WO2003107448A1 - Resistive current limiter comprising a superconducting strip conductor and a non-superconducting shunt - Google Patents

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WO2003107448A1
WO2003107448A1 PCT/DE2003/001754 DE0301754W WO03107448A1 WO 2003107448 A1 WO2003107448 A1 WO 2003107448A1 DE 0301754 W DE0301754 W DE 0301754W WO 03107448 A1 WO03107448 A1 WO 03107448A1
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superconducting
superconducting layer
fiber structure
shunt
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Günter RIES
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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 resistive current limiter device 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, which has at least one corresponding superconducting layer part made of a superconducting material and one Superconducting layer part associated shunt part made of a non-superconducting material with predetermined, specific electrical resistance.
  • a corresponding current limiter device can be found in EP 0 345 767 B1.
  • HTS material high-temperature superconductor material
  • 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 0 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 the largest part of the fault current and reduces the heat generation per surface and the risk of damage in so-called “hotspots (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.
  • the object of the present invention is to design the current limiter device with the features mentioned at the outset in such a way that the conductor expenditure can be reduced compared to known devices.
  • the heating should be above the transition temperature, i.e. normal management, quickly, especially in a period of below
  • the current limiter device with the features mentioned at the outset should have a shunt part which consists of a structure of graphitized carbon fibers with point-wise and / or line-like contact of the fibers with one another and the fibers with the superconducting layer part.
  • a lattice or a fabric or a net or a mesh or a web or a nonwoven or a mat can advantageously be provided as the fiber structure.
  • Corresponding fiber structures from short, cut or long fibers can be produced in a simple manner.
  • the fiber structure extending over the entire length of the conductor track advantageously covers at least 20% of the
  • Width of the superconducting layer part The projection of the fibers onto the surface is covered under a covering stood.
  • the fiber structure must be mechanically fixed on the superconducting layer part.
  • the fiber structure can advantageously be pressed onto the superconducting layer part by means of a grid or perforated plate or by means of a network structure. Instead, fixation with an adhesive or varnish is also possible.
  • the superconducting layer part can advantageously be provided with a thin, preferably at most 0.1 ⁇ m thick covering layer made of a normally conductive material such as e.g. Au or Ag or Cu can be coated, the specific electrical resistance in the current carrying direction is greater than that of the fiber structure.
  • a covering layer can be used to protect the superconducting layer part and to reliably contact it.
  • a thickness of the fiber structure between 0.05 and 0.5 mm can advantageously be selected. It was recognized that such thin fiber structures can ensure the required uniform and rapid heat spreading.
  • the mean specific electrical resistance of the fiber structure should advantageously also be between 0.5 and 20 ⁇ -m, preferably between 1.0 and 10 ⁇ -m, in the direction of current flow at the operating temperature of the superconductor material.
  • An electrically insulating material can advantageously be selected for the carrier body.
  • a carrier body which consists partly of electrically conductive material and partly facing the conductor track made of electrically insulating material.
  • carrier bodies can be used for a current limiter device according to the invention.
  • One of the known metal oxide high-T c superconductor materials is preferably provided for the superconducting layer part.
  • superconducting layers made of one of the known metallic superconducting materials can also be used for the resistive current limiter device according to the invention.
  • FIG. 1 schematically shows in longitudinal section a current conductor track of a known current limiter device in the case of a quench
  • FIG. 2 shows the temperature conditions in this conductor track according to FIG. 1 as a diagram
  • FIG. 3 shows in longitudinal section a section of a current limiter device according to the invention, FIG. 4 of this section according to FIG. 3 in supervision and FIG. 5 as a diagram of the temperature distribution in this section according to FIG. 3 or 4.
  • Corresponding parts in the figures are each provided with the same reference numerals.
  • 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 normal-conducting material which is usually used to stabilize superconductors. As is further indicated in the figure, a current I flows through the superconducting layer part 2a.
  • the superconducting layer part Since the superconducting layer part has changed into the normally conductive state in a (“hotspot *) region 4 or quench region with a small extent B, the current there changes into the Shunt layer part 2b due to its comparatively lower resistance compared to the normal conducting resistance of the superconducting layer part.
  • Figure 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.
  • FIGS. 3 and 4 show a preferred embodiment of a current limiter device 10 designed according to the invention, while from FIG. 5 the temperature relationships thereof are shown in a quench area in a representation corresponding to FIGS. 1 and 2.
  • a special shunt part 12b on its superconducting layer part 2a.
  • This shunt part is supposed to be a structure made of graphitized carbon fibers, which is applied flatly on the superconducting layer part 2a.
