Beschreibung Resistive Strombegrenzungseinrichtung mit mindestens einer von einer isolierenden Schicht abgedeckten Leiterbahn unter Verwendung von Hoch-Tc-supraleitermaterial Die Erfindung bezieht sich auf eine resistive Strombegren- zungseinrichtung mit mindestens einer für einen vorgegebenen Nennstrom ausgelegten Leiterbahn, die metalloxidisches Hoch- Tc-Supraleitermaterial enthält, auf einem Trägerkörper ange- ordnet ist und mit einer Deckschicht aus einem zumindest weitgehend isolierenden Material versehen ist. Eine derartige Strombegrenzungseinrichtung geht aus der DE 195 20 205 Al hervor.

In elektrischen Wechselstromversorgungsnetzen können Kurz- schlüsse und elektrische Überschläge nicht mit Sicherheit vermieden werden. Dabei steigt der Wechselstrom im betroffe- nen Stromkreis sehr schnell, d. h. in der ersten Halbwelle, auf ein Vielfaches seines Nennwertes an, bis er durch geeig- nete Sicherungs-und/oder Schaltmittel unterbrochen wird. Als Folge davon treten in allen betroffenen Netzkomponenten wie Leitungen und Sammelschienen, Schaltern und Transformatoren erhebliche thermische sowie mechanische Belastungen durch Stromkräfte auf. Da diese kurzzeitigen Lasten mit dem Quadrat des Stromes zunehmen, kann eine sichere Begrenzung des Kurz- schlußstromes auf einen niedrigeren Spitzenwert die Anforde- rungen an die Belastungsfähigkeit dieser Netzkomponenten er- heblich reduzieren. Dadurch lassen sich Kostenvorteile erzie- len, etwa beim Aufbau neuer als auch beim Ausbau bestehender Netze, indem durch einen Einbau von Strombegrenzungseinrich- tungen ein Austausch von Netzkomponenten gegen höher belast- bare Ausführungsformen vermieden werden kann.

Mit supraleitenden Strombegrenzungseinrichtungen vom resisti- ven Typ kann in an sich bekannter Weise der Stromanstieg nach einem Kurzschluß auf einen Wert von wenigen Vielfachen des

Nennstromes begrenzt werden ; darüber hinaus ist eine solche Begrenzungseinrichtung kurze Zeit nach Abschaltung wieder be- triebsbereit. Sie wirkt also wie eine schnelle, selbstheilen- de Sicherung. Dabei gewährleistet sie eine hohe Betriebssi- cherheit, da sie passiv wirkt, d. h. autonom ohne vorherige Detektion des Kurzschlusses und ohne aktive Auslösung durch ein Schaltsignal arbeitet.

Resistive supraleitende Strombegrenzungseinrichtungen der eingangs genannten Art bilden eine seriell in einen Strom- kreis einzufügende supraleitende Schaltstrecke. Dabei wird der Übergang mindestens einer supraleitenden Leiterbahn vom praktisch widerstandslosen kalten Betriebszustand unterhalb der Sprungtemperatur Tc des Supraleitermaterials in den nor- malleitenden Zustand über Tc (sogenannter"Quench") hinaus ausgenutzt, wobei der nun vorhandene elektrische Widerstand Rn der Leiterbahn den Strom auf eine akzeptable Höhe I = U/Rn begrenzt. Die Erwärmung über die Sprungtemperatur Tc ge- schieht durch Joule'sche Wärme in dem Supraleiter der Leiter- bahn selbst, wenn nach Kurzschluß die Stromdichte j über den kritischen Wert je des Supraleitermaterials ansteigt, wobei das Material auch unterhalb der Sprungtemperatur Tc bereits einen endlichen elektrischen Widerstand annimmt. Im begren- zenden Zustand oberhalb der Sprungtemperatur Tc fließt in dem Stromkreis ein vorteilhaft verminderter Reststrom so lang weiter, bis der Stromkreis z. B. mittels eines zusätzlichen mechanischen Trennschalters völlig unterbrochen wird.

