleitermaterial handeln. Der Shuntschichtteil 2b besteht aus bekanntem, zur Stabilisierung von Supraleitern üblicherweise verwendetem normalleitenden Material. Wie in der Figur ferner angedeutet ist, fließt durch den Supraleitungsschichtteil 2a ein Strom I. Da der Supraleitungsschichtteil in einem („Hotspot^ ) -Bereich 4 bzw. Quenchbereich mit geringer Ausdehnung B in den normalleitenden Zustand übergegangen ist, wird dort der Strom in den Shuntschichtteil 2b auf Grund seines gegenüber dem normalleitenden Widerstand des Supraleitungsschichtteils vergleichsweise niedrigeren Widerstand übergehen. Figur 2 zeigt in einem Diagramm die entsprechenden Temperaturverhältnisse bzw. Aufheizung. Dabei sind in Ordinatenrich- tung die Temperatur T in dem Supraleitungsschichtteil und in Abszissenrichtung die Ausdehnung x der Leiterbahn in Stromführungsrichtung aufgetragen.
Abweichend von der bekannten Ausführungsform einer Strombe- grenzereinrichtung 2 nach dem Stand der Technik ist bei der aus Figur 3 zu entnehmenden Strombegrenzereinrichtung 20 ein besonders ausgebildeter Shuntteil einer Leiterbahn 21 vorgesehen. Dieser Shuntteil wird durch ein streifenförmiges Shuntelement 22 gebildet, das in Führungsrichtung eines Betriebsstromes I gesehen, gewellt ist und zumindest weitgehend die seitliche Ausdehnung a des Supraleiterschichtteils 2a hat.
Statt der dargestellten Wellenform kann auch eine Zickzackform gewählt werden. Von dem Begriff „Wellen- oder Zickzack- form* sollen dabei auch ähnliche Formen (beispielsweise eine Mäanderform) erfasst sein, die insbesondere durch Biegen oder Falten eines dünnen, streifenförmigen Körpers wie z.B. eines Bleches bei einer Streckung in Längsrichtung eine größere Länge als die Leiterbahn haben und nur in diskreten Zonen in Kontakt mit dem Supraleitungsschichtteil 2a stehen.
Das Shuntelement mit einer Wellenhöhe h und einer Wellenlänge w besteht aus Metall, ist elastisch federnd und hat vorteilhaft einen hohen spezifischen elektrischen Widerstand von vorzugsweise > 0,3 μΩ-m bei 77 K. Beispielsweise besteht es aus einer FeCr-Ni- oder Cu-Ni-Legierung. Das Shuntelement wird mittels Andruckelementen 23a und 23b, z.B. in Form von sich in Leiterbahnlänge erstreckenden Leisten, definiert auf den Supraleitungsschichtteil 2a gedrückt. Es ergeben sich so quer zur Stromführungsrichtung verlaufende Zonen Z an den
Berührungsstellen mit dem Supraleitungsschichtteil, an denen der Strom im Quenchfall übertreten kann. Durch die Wellenform werden die elektrische Länge und der Widerstand des Shuntelementes erhöht und werden Kanäle geschaffen, die den Supraleitungsschichtteil und das Shuntelement thermisch weitgehend trennen, aber eine effektive Wärmeabfuhr durch ein für einen Betrieb der Strombegrenzereinrichtung 20 erforderliches Kühlmittel K wie z.B. flüssigen Stickstoff zulassen. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Längsrichtung der Leiterbahn horizontal verläuft, damit sich in den dann gegebenen vertikalen Wellenkanälen des Shuntelements eine ungehinderte Konvektion aus- bilden kann.
Wie ferner aus Figur 3 hervorgeht, wird das Shuntelement 22 vorteilhaft zumindest im Bereich der quer verlaufenden Zonen Zj mit Ausschnitten oder Aussparungen 25ι versehen, um so den ungehinderten Zugang des Kühlmittels K an die Oberfläche des Supraleitungsschichtteils 2a zu verbessern. Außerdem werden so in den entsprechenden Bogenteilen des Shuntelementes vorteilhaft einzelne unabhängige Blattfederelemente mit definiertem Kontaktdruck ausgebildet. An den Enden der Leiterbahn werden der Supraleitungsschichtteil 2a und das Shuntelement 22 in Anschlussbereichen 26 mit Anschlussleitungen 27 kontaktiert. Aus der Figur ist nur einer dieser Anschlussbereiche zu entnehmen.
