| Dokumentenidentifikation |
DE4107686A1 10.09.1992 |
| Titel |
Verfahren zur Herstellung eines supraleitenden Strombegrenzers sowie ein entsprechend hergestellter Strombegrenzer |
| Anmelder |
ABB Patent GmbH, 6800 Mannheim, DE |
| Erfinder |
Abeln, Angelika, Dr., 6940 Weinheim, DE; Hermes, Stefan, 6800 Mannheim, DE; Knaak, Wolfgang, Dr., 6900 Heidelberg, DE; Jahnke, Bernd, Dr., 6903 Neckargemünd, DE |
| DE-Anmeldedatum |
09.03.1991 |
| DE-Aktenzeichen |
4107686 |
| Offenlegungstag |
10.09.1992 |
| Veröffentlichungstag im Patentblatt |
10.09.1992 |
| IPC-Hauptklasse |
H01B 12/00
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| IPC-Nebenklasse |
C04B 35/00
C04B 35/50
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| Zusammenfassung |
Die Erfindung bezieht sich auf einen supraleitenden Strombegrenzer (1) mit wenigstens einem den Nennstrom tragenden Leiter (2), der wenigstens teilweise aus einem supraleitenden Material gefertigt wird. Erfindungsgemäß wird zur Ausbildung des Strombegrenzers (1) ein bandförmiger Leiter (2) verwendet, der durch eine metallische Schicht (3) begrenzt wird. Der Leiter (2) wird als bifilare Spule (7) aufgewickelt und in einer für strömende Medien durchlässigen Halterung (10) dauerhaft so angeordnet, daß seine Enden elektrisch leitend mit einem weiteren supraleitenden Strombegrenzer (1) in Serie oder parallel verschaltet werden können.
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| Beschreibung[de] |
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur
Herstellung eines supraleitenden Strombegrenzers gemäß dem
Oberbegriff des Patentanspruches 1, sowie auf einen nach
diesem Verfahren hergestellten Strombegrenzer gemäß
Anspruch 10.
Supraleitende Strombegrenzer sind bereits seit vielen
Jahren bekannt. Sie sind in der Lage, Nennströme von
vielen Ampere zu tragen, und können deshalb für
Schaltzwecke in diesem Bereich verwendet werden.
Entsprechendes ist der Informationsschrift "Theoretische und
experimentelle Untersuchungen über die Eigenschaften eines
großen supraleitenden Gleichstrombegrenzers mit 40 UW
Schaltleistung bei einer Spannung von 47 kV"
Kernforschungszentrum Karlsruhe KfK 2672 (1978) zu entnehmen.
Wegen seines verschwindenden elektrischen Widerstands
verursacht das supraleitende Material des
Strombegrenzers keinerlei ohmsche Verluste. Da dieser supraleitende
Zustand nur unterhalb der kritischen Temperatur, dem
kritischen Strom und dem kritischen Magnetfeld auftritt,
kann das supraleitende Material eines Strombegrenzers
aus dem supraleitenden Zustand durch Überhöhung eines
dieser Parameter über den kritischen Wert hinaus in
einen resitiven Zustand übergeführt werden. Solche
Strombegrenzer sind in der Lage, Ströme auf einen Restwert zu
begrenzen, der dann mit Hilfe eines Reststromschalters,
abgeschaltet werden kann. Wegen des relativ geringen
elektrischen Widerstandes des supraleitenden Materials
oberhalb der kritischen Temperatur Tc ist für eine
optimale Strombegrenzung ein sehr langer Leiter
erforderlich, der induktivitätsarm in einem möglichst kleinen
Volumen untergebracht werden muß.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zur Herstellung eines einfach verschaltbaren und leicht
kühlbaren supraleitenden Strombegrenzers aufzuzeigen,
sowie den Aufbau eines solchen Strombegrenzers
anzugeben.
Ein Verfahren zur Herstellung eines solchen
supraleitenden Strombegrenzers wird durch die Merkmale des
Patentanspruches 1 offenbart.
Ein supraleitender Strombegrenzer, der die geforderten
Bedingungen der Aufgabe erfüllt, ist in Patentanspruch
10 offenbart.
