DE10230618A1 - Bifilare Bandleiterstruktur eines Hochtemperatursupraleiters zur Strombegrenzung - Google Patents

Abstract

Um eine Strombegrenzereinheit (1) zur resistiven Begrenzung eines elektrischen Stromes mit wenigstens einem aus einem Isolierstoff bestehenden Tragkörper (3) zum Halten eines Leiters (2), die eine Supraleitschicht aufweist, wobei der Leiter (2) sich zwischen Stromanschlüssen (4) zum Zu- und Abführen des Stromes erstreckt und Windungen (8) in Form einer bifilaren Leiterstruktur ausbildet, so dass in benachbarten Windungen (8) ein zu begrenzender Strom gegensinnig fließt, bereitzustellen, die kostengünstig ist, ein kontinuierliches Herstellungsverfahren ermöglicht und eine ausreichend hohe Stromtragfähigkeit aufweist, wobei eine hohe Kühlung durch ein flüssiges Kühlmittel bereitgestellt werden kann, wird vorgeschlagen, dass der Leiter (2) aus wenigstens einem flächigen Leiterband (9) besteht, das von dem Tragkörper (3) mit Abstand zu den benachbarten Windungen (8) gehalten ist, so dass der Eintritt eines flüssigen Kühlmittels zwischen die Windungen (8) ermöglicht ist.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Strombegrenzereinheit zur resistiven Begrenzung eines elektrischen Stromes mit wenigstens einem aus einem Isolierstoff bestehenden Tragkörper zum Halten eines Leiters, der eine Supraleitschicht aufweist, wobei der Leiter sich zwischen Stromanschlüssen zum Zu- und Abführen des Stromes erstreckt und Windungen in Form einer bifilaren Leiterstruktur ausbildet, so dass in benachbarten Windungen ein zu begrenzender Strom gegensinnig fließt.
• Eine solche Strombegrenzereinheit ist aus der DE 197 20 397 A1 bereits bekannt. Die dort offenbarte Strombegrenzereinheit weist einen stabförmigen sich in axialer Richtung erstreckenden Tragkörper auf, um den ein drahtförmiger Supraleiter in Form eines vorisolierten Drahtes gewickelt ist. Durch die Wicklung des Supraleiters sind mehrere Wicklungsschichten ausgebildet, die in axialer Richtung benachbart zueinander angeordnet sind. Jede Wicklungsschicht ist so beschaffen, dass der zu schaltende Strom in Stromleiterabschnitten gegensinnig fließt, die in radialer Richtung benachbart zueinander angeordnet sind. Darüber hinaus ist die Wicklung so ausgeführt, dass ein zu schaltender Strom auch in Leiterbahnabschnitten gegensinnig fließt, die in axialer Richtung in unmittelbarer Nachbarschaft zueinander angeordnet sind.
• Durch diese in radialer als auch in axialer Richtung bifilare Wicklung soll zur Erhöhung der Schaltgeschwindigkeit ein induktivitätsarmer Aufbau erreicht werden.
• Der vorbekannten Strombegrenzereinheit haftet der Nachteil an, dass die eingesetzten drahtförmigen Supraleiter eine geringe Stromtragfähigkeit aufweisen und nur mittels aufwendiger und daher kostenträchtiger Herstellungsverfahren gefertigt werden können. Darüber hinaus erschwert die direkte Wicklung der vorisolierten Drähte aufeinander den Eintritt von flüssigem Kühlmittel zwischen die Wicklungen und somit die Kühlung des Supraleiters.
• Aus der DE 198 27 227 A1 ist eine Strombegrenzerplatte mit einem supraleitenden Leiter bekannt. Die dort offenbarte Strombegrenzerplatte weist ein aus einem Isolierstoff bestehendes Substrat zum Tragen eines Verbundleiters mit einer metalloxidischen Hochtemperatursupraleitschicht auf. Dabei erstreckt sich der Verbundleiter zwischen zwei Stromanschlüssen zum Anschluss an ein Energieverteilungsnetz. Die Strombegrenzerplatte weist ferner mehrere parallel zueinander angeordnete Leiterbahnabschnitte auf, durch die der zu begrenzende Strom gegensinnig fließt. Zur Ausbildung einer vollständigen Strombegrenzereinheit sind mehrere Strombegrenzerplatten elektrisch miteinander zu verbinden. Die vorbekannte Strombegrenzereinheit kann daher nur stückweise gefertigt werden, wodurch die Herstellungskosten beträchtlich erhöht sind.