Abweichend von dem für das Ausführungsbeispiel nach Figur 3 angenommenen Ausführungsform einer Strombegrenzereinrichtung 20 kann für deren Shuntelement 22 statt eines Metallstreifens auch eine einseitig mit Metall belegte oder bedampfte Isolierfolie verwendet werden. Darüber hinaus können die die Zo- nen Zj bildenden Bogenbereiche zusätzlich noch mit gut leitendem Material, z.B. durch Versilbern oder Verkupfern, belegt werden, um so im Kontaktbereich zu dem Supraleitungsschichtteil die Wärmeerzeugung im stromtragenden Shuntelement zu reduzieren. Außerdem kann eine weiche Graphitfärbe verwen- det werden, die definierte Ubergangswiderstände gewährleistet und die Schäden an der Oberfläche des Supraleiterschichtteils vermeiden hilft. Selbstverständlich ist auch eine Kühlung des Substrates mit dem Supraleiterschichtteil von dessen Rückseite her möglich.
Die Figuren 4 bis 8 zeigen verschiedene Ausbildungsmöglichkeiten von Metallstreifen oder metallisierten Folien, mit denen gewellte oder zickzackförmige Shuntelemente für erfindungsgemäße Strombegrenzereinrichtungen auszubilden sind. So kann gemäß Figur 4 ein streifenförmiges Element 22a mit Längsschlitzen 25ι versehen sein, die vorteilhaft in den Bereich der Übergangszonen Zj zu liegen kommen sollen. Ein solches Element ist für die Ausführungsform nach Figur 3 angenommen. Gemäß Figur 5 kann ein streifenförmiges Element 22b auch Querschlitze 29χ haben. Solche Querschlitze führen eben- so wie die bei einem aus Figur 6 zu entnehmenden streifenför- migen Element 22c vorhandenen Löcher 30ι zu einer vorteilhaften Widerstandserhöhung eines Shuntelementes in Stromführungsrichtung. Auch sind streifenförmige Gitterelemente 22d gemäß Figur 7 zur Ausbildung von wellen- oder zickzackförmi- gen Shuntelementen geeignet.
Das aus Figur 8 in Aufsicht und in Längsansicht veranschaulichte streifenförmige Element 22e unterscheidet sich von dem Element 22a nach Figur 4 dadurch, dass es im Bereich der quer verlaufenden Übergangszonen Zj mit Kontaktpunkten oder -leisten 31ι aus elektrisch schlecht-leitendem Material wie z.B. einer Graphitsuspension in Bindemittel belegt ist. An den Berührungsstellen bildet sich dann ein Übergangswiderstand, der bei einem Teilquench vorteilhaft eine Verbreiterung der Stromübergangszone zwischen dem Supraleiter- und dem Shuntmaterial erzeugt. Die Dissipation an den entsprechenden Kontaktstellen führt zu Normalleitung und bewirkt so eine schnelle Quenchausbreitung entlang der Leiterbahn.
Für den Trägerkörper 3 wird im Allgemeinen ein elektrisch isolierendes Material gewählt sein. Stattdessen ist es aber auch möglich, einen Trägerkörper vorzusehen, der zu einem Teil aus elektrisch leitendem Material und einem der Leiterbahn zugewandten Teil aus elektrisch isolierendem Material besteht. Für erfindungsgemäße Strombegrenzereinrichtungen können somit in großem Umfang an sich bekannte Trägerkörper verwendet werden.
Statt der vorteilhaften Verwendung eines der bekannten HTS- Materialien wie YBCO oder Bi2Sr2Ca2Cu3Ox (sogenanntes BSCCO) oder (Bi, Pb) 2Sr2Ca2Cu3Ox (sogenanntes B(P)SCCO) für den Supra- leitungsschichtteil 2a kann für diesen auch eines der bekannten metallischen Niedrig-Tc-Supraleitermaterialien (LTS- Materialien) wie z.B. Nb3Sn oder NbTi vorgesehen werden.
Vorteilhaft ist es auch, die erfindungsgemäße Maßnahme einer thermischen Entkopplung des Shuntelementes von dem Supraleitungsschichtteil mit einer Maßnahme zu verbinden, welche bewirkt, dass sich in dem Supraleitermaterial eine kurze normalleitende Zone, etwa an einer Stelle mit besonders niedrigem kritischen Strom, schnell in einem Zeitintervall unter 1 ms bis einige Millisekunden über die ganze Länge ausbreitet. Dann wird nämlich der Fehlerstrom umgehend auf den bestimmungsgemäßen Wert begrenzt und die Temperatur nimmt nirgendwo einen unzulässigen hohen Wert an, d.h., es werden Hotspots vermieden. Eine entsprechende Möglichkeit besteht in der Materialwahl für das Shuntelement.
