Beschreibung

Supraleitende Strombegrenzereinrichtung vom resistiven Typ mit Halteelement

Die Erfindung bezieht sich auf eine supraleitende Strombe ^¬ grenzereinrichtung vom resistiven Typ, deren Leiterbahn mit mindestens einem bandförmigen Supraleiter gebildet ist, wobei zwischen benachbarten Spulenwindungen ein Halteelement ange- ordnet ist .

Zum Schutz elektrischer Bauteile lässt sich unter Verwendung eines Supraleiters eine Strombegrenzereinrichtung aufbauen. Charakteristisch für Supraleiter ist die Eigenschaft, dass sie unterhalb einer materialspezifischen kritischen Temperatur Ströme praktisch ohne Widerstand tragen können, solange die Stromdichte kleiner ist als die von der Betriebstempera ^¬ tur abhängige kritische Stromdichte. Diese kritische Strom ^¬ dichte nimmt mit zunehmender Betriebstemperatur ab und wird zu null, wenn die Betriebstemperatur die erwähnte kritische Temperatur erreicht .

Dieses Phänomen lässt sich zum Aufbau einer Strombegrenzungs ^¬ einrichtung ausnutzen, welche in dem Fall, dass die zuvor er- wähnte kritische Stromdichte überschritten wird, ihren elekt ^¬ rischen Widerstand sprunghaft erhöht und sich durch die dann auftretenden Ohmschen Verluste bis über die kritische Tempe ^¬ ratur erwärmt .

Um eine Zerstörung durch überhitzen zu vermeiden, muss nach einem Ansprechen des Strombegrenzers der Strom abgeschaltet werden. Für die Wiederinbetriebnahme muss gewartet werden, bis der gesamte Begrenzer wieder auf die Betriebstemperatur abgekühlt ist. Diese Rückkühlzeit hat wesentlichen Einfluss auf die Verfügbarkeit des Strombegrenzers.

Unter Ausnutzung dieses Phänomens lässt sich ein überstrom- schutzschalter (Strombegrenzer) realisieren, welcher sich

durch schnelle Schaltzeiten und einen für die Schutzeinrichtung selbst nicht destruktiven Schaltvorgang auszeichnet. Entsprechende Strombegrenzereinrichtungen ist z.B. aus DE 10 2004 048 646 Al bekannt.

Als Leiterbahn in einem solchen Strombegrenzer werden insbesondere supraleitende Bandleiter (coated conductors) verwen ^¬ det. Unter einem supraleitenden Bandleiter ist in diesem Zusammenhang ein Aufbau zu verstehen, bei dem auf ein normal- leitendes Substratmetall in Bandform eine supraleitende Schicht, typischerweise ein oxidischer Hochtemperatur- Supraleiter, aufgebracht wird. Zur Vermeidung von Induktivitäten wird der supraleitende Bandleiter in eine flache, bifi- lar gewickelte Spule eingebracht . Zwischen benachbarten Spu- lenwindungen ist ein Mindestabstand einzuhalten, so dass die Spule von einem Kühlmittel durchströmbar ist. Wird für den supraleitender Bandleiter ein Hochtemperatur-Supraleiter verwendet (z.B. YBCO), so ist flüssiger Stickstoff als Kühlmit ^¬ tel für die Strombegrenzereinrichtung geeignet .

Bei bifilar gewickelten Spulen aus Bandleitermaterial liegt nun im Bereich des äußeren Radius zwischen benachbarten Leiterbahnen die gesamte an der Spule abfallende Spannung an. Um eine möglichst kompakte Bauform der supraleitenden Strombe- grenzereinrichtung zu ermöglichen, ist es wünschenswert, benachbarte Leiterwindungen auf möglichst geringem Raum unterzubringen. Folglich ist zum Schutz vor elektrischen überschlägen eine möglichst gute Isolation zwischen benachbarten Windungen erforderlich. Gleichzeitig wird die Verfügbarkeit der supraleitenden Strombegrenzereinrichtung maßgeblich von der Rückkühlzeit des Supraleiters nach dem Schaltvorgang be- einflusst. Folglich ist eine gute Zugänglichkeit des Kälte ^¬ mittels zu der Leiterbahn des Strombegrenzers wünschenswert. Eine supraleitende Strombegrenzereinrichtung sollte sich wei- terhin durch eine möglichst geringe Induktivität auszeichnen. Zu diesem Zweck ist es vorteilhaft, wenn benachbarte Windun ^¬ gen in axialer Richtung der Spule möglichst ideal auf einer gemeinsamen planen Fläche zu liegen kommen. Zu diesem Zweck

