DE19825564A1 - Strombegrenzungseinrichtung, insbesondere Kurzschlußstrom-Begrenzer, mit Dünnschichtleiter aus Hoch-T¶c¶-Supraleitermaterial - Google Patents
Strombegrenzungseinrichtung, insbesondere Kurzschlußstrom-Begrenzer, mit Dünnschichtleiter aus Hoch-T¶c¶-SupraleitermaterialInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine resistive Strombegren
zungseinrichtung mit mindestens einer für jeweils einen vor
gegebenen elektrischen Nennstrom ausgelegten Leiterbahn, die
bekanntermaßen ein Hoch-Tc-Supraleitermaterial (HTS-Material)
enthält. Zur elektrischen Kontaktierung dieses in Schichtform
vorliegenden HTS-Materials dienen an dafür bestimmten Enden
einer solchen Schicht vorgesehene elektrische Kontaktflächen.
Beschreibungen solcher Strombegrenzungseinrichtungen sind
z. B. der EP-A-0 523 374 und der DE-A-195 20 205 zu entnehmen.
In elektrischen Stromversorgungsnetzen können Kurzschlüsse
und elektrische Überschläge nicht mit Sicherheit vermieden
werden. Tritt ein solches Ereignis ein, steigt die Stärke des
elektrischen Stroms im betroffenen Stromkreis sehr schnell,
bei Wechselstrom bereits in der ersten Halbwelle, auf ein
Vielfaches seines Nennwertes an, bis der Stromfluß durch be
kannte vorgesehene Sicherungs- oder Schaltmittel unterbrochen
werden kann. Als Folge eines solchen rapiden Stromanstiegs
treten in allen davon betroffenen Netzkomponenten, wie Lei
tungen und Sammelschienen, Schaltern und Transformatoren und
dgl. nicht nur große thermische, sondern auch erhebliche,
durch Stromkräfte verursachte mechanische Belastungen auf. Da
solche kurzzeitige Belastungen proportional dem Quadrat des
Stromes zunehmen, können bei Vorhandensein einer sicheren Be
grenzung des Kurzschlußstromes auf einen niedrigeren Maximal
wert die Anforderungen an die einzelnen Netzkomponenten hin
sichtlich deren Spitzen-Belastungsfähigkeit erheblich redu
ziert werden. Dadurch lassen sich Kostenvorteile erzielen,
und zwar sowohl beim Aufbau neuer als auch beim Ausbau beste
hender Versorgungsnetze, nämlich indem man insbesondere, wie
nachfolgend beschrieben, erfindungsgemäße Kurzschlußstrom-Be
grenzer (zusätzlich) in ein solches Netz an vorgegebenen
Stellen desselben einbaut.
Bekanntermaßen kann mit supraleitenden Strombegrenzungsein
richtungen der hier relevanten Art vom resistiven Typ der
Stromanstieg nach Eintritt eines Kurzschlusses auf einen Wert
von wenigen Vielfachen des (maximalen) Nennstromes des be
treffenden Netzes begrenzt werden. Ein weiterer Vorteil sol
cher Einrichtungen ist, daß sie kurze Zeit nach dem Abschal
ten (für sich genommen) wieder betriebsbereit sind. Sie ar
beiten somit wie eine schnell wirksame, jedoch selbstheilende
Sicherung. Sie sind nach jeweiligem Einsatz sofort wieder be
triebsbereit. Eine solche resistive HTS-Strombegrenzungsein
richtung gewährleistet eine sehr hohe Betriebssicherheit, da
sie passiv ist, d. h. autonom ohne vorherige Detektion eines
Kurzschlusses und ohne vorherige aktive Auslösung mittels ei
nes Schaltsignals arbeitet.
