Beschreibung Strombegrenzereinrichtung vom resistiven Typ mit supraleiten- der Leiterbahn und Shuntteil Die Erfindung bezieht sich auf eine Strombegrenzereinrichtung vom resistiven Typ mit einem Leiterbahnaufbau zur Führung eines elektrischen Stromes in einer vorbestimmten Richtung, welche Einrichtung einen Trägerkörper enthält, auf dem sich wenigstens eine elektrisch leitende Leiterbahn befindet, die zumindest einen entsprechenden Supraleitungsschichtteil aus einem Supraleitermaterial und einen dem Supraleitungsschicht- teil zugeordneten Shuntteil aus elektrisch normalleitendem Material aufweist. Eine entsprechende Strombegrenzereinrich- tung geht aus der EP 0 345 767 B1 hervor.

Der Aufbau und die Funktionsweise von resistiven supraleiten- den Strombegrenzern in der Energietechnik sind prinzipiell bekannt (vgl. die vorgenannte EP-B-Schrift oder"Elektrie", Bd. 51, Berlin 1997, Heft 11/12, Seiten 414 bis 424). Ein entsprechender Strombegrenzer mit einer Leiterbahn aus Nie- der-oder vorzugsweise Hochtemperatursupraleitermaterial (HTS-Material wie z. B. YBaCu30x, sogenanntes YBCO) als Dünn- oder Dickfilm sowie mit parallel dazu im flächigem Kontakt stehendem metallischen Shuntschichtteil z. B. aus Ag, Au oder Cu wird in Serienschaltung in einen zu schützenden Stromkreis eingefügt und trägt betriebsmäßige Ströme widerstandslos. In einem Fehlerfall, insbesondere bei Kurzschluss, übersteigt der Strom den kritischen Strom Ic des Supraleitermaterials, das dadurch einen endlichen elektrischen Widerstand annimmt (sogenannter"Quench"). Die dabei entstehende Stromwärme er- wärmt das Supraleitermaterial schnell über die Sprungtempera- tur Tc hinaus, wobei der nunmehr hohe normalleitende Wider- stand des Supraleitermaterials den Fehlerstrom auf einen niedrigen Wert begrenzt.

Bei entsprechenden bekannten Strombegrenzereinrichtungen va- riiert der kritische Strom Ic unvermeidlich entlang der sup- raleitenden Leiterbahn. Dies hat zur Folge, dass Stellen bzw.

Bereiche mit geringem Ic zuerst normalleitend werden und des- halb den Fehlerstrom soweit reduzieren, dass Abschnitte mit höherem Ic nicht mehr über die Sprungtemperatur Tc gelangen können, d. h. keinen elektrischen Widerstand entwickeln. Die gesamte Spannung fällt so allein über diskrete normalleitende Stellen ab. Der Widerstand der Strombegrenzereinrichtung ist dann zu klein und der begrenzte Fehlerstrom ist unter Umstän- den so hoch, dass diese diskreten Stellen bis zum vollständi- gen Abschalten über normalerweise vorhandene mechanische Lasttrenner sich unzulässig erwärmen und so beschädigt wer- den. Der bei bekannten Strombegrenzereinrichtungen mit dem Supraleitungsschichtteil in flächigem, leitendem Kontakt ste- hende Shuntschichtteil ist niederohmiger als der normallei- tende 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 be- stimmten Fehlerstrom eine verhältnismäßig große Länge der supraleitenden Schaltstrecke, also einen entsprechend hohen Aufwand an supraleitendem und normalleitendem Leitermaterial für die Strombegrenzereinrichtung. Dabei ist zu berücksichti- gen, dass bei den bekannten Strombegrenzereinrichtungen die Wärmeausbreitung entlang der Schaltstrecke verhältnismäßig träge ist.

Ferner ist aus"IEEE Trans. Appl. Supercond.", Vol. 9,1999, Seiten 1365 bis 1368 eine Strombegrenzereinrichtung zu ent- nehmen, bei der ein als Supraleitungsschichtteil verwendeter Streifen aus einem YBCO-Film auf einem Substrat und ein Gold- oder Nickelfilm als Shuntschichtteil auf einem zweiten Sub- strat über oder nebeneinander angeordnet und alle 10 mm pa- rallel mit Indiumdrähten verbunden sind. Eine solche Strombe- grenzereinrichtung kann mit Strömen bis 100 A und einem hohen

spezifischen Spannungs-/Länge-Quotienten von 9 V/cm sicher betrieben werden. Ohne die Querverbindungen der Indiumdrähte besteht jedoch die Gefahr eines Durchbrennens des YBCO-Films.