ist eine exakte Positionierung der Windungen des supraleitenden Strombegrenzers wünschenswert.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, eine supralei- tende Strombegrenzereinrichtung vom resistiven Typ anzugeben, welche eine Verbesserung im Hinblick auf die zuvor genannten technischen Probleme darstellt.

Die vorgenannte Aufgabe wird mit den in Anspruch 1 angegebe- nen Maßnahmen gelöst. Demgemäß soll eine besondere supralei ^¬ tende Strombegrenzereinrichtung vom resistiven Typ angegeben werden deren Leiterbahn mit einem bandförmigen Supraleiter gebildet ist. Zwischen benachbarten Spulenwindungen soll ein Halteelement angeordnet sein. Dieses Halteelement soll in axialer Richtung der Spule breiter als der bandförmige Supraleiter ausgebildet sein und aus einem Flachband und einem ge ^¬ wellten Band bestehen. Das Flachband soll sich im Wesentli ^¬ chen parallel zu dem bandförmigen Supraleiter unter einem im Wesentlichen konstanten Abstand erstrecken. Das Flachband ist zumindest weitgehend nicht gewellt. Das gewellte Band soll sich im Wesentlichen parallel zu dem Flachband erstrecken, wobei das gewellte Band in seiner Längsrichtung periodisch radial von dem Flachband entfernte und dem Flachband nahe Be ^¬ reiche aufweist. Die dem Flachband nahen Bereiche des gewell- ten Bandes sollen eine mechanische Verbindung mit dem Flachband aufweisen. Die dem Flachband fernen Bereiche des gewell ^¬ ten Bandes sollen Aussparungen aufweisen, so dass eine zumindest näherungsweise passgenaue, gegenüber dem Flachband beabstandete Aufnahme des bandförmigen Supraleiters ermög- licht ist.

Mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen sind die folgenden Vorteile verbunden: Das Halteelement, bestehend aus dem Flach ^¬ band und dem gewellten Band, ist in axialer Richtung breiter ausgebildet als der bandförmige Supraleiter. Auf diese Weise kann die elektrische Durchschlagstrecke von einer Spulenwin ^¬ dung zur nächsten gegenüber einer Ausführung, bei der das Halteelement die gleiche Breite wie der bandförmige Supralei-

ter aufweist, verlängert werden. Vorteilhaft wird auf diese Weise eine kompakte Bauform der Strombegrenzereinrichtung bei gleichzeitiger Verbesserung des Schutzes vor Spannungsüberschlägen realisiert. Durch eine Ausgestaltung des Halteele- ments, bestehend aus einem Flachband und einem gewellten Band, kann weiterhin eine hohe Permeabilität der Spule für ein den bandförmigen Supraleiter kühlendes Kältemedium erreicht werden. Auf diese Weise kann die Rückkühlzeit des sup ^¬ raleitenden Bandleiters minimiert werden. Der supraleitende Bandleiter soll von Aussparungen des gewellten Bandes zumindest näherungsweise passgenau aufgenommen werden. Auf diese Weise wird eine Fixierung des supraleitenden Bandleiters in axialer Richtung der Spule ermöglicht. Diese Fixierung trägt zur Minimierung der Induktivität der Spule bei. Durch die ex- akte axiale Positionierung der Windungen der Spule werden sowohl die Induktivität der Spule als auch die zwischen benach ^¬ barten Windungen wirkenden Lorentzkräfte minimiert. Vorteil ^¬ haft können auf diese Weise sowohl mechanische Belastungen, welche auf die eventuell vorhandenen Trageelemente der Wick- lung wirken, als auch die Gesamtinduktivität der supraleitenden Strombegrenzereinrichtungen minimiert werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Strombegrenzereinrichtung gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen hervor. Dabei kann die Ausführungsform nach Anspruch 1 mit den Merkmalen eines Unteranspruches oder auch vorzugsweise mit denen aus mehreren Unteransprüchen kombiniert werden. Demgemäß kann die supraleitende Strombegrenzer ^¬ einrichtung zusätzlich noch folgende Merkmale aufweisen: - Die Spule der Strombegrenzereinrichtung soll als bifilar gewickelte Spule ausgestaltet sein. Bei einer bifilar ge ^¬ wickelten Spule kompensieren sich die Induktivitäten der beiden Hälften der bifilaren Wicklung. Auf diese Weise kann für einen Strombegrenzer vorteilhaft eine kompakte Bauform bei minimierter Induktivität erreicht werden.