Wie auch aus den genannten Druckschriften bekannt, ist die
einschlägige Strombegrenzungseinrichtung eine seriell im
Stromkreis eingefügte/einzufügende supraleitende Schalt
strecke. Der als Schaltvorgang zu wertende Funktionsablauf in
der supraleitenden Leiterbahn ist ein Übergang aus praktisch
elektrisch widerstandslosem kaltem Betriebszustand unterhalb
der sog. Sprungtemperatur Tc des Supraleitermaterials in den
widerstandsbehafteten normal leitenden Zustand, der oberhalb
dieser Temperatur vorliegt. Der Widerstand Rn, der (oberhalb
der Sprungtemperatur) normalleitenden Leiterbahn wird auf ei
ne vorzugebende Größe = U/I ausgelegt, worin U die an diesem
Widerstand Rn im Kurzschlußfall auftretende elektrische Span
nung des Netzes und I der vorzugebende maximale Kurz
schlußstrom im Netz ist (der dann im Regelfall durch sonstige
andere Schutz-Netzkomponenten nach Wirksamwerden der erfin
dungsgemäßen Strombegrenzungseinrichtung abschaltbar ist).
Die bei einem Übergang in Normalleitung der Strombegrenzungs
einrichtung in derselben auftretende Erwärmung auf Temperatu
ren oberhalb der Sprungtemperatur der Supraleiterschicht be
ruht auf Joule'scher Wärme, erzeugt in der supraleitenden
Leiterbahn, nämlich wenn in dieser Leiterbahn die elektrische
Stromdichte den Wert der kritischen Stromdichte jc des be
treffenden HTS-Materials übersteigt. Dabei spielt eine Rolle,
daß das Material auch unterhalb der Sprungtemperatur bei
Überschreiten der kritischen Stromdichte bereits einen wenn
auch geringen elektrischen Widerstand aufweist.
Durch vorgesehene Kühleinwirkung kann das Vorhandensein des
Strombegrenzungseffektes wieder aufgehoben werden, wenn durch
eine üblicherweise vorgesehene sonstige Trenneinrichtung im
Stromkreis jeglicher Stromfluß durch die HTS-Schicht auf Wer
te unterhalb der kritischen Stromdichte (wieder) verringert
worden ist. Solche Maßnahmen und Einrichtungen der Kühlung
sind einschlägig bekannt.
Es sind spezielle Ausführungsformen einer einschlägigen resi
stiven HTS-Strombegrenzungseinrichtung bekannt, die auch hier
für Ausführungsformen nach der Erfindung geeignet sind. Es
sind dies Ausführungsformen betreffend die oben erwähnte Kon
taktierung, die Schichtausbildung des HTS-Materials, die Aus
gestaltung in Mäanderform der Leiterbahn, stapelartige Auf-
/Übereinanderanordnung solcher Leiterbahnen in Serien- und/oder
Parallelschaltung derselben, das zusätzliche Vorse
hen von sog. Hot-Spot-vermeidenden begleitenden Metallschich
ten und dergl.
Es ist oben bereits darauf hingewiesen worden, daß Kurz
schlußströme innerhalb kürzester Zeit außerordentlich hohe
Stromstärken annehmen können, d. h. der zeitliche Gradient des
Stromanstiegs außerordentlich groß sein kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, Maßnahmen
anzugeben, mit deren Hilfe eine solche Ausführung eines ein
schlägigen Kurzschlußstrom-Begrenzers mit HTS-Material zu
realisieren ist, der erfindungsgemäß maximierte/optimale
zeitliche Ansprechempfindlichkeit aufweist, ohne Nachteile
bezüglich der strombegrenzenden Wirkung zu haben (bis son
stige üblicherweise vorgesehene Abschaltmittel wirksam werden
können). Insbesondere soll sich mit der Erfindung die Mög
lichkeit ergeben, einen möglichst kleinen Überstromfaktor k
trotz dennoch gewährleisteter unverminderter Betriebssicher
heit vorgeben zu können.
Diese Aufgabe wird mit der Lehre des Patentanspruchs 1 gelöst
und Weiterbildungen gemäß der Unteransprüche bieten weitere
Vorteile.