  • the fiber structure can in particular have the form of a grid or a fabric or a net or a braid or a web or a fleece or a mat.
  • the fibers 12a or fiber pieces only make up this structure from a relatively loose structure, there is a point-wise and / or line-like contact of the fibers with one another and the fibers with the superconducting layer part 2a.
  • an average specific electrical resistance between 0.5 and 20 ⁇ -m, preferably between 1.0 and 10 ⁇ -m, is to be formed in the direction of current flow of the conductor track 12 at an operating temperature of the superconducting device of, for example, 77 K.
  • the fiber structure can thus represent the shunt part 12b or a bypass for thermal protection by passing the current past a point 4 in the superconductor material that has become normal.
  • the electrical resistance is considerably smaller than that of the superconducting layer part that has become normally conductive. This resistance of the shunt part is set by the thickness d s of the fiber structure and the electrically effective area proportion ⁇ of the longitudinal fibers in the structure.
  • the point-by-point or line-like electrical contacts between the individual fibers 12a with one another and with the superconducting layer part 2a ensure the required transfer of the current I from the superconductor material into the fiber structure over a length b that is over the corresponding length of a quench area 4 over its two sides goes.
  • the desired dissipation then occurs in the fiber structure, which a normal line can trigger in the initially superconducting superconducting material. In this way, the normal line spreads quickly over the entire length of the conductor track in the superconducting layer part.
  • a grid or perforated plate 13 made of insulating material can be provided, for example as shown in FIG. 3, which is pressed onto the superconducting layer part, for example with the aid of spring elements 14 with adjustable spring pressure.
  • the plate 13 is sufficient for a coolant that keeps the superconducting material at its operating temperature transparent.
  • the transition length b is determined by measurements and can be varied by the contact pressure.
  • the fiber structure can also be pressed onto a still liquid adhesive or lacquer layer applied to the superconducting layer part 2a until hardening.
  • the transition length b is measured, if necessary, and adjusted via the contact pressure.
  • the transition length is further adjustable.
  • the superconducting layer part 2a can also be at least partially covered with a thin metallic layer.
  • the specific electrical resistance of the material of this layer should be greater than that of the fiber structure acting in parallel. Alloys such as e.g. with Au, Ag or Cu in question.
  • the thickness of such a cover layer should be less than 0.1 ⁇ m.
  • FIG. 4 shows the part of the superconducting device 10 according to FIG. 3 in supervision.
  • This illustration shows, in particular, the transparency of the coolant of the carbon fiber structure serving as shunt part 12b.
  • the carbon fiber structure serving as the shunt part 12b should, however, cover at least 20% of the surface of the superconducting layer part 2a in order to be able to guarantee the required heat spreading.
  • FIG. 5 The widening of the current transition region b in a quench region 4 compared to the prior art according to FIGS. 1 and 2, which can be achieved with the use of a carbon fiber structure according to the invention, can be seen from the diagram of FIG. 5 corresponding representation.
  • a meandering superconducting layer part 2a made of single-crystalline can first be used to form a current limiter on a ZrO 2 plate of 10 ⁇ 10 cm 2 as carrier body 3
  • this layer part is at least largely congruent with a 0.05 to 0.1 mm thick carbon fiber fabric or fleece 12b made of a cut-out fiber structure and pressed through a perforated plate via springs or glued on under pressure.
  • the fiber structure ends on metallized contact layers (“contact pads *) at the ends of the switching path or conductor track, where it is electrically connected to the superconducting layer part underneath and to the necessary power supply lines.

Abstract

Disclosed is a current limiter (10) comprising a support element (3) on which a strip conductor (12) that is provided with a superconducting layer portion (2a) and a shunt part (12b) is arranged. The shunt part is embodied as a structure made of graphitized carbon fibers (12a), said fibers being in contact with each other and the superconducting layer portion (2a) point by point or in a linear manner. A tissue, fleece, braiding, or net are particularly suitable as a fiber structure.

Description

Beschreibungdescription
Resistive Strombegrenzereinrichtung mit supraleitender Leiterbahn und nicht-supraleitendem ShuntResistive current limiter device with superconducting conductor track and non-superconducting shunt
Die Erfindung bezieht sich auf eine resistive Strombegrenzereinrichtung mit einem Leiterbahnaufbau zur Führung eines elektrischen Stromes in einer vorbestimmten Richtung, welche Einrichtung einen Trägerkörper enthält, auf dem sich wenigs- tens eine elektrisch leitende Leiterbahn befindet, die zumindest einen entsprechenden Supraleitungsschichtteil aus einem Supraleitermaterial und einen dem Supraleitungsschichtteil zugeordneten Shuntteil aus einem nicht-supraleitenden Material mit vorbestimmten, spezifischen elektrischen Widerstand aufweist. Eine entsprechende Strombegrenzereinrichtung geht aus der EP 0 345 767 Bl hervor.The invention relates to a resistive current limiter device 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, which has at least one corresponding superconducting layer part made of a superconducting material and one Superconducting layer part associated shunt part made of a non-superconducting material with predetermined, specific electrical resistance. A corresponding current limiter device can be found in EP 0 345 767 B1.