Für das Flachband und/oder das gewellte Band des Halteele ^¬ mentes ist ein elektrischer Isolator als Material vorgese ^¬ hen. Vorteilhaft kann durch die Verwendung eines elek-

trisch isolierenden Materials für zumindest Teile der Hal ^¬ tevorrichtung die Gefahr von elektrischen überschlägen zwischen den einzelnen Windungen der Spule minimiert werden . - Als elektrischer Isolator ist ein Kunststoff vorgesehen. Vorteilhaft wirkt ein Kunststoff als elektrischer Isola ^¬ tor, und stellt zusätzlich aufgrund seiner verhältnismäßig geringen Wärmekapazität eine geringe thermische Last beim Einkühlvorgang der Strombegrenzereinrichtung dar. - Das gewellte Band kann im Wesentlichen trapezförmig, säge- zahnförmig oder sinusförmig ausgebildet sein. Vorteilhaft weist eine trapezförmige Ausgestaltung des gewellten Bandes eine mechanisch stabile Führung des supraleitenden Bandleiters in radialer Richtung auf. Eine sägezahnförmige oder sinusförmige Ausgestaltung des gewellten Bandes ist insbesondere in Bezug auf dessen Herstellung einfach und daher vorteilhaft.

Als supraleitendes Material des bandförmigen Supraleiters ist HTS-Material (oxidisches Hochtemperatur-Supraleiter- material) oder LTS-Material (metallisches Tieftemperatur- Supraleitermaterial) vorgesehen. Durch die Verwendung von oxidischem Hochtemperatur-Supraleitermaterial kann für die Kühlung der supraleitenden Strombegrenzereinrichtung vorteilhaft flüssiger Stickstoff als Kältemedium verwendet werden. Metallisches Tieftemperatur-Supraleitermaterial weist eine hohe mechanische Belastbarkeit auf und ist in ^¬ folge dessen gut zu verarbeiten. Eine hohe mechanische Wi ^¬ derstandsfähigkeit führt weiterhin zu einer geringen Störanfälligkeit der supraleitenden Strombegrenzereinrichtung. - Der bandförmige Supraleiter soll durch eine auf eine Puf ^¬ fer- oder Zwischenschicht, welche selbst auf einem normal ^¬ leitenden metallischen Substratband aufgebracht ist, auf ^¬ gebrachte Schicht von oxidischem Supraleitermaterial vom Typ AB ₂ Cu ₃ O _x gebildet sein, wobei A mindestens ein Seltenes Erdmetall einschließlich Yttrium und B mindestens ein Erd ^¬ alkalimetall ist. Die Verwendung eines supraleitenden Bandleiters der zweiten Generation auf der Basis von Yttrium-Barium-Kupferoxid in einer supraleitenden Strombe-

grenzereinrichtung ist sowohl im Hinblick auf die Verarbeitung des weiterhin kommerziell gut verfügbaren bandförmigen Supraleiters der zweiten Generation wie auch im Hinblick auf den Schaltvorgang der supraleitenden Strombe- grenzereinrichtung vorteilhaft .