In der genannten DE-A-195 20 205 ist die Lehre gegeben, die
Dicke der Schicht aus HTS-Material nicht größer als 200 µm
für HTS-Material mit kritischer Stromdichte jc von mindestens
103A/cm2 zu bemessen. Mit dieser bekannten Maßnahme wurden
gegenüber Ausführungen mit aus HTS-Material-Keramikkörpern
herausgearbeiteten Leiterbahnen relativ kurze Ansprechzeiten
einer solchen Strombegrenzungseinrichtung erreicht. Bekannt
ist es, daß zwischen den Anschlüssen an der Schicht aus
HTS-Material ein stetiger Zusammenhang der Spannung U prop. Ip
mit Werten für p = 8 bis 9 festzustellen ist. Die supralei
tende Strecke wird so ausgelegt, daß im normalen Betrieb mit
Spitzenstrom În ≦ Ic = jc.db die Spannung pro Länge U/l am
Supraleiter den Wert 1 µV/cm nicht überschreitet. Dann sind
die Verluste und Erwärmung vernachlässigbar gering. Im Feh
lerfall wird bei weiterer Gültigkeit dieser Gesetzmäßigkeit
U ∼ IP eine erhebliche Stromüberhöhung Î < Ic nötig, um eine
ausreichend schnelle Erwärmung, d. h. den Verlust der Supra
leitung, zu bewirken. Dies beeinträchtigt die Wirkung als
strombegrenzende Einrichtung. Im Zusammenhang mit der Erfin
dung ist jedoch erkannt worden, daß auch ein viel stärkerer
Spannungsanstieg erreicht werden kann, so daß eine sehr
schnelle Erwärmung schon bei Überstromwerten von etwa k.În
stattfindet. Durch den sich entwickelnden elektrischen Wider
stand ist im Kurzschlußfall ein weiterer Stromanstieg in dem
unerwünschten Bereich von Kurzschlußströmen unterbunden.
Erfindungsgemäß ist, wie im Patentanspruch 1 angegeben, vor
gesehen, für eine optimale Lösung der Aufgabe die Dicke
der/einer jeweiligen Schicht aus HTS-Material des erfindungs
gemäßen Strombegrenzers entsprechend der Gleichung
d = n.Hc1/k.jc, mit Hc1 gleich einem für das HTS-Material und der Anwendungstemperatur typischen unteren Magnet-Feld stärkewert, zu bemessen, um eine schnelle Erwärmung im Kurz schlußfall bei einem Stromwert k.În zu erreichen. Im Bereich normaler Betriebsströme bis Spitzenstromwerte În sind Span nungsabfall und Erwärmung vernachlässigbar klein, wenn die Breite dieser so dicken Schicht mit
b größer/gleich În/jc.d (mit În = Nennstromspitzenwert) gewählt wird. Für eine plane HTS-Schicht (auf einem planen Substrat) ist n = 2. Für eine HTS-Schicht auf einer Zylinder mantelfläche mit dem Durchmesser D ist n = 1 und die Breite b = π.D bei Rundumbeschichtung der Mantelfläche. Durch eine HTS-Schicht mit diesen Bemessungen kann ohne Eintreten eines "Abschaltens" ein Nennstrom mit dem Spitzenwert În zwischen den Stromanschlüssen hindurchgeschickt werden. D.h. daß bei der Erfindung die Schichtdicke durch Art und Stromtragfähig keit des HTS-Materials festgelegt ist und die Mindest-Breite der Schicht sich nach dem Nennstrom bzw. bei mehreren elek trisch parallel geschalteten Schichten sich die Breite der einzelnen Schicht nach dem auf die einzelne Schicht entfal lenden Anteil des Nennstroms richtet. Abweichung von dem für die Schichtdicke d angegeben erfindungsgemäßem Bemessungswert führt zu entsprechender Abweichung vom Optimum des mit der Erfindung erreichbaren, mit dem Stand der Technik verglichen erheblich rascheren bzw. abrupteren Strombegrenzungsvorgan ges. Der Vollständigkeit halber sei darauf hingewiesen, daß diese erfindungsgemäße Bemessungsregel für die wie auch im Stand der Technik übliche Betriebstemperatur bei etwa 77 K für das HTS-Material gilt. Für den üblichen Fall des Wechsel strombetriebs ist der hier maßgebliche Scheitelwert În das √2-fache des effektiven Nennstroms. Ebenso ist die erfin dungsgemäße Bemessung auf einen Überstromfaktor k ausgerich tet, der bei der Erfindung wegen des bei dieser Bemessung ab rupt eintretenden "Abschalteffekts" auf k = 2 bis 3 bemessen werden kann. Das erfindungsgemäße Abschalten erfolgt dann beim k-fachen des Nennstroms În. Es können aber, etwa aus Gründen der Selektivität des Netzschutzsystems, auch größere Werte für k eingestellt/vorgegeben werden. Die erfindungsge mäß zu bemessende Dicke d der Supraleiterschicht verringert sich dann und der anspruchsgemäße Wert für die Breite b wird entsprechend größer.