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) als Dünn- oder Dickfilm sowie mit parallel da- zu im flächigem Kontakt stehendem metallischen Shuntschicht- teil 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 I0 unvermeidlich entlang der supraleitenden Leiterbahn. Dies hat zur Folge, dass Stellen (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 „Hotspots (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.The structure and mode of operation of resistive superconducting current limiters in energy technology are known in principle (cf. the aforementioned EP-B document or “Elektrie λλ , Vol. 51, Berlin 1997, Issue 11/12, pages 414 to 424). A corresponding current limiter with a conductor track made of low or, preferably, high-temperature superconductor material (HTS material) as a thin or thick film, and with a metallic shunt layer part parallel to it, for example made of Ag, Au or Cu, is connected in series to one to be protected Circuit inserted and carries operational currents without resistance. In the event of a fault, in particular in the event of a short circuit, 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. In corresponding known current limiting devices, the critical current I 0 inevitably varies along the superconducting conductor track. The consequence of this is that points (areas) with low I c first become normally conductive and therefore reduce the fault current to such an extent that sections with higher I c can no longer reach the transition temperature T c , ie do not develop any electrical resistance. The entire voltage drops across discrete, normally conductive points. The resistance of the current limiter device is then too small and the limited fault current may be so high that these discrete points heat up inadmissibly until they are completely switched off via normally available mechanical load disconnectors and are thus damaged. 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 the largest part of the fault current and reduces the heat generation per surface and the risk of damage in so-called “hotspots (of the respective quenched area). However, such 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.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Strombegrenzereinrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen dahingehend auszugestalten, dass der Leiteraufwand gegenüber bekannten Einrichtungen verringert werden kann. Zugleich soll sich die Erwärmung über die Sprungtemperatur, d.h. die Normallei- tung, schnell, insbesondere in einem Zeitraum von unterThe object of the present invention is to design the current limiter device with the features mentioned at the outset in such a way that the conductor expenditure can be reduced compared to known devices. At the same time, the heating should be above the transition temperature, i.e. normal management, quickly, especially in a period of below
1 Millisekunde bis zu einigen Millisekunden, über die ganze Länge des supraleitenden Leiterbahnteils ausbreiten können, damit sich der gesamte elektrische Widerstand entwickelt, der Fehlerstrom auf den bestimmungsgemäßen Wert begrenzt wird und die Temperatur nirgendwo einen unzulässig hohen Wert annimmt.1 millisecond to a few milliseconds, can spread over the entire length of the superconducting conductor part, so that the entire electrical resistance develops, the fault current is limited to the intended value and the temperature does not take on an impermissibly high value anywhere.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den in Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Dementsprechend soll die Strombegrenzereinrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen einen Shuntteil aufweisen, der aus einem Gebilde aus graphitierten Kohlefasern mit punktweisem und/oder linienartigen Kontakt der Fasern untereinander und der Fasern mit dem Supraleitungsschichtteil besteht.This object is achieved with the measures specified in claim 1. Accordingly, the current limiter device with the features mentioned at the outset should have a shunt part which consists of a structure of graphitized carbon fibers with point-wise and / or line-like contact of the fibers with one another and the fibers with the superconducting layer part.
Damit wird vorteilhaft erreicht, dass zur Ausbildung des Shuntteils auf einen besonderen Vakuumprozess wie Aufdampfen, Sputtern von Edelmetall verzichtet werden kann. Da nunmehr der Supraleitungsschichtteil durch das verhältnismäßig lockere Fasergebilde thermisch teilweise von diesem als Shunt wirkendem Teil entkoppelt ist, wird der Temperaturanstieg in einem Quench- bzw. Hotspot-Bereich auf Grund einer Verbreite- rung dieses Bereichs in Stromführungsrichtung gesehen begrenzt und somit die Rückkühlzeit des gequenchten Bereichs verringert.This advantageously means that a special vacuum process such as vapor deposition and sputtering of noble metal can be dispensed with in order to form the shunt part. Since the superconducting layer part is now thermally decoupled from this part acting as a shunt due to the relatively loose fiber structure, the temperature rise in a quench or hotspot area is limited due to a widening of this area in the direction of current conduction and thus the recooling time of the quenched Range decreased.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Strombe- grenzereinrichtung sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.Advantageous refinements of the current limiter device according to the invention can be found in the dependent claims.