• Aufgabe der Erfindung ist es, eine Strombegrenzereinheit der eingangs genannten Art bereitzustellen, die kostengünstig ist, ein kontinuierliches Herstellungsverfahren ermöglicht und eine ausreichend hohe Stromtragfähigkeit aufweist, wobei eine ausreichende Kühlung durch ein flüssiges Kühlmittel bereitgestellt werden kann.
• Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass der Leiter aus wenigstens einem flächigen Leiterband besteht, das von dem Tragkörper mit Abstand zu den benachbarten Windungen gehalten ist, so dass der Eintritt eines flüssigen Kühlmittels zwischen die Windungen ermöglicht ist.
• Durch den Einsatz flächiger und bandförmiger Leiterstrukturen ist eine kontinuierliche Herstellung des Leiters ermöglicht. Bandförmige supraleitende Leiterstrukturen weisen ferner gegenüber drahtförmigen supraleitenden Strukturen eine um wenigstens eine Größenordnung verbesserte Stromtragfähigkeit auf, wodurch erfindungsgemäß höhere Ströme beispielsweise im Kurzschlussfall begrenzt werden können. Darüber hinaus werden die Leiter durch den Tragkörper mit Abstand zueinander gehalten. Die voneinander beabstandete Halterung ermöglichet den Eintritt eines flüssigen Kühlmediums zwischen die einzelnen Leiter und daher eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Kühlung.
• Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es selbstverständlich möglich, auf der Supraleitschicht des Leiters eine Kommutierungsschicht aus Edelmetall und darüber hinaus eine weitere isolierende Schicht vorzusehen, die im Hinblick auf ihre Wärmeleitfähigkeit zweckmäßig ausgelegt ist. Die Bereitstellung einer ausreichend hohen Spannungsfestigkeit durch eine solche isolierende Schicht ist jedoch aufgrund der beabstandeten Anordnung der Leiterbahn zweitrangig geworden. Die Kommutierungsschicht stellt einen der Supraleitschicht parallel geschalteten Bypass bereit, der im Quenchfall des Supraleiters die Stromführung übernimmt. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine kompakte beispielsweise mit flüssigem Stickstoff kühlbare Strombegrenzereinheit bereitgestellt, die eine hohe Stromtragfähigkeit aufweist und aufgrund eines kon tinuierlichen Herstellungsverfahrens für die supraleitenden Leiter kostengünstig ist.
• Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird durch die bifilaren Leiterstruktur der nachteilige Einfluss von Magnetfeldern auf das Quenchverhalten der Supraleitschicht des Verbundleiters weitgehend vermieden. Die gegensinnige Stromrichtung erzeugt einander entgegengerichtete Magnetfelder, die sich in ihrer Wirkung gegenseitig neutralisieren und ein von dem erzeugten Magnetfeld unabhängiges Verhalten des Supraleitermaterials ermöglichen. Durch die spiralförmige Wicklung ist jedoch gleichzeitig eine kompakte Anordnung des Supraleitermaterials bereitgestellt.
• Vorteilhafterweise besteht der Leiter aus mehreren elektrisch parallel zueinander geschalteten Leiterbändern, die von dem Tragkörper mit Abstand zueinander gehalten sind, so dass der Eintritt eines flüssigen Kühlmittels zwischen die parallel geschalteten Leiterbänder ermöglicht ist. Durch die elektrische Parallelschaltung wird der Strom auf die einzelnen Bänder aufgeteilt und ist daher in jedem einzelnen Leiter geringer. In der Summe ist der maximal zulässige Stromfluss über die Strombegrenzereinheit somit erhöht, da der maximal zulässige Stromfluss, bei dessen Überschreiten irreversible Materialschäden im Leiter auftreten können, durch die materialabhängige Stromtragfähigkeit eines einzelnen Leiterbandes bestimmt ist. Im Rahmen dieser Weiterentwicklung werden daher die Anwendungsmöglichkeiten der Strombegrenzereinheiten durch die Stromverteilung auf die parallelen Leitungsbänder vergrößert. Die beabstandete Anordnung der einzelnen beispielsweise als Verbundleiter ausgestalteten Leiter ermöglicht darüber hinaus den Eintritt eines flüssigen Kühlmediums zur Erzeugung der notwendigen Kühlung der Verbundleiter.