In der Spule wird der bandförmige Supraleiter zweckmäßig mit seiner Substratseite nach außen angeordnet. Eine auf einem metallischen Substratband aufgebrachte supraleitende Schicht weist typischerweise eine höhere mechanische Be- lastbarkeit für Druckspannungen als für Zugspannungen auf. Indem der supraleitende Bandleiter mit der Substratseite nach außen, also mit der beschichteten Seite nach innen, gewickelt wird ist die supraleitende Schicht vorzugsweise Druckspannungen ausgesetzt. Auf diese Weise kann vorteil- haft eine die supraleitenden Eigenschaften zerstörende

Rissbildung innerhalb der supraleitenden Schicht verringert werden. Dies führt zu einer verbesserten Zuverlässig ^¬ keit der Strombegrenzereinrichtung. Der bandförmige Supraleiter und das Halteelement können mittels eines Kunstharzes unter Freihaltung von Kühlmit ^¬ telwegen miteinander verklebt werden. Vorteilhaft wird durch eine Verklebung des supraleitenden Bandleiters mit dem Halteelement eine verbesserte Fixierung des Bandlei ^¬ ters am Halteelement erreicht. Auf diese Weise kann die Induktivität der Gesamtspule bzw. die zwischen benachbar ^¬ ten Windungen der Spule wirkenden Lorentzkräfte minimiert werden .

Das Halteelement soll derart ausgestaltet sein, dass der gegenseitige Abstand zwischen den Spulenwindungen mindes- tens 1 mm beträgt. Vorteilhaft kann durch die Einhaltung dieses Mindestabstandes im Falle eines Schaltvorganges siedendes Kältemittel zwischen den einzelnen Windungen der Spule entweichen, ohne eine unnötig große mechanische Be ^¬ lastung auf die tragende Struktur der Spule auszuüben. Ferner wird durch Einhaltung dieses Mindestabstandes eine hinreichende Kühlmittelversorgung des supraleitenden Bandleiters gewährleistet.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen supraleitenden Strombegrenzereinrichtungen gehen aus den vorstehend nicht angesprochenen Unteransprüchen sowie insbesondere aus der Zeichnung hervor.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung weiter erläutert, aus der bevorzugt Ausführungsbei ^¬ spiele einer erfindungsgemäßen supraleitenden Strombegrenzereinrichtung ohne eine Einschränkung auf die konkret veran- schaulichten Ausführungsformen hervorgehen. Dabei zeigen deren

Figur 1 in Schrägsicht ein Halteelement und den darin ange ^¬ brachten supraleitenden Bandleiter, wobei das Halteelement trapezförmig ausgestaltet ist, Figur 2 einen Längsschnitt durch das trapezförmig ausgeformte

Halteelement nach Figur 1, Figur 3 einen Querschnitt durch das trapezförmig ausgeformte

Halteelement nach Figur 1,

Figur 4 einen Längsschnitt durch ein sinusförmig ausgeformtes Halteelement,

Figur 5 einen Längsschnitt durch ein Halteelement, bei dem das gewellte Band sägezahnförmig ausgestaltet ist, Figur 6 in Aufsicht eine bifilar gewickelte Scheibenspule einer Strombegrenzereinrichtung. In den Figuren sind sich entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.

Figur 1 zeigt ein allgemein mit 2 bezeichnetes Halteelement, bestehend aus einem nicht gewellten Flachband 11 und einem trapezförmig ausgestalteten gewellten Band 12. Das trapezförmig ausgestaltete, somit gewellte Band weist hierbei dem Flachband 11 nahe Bereiche 13 und dem Flachband 11 entfernte Bereiche 15 auf. Die dem Flachband nahen und fernen Bereiche (13 bzw. 15) sind durch Verbindungs- oder übergangsstücke 14 miteinander verbunden. Als dem Flachband 11 nahe bzw. ferne

Bereiche (13 bzw. 15) des gewellten Bandes 12, des in Figur 1 dargestellten Halteelementes 2, sind nicht nur die mit 13 bzw. 15 bezeichneten Flächen der Trapeze zu verstehen, son-

dern auch entsprechende an diese Flächen anschließende Teile der Verbindungselemente 14. Die dem Flachband 11 entfernten Teile 15 des gewellten Bandes 12 weisen in Längsrichtung des gewellten Bandes 12 Aussparungen 16 auf. Diese sind derart ausgestaltet, dass in ihnen ein supraleitender Bandleiter 17 zumindest näherungsweise passgenau zu liegen kommt.

