DE10231916C1 - Strombegrenzer mit Supraleitschicht - Google Patents

Abstract

Um bei einer Strombegrenzereinheit (1) zur resistiven Begrenzung eines elektrischen Stromes mit einem Supraleiter (4) in Parallelschaltung zu einem Spulenabschnitt (8) eines Kommutierungsleiters (5), wobei der Spulenabschnitt (8) zur Erzeugung eines Magnetfeldes eingerichtet ist, das den Supraleiter (4) durchsetzt, ein möglichst homogenes Quenchen durch die Supraleitschicht herbeizuführen, wird vorgeschlagen, dass der Supraleiter wenigstens eine auf einem Trägersubstrat (2) angeordnete Supraleitschicht (4) und der Kommutierungsleiter wenigstens eine Leiterbahnen (7) aufweisende Kommutierungsschicht (5) ist und dass der Spulenabschnitt durch Windungsabschnitte (8) der Leiterbahnen (7) ausgebildet ist, die einseitig oder beidseitig der Supraleitschicht (4) angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Strombegrenzereinheit zur re­ sistiven Begrenzung eines elektrischen Stromes mit einem Sup­ raleiter in Parallelschaltung zu einem Spulenabschnitt eines Kommutierungsleiters, wobei der Spulenabschnitt zur Erzeugung eines Magnetfeldes eingerichtet ist, das den Supraleiter durchsetzt.

Eine solche Strombegrenzungseinheit ist aus der EP 0 406 636 A1 bereits bekannt. Die dort offenbarte Strombe­ grenzungseinheit weist einen Supraleiter auf, der in einer parallel zum Supraleiter geschalteten Spule angeordnet ist. In Reihenschaltung zur Spule und ebenfalls in Parallelschal­ tung zum Supraleiter ist ferner ein Widerstand vorhanden, der im Normalbetrieb, in dem sich der Supraleiter im supra­ leitenden Zustand befindet, einen ausreichend hohen Wider­ stand bereitstellt, um einen durch den Strombegrenzer flie­ ßenden Strom nahezu ausschließlich über den Supraleiter zu führen. Überschreitet der durch den Supraleiter geführte Strom, beispielsweise im Kurzschlussfall, den kritischen Strom des Supraleiters, quencht der Supraleiter und wird in den normalleitenden Zustand überführt, so dass aufgrund der nun in dem Supraleiter erzeugten Jouleschen Wärme die Temperatur über die Sprungtemperatur des Supraleitermaterials ansteigt. Der Strom fließt nun nahezu ausschließlich über die parallel geschaltete Spule, in der ein dem Stromfluss entsprechendes Magnetfeld erzeugt wird. Der Supraleiter ist aus einem oxidischen Hochtemperatursupraleiter hergestellt, dessen Quenchverhalten neben anderen Einflussgrößen auch von einem äußeren Magnetfeld abhängig ist. Das äußere Magnetfeld wird daher zur Unterstützung oder Herbeiführung eines Quen­ chen des Supraleiters eingesetzt. Durch die Parallelschaltung wird das Magnetfeld erst beim ersten Einsetzen des Quenchens des Supraleiters erzeugt. Es beeinflusst den Supraleiter da­ hin, vollständig in den supraleitenden Zustand überführt zu werden, und ermöglicht ein schärferes auf eine bestimmte Stromdichte abgestimmtes gleichmäßiges Begrenzungsverhalten.

Der vorbekannten Strombegrenzungseinrichtung haftet der Nach­ teil an, dass das erzeugte magnetische Feld parallel zur Stromführungsrichtung im Supraleiter ausgerichtet ist. Durch die parallele Ausrichtung ist die Beeinflussung des Supralei­ ters durch das Magnetfeld jedoch verringert, sodass es trotz der Anordnung des Supraleiters in der Spule ein gleichmäßiges Quenchen des gesamten Supraleiters und somit ein homogenes Begrenzungsverhalten erschwert ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Strombegren­ zungseinrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, die ein gleichmäßiges oder homogenes Quenchverhalten des Sup­ raleiters ermöglicht.

Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass der Supralei­ ter wenigstens eine auf einem Trägersubstrat angeordnete Sup­ raleitschicht und der Kommutierungsleiter wenigstens eine Leiterbahnen aufweisende Kommutierungsschicht ist und dass der Spulenabschnitt durch Windungsabschnitte der Leiterbahnen ausgebildet ist, die einseitig oder beidseitig der Supraleit­ schicht angeordnet sind.

Die erfindungsgemäße Strombegrenzungseinheit ist schichtweise aufgebaut. Dabei wird das zur Triggerung des Supraleiters eingesetzte magnetische Feld durch Windungsabschnitte er­ zeugt, die von Leiterbahnen einer Kommutierungsschicht ausge­ bildet sind. Die Windungsabschnitte sind schleifen- oder bo­ genförmig, beispielsweise kreisförmig, elliptisch oder spi­ ralförmig, ausgebildet, wobei ein durch die Windungsabschnit­ te geführter Strom bezüglich eines zentralen Punktes im In­ nern des Windungsabschnittes einen Winkel überstreicht, der größer ist als 180 Grad. Auf Grund der gewählten Leitergeo­ metrie kommt es im Innern der Windungsabschnitte im Vergleich zu über weite Strecken gerade verlaufenden Leiterstrukturen zu einer beträchtlichen Verstärkung des Magnetfeldes. Bedingt durch den Aufbau in Schichten sind die Windungsabschnitte o­ berhalb und/oder unterhalb der Supraleitschicht angeordnet und erstrecken sich vollständig in der Kommutierungsschicht. Dabei erzeugen die Windungen der Leiterbahnen ein rechtwink­ lig oder jedenfalls spitzwinklig bezüglich der Kommutie­ rungsschicht und somit auch bezüglich der Supraleitschicht ausgerichtetes magnetisches Feld. Erfindungsgemäß ist daher ein parallel zur Stromführungsrichtung ausgerichtetes Magnet­ feld zur Triggerung der Supraleitschicht vermieden. Die Sup­ raleitschicht wird daher mit Beginn des Quenchens des Supra­ leiters und damit mit Beginn eines elektrischen Stromflusses über die Kommutierungsschicht einem das Quenchen besonders fördernden Magnetfeld ausgesetzt, das beispielsweise quer zur Stromleitungsrichtung der Supraleitschicht ausgerichtet ist. Auf diese Weise wird ein gegenüber dem Stand der Technik ver­ bessertes Begrenzungsverhalten erzeugt.

Das homogene Verhalten vermeidet die Beschädigung des Supra­ leiters an sogenannten Hot-Spots, also örtlich begrenzten Stellen, an denen der ansonsten supraleitenden Supraleiter in den normal leitenden Zustand überführt wird, sodass punkför­ mige Wärmequellen mit einer hohen Energiedichte entstehen, die eine irreversible Zerstörung des Supraleitermaterials be­ wirken können.

Im Rahmen der Erfindung ist es keineswegs notwendig, dass die Kommutierungsschicht und die Supraleitschicht unmittelbar be­ nachbart zueinander angeordnet sind. Vielmehr können einzelne oder mehrere zusätzliche, sich möglicherweise wiederholende Schichten zwischen diesen angeordnet sein. So ist es bei­ spielsweise auch möglich, dass die Strombegrenzereinheit ne­ ben der Windungsabschnitte aufweisenden Kommutierungsschicht eine weitere Kommutierungsschicht ohne Windungsabschnitte aufweist. Als zusätzliche Schichten kommen ferner Isolier­ schichten aus einer geeigneten Keramik in Betracht, die als Wärmesenke dienen.