Zur Bildung des Leiters wird keramisches oder
metallisches supraleitendes Material verwendet, das von einer
metallischen Schicht umgeben wird. Der Leiter kann durch
eine Hülse gebildet werden, die mit supraleitendem
Material ausgefüllt wird. Ferner können zur Bildung des
Leiters auch Fasern mit einer supraleitenden Beschichtung
bzw. Fasern, die vollständig aus einem supraleitenden
Material hergestellt sind, benutzt werden. Ebenso ist es
möglich, Substrate mit einer supraleitenden Beschichtung
zu versehen, und dieses als Leiter zu verwenden. Die
Fasern bzw. Substrate werden zur besseren Kontaktierung
mit weiteren Bauteilen mit einer metallischen Schicht
umgeben, die ebenso wie die Hülse vorzugsweise aus
Silber gefertigt wird. Der Leiter, dessen Enden vor
Korrosion und Abätzung geschützt sind, wird zu einer
bifilaren Spule gewickelt und auf einer porösen oder mit einer
Vielzahl von Löchern versehenen Grundplatte gehaltert.
Anschließend wird der Leiter zusammen mit der
Grundplatte in ein poröses Material aus Keramik oder Glas
eingebettet. Dieses wird zur Ausbildung einer festen
Halterung mit porösen Eigenschaften einer
Temperaturbehandlung unterzogen. Hierdurch wird der Leiter auf der
Grundplatte dauerhaft fixiert. Seine Enden sind so
gehaltert, daß sie aus dem porösen Körper nach außen
überstehen und problemlos mit einem weiteren Leiter eines
Strombegrenzers verschaltet werden können. Aufgrund der
Porosität der Halterung ist es möglich, den Leiter
isostatisch zu pressen, so daß er hierdurch die notwendige
Stromdichte erhält. Da der Leiter über eine poröse
Halterung mit der Grundplatte verbunden ist, und diese
ebenfalls porös ausgebildet oder mit Löchern versehen
ist, kann ein flüssiges oder gasförmiges Kühlmittel
problemlos durch die Halterung geführt und damit der Leiter
umströmt werden.
Weitere erfindungswesentliche Merkmale sind in den
Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von schematischen
Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Ausschnitt aus einem supraleitenden
Strombegrenzer,
Fig. 2 einen für die Fertigung verwendeten Leiter,
Fig. 3 einen fertiggestellten supraleitenden
Strombegrenzer.
Der in Fig. 1 dargestellte Teilbereich eines
Strombegrenzers 1 umfaßt den Leiter 2 des Strombegrenzers sowie
eine Grundplatte 6. Der Leiter 2 wird, wie Fig. 2 zeigt,
nach außen hin durch eine Hülse 3 aus Metall begrenzt.
Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist die
Hülse 3 aus Silber gefertigt. Sie kann auch aus einem
anderen Material, das ähnliche Eigenschaften wie Silber
aufweist, gefertigt werden. Der Innenbereich der Hülse 3
ist mit pulverförmigem keramischen Material 4
ausgefüllt, das später seine supraleitenden Eigenschaften
erhält. Vorzugsweise wird hierfür
Yttrium-Barium-Kupferoxid (Y1Ba2Cu3Ox) oder Wismutkuprat (BiSrCaCuO)
verwendet, wobei x einen Wert von etwa 7 aufweist. Die Hülse 3
wird nach dem Füllen mit dem supraleitenden Material 4
auf einen kleineren Durchmesser gezogen, gewalzt und
gesintert, wobei einige dieser Schritte mehrmals
durchgeführt werden können, so daß der Leiter 2 die Form
eines Bandes aufweist. Der Leiter kann auch aus Fasern
oder Substraten hergestellt werden, die mit einem
supraleitenden Material beschichtet sind. Die Fertigung des
Leiters aus Fasern, die vollständig aus einem
supraleitenden Material hergestellt sind, ist ebenfalls möglich.
In allen Fällen wird der Leiter von einer metallischen,
Schicht umgeben, die ebenso wie die Hülse der
Kontaktierung dient. Vorzugsweise wird die Schicht auch aus
Silber gefertigt. Als supraleitendes Material können an
Stelle der oben angegebenen Werkstoffe auch NbTi, Nb3Sn
oder Chevrel-Phasen verwendet werden.
Die Enden des Leiters 2 sind durch einen Überzug, z. B.
aus Platin, gegen Korrosion und Abätzung geschützt.
Der bandförmige Leiter 2 wird zu einer bifilaren Spule 7
aufgewickelt. Anschließend wird diese Spule auf die
Grundplatte 6 aufgelegt und dort befestigt. Dies kann
durch Löten, keramisches Kleben oder Klemmen erfolgen.
Es besteht auch die Möglichkeit, die Oberfläche der
Grundplatte mit einer Nut zu versehen, in welche der
Leiter gelegt und über eine Wärmebehandlung fixiert
werden kann.