• Bei einer weiteren zweckmäßigen Weiterentwicklung erstrecken sich die Windungen in Schichten, die in einer axialen Richtung übereinander angeordnet sind, wobei ein zu begrenzender Strom in Windungen gegensinnig fließt, die in axialer Richtung benachbart zueinander angeordnet sind. Gemäß dieser vorteilhaften Weiterentwicklung sind die in radialer Richtung zueinander benachbart angeordneten Leiter, die also in einer Ebene liegen, gleichsinnig von dem zu begrenzenden Strom durchflossen. In einer Ebene wird vorteilhafterweise der Strom von außen auf spiralförmigen Bahnen nach innen geführt, um in einem Mittenbereich in eine zweite Windungsebene geführt zu werden, die zu der ersten Windungsebene parallel angeordnet ist. In der zweiten Windungsebene fließt der Strom somit von innen nach außen. Die Leiter sind jedoch so geführt, dass ein gegensinniger Stromfluss in Windungen erfolgt, die in axialer Richtung einander am nächsten, also in axialer Richtung benachbart zueinander angeordnet sind. Auch bei dieser erfindungsgemäßen Weiterentwicklung werden somit einander entgegengerichtete Magnetfelder erzeugt, die sich gegenseitig neutralisieren und ein von den entstehenden Magnetfeldern unabhängiges Schaltverhalten der Supraleitschicht ermöglichen.
• Zweckmäßigerweise weist der Tragkörper zwei parallel zueinander angeordnete Halteplatten auf, die zur Aufnahme der Leiterbänder vorgesehene Haltenuten aufweisen. Die Haltenuten sind zur Halterung der flächigen Leiterbänder in ihren Endbereichen vorgesehen. Der Mittenbereich der Leiterbänder, dessen Länge dem Abstand der Halteplatten entspricht, ist daher beidseitig freiliegend angeordnet, so dass ein flüssiges Kühlmittel, wie beispielsweise flüssiger Stickstoff, zwischen die Halteplatten und die Leiter eindringen kann. Ruf diese Weise ist eine verbesserte Kühlung bereitgestellt.
• Vorteilhafterweise ist das Leiterband ein flexibles Leiterband. Die Herstellung eines solchen Leiterbandes ist beispielsweise in der DE 101 42 870.7 beschrieben.
• Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist der Tragkörper zwei parallel zueinander angeordnete Halteplatten auf, die mit zum Halten der Leiterbänder eingerichteten Haltestücken verbunden sind. Gemäß dieser Weiterentwicklung der Erfindung ist die Fertigung der Strombegrenzereinheit vereinfacht, da die flächigen Leiterbänder nicht mehr mit aller Sorgfalt in entsprechende Halteeinrichtungen der unhandlichen Halteplatte einzupassen sind. Vielmehr kann durch die Verwendung von Haltestücken, in die die Leiterbänder leicht einführbar sind, die Handbarkeit der Leiterstrukturen insofern verbessert werden, als die Haltestücke das maschinelle oder händische Greifen der Leiterbänder überflüssig machen. Die Haltestücke werden beispielsweise mit den lose in diese eingelegten Leiterbänder in Rastöffnungen der Halteplatten eingerückt. Anschließend kann durch einen zweckmäßigen Klemmdeckel des Haltestückes die endgültige Fixierung der Leiterbänder herbeigeführt werden.
• Statt einer Rasttechnik kann im Rahmen der Erfindung auch ein anderes Befestigungsverfahren wie beispielsweise Verschrauben oder Kleben zur Anwendung gelangen.
• Gemäß einer diesbezüglichen Weiterentwicklung sind die Haltestücke in Reihen zueinander angeordnet, deren Verlängerungen sich in einem gemeinsamen Mittelpunkt kreuzen. Dieser Mittelpunkt fällt vorteilhafterweise mit dem Mittelpunkt kreisförmig ausgestalteter Halteplatten zusammen. Im Rahmen der Erfindung sind beliebig viele Reihen aus Haltestücken verwendbar. Die zwischen ihnen bezüglich des Mittelpunktes aufgespannten Winkel variieren jedoch zweckmäßigerweise zwischen 5 und 45 Grad.