Die Kommutierungsschicht besteht vorteilhafterweise aus Kup­ fer, Silber, Gold oder einer elektrisch leitenden Legierung, welche durch beliebige Verfahren wie beispielsweise Galvani­ sieren, Aufdampfen oder dergleichen aufgebracht wird. Als Hochtemperaturleiter ist vorteilhafterweise ein metalloxidi­ scher Hochtemperatursupraleiter einsetzbar, der bereits durch flüssigen Stickstoff im supraleitenden Zustand gehalten wer­ den kann. Die Supraleitschicht ist beispielsweise flächig ausgebildet. Abweichend hierzu kann sie sich jedoch in Form von Leiterbahnen auf dem Trägersubstrat erstrecken, sodass der Strom auf vorgegebenen Stromwegen geführt ist. So sind die Leiterbahnen beispielsweise mäanderförmig ausgebildet. Eine Schicht, die auf eine Leiterbahnen ausbildende Supra­ leitschicht aufgebrachte ist, hat dann zwangsläufig eine ge­ wellte nicht ebene Struktur.

Bei einer zweckmäßigen Weiterentwicklung der Erfindung sind die Windungsabschnitte in Reihenschaltung und in Parallel­ schaltung zueinander angeordnet. Auf diese Weise kommt es zu einer netzartigen Verteilung der Windungsabschnitte. Das durch die Windungen erzeugte Magnetfeld verteilt sich gleich­ mäßig über die Supraleitschicht hinweg, sodass weite Berei­ che des Supraleiters gleichzeitig zum Quenchen gebracht wer­ den können. Durch die Parallelschaltung wird ferner die Stromtragfähigkeit der Kommutierungsschicht erhöht.

Vorteilhafterweise ist zwischen der Supraleitschicht und der Kommutierungsschicht eine Diffusionsbarrierenschicht ausge­ bildet. Die Diffusionsbarrierenschicht ist aus einem isolie­ renden Material, beispielsweise einer oxidischen Keramik wie Ceroxid gefertigt und verhindert eine insbesondere wärmebe­ dingte Diffusion von Materialteilchen, aus der Kommutie­ rungsschicht in die Supraleitschicht hinein.

Vorteilhafterweise bilden die Windungsabschnitte Teilkreisbö­ gen aus. Das sich infolge dieser geometrischen Ausgestaltung des Windungsabschnitts ergebende magnetische Feld ist hin­ sichtlich seiner Stärke und Homogenität besonders vorteilhaft zur Herbeiführung eines gleichmäßigen Quenchens der Supra­ leitschicht.

Vorteilhafterweise ist das Trägersubstrat plattenförmig aus­ gestaltet, wobei zwei Kommutierungsschichten beidseitig des Trägersubstrats angeordnet und mittels ei­ ner Durchkontaktierung elektrisch miteinander verbunden sind. Die beidseitige Anordnung der Windungsabschnitte verstärkt das die Supraleitschicht durchsetzende magnetische Feld. Hierbei ist darauf zu achten, dass der Stromfluss durch die auf beiden Seiten des Trägersubstrats angeordneten Windungs­ abschnitte gleichsinnig ist, da sich ansonsten die Magnetfel­ der hinsichtlich ihrer Wirkung neutralisieren.

Alternativ dazu kann das Trägersubstrat ein flexibles Träger­ band sein.

Gemäß einer diesbezüglich zweckmäßigen Weiterentwicklung weist die Durchkontaktierung die Strombegrenzungseinheit au­ ßen begrenzende Flächenabschnitte auf. Die Flächenabschnitte weisen eine gegenüber der restlichen Durchkontaktierung ver­ größerte Wärmeaustauschfläche auf, die beispielsweise an ein die Strombegrenzungseinheit außen begrenzendes flüssiges Kühlmedium angrenzt, so dass die Kühlung der Durchkontaktie­ rung verbessert ist.