Supraleitende Strombegrenzungseinrichtungen mit bekannten me- talloxidischen Hoch-Tc-Supraleitermaterialien (Abkürzung : HTS-Materialien), deren Sprungtemperatur Tc so hoch liegt, daß sie mit flüssigem Stickstoff (LN2) von 77 K im supralei- tenden Betriebszustand zu halten sind, zeigen eine schnelle Zunahme des elektrischen Widerstandes beim Überschreiten der kritischen Stromdichte ic-Die Erwärmung in den normalleiten- den Zustand und somit die Strombegrenzung geschieht dabei in hinreichend kurzer Zeit, so daß der Spitzenwert eines Kurz-

schlußstromes auf einen Bruchteil des unbegrenzten Stromes, etwa auf den 3-bis 10-fachen Wert des Nennstromes begrenzt werden kann. Der supraleitende Strompfad sollte dabei in wär- meleitendem Kontakt mit einem Kühlmittel stehen, das ihn in verhältnismäßig kurzer Zeit nach einer Uberschreitung der kritischen Stromdichte je in den supraleitenden Betriebszu- stand wieder zurückzuführen vermag.

Mit der aus der eingangs genannten DE-A-Schrift zu entnehmen- den Strombegrenzungseinrichtung sind entsprechende Anforde- rungen weitgehend zu erfüllen. Die bekannte Strombegrenzungs- einrichtung weist einen Trägerkörper aus einem elektrisch isolierenden Material wie z. B. aus Y-stabilisiertem ZrO2 oder aus Glas auf, auf dem unmittelbar oder über eine Zwischen- schicht ein metalloxidisches HTS-Material in Form einer zu- mindestens einer Leiterbahn strukturierten Schicht aufge- bracht ist. Die Leiterbahn kann dabei insbesondere als Mäan- der gestaltet sein (vgl. EP 0 523 374 A1). An ihren Enden ist die Leiterbahn mit weiteren Leitern zur Einspeisung bzw. Ab- nahme des zu begrenzenden Stromes kontaktierbar. Darüber hin- aus kann bei der bekannten Strombegrenzungseinrichtung zum Schutz ihres HTS-Materials gegen Umwelteinflüsse wie Feuch- tigkeit zumindest das Supraleitermaterial noch mit einer iso- lierenden Schicht abgedeckt sein.

Es sind auch Ausführungsformen von Strombegrenzungseinrich- tungen unter Verwendung von HTS-Material bekannt, bei denen die Leiterbahnen mit normalleitendem Material abgedeckt sind, die als sogenannter Shunt-Widerstand dienen (vgl.

EP 0 345 767 A1).

Bei derartigen Strombegrenzungseinrichtungen besteht ein technisches Problem in der Abfuhr der während eines Schalt- prozesses lokal in den Supraleiter-und/oder Metallschichten deponierten thermischen Energie : Als Hauptwärmespeicher wäh- rend der Schaltphase dient hierbei der die Leiterbahn tragen- de Trägerkörper, während der Wärmeübergang vom Material der

Leiterbahn zu einem Reservoir des Kühlmittel wie insbesondere LN2 gering ist und sich zudem durch Bildung eines Gasfilms an der Oberfläche weiter verschlechtert. Es zeigt sich auch, daß sich zwischen noch supraleitenden und bereits geschalteten und damit sich von der Kühlmitteltemperatur auf höhere Tempe- raturniveaus aufheizenden Leiterbahnbereichen in der ersten Schaltphase vor dem merklichen Einsetzen einer Wärmediffusion Temperaturgradienten von mehr als 100 K/mm ausbilden. Dabei stellen letztendlich die lokal vom Schichtsystem der Leiter- bahnen tolerierbaren Temperaturgradienten die materialspezi- fische Grenze für eine maximal zu schaltende elektrische Lei- stung dar.

Darüber hinaus weist flüssiger Stickstoff (LN2) bzw. der sich durch die Erhitzung bildende Stickstoffgasfilm zusätzlich ei- ne im Vergleich zu einem Festkörper deutlich geringere Span- nungsfestigkeit auf, die mit zunehmender Schaltleistung bei zugleich möglichst optimaler Flächennutzung durch Minimierung der Zwischenräume zwischen einzelnen Leiterbahnteilen wie z. B. bei einer Mäanderform von besonderer Bedeutung ist.