Die Herstellung und hohe Anzahl solcher Querverbindungen ist jedoch sehr aufwendig.

Ferner wurde als eine Maßnahme zu einer schnellen Quench- ausbreitung im Verbund Substrat-Supraleiter-Shunt eine zu- sätzliche Schicht aus elektrisch schwach-leitendem Material zwischen einem Supraleiterschichtteil und einem metallischen Shuntschichtteil vorgeschlagen. Damit ist der Bereich des Stromübertritts vom supraleitenden Material in das Shuntmate- rial auf eine einstellbare Länge in der Umgebung der Grenze "supraleitend-normalleitend"zu verbreitern. Die Folge ist, dass dort eine schnelle Erwärmung des noch supraleitenden Ma- terials bewirkt und für eine schnelle Ausbreitung der Normal- leitung auf die gesamte Länge der Leiterbahn gesorgt wird.

Bei allen diesen bekannten Strombegrenzungseinrichtungen wird davon ausgegangen, dass das Shuntmaterial und das Supralei- termaterial thermisch eng gekoppelt werden, so dass der Ver- bund aus Supraleiter-und Shuntmaterial bei einem Quench praktisch dieselbe hohe Temperatur annimmt. Um zu hohe Tempe- raturen der Supraleitungsschicht am Ende eines Begrenzungs- vorganges beim Öffnen eines Lasttrenners nach ca. 50 ms zu vermeiden, muss zum Ausgleich mit wirksamem Shunt die Span- nung pro Länge erniedrigt werden, d. h. die Länge und damit die bereitzustellende Fläche der Schaltstrecke erhöht werden.

Dies führt zu einem entsprechenden Anstieg der Kosten und verursacht einen höheren Platzbedarf. Eine hohe Endtemperatur erhöht auch die Rückkühlzeit der Strombegrenzereinrichtung unter die supraleitende Sprungtemperatur, nach der der Strom- kreis erst wieder geschlossen werden kann.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Strombegren- zungseinrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen dahin- gehend auszugestalten, dass eine derartige Temperaturerhöhung

des Supraleitermaterials mit einfachen Mitteln auf einen ver- gleichsweise geringeren Wert zu begrenzen ist.

Diese Aufgabe wird mit den in Anspruch 1 angegebenen Maßnah- men gelöst. Dementsprechend soll bei der Strombegrenzerein- richtung mit den eingangs genannten Merkmalen ein Shuntteil aus einem der Gestalt der Leiterbahn angepassten, streifen- förmigen metallischen Element vorgesehen sein, das in Strom- führungsrichtung gesehen eine Wellen-oder Zickzackform auf- weist und somit nur in schmalen, quer zur Stromführungsrich- tung verlaufenden Zonen an dem Supraleitungsschichtteil an- liegt.

Mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen wird der Shuntteil elekt- risch an den Supraleitungsschichtteil so angeschlossen, dass einerseits eine hinreichende Schutzfunktion als elektrischer Bypass für Hotspots gewährleistet wird. Andererseits ist nun- mehr abweichend von Stand der Technik der Shuntteil von dem Supraleiter-Substrat-Verbund so gut thermisch entkoppelt, dass eine hohe Shunttemperatur sich praktisch nicht mehr auf den Supraleiter-Substrat-Verbund überträgt und dort zu Schä- den z. B. auf Grund hoher thermomechanischer Spannungen führen kann. Dabei wird davon ausgegangen, dass das Supraleitermate- rial in einem hochohmig gewordenen Bereich eines Supralei- tungsschichtteils, der von einem stets erforderlichen Kühl- mittel umgeben ist, selbst wenig Wärme erzeugt. Dies führt dazu, dass die Endtemperatur und die Abkühlzeit in vorteil- hafter Weise sinken und nur in geringem Umfang von der ver- hältnismäßig hohen Temperatur und dem langsamen Abkühlung des Shuntmaterials beeinträchtigt werden. Die damit verbundenen Vorteile sind in einer Erhöhung der effektiven Spannung pro Länge Un/L und in einer Verringerung der erforderlichen Länge und des Flächenbedarfs einer Strombegrenzereinrichtung für eine gegebene Nennspannung zu sehen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Strombe- grenzereinrichtung gehen aus den abhängigen Ansprüchen her- vor.