d = n.Hc1/k.jc, mit Hc1 gleich einem für das HTS-Material und der Anwendungstemperatur typischen unteren Magnet-Feld stärkewert, zu bemessen, um eine schnelle Erwärmung im Kurz schlußfall bei einem Stromwert k.În zu erreichen. Im Bereich normaler Betriebsströme bis Spitzenstromwerte În sind Span nungsabfall und Erwärmung vernachlässigbar klein, wenn die Breite dieser so dicken Schicht mit
b größer/gleich În/jc.d (mit În = Nennstromspitzenwert) gewählt wird. Für eine plane HTS-Schicht (auf einem planen Substrat) ist n = 2. Für eine HTS-Schicht auf einer Zylinder mantelfläche mit dem Durchmesser D ist n = 1 und die Breite b = π.D bei Rundumbeschichtung der Mantelfläche. Durch eine HTS-Schicht mit diesen Bemessungen kann ohne Eintreten eines "Abschaltens" ein Nennstrom mit dem Spitzenwert În zwischen den Stromanschlüssen hindurchgeschickt werden. D.h. daß bei der Erfindung die Schichtdicke durch Art und Stromtragfähig keit des HTS-Materials festgelegt ist und die Mindest-Breite der Schicht sich nach dem Nennstrom bzw. bei mehreren elek trisch parallel geschalteten Schichten sich die Breite der einzelnen Schicht nach dem auf die einzelne Schicht entfal lenden Anteil des Nennstroms richtet. Abweichung von dem für die Schichtdicke d angegeben erfindungsgemäßem Bemessungswert führt zu entsprechender Abweichung vom Optimum des mit der Erfindung erreichbaren, mit dem Stand der Technik verglichen erheblich rascheren bzw. abrupteren Strombegrenzungsvorgan ges. Der Vollständigkeit halber sei darauf hingewiesen, daß diese erfindungsgemäße Bemessungsregel für die wie auch im Stand der Technik übliche Betriebstemperatur bei etwa 77 K für das HTS-Material gilt. Für den üblichen Fall des Wechsel strombetriebs ist der hier maßgebliche Scheitelwert În das √2-fache des effektiven Nennstroms. Ebenso ist die erfin dungsgemäße Bemessung auf einen Überstromfaktor k ausgerich tet, der bei der Erfindung wegen des bei dieser Bemessung ab rupt eintretenden "Abschalteffekts" auf k = 2 bis 3 bemessen werden kann. Das erfindungsgemäße Abschalten erfolgt dann beim k-fachen des Nennstroms În. Es können aber, etwa aus Gründen der Selektivität des Netzschutzsystems, auch größere Werte für k eingestellt/vorgegeben werden. Die erfindungsge mäß zu bemessende Dicke d der Supraleiterschicht verringert sich dann und der anspruchsgemäße Wert für die Breite b wird entsprechend größer.