Aufgrund der vorstehend skizzierten kühltechnischen Probleme sah man sich deshalb bisher gezwungen, die Schaltleistung solcher Strombegrenzungseinrichtungen auf einem verhältnismä- ßig niedrigen Wert begrenzt zu halten.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die Strom- begrenzungseinrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen dahingehend auszugestalten, daß sie für vergleichsweise höhe- re Schaltleistungen eingesetzt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Material der Deckschicht ein Kunststoff mit mindestens einem die Wärmeleitfähigkeit erhöhenden Füllstoff ist und zumindest der der Oberfläche der mindestens einen Leiterbahn zugeordne- te Teil der Deckschicht eine Dicke hat, die größer ist als die Dicke der Leiterbahn.

Die mit dieser Ausgestaltung der Strombegrenzungseinrichtung verbundenen Vorteile sind insbesondere darin zu sehen, daß das Ausmaß von Temperaturgradienten in der Leiterbahn redu- ziert wird und so eine räumliche Homogenisierung des Phasen- übergangs bewirkt wird. Darüber hinaus wird mit der auf der Vorder-und gegebenenfalls auf der Rückseite des Aufbaus der Strombegrenzungseinrichtung befindlichen Deckschicht der Auf- bau insgesamt mechanisch stabilisiert. Durch geeignete Wahl der Kunststoff-und Füllstoffmaterialien läßt sich ferner ei- ne hinreichend hohe Spannungsfestigkeit gewährleisten.

Eine derartige einen isolierenden Festkörper darstellende Deckschicht fungiert nämlich während des Schaltvorganges als zusätzlicher Wärmepuffer für die in der Leiterbahn deponierte thermische Energie. Gefüllte Kunststoffmaterialien weisen zu- dem gegenüber einem flüssigen und vor allen Dingen gasförmi- gen, turbulent strömenden Kühlmittel wie LNZ deutlich bessere Wärmeleit-, Wärmespeicher-und Wärmeübergangskoeffizienten auf und verfügen zudem über die erwähnte hohe mechanische Stabilität. Als Folge der verbesserten Wärmeabfuhr aus der Leiterbahn in den aufgebrachten Puffer aus dem Deckschichtma- terial werden lokale Bereiche der Leiterbahnen während der ersten Millisekunde des Schaltvorganges weniger stark er- wärmt ; d. h. die Temperaturgradienten werden entsprechend re- duziert. Somit fällt der lokale Widerstandsbeitrag geringer aus und der stärkere Stromanstieg wird dazu genutzt, Bahnbe- reiche mit höherem je zeitlich früher und bei geringeren an- liegenden Nominalspannungen in den resistiven Zustand zu schalten. Im Resultat wird der zur Strombegrenzung nötige Wi- derstand vermehrt durch die Zunahme von schaltender Fläche den durch Materialerhitzung erzeugt und somit das Schichtsy- stem thermisch sowie mechanisch weniger belastet.

Als Deckschichtmaterial werden vorteilhaft bei Raumtemperatur oder bei erhöhter Temperatur aushärtbare, mit dem Füllstoff versehene Isoliermaterialien gewählt, die insbesondere Kunst-

harze auf Epoxidharzbasis sind. Solche Materialien sind ver- hältnismäßig leicht und porenfrei auf der Oberfläche der Lei- terbahn bzw. des Aufbaus aus Leiterbahn und Trägerkörper auf- zubringen und dort auszuhärten.

Vorteilhaft wird der Anteil an Füllstoffmaterial in dem Kunststoffmaterial zwischen 5 und 60 Vol.-% gewählt, falls elektrisch leitendes Füllmaterial vorgesehen ist. Im Fall einer Verwendung von elektrisch nicht-leitendem Füllmaterial kann der Anteil bis 80 Vol.-% betragen. Damit sind nicht nur eine hinreichend mechanische Stabilität des Aufbaus aus Deck- schicht und darunterliegender Leiterbahn sondern auch eine besonders gute Wärmeabfuhr zu gewährleisten.