• Die Erfindung löst die Aufgabe weiterhin durch eine Strombegrenzereinrichtung mit einem mit flüssigem Stickstoff gefüllten Kryostaten und wenigstens einer Strombegrenzereinheit gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
• Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung. Hierbei wird auf die Figuren der Zeichnungen Bezug genommen, wobei sich entsprechende Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Es zeigen:
• 1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Strombegrenzereinheit in einer Draufsicht und in einer schematischen Darstellung,
• 2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Haltestücks,
• 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Strombegrenzereinheit in einer Draufsicht,
• 4 eine Strombegrenzereinheit gemäß 3 in einer Seitenansicht,
• 5 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Strombegrenzereinrichtung und
• 6 die Strombegrenzereinrichtung gemäß 5 in einer Draufsicht.
• 1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Strombegrenzereinheit 1 in einer Draufsicht. Zur Darstellung eines bifilaren Verlaufs eines Leiters 2 ist ein Tragkörper 3, der aus zwei parallel zueinander verlaufenden Platten besteht, die den Blick auf den Leiter 2 verstellen würden, nur schematisch angedeutet.
• Der Leiter 2 erstreckt sich spiralförmig zwischen zwei Stromanschlüssen 4, die zur Einbindung der Strombegrenzereinheit 1 beispielsweise in ein nicht gezeigtes Stromverteilernetz vorgesehen sind. Dabei wird der Leiter 2 durch in einer Reihe 5 angeordnete Haltestücke 6 an einer Halteplatte des Tragkörpers 3 befestigt und verläuft von dem in 1 links angeordneten Stromanschluss 4 von außen nach innen. Im Mittenbereich des Tragkörpers 3 sind nebeneinander zwei hohlzylindrische Wickelbolzen 7 angeordnet, um die der Leiter 2 S-förmig geführt ist, um anschließend spiralförmig von innen nach außen zu dem in 1 rechts angeordneten Stromanschluss 4 geführt zu werden. Aufgrund dieser Leiterstruktur werden in radialer Richtung benachbarte Windungen 8 von einem zu begrenzenden Strom gegensinnig durchlaufen, so dass sich die aufgrund der spiralförmigen Führung des Leiters 2 erzeugten Magnetfelder gegenseitig neutralisieren und das Schaltverhalten der Supraleitschicht von magnetischen Einflüssen weitgehend unabhängig ist.
• 2 zeigt das Haltestück 6 sowie den Leiter 2 in einer vergrößerten Ansicht. Es ist erkennbar, dass der Leiter 2 aus mehreren parallel zueinander verlaufenden Leiterbändern 9 zu sammengesetzt ist, die elektrisch parallel geschaltet sind und deren Herstellung beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung 101 42 870.7 beschrieben ist. Solche Leiterbänder 9 weisen beispielsweise ein flexibles texturiertes Trägerband auf, auf dem ein aus einer Supraleitschicht sowie einer Kommutierungsschicht bestehender Verbundleiter aufgebracht ist. Das hier gezeigte Haltestück 6 besteht aus einem Halteteil 10, in das Haltenuten 11 eingebracht sind, in die die Leiterbänder 9 eingeführt sind. Zum Verklemmen der Leiterbänder 9 in dem Halteteil 10 dient ein Klammerteil 12, das durch beliebige Fügeverfahren oder durch zweckmäßige nicht gezeigte Klemmmittel an dem Halteteil 10 befestigbar ist. An dem Haltestück 6 ist weiterhin ein nicht gezeigter Rastbolzen vorgesehen, mit dem das Haltestück 6 in Rastlöcher einrastbar ist, die in der in 1 nicht dargestellten Tragplatte vorgesehen sind.
• 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Ansicht gemäß 3. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel verläuft der Leiter 2 in spiralförmigen Windungen 8 vom oberen Stromanschluss 4 von außen nach innen, wird jedoch nicht in der gleichen Ebene zu dem unteren Stromanschluss 4 zurückgeführt, sondern über ein Koppelstück 13 in die Zeichenebene hinein zu einer weiteren Halteplatte, die parallel zur Halteplatte 3 angeordnet ist.