So kann insbesondere das wellen-oder zickzackförmige Element zumindest im Bereich der quer verlaufenden Zonen mit Ausspa- rungen versehen sein. Damit wird vorteilhaft zum einen eine Widerstandserhöhung des Shuntelements erreicht. Zum anderen wird die Durchlässigkeit für ein stets erforderliches Kühl- mittel und damit ein guter Zutritt des Kühlmittels zur Ober- fläche des Supraleitungsschichtteils erreicht.

Vorteilhaft kann das Shuntelement im Bereich der quer verlau- fenden Zonen mit elektrisch gut-leitendem Material versehen sein. Auf diese Weise lässt sich im Kontaktbereich zu dem Supraleitungsschichtteil die Wärmeerzeugung im stromtragenden Shuntelement reduzieren.

Besonders vorteilhaft ist die Ausrichtung der Supraleitungs- einrichtung dahingehend, dass eine zumindest annähernd hori- zontale Lage ihrer Leiterbahn gegeben ist. Damit lässt sich in den vorhandenen senkrechten Wellenkanälen des Shuntelemen- tes eine ungehinderte Konvektionsströmung ausbilden.

Im Hinblick auf eine gute thermische Entkopplung des Shunt- elementes von dem Supraleitungsschichtteil sowie auf eine Verbreiterung des Bereichs eines Hotspots wird für das Shunt- element ein Material mit einem spezifischen elektrischen Wi- derstand bei Betriebstemperatur über dem von Kupfer, vorzugs- weise von über 0,3 pn-m in Stromführungsrichtung gewählt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Strombegrenzereinrichtung gehen aus den vorstehend nicht an- gesprochenen Unteransprüchen hervor.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung noch weiter erläutert, die vorteilhafte Ausfüh-

rungsformen erfindungsgemäßer Strombegrenzereinrichtungen of- fenbart. Es zeigen jeweils schematisch deren Figur 1 im Längsschnitt eine Stromleiterbahn einer be- kannten Strombegrenzereinrichtung im Quench- fall, deren Figur 2 als Diagramm die Temperaturverhältnis in dieser Leiterbahn, deren Figur 3 in Schrägansicht eine erfindungsgemäß ausgebil- dete Strombegrenzereinrichtung und deren Figuren 4 bis 8 in Aufsicht jeweils eine Ausführungs- form eines streifenförmigen Elementes, mit dem ein Shuntelement einer Strombegrenzereinrich- tung nach der Erfindung auszubilden ist.

Dabei sind in den Figuren sich entsprechende Teile jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.

Der Figur 1 ist die Stromleiterbahn 2 einer bekannten Strom- begrenzereinrichtung (z. B. gemäß der eingangs genannten EP- B1-Schrift zugrunde gelegt). Die Stromleiterbahn befindet sich auf einem Trägerkörper 3 aus einem elektrisch nicht- leitenden Material. Sie umfasst einen auf dem Trägerkörper 3 abgeschiedenen, zu der Leiterbahn 2 strukturierten Supralei- tungsschichtteil 2a, der von einem Shuntschichtteil 2b abge- deckt ist. Bei dem Supraleitermaterial kann es sich um be- kanntes 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 normalleiten- den Zustand übergegangen ist, wird dort der Strom in den Shuntschichtteil 2b auf Grund seines gegenüber dem normallei- tenden Widerstand des Supraleitungsschichtteils vergleichs- weise niedrigeren Widerstand übergehen.

Figur 2 zeigt in einem Diagramm die entsprechenden Tempera- turverhältnisse bzw. Aufheizung. Dabei sind in Ordinatenrich- tung die Temperatur T in dem Supraleitungsschichtteil und in Abszissenrichtung die Ausdehnung x der Leiterbahn in Strom- führungsrichtung aufgetragen.

Abweichend von der bekannten Ausführungsform einer Strombe- grenzereinrichtung 2 nach dem Stand der Technik ist bei der aus Figur 3 zu entnehmenden Strombegrenzereinrichtung 20 ein besonders ausgebildeter Shuntteil einer Leiterbahn 21 vorge- sehen. Dieser Shuntteil wird durch ein streifenförmiges Shuntelement 22 gebildet, das in Führungsrichtung eines Be- triebsstromes I gesehen, gewellt ist und zumindest weitgehend die seitliche Ausdehnung a des Supraleiterschichtteils 2a hat.