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfin­ dung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung von Aus­ führungsbeispielen der Erfindung unter Bezug auf die Figuren der Zeichnungen, wobei sich entsprechende Bauteile mit glei­ chen Bezugszeichen versehen sind und

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Strombegrenzungseinheit in einer perspektivischen Ansicht und

Fig. 2 eine Strombegrenzungseinheit gemäß Fig. 1 in einer Querschnittsansicht zeigen.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Strombegrenzereinheit 1, die aus einem isolierenden Material, wie beispielsweise aus einer geeigneten Keramik hergestelltes Trägersubstrat 2 aufweist. Auf dem Trägersubstrat 2 ist ein Verbundleiter 3 angeordnet, der eine Supraleitschicht 4 sowie eine Kommutierungsschicht 5 aufweist, die oberhalb der Supra­ leitschicht 4 vorgesehen ist. Die Supraleitschicht 4 und die Kommutierungsschicht 5 sind elektrisch mit einer Kontaktie­ rungsschicht 6 verbunden, auf der ein Stromleiter, wie bei­ spielsweise ein Stromband, durch übliche Fügeverfahren be­ festigbar ist.

Die Kommutierungsschicht 5 ist nicht flächig, sondern in Form von Leiterbahnen 7 ausgebildet, die Windungsabschnitte 8 aus­ bilden, in denen ein zu begrenzender Strom auf einer gekrümm­ ten Bahn geführt wird. Durch die in einer Ebene angeordneten Windungsabschnitte 8 wird daher ein rechtwinklig zu der Win­ dungsabschnittsebene ausgerichtetes Magnetfeld erzeugt, das die parallele Supraleitschicht 4 rechtwinklig durchsetzt.

Wie in Fig. 1 deutlich gezeigt ist, sind die Windungsab­ schnitte 8 sowohl parallel als auch in Reihe zueinander ge­ schaltet.

Zur Verstärkung des Magnetfeldes ist an der von der Supra­ leitschicht 4 abgewandten Seite des Trägersubstrats 2 eine weitere Kommutierungsschicht 5 mit Windungsabschnitte 8 aus­ bildenden Leiterbahnen 7 vorhanden. Dabei sind die beiden Kommutierungsschichten 5 durch eine in Fig. 1 nur schema­ tisch dargestellte Durchkontaktierung 9 verbunden, die sich sowohl durch die Supraleitschicht 4 als auch durch das Trä­ gersubstrat 2 hindurch erstreckt. In dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel sind die Windungsabschnitte 8 so ausgebildet und miteinander verbunden, dass übereinander liegende Windungsab­ schnitte 8 gleichsinnig von einem zu begrenzenden Strom durchflossen werden. Auf diese Weise weisen die von überein­ ander angeordneten Windungsabschnitten 8 erzeugten Magnetfel­ der eine gleiche Ausrichtung auf, so dass es zu einer Ver­ stärkung des die Supraleitschicht 4 durchsetzenden Magnetfel­ des kommt.

Fig. 2 zeigt die Strombegrenzungseinheit 1 in einer quer ge­ schnittenen Ansicht. In dieser Ansicht ist insbesondere der Schichtaufbau der Strombegrenzungseinheit 1 verdeutlicht. Weiterhin ist erkennbar, dass zwischen der oberen Kommutie­ rungsschicht 5 und der Supraleitschicht 4 eine Diffusionsbar­ rierenschicht 10 angeordnet ist, die die Diffusion von Teil­ chen der vorteilhafterweise aus Silber, Gold, Kupfer oder ei­ ner metallischen Legierung hergestellten Kommutierungsschicht 5 in die Supraleitschicht 4 verhindert. Die Diffusionsbarrie­ renschicht 10 besteht in dem gewählten Ausführungsbeispiel aus Ceroxid. Darüber hinaus ist es selbstverständlich auch möglich, weitere Isolierstoffe auch als Kombinationsschichten einzusetzen. Diese weisen dann beispielsweise einen möglichst hohen Wärmeleitkoeffizienten auf, um die im Quenchfall auf­ tretende heftige Erwärmung der Supraleitschicht möglichst schnell an ein die Strombegrenzungseinheit umgebenes flüssi­ ges Kühlmedium abzugeben.