Die erfindungsgemäße Bemessungsregel ist unabhängig von einer
ggf. vorgesehenen Shunt-Schicht aus Normalleitermaterial, die
zusätzlich zur Vermeidung von Hot-Spots auf der Schicht aus
HTS-Material aufliegend angebracht sein kann.
Die erfindungsgemäße Lehre wurde mit supraleitenden Schichten
aus YBa2Cu3O7 und dergl. ähnlichem HTS-Material mit Erfolg
erprobt, und zwar an den technisch besonders interessanten
einkristallinen Film-Schichten auf einkristallinem Substrat,
wie Saphir, Magnesiumoxid und Strontiumtitanat, und an
Film-Schichten auf biaxial texturierter Bufferschicht auf polykri
stallinem Substrat (sog. IBAD-Verfahren), wie z. B. beschrie
ben in Journ. Appl. Phys. 74 (1993) Seite 1905 bzw. Journ.
Appl. Phys. Lett. 67 (1995) Seite 2397.
Man erhielt für Beispiele mit verschieden großer kritischer
Stromdichte jc Dickenwerte d und dazu Werte für die Größe
Nennstrom In/Breite b, wie sie der Tabelle zu entnehmen sind.
Beispiele für HTS-Schichtdicken für Überstromfaktor k = 3
Beispiele für HTS-Schichtdicken für Überstromfaktor k = 3
Darin sind für die kritische Feldstärke Hc1 für die einkri
stallinen Filme Werte von 50 bis 75 A/cm und für die Filme
des IBAD-Verfahrens solche von 75 bis 150 A/cm berücksich
tigt. Es sind auch Messungen an polykristallinen HTS-Schich
ten, direkt abgeschieden auf polykristallinem Substrat, ge
macht worden, für die sich vergleichsweise zu Schichten des
IBAD-Verfahrens bei auf ein 1/3 bis 1/4 verringertem kriti
schen Feld Hc etwa doppelt so große Schichtdicken d bei mehr
fach geringeren Wert für In/b ergeben haben.
Noch weitere Erläuterungen gehen aus der Beschreibung zu den
Figuren hervor:
Fig. 1 zeigt im Längsschnitt eine Ausführungsform eines
Strombegrenzerelements mit ggf. beidseitiger Be
schichtung eines planen Substrats.
Fig. 1a zeigt eine Ausführungsform mit Außenbeschichtung
der Mantelfläche eines Zylinders.
Fig. 2 zeigt einen Strom-Spannungs-Verlauf im Zeitbereich
des Übergangs aus Supraleitung in Normalleitung.
Das insbesondere als Kurzschlußstrom-Begrenzer zu verwendende
Strombegrenzungselement ist mit 2 bezeichnet. Es weist ein
elektrisch isolierendes Substrat 3 mit allgemein bekannter
Dicke auf, auf dessen mindestens einer Flachseite 3a eine
Schicht 4 aus dem HTS-Material mit der erfindungsgemäßen Dic
ke d aufgebracht ist. Das Substrat kann in entsprechender
Weise auch beidseitig beschichtet sein, wobei die Leiterbah
nen der beiden Seiten spannungsmäßig in Reihe oder strommäßig
parallel geschaltet sein können, wobei im letzteren Fall hin
sichtlich der für Parallelschaltung schon oben erwähnten Auf
teilung des Nennstromes auf dann zwei Leiterbahn-Schichten 4
und 4a (letztere gestrichelt angedeutet) eine entsprechend
verringerte Mindestbreite b ≧ În/jc.d je Schicht in Betracht
kommt.