• 4 zeigt die Strombegrenzereinheit in einer Seitenansicht, in der die beiden parallel zueinander angeordneten Halteplatten 3 deutlich erkennbar sind. Wie bereits ausgeführt, wird der in der oberen Halteplatte 3 von außen nach innen geführte Strom über das Koppelstück 13 auf den Leiter 2 der unteren Halteplatte 3 geführt. Auf der unteren Halteplatte 3 erfolgt die Stromführung dann in spiralförmigen Win dungen 8 von innen nach außen zu einem in 4 figürlich nicht dargestellten Stromanschluss. Die spiralförmigen Windungen 8 liegen übereinander und sind in einer axialen Richtung zueinander versetzt, wobei der Strom durch axial benachbart zueinander angeordnete Windungen 8 gegensinnig geführt ist, so dass auch bei dieser bifilaren Leiterstruktur gegensinnige Magnetfelder erzeugt werden, die sich in ihrer Wirkung neutralisieren.
• 5 zeigt eine Strombegrenzereinrichtung 14 mit einer Strombegrenzereinheit 1 gemäß 1. Die Strombegrenzereinrichtung 14 umfasst einen Kryostaten 15, der mit flüssigem Stickstoff LN₂ befällt ist. Im Betrieb ist die Strombegrenzereinheit 1 vollständig in den flüssigen Stickstoff eingetaucht, um die Supraleitschicht in den supraleitenden Zustand zu überführen.
• In Energieverteilungsnetzen wird üblicherweise Drehstromtechnik eingesetzt. Für jede Phase des Drehstroms ist daher eine Strombegrenzereinheit 1 vorgesehen, wobei mit den Stromanschlüssen 4 elektrisch verbundene Anschlussleiter 16 über zweckmäßige Durchführungen 17 aus dem Kryostaten 15 hinausgeführt sind.
• 6 zeigt die Strombegrenzereinrichtung 14 in einer Draufsicht, wobei erkennbar ist, dass die für jede Phase zwei und somit insgesamt sechs kreisförmig angeordnete Durchführungen 17 vorgesehen sind.

Claims (7)

1. Strombegrenzereinheit (1) zur resistiven Begrenzung eines elektrischen Stromes mit wenigstens einem aus einem Isolierstoff bestehenden Tragkörper (3) zum Halten eines Leiters (2), der eine Supraleitschicht aufweist, wobei der Leiter (2) sich zwischen Stromanschlüssen (4) zum Zu- und Abführen des Stromes erstreckt und Windungen (8) in Form einer bifilaren Leiterstruktur ausbildet, so dass in benachbarten Windungen (8) der Strom gegensinnig fließt, dadurch gekennzeichnet, dass der Leiter (2) aus wenigstens einem flächigen Leiterband (9) besteht, das von dem Tragkörper (2) mit Abstand zu den benachbarten Windungen (8) gehalten ist, so dass der Eintritt eines flüssigen Kühlmittels zwischen die Windungen (8) ermöglicht ist.
2. Strombegrenzereinheit (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leiter (2) aus mehreren elektrisch parallel zueinander geschalteten Leiterbändern (9) besteht, die von dem Tragkörper (3) mit Abstand zueinander gehalten sind, so dass der Eintritt eines flüssigen Kühlmittels zwischen die parallel geschalteten Leiterbänder (9) ermöglicht ist.
3. Strombegrenzereinheit (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Windungen (8) sich in Schichten erstrecken, die in einer axialen Richtung übereinander angeordnet sind, wobei der Strom in Windungen (8) gegensinnig fließt, die in axialer Richtung benachbart zueinander angeordnet sind.
4. Strombegrenzereinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Tragkörper (3) zwei parallel zueinander angeordnete Halteplatten aufweist, die zur Aufnahme der Leiterbänder (9) vorgesehene Haltenuten aufweisen.
5. Strombegrenzereinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Tragkörper (3) zwei parallel zueinander angeordnete Halteplatten aufweist, die mit zum Halten der Leiterbänder (9) eingerichteten Haltestücken (6) verbunden sind.
6. Strombegrenzereinheit (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltestücke (6) in Reihen angeordnet sind, deren Verlängerungen sich in einem gemeinsamen Mittelpunkt kreuzen.
7. Strombegrenzereinrichtung (14) mit einem mit flüssigem Stickstoff gefüllten Kryostaten (15) und wenigstens einer Strombegrenzereinheit (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6.