Wie anhand von Fig. 1 zu sehen ist, besteht zwischen
zwei aufeinanderfolgenden Leiterabschnitten 2D und 2E
ein definierter Abstand 8. Dieser wird dadurch erreicht,
daß beim Aufwickeln der Spule 7 zwischen zwei
aufeinanderfolgenden Leiterabschnitten 2D und 2E jeweils ein
Abstandhalter in Form eines Bandes (hier nicht
dargestellt) angeordnet wird. Nach dem Auflegen der Spule 7
auf die Grundplatte 6 werden die Abstandhalter (hier
nicht dargestellt) entfernt. Die Grundplatte 6 ist aus
einem nicht leitenden Material gefertigt. Hierfür eignet
sich beispielsweise eine Glaskeramik oder stabilisiertes
Zirkoniumdioxid. Die Grundplatte 6 ist entweder porös
oder mit Löchern 6L ausgebildet. Jede Grundplatte 6 ist
wenigstens auf ihrer ersten Oberfläche 6S mit
Abstandhaltern 6A versehen, die in dem Randbereich 6R der
Grundplatte 6 in definiertem Abstand voneinander so
angeordnet sind, daß ihre Längsachsen senkrecht zur
Grundplatte 6 verlaufen. Die Abstandhalter 6A sind an ihren
freien Enden mit Ausnehmungen 6E versehen, die es
gestatten, eine weitere Grundplatte (hier nicht
dargestellt), aufzusetzen und zu haltern. Die Enden 2A und 2B
der Spule 7 sind an jeweils einem dieser Abstandhalter
6A gehaltert. Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung wird
innerhalb eines Behälters (hier nicht dargestellt)
angeordnet und vollständig in ein Keramik- oder Glasgranulat
(hier nicht dargestellt) eingebettet. Die Korngröße des
verwendeten Keramik- oder Glasgranulats liegt zwischen
30 µm und 2 mm. Die Einbettung erfolgt derart, daß die
beiden Enden 2A und 2B des Leiters 2 aus dem Granulat
herausragen. Anschließend wird die eingebettete
Anordnung einer Temperaturbehandlung von z. B. 800 bis 900° C
unterzogen. Dies geschieht in einer Atmosphäre, die den
für den Temperaturprozeß des Leiters 2 notwendigen
Sauerstoffanteil aufweist. Eine Atmosphäre mit 7%
Sauerstoff und 93% Stickstoff ist hierfür geeignet. Dabei
sintert das Keramik- oder Grasgranulat zu einem festen
und porösen, eine Halterung bildenden Körper 10
zusammen. Gleichzeitig werden die supraleitenden
Eigenschaften des Leiters 2 ausgebildet. Der während des Sinterns
gebildete Keramik- oder Glaskörper 10 ist so
ausgebildet, daß strömende Medien in Form von Gas oder
Flüssigkeit durch ihn hindurchgeleitet werden können.
Insbesondere ist seine Porosität so groß, daß eine optimale
Kühlung des Leiters 2 gewährleistet wird. Ferner ist es
möglich eine ausreichende Menge einer ätzenden Lösung
hindurchzuleiten, mit der die Hülse 3 abgeätzt werden
kann, so daß der Leiter 2 nur noch aus dem
supraleitenden Material besteht. Nach der Fertigstellung des
Keramikkörpers 10 wird dieser kalt isostatisch gepreßt.
Durch die Porosität des Keramikkörpers ist diese
Behandlung des eingebetteten supraleitenden Materials möglich.
Das Pressen ist erforderlich, um dem Leiter 2 die
notwendige Stromdichte zu verleihen, die er für die
Funktion als Strombegrenzer 1 benötigt. Falls die Hülse 3 aus
Silber gefertigt ist, kann diese dadurch entfernt
werden, daß ein Komplexbildner durch den Keramik- oder
Glaskörper 10 hindurchgeleitet wird, bzw. der gesamte
Körper in einem entsprechenden Bad angeordnet wird.
Hierdurch wird erreicht, daß die aus Silber gefertigte
Hülse 3 vollständig entfernt wird. Nach der Beseitigung
der Hülse 3 wird der Keramik- oder Glaskörper 10 mit
einer reinigenden Flüssigkeit durchgespült. Die Trocknung
des Keramik-oder Glaskörpers 10 erfolgt vorzugsweise mit
Azeton. Die Entfernung der metallischen Hülse 3 führt
nicht nur zur Vergrößerung des strombegrenzenden
Widerstands des Leiters 2. Vielmehr wird gleichzeitig das
supraleitende Material von dem umgebenden
Keramikmaterial abgelöst. Dadurch wird erreicht, daß unterschiedliche
Temperaturen zwischen dem Leiter 2 und der Umgebung, die
bei Schaltvorgängen auftreten können, nicht zu
mechanischen Spannungen zwischen den verschiedenen Bauelementen
des Strombegrenzers 1 führen. Wie anhand von Fig. 3 zu
sehen ist, ragen die Enden des Leiters 2 über den
gesinterten Keramik- oder Glaskörper 10 hinaus. Auf den
Abstandhaltern 6A kann ein weiterer Keramik- oder
Glaskörper 10 mit eingebettetem Leiter 2 angeordnet werden.