Vorteilhaft werden als Füllstoffmaterialien mindestens ein Material aus der Gruppe Cu, Ag, Al, deren Legierungen, Me- talloxide, insbesondere A1203 oder Y203 oder CuO vorgesehen.

Mit diesen Materialien ist eine besonders gute Wärmeabfuhr an das kryogene Kühlmittel zu erreichen. Unter dem Gesichtspunkt einer hinreichenden Spannungsfertigkeit sind dabei Füllstoff- materialien aus elektrisch nicht-leitendem Material besonders geeignet.

Im allgemeinen sollte die mittlere Dicke der Deckschicht zwi- schen 10 um und 1 mm liegen. Damit ist zum einen eine hinrei- chende Kühlung der supraleitenden Leiterbahn möglich ; zum an- deren wird dem Gesichtspunkt der mechanischen Stabilität hin- reichend Rechnung getragen.

Die Materialauswahl für die Deckschicht und insbesondere fur die Füllstoffe wird vorteilhaft so gewählt, daß eine Span- nungsfestigkeit der Deckschicht bei Betriebstemperatur des Supraleitermaterials von mindestens 15 kV/mm, vorzugsweise mindestens 20 kV/mm eingehalten wird. Mit an sich gängigen Füllstoffmaterialien und Kunststoffmaterialien sind derartige Werte der Spannungsfestigkeit ohne weiteres zu erreichen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Strombegrenzungseinrichtung gehen aus den übrigen abhängigen Ansprüchen hervor.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend auf die Zeichnung Bezug genommen. Dabei zeigen jeweils schema- tisch deren Figur 1 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Strombegrenzungseinrichtung sowie deren Figur 2 einen Ausschnitt aus einer weiteren Ausfüh- rungsform einer solchen Strombegrenzungsein- richtung.

Bei der konkreten Gestaltung der Strombegrenzungseinrichtung nach der Erfindung wird von an sich bekannten Ausführungsfor- men ausgegangen (vgl. DE 195 20 205 A1 oder EP 0 523 374 AI).

Die Strombegrenzungseinrichtung umfaßt deshalb mindestens ei- nen auch als Substrat zu bezeichnenden Trägerkörper, gegebe- nenfalls wenigstens eine darauf abgeschiedene, auch als Puf- fer-oder Haftschicht anzusehende Zwischenschicht sowie min- destens eine auf dieser Zwischenschicht aufgebrachte Schicht aus einem HTS-Material. Für den Trägerkörper wird eine Platte oder ein Band oder eine sonstige Struktur aus einem metalli- schen oder elektrisch isolierenden Material mit einer an sich beliebigen Dicke und den für den jeweiligen Anwendungsfall geforderten Abmessungen verwendet. Als metallische Mate- rialien kommen hierfür alle als Träger für HTS-Materialien bekannten elementaren Metalle oder Legierungen dieser Metalle in Frage. Beispielsweise sind Cu, A1 oder Ag oder deren Le- gierungen mit einem der Elemente als Hauptkomponente oder Stähle wie spezielle NiMo-Legierungen (z. B."Hastelloy") ge- eignet. Solche Träger müssen im allgemeinen gegenüber dem HTS-Material mit einer Isolationsschicht überzogen sein. Als nicht-metallisches, elektrisch isolierendes Material für den Trägerkörper kommen Keramiken wie mit Y-stabilisiertes ZrO2 (Abkürzung : "YSZ"), MgO, SrTiO3 oder insbesondere Glasmate-

rialien in Frage. Die Zwischenschicht kann insbesondere zur Förderung eines texturierten Wachstums des HTS-Materials aus- gewählt sein. Deshalb sind beispielsweise als Zwischen- schichtmaterial YSZ, Ce02, YSZ + CeO2 (als Doppelschicht), Pur6011, MgO, Y + SN-dotiertes In203 (als Doppelschicht), SrTi03 oder Lal-, Ca, Mn03 geeignet.