Im Gegensatz zum Stand der Technik, bei dem für die Dicke der
Schicht 4 ein weiter Bereich bis 200 µm vorgegeben ist, ist
hier die Dicke d in erfindungsgemäßer Weise eng begrenzt be
messen. Vorzugsweise wird der Wert der Dicke d innerhalb t 40
% des sich aus der anspruchsgemäßen Gleichung d=n.Hc/k.jc
ergebenden Wertes bemessen. Mit einer tatsächlichen Schicht
dicke innerhalb eines Toleranzbereiches, lassen sich also
ebenfalls aufgabengemäß noch abrupte Übergänge in den normal
leitenden Zustand erzielen, so daß eine hohe Sicherheit der
strombegrenzenden Wirkung mit Spitzenwerten des begrenzten
Stromwertes k.În, speziell für den Kurzschlußfall, weit
unterhalb der Strombegrenzung liegt, die ohne die erfindungs
gemäße Maßnahme erzielt werden kann. Das heißt, daß die hohe
Sicherheit mit der Erfindung auch bei geringem Überstromfak
tor k = 2 bis 3 erreicht ist. Für eine Schicht 4 aus einkri
stallinem HTS-Film gelten z. B. die Werte der voranstehenden
Tabelle. Entsprechendes ist für Filme des IBAD-Verfahrens der
Fall. Zu dem HTS-Material sind noch die an sich bekannten
Einzelheiten zu erwähnen, nämlich daß es sich um metalloxidi
sche Supraleitermaterialien handelt, deren Sprungtemperatur
Tc so hoch liegt, daß sie mit flüssigem Stickstoff (LN2) auf
ihrer supraleitenden Betriebstemperatur bei etwa 77 K zu hal
ten sind. Technisch von besonderem Interesse sind die genann
ten supraleitenden Schichten, die durch die an sich bekannten
Herstellungsverfahren erzeugt sind. Beschreibungen hierzu
sind auch den genannten Druckschriften zu entnehmen.
Die Schicht 4 kann in vorgebbarer Weise hinsichtlich ihrer
flächenmäßigen Ausdehnung strukturiert sein, z. B. kann sie
für einen U-förmigen, mäanderförmigen oder dergl. Stromver
lauf in der Schicht ausgestaltet sein. Es sind Abstände zwi
schen benachbarten Bahnen, z. B. auch des Mäanders, betreffend
mit Rücksicht auf die Größe b zu berücksichtigen, wie sie im
Stand der Technik z. B. DE-A-195 20 205 (eingangs bereits ge
nannt) zu entnehmen sind. Die gesamte Länge einer solchen
Leiterbahn ist hinsichtlich des Verlaufs des hindurchfließen
den Stromes, wie oben angegeben, so groß gewählt, daß im Fal
le der Strombegrenzungsfunktion beim vorgegebenen Nennstrom
und der gewählten Breite b) die Kurzschlußspannung über die
Stromstrecke in der Schicht abfällt.
Mit 5 ist eine häufig vorgesehene Shunt-Schicht aus z. B. Sil
ber bezeichnet. Ihre Dicke ist wesentlich geringer als das
erfindungsgemäße Maß d bemessen. Mit 7 und 8 sind die oben
erwähnten Stromanschlüsse zur supraleitenden Schicht 4 be
zeichnet. Die Länge l der supraleitenden Leiterbahn der
Schicht 4 ergibt sich aus dem Abstand der Anschlüsse 7 und 8
voneinander.
In der Regel ist die Schicht 4 zu deren Schutz gegen äußere
Einflüsse noch mit einer Isolatorschicht 9 aus z. B. Stronti
umtitanat bedeckt.
Ausführungsformen mit beidseitiger Beschichtung des Substrats
3 und/oder mit Mäanderstruktur der Schicht 4 und dergl. sind
aus dem Stand der Technik prinzipiell bekannt und sind für
die Erfindung jeweils mit der erfindungsgemäßen Dicke d der
Schicht 4 und dem Mindestmaß b der Breite der jeweiligen su
praleitenden Bahn zu bemessen.
Mit 5a, 7a, 8a und 9a sind in Fig. 1 Einzelheiten bezeich
net, die für beidseitige Beschichtung 4, 4a den Einzelheiten
5, 7, 8 und 9 entsprechend vorgesehen sind.