Zur elektrischen Verbindung der oberen Kommutierungsschicht 5 mit der unterhalb des Trägersubstrats 2 angeordneten Kommu­ tierungsschicht 5 sind in der Supraleitschicht 4 Ausnehmungen 11 vorgesehen, in denen die Diffusionsbarrierenschicht 10 di­ rekt auf dem Trägersubstrat 2 angeordnet ist. Die Durchkon­ taktierung 9 ist im Querschnitt hantelförmig ausgebildet und weist zwei einander gegenüberliegende Flächenabschnitte 12 sowie einen sich zwischen diesen Flächenabschnitten 12 erstreckenden Leiterabschnitt 13 auf, der sich durch die Dif­ fusionsbarrierenschicht 10 und das Trägersubstrat 2 hindurch erstreckt. Durch die Flächenabschnitte 12 wird eine vergrö­ ßerte Oberfläche der Durchkontaktierung bereitgestellt, so dass die Kühlung durch ein die Strombegrenzungseinheit 1 be­ grenzendes Kühlmedium verbessert ist.

Es ist keineswegs notwendig, dass beidseitig der Supraleitschicht 4 eine Kommutierungsschicht 5 vorhanden ist. Die Kommutierungsschicht 5 kann beispielswei­ se auch lediglich in einer Ebene über der Supraleitschicht 4 ausgebildet sein, wobei beispielsweise neben kreisförmigen Windungsabschnitten zwei parallel zueinander angeordnete ge­ rade Zuleitungsabschnitte ausgebildet sind, in denen der Strom gegensinnig geführt ist. Da sich die durch diese gera­ den Zuleitungsabschnitte erzeugten Magnetfelder auf Grund der parallelen und gegensinnigen Stromführung weistestgehend neutralisieren, sollten sie im Hinblick auf ein möglichst starkes Magnetfeld im Vergleich zur Dimensionierung der Win­ dungsabschnitte kurz ausgestaltet werden. Weiterhin sind a­ symmetrische spiralförmigen Wicklungen vorstellbar, wobei je­ doch gewährleistet sein muss, dass ein ausreichend starkes Magnetfeld erzeugt wird, um ein möglichst homogenes Verhalten der Supraleitschicht herbeizuführen. Dazu dürfen sich die er­ zeugten Magnetfelder in ihrer Wirkung nicht gegenseitig auf­ heben.

Claims (6)

1. Strombegrenzereinheit (1) zur resistiven Begrenzung eines elektrischen Stromes mit einem Supraleiter (4) in Paral­ lelschaltung zu einem Spulenabschnitt (8) eines Kommutie­ rungsleiters (5), wobei der Spulenabschnitt (8) zur Er­ zeugung eines Magnetfeldes eingerichtet ist, das den Sup­ raleiter (4) durchsetzt, dadurch gekennzeichnet, dass der Supraleiter wenigstens eine auf einem Trägersubstrat (2) angeordnete Supraleitschicht (4) und der Kommutie­ rungsleiter wenigstens eine Leiterbahnen (7) aufweisende Kommutierungsschicht (5) ist und dass der Spulenabschnitt durch Windungsabschnitte (8) der Leiterbahnen (7) ausge­ bildet ist, die einseitig oder beidseitig der Supraleit­ schicht (4) angeordnet sind.

2. Strombegrenzungseinheit (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Windungsabschnitte (8) elektrisch in Reihe und paral­ lel zueinander geschaltet sind.

3. Strombegrenzungseinheit (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Supraleitschicht (4) und der Kommutierungss­ chicht (5) eine Diffusionsbarrierenschicht (10) ausgebil­ det ist.

4. Strombegrenzungseinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Windungsabschnitt (8) einen Teilkreisbogen beschreibt.

5. Strombegrenzungseinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägersubstrat (2) plattenförmig ausgestaltet ist, wo­ bei zwei Kommutierungsschichten (5) beidseitig des Trägersubstrats (2) angeordnet und mittels einer Durchkontaktierung (9) elektrisch miteinander ver­ bunden sind.

6. Strombegrenzungseinheit (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchkontaktierung (9) die Strombegrenzungseinheit (1) außen begrenzende Flächenabschnitte (12) aufweist.