So kann vorteilhaft als Fasergebilde ein Gitter oder ein Gewebe oder ein Netz oder ein Geflecht oder ein Gespinst oder ein Vlies oder eine Matte vorgesehen sein. Entsprechende Fasergebilde aus kurzen, geschnittenen oder langen Fasern lassen sich auf einfache Weise herstellen.For example, a lattice or a fabric or a net or a mesh or a web or a nonwoven or a mat can advantageously be provided as the fiber structure. Corresponding fiber structures from short, cut or long fibers can be produced in a simple manner.
Vorteilhaft überdeckt das sich über die gesamte Länge der Leiterbahn erstreckende Fasergebilde mindestens 20 % derThe fiber structure extending over the entire length of the conductor track advantageously covers at least 20% of the
Breite des Supraleitungsschichtteils. Dabei wird unter einem Überdecken die Projektion der Fasern auf die Oberfläche ver- standen. Mit dieser Bemessung ist einerseits eine hinreichend gute Wärmeausbreitung zu realisieren; andererseits wird ein guter Zugang des immer erforderlichen Kühlmediums zu dem Supraleitermaterial gewährleistet.Width of the superconducting layer part. The projection of the fibers onto the surface is covered under a covering stood. With this design, on the one hand, a sufficiently good heat spread can be achieved; on the other hand, good access of the cooling medium, which is always required, to the superconductor material is ensured.
Das Fasergebilde uss auf dem Supraleitungsschichtteil mechanisch fixiert sein. Hierzu kann vorteilhaft das Fasergebilde mittels einer Gitter- oder Lochplatte oder mittels einer Netzstruktur auf den Supraleitungsschichtteil gepresst wer- den. Stattdessen ist auch eine Fixierung mittels eines Klebers oder Lackes möglich.The fiber structure must be mechanically fixed on the superconducting layer part. For this purpose, the fiber structure can advantageously be pressed onto the superconducting layer part by means of a grid or perforated plate or by means of a network structure. Instead, fixation with an adhesive or varnish is also possible.
Ferner kann der Supraleitungsschichtteil vorteilhaft mit einer dünnen, vorzugsweise höchstens 0,1 μm dicken Deck- schicht aus einem normalleitenden Material wie z.B. Au oder Ag oder Cu überzogen sein, deren spezifischer elektrischer Widerstand in Stromführungsrichtung größer als der des Fasergebildes ist. Eine solche Deckschicht kann zum Schutz des Supraleitungsschichtteils und zu dessen zuverlässiger Kontak- tierung herangezogen werden.Furthermore, the superconducting layer part can advantageously be provided with a thin, preferably at most 0.1 μm thick covering layer made of a normally conductive material such as e.g. Au or Ag or Cu can be coated, the specific electrical resistance in the current carrying direction is greater than that of the fiber structure. Such a covering layer can be used to protect the superconducting layer part and to reliably contact it.
Vorteilhaft kann eine Dicke des Fasergebildes zwischen 0,05 und 0,5 mm gewählt werden. Es wurde erkannt, dass bereits derartig dünne Fasergebilde die geforderte gleichmäßige und schnelle Wärmeausbreitung gewährleisten können. Hierzu sollte vorteilhaft auch der mittlere spezifische elektrische Widerstand des Fasergebildes zwischen 0,5 und 20 μΩ-m, vorzugsweise zwischen 1,0 und 10 μΩ-m, in Stromführungsrichtung bei der Betriebstemperatur des Supraleitermaterials liegen.A thickness of the fiber structure between 0.05 and 0.5 mm can advantageously be selected. It was recognized that such thin fiber structures can ensure the required uniform and rapid heat spreading. For this purpose, the mean specific electrical resistance of the fiber structure should advantageously also be between 0.5 and 20 μΩ-m, preferably between 1.0 and 10 μΩ-m, in the direction of current flow at the operating temperature of the superconductor material.
Für den Trägerkörper kann vorteilhaft 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 zuge- wandten Teil aus elektrisch isolierendem Material besteht. Für eine erfindungsgemäße Strombegrenzereinrichtung können somit in großem Umfang an sich bekannte Trägerkörper verwendet werden.An electrically insulating material can advantageously be selected for the carrier body. Instead, however, it is also possible to provide a carrier body which consists partly of electrically conductive material and partly facing the conductor track made of electrically insulating material. For a current limiter device according to the invention thus widely known carrier bodies can be used.