Die Fig. 1a zeigt eine zylindrische Ausführung. Zwischen den
hier ringförmigen Stromanschlüssen 7 und 8 bedeckt die
HTS-Schicht 4, hier mit der Dicke d = Hc/jc.d, die Mantelfläche
131 des (Voll- oder Hohl-) Zylinders 31 rundherum mit der Um
fangslänge b = π.D mit D gleich dem Außendurchmesser. Dieses
Maß D ist das Mindestmaß, damit die Ungleichung für b erfüllt
ist. Bei die Mantelfläche nicht vollständig umschließender
Schicht 4 ist D entsprechend (noch) größer zu bemessen.
Die Fig. 2 zeigt über dem Strom aufgetragen, die Spannung,
die zwischen den Anschlußelektroden 7 und 8 über die Länge l
hinweg an der Schicht 4 abfällt. Der Strom und die Spannung
wurden während des schnellen zeitlichen Stromanstiegs nach
einem ausgelösten Kurzschluß in einem dafür ausgelegten Test
kreis aufgenommen. Der Strom steigt dabei schnell über den
kritischen Strom hinaus an, was für das erfindungsgemäß er
zielte besonders abrupte Abschalten von besonderer Bedeutung
ist. Der Spannungsanstieg ist zunächst mit U proportional Ip
mit p = 5 bis 10, wie für HTS-Material bekannt, steil anstei
gend. Die durchgezogene Kurve und die gestrichelte Kurve wur
den dabei an verschiedenen Spannungsabgriffen der vom selben
Strom durchflossenen Meßprobe aufgenommen. Nur etwa 0,1 ms
nach dem Kurzschluß ergab sich an der Stelle 10 des Anstiegs,
und zwar bei erfindungsgemäß eingehaltener Dicke und Mindest
breite der Schicht mit einem Knick ein plötzlicher rasanter
Spannungsanstieg bis zum Erreichen der Nennspannung. Dieser
Anstieg ist derart abrupt, daß er meßtechnisch eingehender
nicht mehr erfaßbar war, jedoch die Tatsache dieses rasanten
Anstiegs durch das erreichte Endergebnis voll bestätigt ist.
Dieser äußerst schnelle Widerstandsanstieg bewirkt die Be
grenzung des Stromes.
Beispielhafte Bemessung von Ausführungsbeispielen für plane
Ausführung und Rohrausführung:
Spannung (Phase gegen Null) | 15 kV |
Nennstrom | 600 A |
Supraleiter | Film aus YBa2Cu3O7-x auf IBAD-Schicht |
- Sprungtemperatur | 89 Kelvin |
- kritische Stromdichte | 600 kA/cm2 |
- spez. elektr. Widerstand | 125 µOhm.cm bei T = 100 Kelvin |
- Shuntschicht | 0,4 µm Silber oder Gold |
Schaltelement | innen bzw. außen beschichtetes Rohr |
- Leiterbreite | 0,12 m (= 0,04 m Rohr ∅) |
- Schichtdicke | 1.4 mm |
- kritischer Strom | 1000 A |
Länge insgesamt | 35 m (aufgeteilt in praktische Teillängen, z. B. 0,5-1 m, geschaltet in Serie) |
- Widerstand über Tc | 20 Ohm |
- Substrat | Y-stabilisierte ZrO2-Keramik |
Spannungsbegrenzung | Parallelshunt 20 Ohm außerhalb des Begrenzers |
Abschaltverzögerung | Lasttrenner 50 ms |
Abschaltstrom Lasttrenner | 1500 A |
In Supraleiter umgesetzte Energie | 500 kJ |
Verdampfte Stickstoffinenge | 3 Liter |
Wiederabkühlzeit | 3 s |
Claims (8)
1. Resistive Strombegrenzungseinrichtung, insbesondere Kurz
schlußstrom-Begrenzer, mit mindestens einer für einen vorbe
stimmten Nennstrom ausgelegten schichtförmigen Leiterbahn
(4), die ein Hoch-Tc-Supraleitermaterial/HTS-Material ist und
an ihren Enden mit elektrischen Kontaktflächen (7, 8) für
Stromanschluß versehen ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
daß die Schicht (4, 4a) der (jeweiligen) Leiterbahn eine
Schichtdicke (d) hat und die (jeweilige) Leiterbahn eine Min
destbreite (b) aufweist, die sich aus den Gleichungen
d = n.Hc1/k.jc und b größer/gleich În/jc.d ergeben,
wobei Hc1 = die kritische Feldstärke, jc die kritische Strom
dichte des HTS-Materials, k der vorgegebene Überstromfaktor
und În der auf die (jeweilige) Leiterbahn (4; 4a)
(anteilsmäßig) entfallende Nennstromspitzenwert sind,
sowie für plane Schicht (4, 4a) n = 2 ist
und für eine Schicht (4) auf einer Zylinder-Mantelfläche
(131) n = 1 gilt.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Schicht (4) ein planes
Substrat (3) einseitig bedeckt.