Als HTS-Materialien kommen alle bekannten metalloxidischen Hoch-Tc-Supraleitermaterialien in Frage, die insbesondere ei- ne Kühltechnik mit flüssigem Stickstoff (LN2) erlauben. Ent- sprechende Materialien sind beispielsweise YBa2Cu307x bzw.

RBa2Cu30-7-x (mit R = Seltenes Erdmetall), HgBa2CaCu206+x, HgBa2Ca2Cu30e+x BiSr2CaCu208+x oder (Bi, Pb) 2Sr2Ca2Cu301o+x. Diese Materialien stellen nur Grundtypen dar ; einzelne ihrer Kompo- nenten können deshalb in an sich bekannter Weise durch geeig- nete andere Komponenten wenigstens teilweise ersetzt sein.

Die aus diesem Material gebildete HTS-Schicht ist zu der min- destens einen Leiterbahn strukturiert. Die Schicht bzw. die Struktur aus dem HTS-Material kann außerdem mit wenigstens einer als Shuntwiderstand dienenden, elektrisch leitenden Schicht aus Metall versehen sein. Geeignete Shuntwiderstands- materialien sind solche, die mit dem HTS-Material keine uner- wünschten Reaktionen eingehen. Beispiele hierfür sind Ag und Au sowie deren Legierungen mit weiteren Legierungspartnern.

Darüber hinaus soll die Leiterbahn, die gegebenenfalls eine derartige metallische Shuntwiderstandsschicht besitzt, mit mindestens einer besonderen, zumindest weitgehend elektrisch isolierenden Deckschicht aus einem Kunststoffmaterial und mit hinreichender Dicke abgedeckt sein. Die Dicke der Deckschicht sollte dabei größer, vorzugsweise mindestens 3mal so groß sein wie die Leiterbahn in dem entsprechenden Oberflächenbe- reich. Diese Abdeckung braucht nicht nur im Bereich der Lei- terbahn vorhanden zu sein. Vielmehr kann sie sich auch auf die gesamte Oberfläche des Aufbaus der Strombegrenzungsein- richtung ein-oder beidseitig erstrecken.

Einen entsprechenden Aufbau einer Strombegrenzungseinrichtung oder eines Teils von derselben zeigt Figur 1. Diese allgemein mit 2 bezeichnete Strombegrenzungseinrichtung enthält deshalb einen Trägerkörper 3 der Dicke dl, eine gegebenenfalls darauf angeordnete, in der Figur nicht ausgeführte dünne Zwischen- schicht bzw. Pufferschicht sowie mindestens eine darauf auf- gebrachte, aus einer HTS-Schicht der Dicke d2 gebildete Lei- terbahn 4. An ihren Enden ist diese Leiterbahn mit nicht dargestellten Kontaktflächen versehen, an denen weitere Lei- ter zum Einspeisen bzw. Abführen eines zu begrenzenden Stro- mes anzuschließen sind. Eine zumindest im Bereich der Leiter- bahn auf dieser abgeschiedene isolierende Deckschicht ist mit 5 bezeichnet und hat eine Dicke d3 (im Bereich der Leiter- bahn). Diese Deckschicht kann, wie in der Figur dargestellt, auch den gesamten Aufbau abdecken. Wie ferner aus der Figur hervorgeht, kann auch die rückwärtige Seite des Aufbaus mit einer entsprechenden Deckschicht 5'versehen sein. Eine der- artige Einbettung des Trägerkörpers beeinflußt die Schaltpha- se praktisch nicht ; sie dient in erster Linie einer weiteren mechanischen Stabilisierung. Die Strombegrenzungseinrichtung 2 bzw. ihre mindestens eine Leiterbahn 4 wird von einem Kühl- mittel M wie LN2 auf der kryogenen Betriebstemperatur gehal- ten.

Gemäß der Erfindung soll die Deckschicht 5 (und gegebenen- falls 5') aus einem isolierenden Kunststoffmaterial bestehen, das zudem insbesondere mit mindestens 5 Vol.-% eines Füll- stoffmaterials gefüllt ist. Als isolierendes Kunststoffmate- rial kommen insbesondere bei Raumtemperatur oder bei höheren Temperaturen aushärtbare, auch als Ein-oder Mehrkomponenten- kleber verwendete Kunststoffe wie z. B. Epoxidharze in Frage.