Ein konkretes Ausführungsbeispiel einer Strombegrenzereinrichtung 20 gemäß Figur 3 kann folgende Spezifikationen aufweisen:
• Schaltelement (Platte) nach Fig. 1 auf Zr02-Platte 10 x 10 cm2 als Mäanderbahn mit 0,5 m Länge:
- YBCO-Schicht von 0,5 μm Dicke, 1 cm Leiterbreite, krit. Strom I0 = 100 A, In = 71 Aeff, - bei 95 K pn = 1 μΩ-m, Widerstand 100 Ω
- U/L = 10 V/cm, Nennspannung ist 500 Veff, begrenzter Strom durch Supraleiter Ib.sL = 5 A • Shuntelement nach Fig. 3 und 4 als Streifen mit 0,5 cm Breite, 0,05 mm Dicke aus Legierung von Cu + 30% Ni
- Widerstand bei 90 K, p = 0,37 μΩ-m, Rshunt = 1/5 Ω/-m.
- Gefaltet 10:1 mit w = 0,5 cm, h = 2,5 cm gibt Shuntlänge 5 m, R = 7,5 Ω, Shuntstrom IShunt = 66,7 A.
- Begrenzter Strom IShunt + Ib,s = 71,6 A ist etwa Nennstrom.
- Begrenzter Strom kann durch dünneren/schmaleren/ durchlöcherten Shunt nach Fig. 5 bis 7 noch verringert werden
• Effektive Nennschaltleistung Pn/A = 700 VA pro cm2 schaltende Fläche.

Claims

Patentansprüche
1. Strombegrenzereinrichtung vom resistiven Typ mit einem Supraleiteraufbau zur Führung eines elektrischen Stromes in einer vorbestimmten Richtung, welche Einrichtung einen Trä- gerkörper enthält, auf dem sich wenigstens eine elektrisch leitende Leiterbahn befindet, die zumindest einen entsprechenden Supraleitungsschichtteil aus einem Supraleitermaterial und einen dem Supraleitungsschichtteil zugeordneten Shuntteil aus elektrisch normalleitendem Material aufweist, g e k e n n z e i c h n e t durch einen Shuntteil aus einem streifenförmigen, metallischen Shuntelement (22) mit einer sich in Stromführungsrichtung ausbreitenden Wellen- oder Zickzackform, so dass das Element nur in schmalen, quer zur Stromführungsrichtung verlaufenden Zonen (Zj) an dem Supraleitungsschichtteil (2a) anliegt.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Shuntelement (22) zumin- dest im Bereich der quer verlaufenden Zonen (Zj) mit Aussparungen (25ι) versehen ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass als Aussparungen Schlitze (25ι, 29ι) oder Löcher (30i) vorgesehen sind.
4. Einrichtung nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Shuntelement als ein Gitternetz (22d) ausgebildet ist.
5. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Shuntelement im Bereich der quer verlaufenden Zonen (Zj) mit elektrisch gut leitendem Material versehen ist.
6. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, g e k e n n z e i c h n e t durch eine zumindest annähernd horizontale Lage ihrer Leiterbahn (21) .
7. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, g e k e n n z e i c h n e t durch ein Shuntelement (22) mit einem spezifischen elektrischen Widerstand bei Betriebstemperatur über dem von Kupfer in Stromführungsrichtung.
8. Einrichtung nach Anspruch 7, d a d u r c h g e - k e n n z e i c h n e t , dass das Shuntelement (22) einen spezifischen elektrischen Widerstand von über 0,3 μΩ-m aufweist.
9. Einrichtung nach Anspruch 7 oder 8, g e k e n n - z e i c h n e t durch ein Shuntelement (22) aus einer Fe- Cr-Ni- oder Cu-Ni-Legierung.
10. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Trä- gerkörper (3) aus elektrisch isolierendem Material besteht.
11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, g e k e n n z e i c h n e t durch einen Trägerkörper (3) aus einem Teil aus elektrisch leitendem Material und einem der Leiterbahn zugewandten Teil aus elektrisch isolierendem Material.
12. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass für den Supraleitungsschichtteil (2a) ein metalloxidisches Hoch-Tc- Supraleitermaterial vorgesehen ist.
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