In Bezug auf die Verwendung eines in Figur 1 dargestellten und allgemein mit 2 bezeichneten Halteelements in einer Spule einer supraleitenden Strombegrenzereinrichtung, ist die in Figur 1 mit B bezeichnete Richtung die axiale Richtung der Spule und die mit A bezeichnete Richtung eine tangentiale Richtung der Spule. Die Strombegrenzereinrichtung kann aus einer oder mehreren Spulen bestehen, die in axialer Richtung B hintereinander angeordnet sind. Die einzelnen Spulen einer solchen Strombegrenzereinrichtung können als einfach oder bevorzugt als bifilar gewickelte Spulen ausgeführt sein.

Das im Allgemeinen mit 2 bezeichnete Halteelement kann aus verschiedenen geeigneten Materialien gefertigt sein. Vorteilhaft können das Flachband 11 und das gewellte Band 12 aus demselben oder aus unterschiedlichem Material bestehen. Hierbei können beide Bauteile z.B. aus einem Kunststoff gefertigt sein. Der supraleitende Bandleiter 17 kann aus Gründen der mechanischen Stabilisierung mit dem gewellten Band 12 mechanisch verbunden werden. Vorteilhaft ist eine Verklebung des Bandleiters 17 im Bereich der Kontaktflächen mit dem gewellten Band 12 oder auch eine Verbindung mittels Löt- oder Schweißpunkten oder Nähten. Bei einer Ausgestaltung des HaI- teelementes 2 unter Verwendung zweier verschiedener Materialien kann das Flachband 11 auftretende mechanische Belastun ^¬ gen sowohl in die mit A wie auch in die mit B bezeichnete Richtung aufnehmen. Das gewählte Band 12 wirkt zusätzlich als elektrischer Isolator.

Weiterhin vorteilhaft ist die derartige Ausgestaltung des Halteelementes 2, dass dieses in axialer Richtung der Spule (in Figur 1 mit B bezeichnet) eine größere Ausdehnung als der

supraleitende Bandleiter 17 aufweist. Auf diese Weise wird die Strecke für einen möglichen elektrischen überschlag von einer Spulenwindung zur nächsten, im Vergleich zu einem Halteelement 2, das in Richtung B die gleiche Breite wie der supraleitende Bandleiter 17 aufweist, deutlich verlängert.

Auf diese Weise sinkt die Gefahr für unerwünschte elektrische überschläge zwischen den Windungen der Spule.

Eine exakte Positionierung der Aussparungen 16 in der Rich- tung B sorgt für eine exakte Positionierung des Bandleiters

17 in diese Richtung. Eine solche Positionierung des Bandleiters 17 erlaubt wiederum eine Minimierung der Induktivität der Spule. Wird die Spule als bifilare Spule ausgeführt, so ermöglicht eine solche exakte Positionierung eine verbesserte Kompensation der magnetischen Induktivitäten zwischen den beiden Teilen der bifilaren Wicklung. Die Lorentzkräfte zwischen benachbarten Windungen können auf diese Weise, als Folge einer exakten Positionierbarkeit in der Richtung B, minimiert werden.

Figur 2 zeigt einen Längsschnitt durch das in Figur 1 gezeig ^¬ te Halteelement 2. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel befindet sich der bandförmige Supraleiter 17, gehalten durch das gewellte Band 12, in einem im Wesentlichen konstanten Abstand 22 zum Flachband 11. Das gewellte Band 12 ist über Verbin ^¬ dungselemente 21 mit dem Flachband 11 verbunden. Vorteilhaft können die Verbindungselemente 21 als Stege, Schweißpunkte, Klebepunkte oder ähnliches ausgeführt sein.