Dessen Leiterenden können dann seriell oder parallel mit
dem Leiter 10 des in Fig. 3 dargestellten
Strombegrenzers 1 verschaltet werden.
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| Anspruch[de] |
- 1. Verfahren zur Herstellung eines supraleitenden
Strombegrenzers (1) mit wenigstens einem der Nennstrom
tragenden Leiter (2), dadurch gekennzeichnet, daß
wenigstens ein teilweise aus supraleitendem Material
gefertigter Leiter (2) in einer für strömende Medien
durchlässigen Halterung dauerhaft so positioniert wird, daß
seine beiden Enden mit weiteren Strombegrenzern
verbunden werden können.
- 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß zur Bildung des Leiters (2) metallische oder
keramische supraleitende Materialien verwendet werden,
die von einer metallischen Schicht (3) umgeben werden.
- 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß zur Bildung des Leiters (2) Yttrium-
Barium-Kupferoxid (Y1Ba2Cu3Ox), Wismutkuprat (BiSrCa
CuO), NbTi, Nb3Sn oder Chevrel-Phasen verwendet wird,
das von einer metallischen Schicht (3) umgeben wird.
- 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter (2) durch eine mit
supraleitendem Material gefüllte Hülse (3), aus Fasern
mit einer supraleitenden Beschichtung, aus Fasern, die
vollständig aus supraleitendem Material bestehen oder aus
einem Substrat mit supraleitender Beschichtung gebildet
wird, und daß die Fasern und Substrate von einer
metallischen Schicht (3) umgeben werden, die ebenso wie die
Hülse (3) aus einem metallischen Material gefertigt
wird.
- 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Hülse oder
Schicht (3) des Leiters (2) aus Silber gefertigt wird,
und daß die Enden des Leiters (2) durch eine
Beschichtung aus Platin vor Korrosion und Ätzung geschützt
werden.
- 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter (2) als bifilare
Spule (7) gewickelt und zwischen zwei
aufeinanderfolgenden Leiterabschnitten (2D und 2E) jeweils ein
bandförmiger Abstandhalter angeordnet wird, daß die bifilare
Spule (7) auf einer porösen oder mit einer Vielzahl von
Löchern (6L) versehenen Grundplatte (6) gehaltert wird,
und daß die zwischen den Leiterabschnitten (2D und 2E)
angeordneten Abstandhalter nach der Befestigung der
Spule (7) auf der Grundplatte (6) entfernt werden.
- 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter (2) zusammen mit der
Grundplatte (6) so in eine poröse Masse aus Keramik- oder
Glasgranulat mit einer Korngröße zwischen 30 µm und
2 mm eingebettet und anschließend zur Ausbildung einer
Halterung (10) bei einer Temperatur von 800 bis 900° C in
einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre zur Ausbildung der
Porosität der Halterung (10) geglüht wird, daß die
freien Enden des Leiters (2) aus der Halterung (10)
herausragen.
- 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß der in die Halterung (10)
eingebettete Leiter (2) einem isostatischen Preßverfahren
unterzogen wird, und daß die den Leiter (2) umgebende
metallische Hülse oder Schicht (3) durch Ätzen entfernt
wird.
- 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß jede Grundplatte (6)
wenigstens einseitig in ihrem Randbereich (6R) mit
Abstandhaltern (6A) versehen wird, die in definiertem Abstand
voneinander angeordnet und so gehaltert werden, daß
wenigstens eine weitere Halterung (10) eines
Strombegrenzers (1) darauf abgestützt und befestigt werden kann.
- 10. Supraleitender Strombegrenzer (1) mit
wenigstens einem den Nennstrom tragenden Leiter (2), dadurch
gekennzeichnet, daß der Leiter (2) aus einem
supraleitenden Material besteht, auf einer Grundplatte (6)
gehaltert und zusammen mit dieser in einen für strömende
Medien durchlässigen porösen Keramik- oder
Glasgranulatkörper (10) dauerhaft eingebettet ist, und daß die Enden
des Leiters (2) aus dem porösen Keramik- oder
Glasgranulatkörper (10) zur Verbindung mit einem weiteren Leiter
(2) eines Strombegrenzers (1) herausgeführt sind.
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