Geeignete Epoxidharze sind z. B. unter dem Handelsnamen"Sty- cast 2850 FT blau/schwarz"der Firma W. R. Grace & Co.-Conn., New York (US) oder"Uhu plus endfest 300"der Firma Uhu GmbH, Bühl (DE) bekannt. Weitere Beispiele geeigneter Kunststoffma- terialien gehen aus der EP 0 488 275 A2 oder der US A hervor. Diese Kunststoffmaterialien sollen

außerdem noch mit mindestens einem die Wärmeleitfähigkeit er- höhenden Füllstoff aus einem elektrisch leitenden oder insbe- sondere elektrisch nicht-leitenden Material gefüllt sein. Aus Gründen einer hohen Spannungsfestigkeit sind elektrisch nicht-leitende Füllstoffmaterialien zu bevorzugen. Deren An- teil liegt dabei im allgemeinen zwischen 5 und 80 Vol.-%. Be- sonders vorteilhaft ist dabei AlsO wegen seiner guten ther- mischen Leitfähigkeit (vgl. z. B. EP 0 386 473 Bl). Bei Ver- wendung von elektrisch leitenden Füllstoffmaterialien liegt deren maximaler Anteil im allgemeinen bei vergleichsweise niedrigeren Werten, insbesondere zwischen 5 und 60 Vol.-%.

Beispiele solcher Füllstoffmaterialien sind Cu, A1 oder Ag sowie deren Legierungen. Neben dem erwähnten elektrisch nicht-leitenden Füllstoffmaterial A1203 z. B. in Form von Sa- phir kommen insbesondere auch andere Metalloxide wie Y203 oder CuO in Frage. Die Dicke d3 der Deckschicht 5 bzw. 5' soll dabei zumindest im Bereich der Oberfläche der zugeordne- ten Leiterbahn 4 so gewählt sein, daß sie größer, vorzugswei- se mindestens 3mal so groß wie die Dicke dl der darunterlie- genden Leiterbahn ist.

Gemäß einem konkreten Ausführungsbeispiel ist auf einem Trä- gerkörper 3 aus einem Aluminosilikat-Glasmaterial mit einer Dicke dl = 0,4 mm eine HTS-Leiterbahn aus YBa2Cu307x der Dik- ke d2 = 1 um aufgebracht. Dieser Aufbau ist beidseitig mit einer Deckschicht 5 bzw. 5'aus"Uhu plus endfest 300"mit 10% iger Cu-Pulververfüllung und einer Dicke von 10 um verse- hen. Die Spannungsfestigkeit dieser Schicht beträgt etwa 20 kV/mm.

Figur 2 zeigt einen Ausschnitt aus einer weiteren Ausfüh- rungsform einer erfindungsgemäßen Strombegrenzungseinrichtung 12, deren Trägerkörper 3 beidseitig mit HTS-Leiterbahnen 4 bzw. 4'versehen ist. Entsprechende Ausführungsformen sind prinzipiell bekannt (vgl. z. B. WO 96/10269). Der Trägerkörper besteht z. B. wiederum aus einem speziellen Glasmaterial, das beidseitig mit einer dünnen, beispielsweise 0,3 um dicken Pufferschicht 13 bzw. 13'aus YSZ beschichtet ist. Auf diesen Pufferschichten befindet sich jeweils eine Leiterbahn 4 bzw.

4'aus einem HTS-Material wie z. B. Bi2Sr2CaCu208+x. Diese Lei- terbahnen sind jeweils von einer dünnen, beispielsweise 0,5 um dicken Shuntwiderstandsschicht 14 bzw. 14'aus einem normalleitenden Material wie z. B. Au oder Ag abgedeckt. Die- ser Aufbau ist beidseitig mit einer z. B. 10 um dicken Deck- schicht 5 bzw. 5'aus dem besonderen isolierenden Kunststoff- material mit Füllstoffen überzogen.