Figur 3 zeigt einen Querschnitt durch das Halteelement 2 ge ^¬ mäß der in Figur 1 gezeigten bevorzugten Ausführungsform. Dargestellt sind sowohl das Flachband 11 wie auch das gewell ^¬ te Band 12, welches eine Aussparung 16 aufweist. Das Flach ^¬ band 11 und das gewellte Band 12 sind über die Verbindungs- elemente 21 miteinander verbunden. Die Ausführungsform der

Verbindungselemente 21 ist hierbei nicht auf eine punktuelle Verbindung von Flachband 11 und gewellten Band 12 beschränkt;

auch eine teilweise flächige Verbindung zwischen den Elementen 11 und 12 ist vorteilhaft realisierbar.

Figur 4 zeigt ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Halteelementes 41 einer supraleitenden Strombegrenzereinrichtung, dargestellt in einem Längsschnitt. Das gewellte Band 42 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel sinusförmig aus ^¬ gestaltet und weist in den dem Flachband 11 entfernten Teil ^¬ bereichen 43 Aussparungen zur Aufnahme des supraleitenden Bandleiters 17 auf.

Gemäß einem weiteren in Figur 5 dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel eines Halteelementes 51 kann das gewellte Band 52 sägezahnförmig, insbesondere in der Form einer perio- dischen Dreiecksstruktur ausgebildet sein. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel verfügt das gewellte Band 52 in den dem Flachband 11 entfernten Bereichen 53 Aussparungen zur Aufnahme des supraleitenden Bandleiters 17 auf.

Ebenfalls vorteilhaft realisierbar sind weitere geometrische Ausgestaltungsformen des gewellten Bandes 12, 42, 52 welche nicht explizit in den vorgenannten Figuren dargestellt sind, sich aber z.B. aus einer Kombination der dargestellten Formen ergeben .

Figur 6 zeigt den bifilaren Aufbau einer Scheibenspule 61 ge ^¬ mäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der supraleitenden Strombegrenzereinrichtung. Dargestellt sind der bifilar gewickelte supraleitende Bandleiter 17 sowie ein zwischen den Windungen angeordnetes Halteelement 2. Diese Halteelement 2 kann entsprechend einer der zuvor erwähnten Figuren ausgestaltet sein.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann der supra- leitende Bandleiter 17 mit der supraleitenden Schicht zur

Spuleninnenseite gewickelt sein, da z.B. oxidische Hochtempe ^¬ ratur-Supraleiterschichten stärker auf Druck als auf Zug be-

lastbar sind. Der supraleitende Bandleiter 17 kann ferner wie folgt aufgebaut sein.

Auf einem metallischen Substratband kann zunächst eine so ge- nannte Pufferschicht aufgebracht sein, auf welcher die eigentlich supraleitende oxidische Hochtemperatur-Supralei ^¬ terschicht (z.B. YBCO) aufgebracht ist. Der Aufbau solcher für supraleitende Strombegrenzereinrichtungen geeigneten Bandleiter ist z.B. in DE 10 2004 048 646 Al vorgeschlagen. Der gesamte mechanische Aufbau der Windungen der Spule muss hinreichend mechanisch stabil sein, d.h. er muss bei der Montage handhabbar sein und muss die beim Sieden des Kühlmittels auftretenden Kräfte ohne weiteres aufnehmen können. Einfluss auf die bei einem Sieden des Kühlmittels auftretenden Kräfte hat der von der Dimensionierung des Halteelementes 62 abhängige Abstand 63 der Leiterwicklungen 17 (vgl. Figur 6) . In Bezug auf das in Figur 2 dargestellte Halteelement 2 wird dieser Abstand insbesondere durch den Abstand 22 des supra ^¬ leitenden Bandleiters 17 zu dem Flachband 11, sowie der Ge- samthöhe 23 des Halteelementes vorgegeben.