Vorzugsweise wird für den Supraleitungsschichtteil eines der bekannten etalloxidischen Hoch-Tc-Supraleitermaterialien vorgesehen. Für die resistive Strombegrenzereinrichtung nach der Erfindung sind jedoch ebenso gut auch Supraleitungsschichten aus einem der bekannten metallischen Supraleitermaterialien verwendbar.One of the known metal oxide high-T c superconductor materials is preferably provided for the superconducting layer part. However, superconducting layers made of one of the known metallic superconducting materials can also be used for the resistive current limiter device according to the invention.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf dieThe invention is described below with reference to the
Zeichnung noch weiter erläutert. Es zeigen jeweils schematisch deren Figur 1 im Längsschnitt eine Stromleiterbahn einer be- kannten Strombegrenzereinrichtung im Quench- fall, deren Figur 2 als Diagramm die Temperaturverhältnisse in dieser Leiterbahn gemäß Figur 1, deren Figur 3 im Längsschnitt ein Teilstück einer Strombe- grenzereinrichtung nach der Erfindung, deren Figur 4 dieses Teilstück nach Figur 3 in Aufsicht sowie deren Figur 5 als Diagramm die Temperaturverteilung in diesem Teilstück nach Figur 3 oder 4. Dabei sind in den Figuren sich entsprechende Teile jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.Drawing explained further. 1 schematically shows in longitudinal section a current conductor track of a known current limiter device in the case of a quench, FIG. 2 shows the temperature conditions in this conductor track according to FIG. 1 as a diagram, and FIG. 3 shows in longitudinal section a section of a current limiter device according to the invention, FIG. 4 of this section according to FIG. 3 in supervision and FIG. 5 as a diagram of the temperature distribution in this section according to FIG. 3 or 4. Corresponding parts in the figures are each provided with the same reference numerals.
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 vergleichs- weise niedrigeren Widerstand übergehen.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 normal-conducting material which is usually used to stabilize superconductors. As is further indicated in the figure, a current I flows through the superconducting layer part 2a. Since the superconducting layer part has changed into the normally conductive state in a (“hotspot *) region 4 or quench region with a small extent B, the current there changes into the Shunt layer part 2b due to its comparatively lower resistance compared to the normal conducting resistance of the superconducting layer part.
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.Figure 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.
Die Figuren 3 und 4 zeigen ein bevorzugtes Ausführungsbei- spiel einer erfindungsgemäß ausgebildeten Strombegrenzerein- richtung 10, während aus Figur 5 deren Temperaturverhältnisse in einem Quenchbereich in Figur 1 bzw. 2 entsprechender Darstellung wiedergegeben ist. Wie aus Figur 3 zu entnehmen ist, befindet sich in Abweichung zu der Ausführungsform nach Figur 1 bei einer erfindungsgemäßen Leiterbahn 12 auf ihrem Supra- leitungsschichtteil 2a ein besonderer Shuntteil 12b. Bei diesem Shuntteil soll es sich um ein Gebilde aus graphitierten Kohlefasern handeln, das flächig auf dem Supraleitungsschichtteil 2a aufgebracht ist. Das Fasergebilde kann dabei insbesondere die Form eines Gitters oder eines Gewebes oder eines Netzes oder eines Geflechtes oder eines Gespinstes oder eines Vlieses oder einer Matte haben. Da die Fasern 12a oder Faserstücke nur aus verhältnismäßig lockere Struktur dieses Gebilde ausmachen, ergibt sich ein punktweiser und/oder linienartiger Kontakt der Fasern untereinander und der Fasern mit dem Supraleitungsschichtteil 2a. it handelsüblichen graphitierten Kohlefasern 12a ist in Stromführungsrichtung der Leiterbahn 12 bei einer Betriebstemperatur der Supraleitungseinrichtung von beispielsweise 77 K ein mittlerer spezifischer elektrischer Widerstand zwi- sehen 0,5 und 20 μΩ-m, vorzugsweise zwischen 1,0 und 10 μΩ-m, auszubilden. Damit kann das Fasergebilde den Shuntteil 12b bzw. einen Bypass zum thermischen Schutz darstellen, indem es den Strom an einer normalleitend gewordenen Stelle 4 im Supraleitermaterial vorbeileitet. Dabei ist der elektrische Wi- derstand erheblich kleiner als der des normalleitend gewordenen Supraleitungsschichtteils. Dieser Widerstand des Shunt- teils wird durch die Dicke ds des Fasergebildes und den elektrisch wirksamen Flächenanteil ß der Längsfasern in dem Gebilde eingestellt.FIGS. 3 and 4 show a preferred embodiment of a current limiter device 10 designed according to the invention, while from FIG. 5 the temperature relationships thereof are shown in a quench area in a representation corresponding to FIGS. 1 and 2. As can be seen from FIG. 3, in a departure from the embodiment according to FIG. 1, in the case of a conductor track 12 according to the invention, there is a special shunt part 12b on its superconducting layer part 2a. This shunt part is supposed to be a structure made of graphitized carbon fibers, which is applied flatly on the superconducting layer part 2a. The fiber structure can in particular have the form of a grid or a fabric or a net or a braid or a web or a fleece or a mat. Since the fibers 12a or fiber pieces only make up this structure from a relatively loose structure, there is a point-wise and / or line-like contact of the fibers with one another and the fibers with the superconducting layer part 2a. With commercially available graphitized carbon fibers 12a, an average specific electrical resistance between 0.5 and 20 μΩ-m, preferably between 1.0 and 10 μΩ-m, is to be formed in the direction of current flow of the conductor track 12 at an operating temperature of the superconducting device of, for example, 77 K. The fiber structure can thus represent the shunt part 12b or a bypass for thermal protection by passing the current past a point 4 in the superconductor material that has become normal. The electrical resistance is considerably smaller than that of the superconducting layer part that has become normally conductive. This resistance of the shunt part is set by the thickness d s of the fiber structure and the electrically effective area proportion β of the longitudinal fibers in the structure.