Statt der dargestellten Wellenform kann auch eine Zickzack- form gewählt werden. Von dem Begriff"Wellen-oder Zickzack- form"sollen dabei auch ähnliche Formen (beispielsweise eine Mäanderform) erfasst sein, die insbesondere durch Biegen oder Falten eines dünnen, streifenförmigen Körpers wie z. B. eines Bleches bei einer Streckung in Längsrichtung eine größere Länge als die Leiterbahn haben und nur in diskreten Zonen in Kontakt mit dem Supraleitungsschichtteil 2a stehen.

Das Shuntelement mit einer Wellenhöhe h und einer Wellenlänge w besteht aus Metall, ist elastisch federnd und hat vorteil- haft einen hohen spezifischen elektrischen Widerstand von vorzugsweise > 0,3 pf2. m bei 77 K. Beispielsweise besteht es aus einer FeCr-Ni-oder Cu-Ni-Legierung. Das Shuntelement wird mittels Andruckelementen 23a und 23b, z. B. in Form von sich in Leiterbahnlänge erstreckenden Leisten, definiert auf den Supraleitungsschichtteil 2a gedrückt. Es ergeben sich so quer zur Stromführungsrichtung verlaufende Zonen Zj an den Berührungsstellen mit dem Supraleitungsschichtteil, an denen der Strom im Quenchfall übertreten kann. Durch die Wellenform

werden die elektrische Länge und der Widerstand des Shuntele- mentes erhöht und werden Kanäle geschaffen, die den Supralei- tungsschichtteil und das Shuntelement thermisch weitgehend trennen, aber eine effektive Wärmeabfuhr durch ein für einen Betrieb der Strombegrenzereinrichtung 20 erforderliches Kühl- mittel K wie z. B. flüssigen Stickstoff zulassen. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Längsrichtung der Leiterbahn horizontal verläuft, damit sich in den dann gegebenen vertikalen Wellen- kanälen des Shuntelements eine ungehinderte Konvektion aus- bilden kann.

Wie ferner aus Figur 3 hervorgeht, wird das Shuntelement 22 vorteilhaft zumindest im Bereich der quer verlaufenden Zonen Zj mit Ausschnitten oder Aussparungen 25i versehen, um so den ungehinderten Zugang des Kühlmittels K an die Oberfläche des Supraleitungsschichtteils 2a zu verbessern. Außerdem werden so in den entsprechenden Bogenteilen des Shuntelementes vor- teilhaft einzelne unabhängige Blattfederelemente mit defi- niertem Kontaktdruck ausgebildet. An den Enden der Leiterbahn werden der Supraleitungsschichtteil 2a und das Shuntelement 22 in Anschlussbereichen 26 mit Anschlussleitungen 27 kontak- tiert. Aus der Figur ist nur einer dieser Anschlussbereiche zu entnehmen.

Abweichend von dem für das Ausführungsbeispiel nach Figur 3 angenommenen Ausführungsform einer Strombegrenzereinrichtung 20 kann für deren Shuntelement 22 statt eines Metallstreifens auch eine einseitig mit Metall belegte oder bedampfte Iso- lierfolie verwendet werden. Darüber hinaus können die die Zo- nen Zj bildenden Bogenbereiche zusätzlich noch mit gut lei- tendem Material, z. B. durch Versilbern oder Verkupfern, be- legt werden, um so im Kontaktbereich zu dem Supraleitungs- schichtteil die Wärmeerzeugung im stromtragenden Shuntelement zu reduzieren. Außerdem kann eine weiche Graphitfarbe verwen- det werden, die definierte Ubergangswiderstände gewährleistet und die Schäden an der Oberfläche des Supraleiterschichtteils vermeiden hilft.

Selbstverständlich ist auch eine Kühlung des Substrates mit dem Supraleiterschichtteil von dessen Rückseite her möglich.

Die Figuren 4 bis 8 zeigen verschiedene Ausbildungsmöglich- keiten von Metallstreifen oder metallisierten Folien, mit de- nen gewellte oder zickzackförmige Shuntelemente für erfin- dungsgemäße Strombegrenzereinrichtungen auszubilden sind. So kann gemäß Figur 4 ein streifenförmiges Element 22a mit Längsschlitzen 25i versehen sein, die vorteilhaft in den Be- reich der Übergangszonen Zj zu liegen kommen sollen. Ein sol- ches Element ist für die Ausführungsform nach Figur 3 ange- nommen. Gemäß Figur 5 kann ein streifenförmiges Element 22b auch Querschlitze 29i haben. Solche Querschlitze führen eben- so wie die bei einem aus Figur 6 zu entnehmenden streifenför- migen Element 22c vorhandenen Löcher 30i zu einer vorteilhaf- ten Widerstandserhöhung eines Shuntelementes in Stromfüh- rungsrichtung. Auch sind streifenförmige Gitterelemente 22d gemäß Figur 7 zur Ausbildung von wellen-oder zickzackförmi- gen Shuntelementen geeignet.