3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß ein planes Substrat zweiseitig mit
HTS-Schicht (4, 4a) bedeckt ist, wobei die jeweilige Schichtbrei
te b auf den, auf die jeweilige Schicht (4 bzw. 4a) entfal
lenden Anteil des Stroms Î bezogen als größer/gleich bemes
sen ist.
4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Schicht (4) mit stirnseitig-nahen
Stromanschlüssen (7, 8) die Mantelfläche (131) des Zylinders
(31) rundum bedeckt und der Zylinder-(außen-)durchmesser D
größer/gleich În/π.jc.d bemessen ist.
5. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß bei nur 1/m-anteilig umfangsmäßiger Be
schichtung der Zylinderdurchmesser (D) m-fach groß bemessen
ist.
6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Schichtdickenbemessung (d)
innerhalb ± 40% eingehalten ist.
7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die Schicht(-en) (4, 4a) einkri
stallin auf einkristallinem Substrat (3) sind.
8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die Schicht(-en) (4, 4a) ein
HTS-Material auf biaxial texturierter Schicht auf polykri
stallinem Substrat (= IBAD-Verfahren) ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19825564A DE19825564A1 (de) | 1997-06-12 | 1998-06-08 | Strombegrenzungseinrichtung, insbesondere Kurzschlußstrom-Begrenzer, mit Dünnschichtleiter aus Hoch-T¶c¶-Supraleitermaterial |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19724960 | 1997-06-12 | ||
DE19825564A DE19825564A1 (de) | 1997-06-12 | 1998-06-08 | Strombegrenzungseinrichtung, insbesondere Kurzschlußstrom-Begrenzer, mit Dünnschichtleiter aus Hoch-T¶c¶-Supraleitermaterial |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19825564A1 true DE19825564A1 (de) | 1998-12-17 |
Family
ID=7832338
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19825564A Withdrawn DE19825564A1 (de) | 1997-06-12 | 1998-06-08 | Strombegrenzungseinrichtung, insbesondere Kurzschlußstrom-Begrenzer, mit Dünnschichtleiter aus Hoch-T¶c¶-Supraleitermaterial |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19825564A1 (de) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19909266A1 (de) * | 1999-03-03 | 2000-09-07 | Abb Research Ltd | Dünnschicht-Hochtemperatursupraleiteranordnung |
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EP1622209A1 (de) * | 2004-07-30 | 2006-02-01 | Nexans | Zylindrisch geformtes supraleitendes Bauelement und sein Gebrauch als Strombegrenzer |
EP1810353A2 (de) * | 2004-10-26 | 2007-07-25 | Nove Technologies, Inc. | Fehlerstrom-begrenzungssystem |
-
1998
- 1998-06-08 DE DE19825564A patent/DE19825564A1/de not_active Withdrawn
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EP1810353A4 (de) * | 2004-10-26 | 2009-12-16 | Nove Technologies Inc | Fehlerstrom-begrenzungssystem |
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