Die punktweisen bzw. linienartigen elektrischen Kontakte zwischen den einzelnen Fasern 12a untereinander und mit dem Supraleitungsschichtteil 2a gewährleisten den geforderten Übertritt des Stromes I von dem Supraleitermaterial in das Faser- gebilde auf einer Länge b, die über die entsprechende Länge eines Quenchbereiches 4 über dessen beide Seiten hinausgeht. In diesem Übertrittsbereich entsteht dann in dem Fasergebilde die gewünschte Dissipation, die eine Normalleitung im zunächst noch supraleitenden Supraleitermaterial auslösen kann. Auf diese Weise breitet sich in dem Supraleitungsschichtteil die Normalleitung schnell über die gesamte Länge der Leiterbahn aus .The point-by-point or line-like electrical contacts between the individual fibers 12a with one another and with the superconducting layer part 2a ensure the required transfer of the current I from the superconductor material into the fiber structure over a length b that is over the corresponding length of a quench area 4 over its two sides goes. In this transition area, the desired dissipation then occurs in the fiber structure, which a normal line can trigger in the initially superconducting superconducting material. In this way, the normal line spreads quickly over the entire length of the conductor track in the superconducting layer part.
Zu einer erforderlichen mechanischen Fixierung des Faserge- bildes auf dem Supraleitungsschichtteil kann beispielsweise gemäß der Darstellung nach Figur 3 eine Gitter- oder Lochplatte 13 aus Isoliermaterial vorgesehen werden, die beispielsweise mit Hilfe von Federelementen 14 mit einstellbarem Federdruck auf den Supraleitungsschichtteil gepresst wird. Die Platte 13 ist für ein das Supraleitungsmaterial auf seiner Betriebstemperatur haltendes Kühlmittel hinreichend transparent. Die Übertrittslänge b wird durch Messungen ermittelt und lässt sich durch den Anpressdruck variieren.For a necessary mechanical fixation of the fiber structure on the superconducting layer part, a grid or perforated plate 13 made of insulating material can be provided, for example as shown in FIG. 3, which is pressed onto the superconducting layer part, for example with the aid of spring elements 14 with adjustable spring pressure. The plate 13 is sufficient for a coolant that keeps the superconducting material at its operating temperature transparent. The transition length b is determined by measurements and can be varied by the contact pressure.
Statt der in der Figur dargestellten mechanischen Fixierung kann das Fasergebilde auch auf eine auf den Supraleitungsschichtteil 2a aufgebrachte, noch flüssige Kleber- oder Lackschicht bis zum Aushärten aufgedrückt werden. Die Übertrittslänge b wird dabei gegebenenfalls gemessen und über den Anpressdruck eingestellt. Durch einen eventuellen Zusatz leit- fähiger Pulver wie z.B. Graphit zu dem Klebermaterial ist die Übertrittslänge weiter einstellbar.Instead of the mechanical fixation shown in the figure, the fiber structure can also be pressed onto a still liquid adhesive or lacquer layer applied to the superconducting layer part 2a until hardening. The transition length b is measured, if necessary, and adjusted via the contact pressure. With a possible addition of conductive powders such as Graphite to the adhesive material, the transition length is further adjustable.