Das aus Figur 8 in Aufsicht und in Längsansicht veranschau- lichte streifenförmige Element 22e unterscheidet sich von dem Element 22a nach Figur 4 dadurch, dass es im Bereich der quer verlaufenden Übergangszonen Zj mit Kontaktpunkten oder-leis- ten 31i aus elektrisch schlecht-leitendem Material wie z. B. einer Graphitsuspension in Bindemittel belegt ist. An den Be- rührungsstellen bildet sich dann ein Übergangswiderstand, der bei einem Teilquench vorteilhaft eine Verbreiterung der Stromübergangszone zwischen dem Supraleiter-und dem Shuntma- terial erzeugt. Die Dissipation an den entsprechenden Kon- taktstellen führt zu Normalleitung und bewirkt so eine schnelle Quenchausbreitung entlang der Leiterbahn.

Für den Trägerkörper 3 wird im Allgemeinen ein elektrisch isolierendes Material gewählt sein. Stattdessen ist es aber auch möglich, einen Trägerkörper vorzusehen, der zu einem

Teil aus elektrisch leitendem Material und einem der Leiter- bahn zugewandten Teil aus elektrisch isolierendem Material besteht. Für erfindungsgemäße Strombegrenzereinrichtungen können somit in großem Umfang an sich bekannte Trägerkörper verwendet werden.

Statt der vorteilhaften Verwendung eines der bekannten HTS- Materialien wie YBCO oder Bi2sr2ca2cu3ox (sogenanntes BSCCO) oder (Bi, Pb) 2Sr2Ca2Cu30x (sogenanntes B (P) SCCO) für den Supra- leitungsschichtteil 2a kann für diesen auch eines der bekann- ten metallischen Niedrig-Tc-Supraleitermaterialien (LTS- Materialien) wie z. B. Nb3Sn oder NbTi vorgesehen werden.

Vorteilhaft ist es auch, die erfindungsgemäße Maßnahme einer thermischen Entkopplung des Shuntelementes von dem Supralei- tungsschichtteil mit einer Maßnahme zu verbinden, welche be- wirkt, dass sich in dem Supraleitermaterial eine kurze nor- malleitende Zone, etwa an einer Stelle mit besonders niedri- gem kritischen Strom, schnell in einem Zeitintervall unter 1 ms bis einige Millisekunden über die ganze Länge ausbrei- tet. Dann wird nämlich der Fehlerstrom umgehend auf den be- stimmungsgemäßen Wert begrenzt und die Temperatur nimmt nir- gendwo einen unzulässigen hohen Wert an, d. h., es werden Hotspots vermieden. Eine entsprechende Möglichkeit besteht in der Materialwahl für das Shuntelement.

Ein konkretes Ausführungsbeispiel einer Strombegrenzerein- richtung 20 gemäß Figur 3 kann folgende Spezifikationen auf- weisen : Schaltelement (Platte) nach Fig. 1 auf Zr02-Platte 10 x 10 cm2 als Mäanderbahn mit 0,5 m Länge : - YBCO-Schicht von 0,5 um Dicke, 1 cm Leiterbreite, krit. Strom Ic = 100 A, In = 71 Aeff, - bei 95 K pn = 1 uQ m, Widerstand 100 Q -U/L = 10 V/cm, Nennspannung ist 500 Veff, begrenzter Strom durch Supraleiter Ib, sL = 5 A

# Shuntelement nach Fig. 3 und 4 als Streifen mit 0,5 cm Breite, 0, 05 mm Dicke aus Legierung von Cu + 30% Ni - Widerstand bei 90 K, p = 0,37 uQ m, RshUnt = 1,5 #/#m.

- Gefaltet 10 : 1 mit w = 0,5 cm, h = 2, 5 cm gibt Shuntlänge 5 m, R = 7,5 Q, Shuntstrom Ishunt = 66, 7 A.

- Begrenzter Strom Ishunt + Ib, SL = 71, 6 A ist etwa Nenn- strom.

- Begrenzter Strom kann durch dünneren/schmaleren/ durchlöcherten Shunt nach Fig. 5 bis 7 noch verringert werden Effektive Nennschaltleistung Pn/A = 700 VA pro cm2 schal- tende Fläche.