Zum Schutz und zu einer zuverlässigen Kontaktierung kann auch der Supraleitungsschichtteil 2a zumindest teilweise mit einer dünnen metallischen Schicht abgedeckt werden. Der spezifische elektrische Widerstand des Materials dieser Schicht sollte dabei größer sein als der des parallel wirkenden Fasergebildes. Es kommen deshalb insbesondere Legierungen wie z.B. mit Au, Ag oder Cu in Frage. Die Dicke einer derartigen Deck- schicht sollte unter 0,1 μm liegen.For protection and reliable contacting, the superconducting layer part 2a can also be at least partially covered with a thin metallic layer. The specific electrical resistance of the material of this layer should be greater than that of the fiber structure acting in parallel. Alloys such as e.g. with Au, Ag or Cu in question. The thickness of such a cover layer should be less than 0.1 μm.
Figur 4 zeigt den Teil der Supraleitungseinrichtung 10 gemäß Figur 3 in Aufsicht. Aus dieser Darstellung ist insbesondere die Kühlmitteltransparenz des als Shuntteil 12b dienenden Kohlefasergebildes zu ersehen. Neben der erwünschten Kühlmitteltransparenz sollte das als Shuntteil 12b dienende Kohlefasergebilde jedoch mindestens 20 % der Oberfläche des Supraleitungsschichtteils 2a abdecken, um die geforderte Wärmeausbreitung gewährleisten zu können.FIG. 4 shows the part of the superconducting device 10 according to FIG. 3 in supervision. This illustration shows, in particular, the transparency of the coolant of the carbon fiber structure serving as shunt part 12b. In addition to the desired transparency of the coolant, the carbon fiber structure serving as the shunt part 12b should, however, cover at least 20% of the surface of the superconducting layer part 2a in order to be able to guarantee the required heat spreading.
Die mit der erfindungsgemäßen Verwendung eines Kohlefasergebildes zu erreichende Verbreiterung des Stromübergangsbereichs b in einem Quenchbereich 4 gegenüber dem Stand der Technik nach den Figuren 1 und 2 ist aus dem Diagramm der Fi- gur 5 in Figur 2 entsprechender Darstellung ersichtlich. Für konkrete Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäßen Supraleitungseinrichtungen 10 gemäß den Figuren 3 bis 5 kann man zur Ausbildung eines Strombegrenzers auf einer Zr02-Platte von 10 • 10 cm2 als Trägerkörper 3 zunächst einen mäanderför- migen Supraleitungsschichtteil 2a aus einkristallinemThe widening of the current transition region b in a quench region 4 compared to the prior art according to FIGS. 1 and 2, which can be achieved with the use of a carbon fiber structure according to the invention, can be seen from the diagram of FIG. 5 corresponding representation. For specific exemplary embodiments of superconducting devices 10 according to the invention in accordance with FIGS. 3 to 5, a meandering superconducting layer part 2a made of single-crystalline can first be used to form a current limiter on a ZrO 2 plate of 10 · 10 cm 2 as carrier body 3
YBa2Cu3Ox von 0,1 bis 1 μm Dicke und 1 cm Breite ausbilden. Danach wird dieser Schichtteil zumindest weitgehend deckungsgleich mit einem 0,05 bis 0,1 mm dicken Kohlefasergewebe oder -vlies 12b aus einem ausgeschnittenen Fasergebilde belegt und durch eine Lochplatte über Federn angedrückt oder unter Druck aufgeklebt. Auf metallisierten Kontaktschichten („Kontakt- pads* ) an den Enden der Schaltstrecke bzw. Leiterbahn endet das Fasergebilde, wo es elektrisch mit dem darunterliegenden Supraleitungsschichtteil und mit erforderlichen Stromzulei- tungen verbunden wird. Form YBa 2 Cu 3 O x from 0.1 to 1 μm thick and 1 cm wide. Then this layer part is at least largely congruent with a 0.05 to 0.1 mm thick carbon fiber fabric or fleece 12b made of a cut-out fiber structure and pressed through a perforated plate via springs or glued on under pressure. The fiber structure ends on metallized contact layers (“contact pads *) at the ends of the switching path or conductor track, where it is electrically connected to the superconducting layer part underneath and to the necessary power supply lines.

Claims

Patentansprüche claims
1. Resistive Strombegrenzereinrichtung mit einem Leiteraufbau 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 einem nicht- supraleitenden Material mit vorbestimmtem spezifischen elektrischen Widerstand aufweist, g e k e n n z e i c h n e t durch einen Shuntteil (12b) aus einem Gebilde aus graphitierten Kohlefasern (12a) mit punktweisem und/oder linienartigem Kontakt der Fasern untereinander und der Fasern mit dem Supraleitungsschichtteil (2a) .1. Resistive current limiter device with a conductor 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 superconductor material and a shunt part assigned to the superconducting layer part made of a non - Has superconducting material with a predetermined specific electrical resistance, characterized by a shunt part (12b) made of a structure of graphitized carbon fibers (12a) with point and / or line-like contact of the fibers with one another and the fibers with the superconducting layer part (2a).
2. Einrichtung nach Anspruch 1, g e k e n n z e i c h n e t durch ein Fasergebilde in Form eines Gitters oder Gewebes oder Netzes oder Geflechtes oder Gespinstes oder Vlieses oder einer Matte aus den Fasern (12a) .2. Device according to claim 1, g e k e n n z e i c h n e t by a fiber structure in the form of a lattice or fabric or net or braid or spun or fleece or a mat made of the fibers (12a).
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 sich über die gesamte Länge der Leiterbahn (12) erstreckende Fasergebilde (12b) mindestens 20 % der Breite des Supraleitungsschichtteils (2a) überdeckt .3. Device according to claim 1 or 2, so that the fiber structure (12b) which extends over the entire length of the conductor track (12) covers at least 20% of the width of the superconducting layer part (2a).
4. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, g e k e n n z e i c h n e t durch eine mechanische Fixie- rung des Fasergebildes (12b) auf dem Supraleitungsschichtteil (2a) .4. Device according to one of the preceding claims, g e k e n e z e i c h n e t by mechanical fixing of the fiber structure (12b) on the superconducting layer part (2a).
5. Einrichtung nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Fasergebilde (12b) mit- tels einer Gitter- oder Lochplatte (13) oder einer Netzstruktur fixiert ist. 5. Device according to claim 4, characterized in that the fiber structure (12b) is fixed by means of a grid or perforated plate (13) or a network structure.
6. Einrichtung nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Fasergebilde (12b) mittels eines Klebers oder Lackes fixiert ist.6. Device according to claim 4, so that the fiber structure (12b) is fixed by means of an adhesive or lacquer.
7. 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 Supraleitungsschichtteil (2a) mit einer dünnen Deckschicht aus normalleitendem Material überzogen ist, deren spezifischer elektrischer Widerstand in Stromführungsrichtung größer als der des Fasergebildes (12b) ist.7. Device according to one of the preceding claims, that the superconducting layer part (2a) is coated with a thin cover layer made of normally conductive material, the specific electrical resistance of which in the current carrying direction is greater than that of the fiber structure (12b).
8. Einrichtung nach Anspruch 7, g e k e n n z e i c h n e t durch eine Dicke der Deckschicht unter 0,1 μm.8. Device according to claim 7, g e k e n n z e i c h n e t by a thickness of the cover layer below 0.1 microns.
9. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, g e k e n n z e i c h n e t durch eine Dicke (ds) des Fasergeflechts (12b) zwischen 0,05 und 0,5 mm.9. Device according to one of the preceding claims, characterized by a thickness (d s ) of the fiber braid (12b) between 0.05 and 0.5 mm.
10. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, g e k e n n z e i c h n e t durch ein Fasergebilde (12b) mit einem mittleren spezifischen elektrischen Widerstand zwischen 0,5 und 20μΩ-m, vorzugsweise zwischen 1,0 und 10 μΩ-m, in Stromführungsrichtung bei der Betriebstemperatur des Supraleitermaterials .10. Device according to one of the preceding claims, g e k e n n z e i c h n e t by a fiber structure (12b) with an average specific electrical resistance between 0.5 and 20μΩ-m, preferably between 1.0 and 10 μΩ-m, in the direction of current flow at the operating temperature of the superconductor material.
11. 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 Trägerkörper (3) aus elektrisch isolierendem Material besteht.11. Device according to one of the preceding claims, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the carrier body (3) consists of electrically insulating material.
12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, 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. Device according to one of claims 1 to 10, g e k e n n z e i c h n e t by a carrier body (3) made of a part made of electrically conductive material and a part facing the conductor track made of electrically insulating material.
13. 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 sich der Shuntschichtteil (12b) auf der dem Trägerkörper (3) abgewandten Seite des Supraleitungsschichtteils (2a) befindet.13. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the shunt layer part (12b) is on the side of the superconducting layer part (2a) facing away from the carrier body (3).
14. 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. 14. Device according to one of the preceding claims, characterized in that a metal oxide high-T c - superconductor material is provided for the superconducting layer part (2a).
PCT/DE2003/001754 2002-06-13 2003-05-28 Resistive current limiter comprising a superconducting strip conductor and a non-superconducting shunt WO2003107448A1 (en)

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