| Dokumentenidentifikation |
DE4119984A1 24.12.1992 |
| Titel |
Resistiver Strombegrenzer |
| Anmelder |
Hoechst AG, 6230 Frankfurt, DE; ABB Patent GmbH, 6800 Mannheim, DE |
| Erfinder |
Preisler, Eberhard, Dr.; Bock, Joachim, Dr., 5042 Erftstadt, DE; Abeln, Angelika, Dr., 6940 Weinheim, DE; Dersch, Helmut, Dr., Würenlos, CH |
| DE-Anmeldedatum |
18.06.1991 |
| DE-Aktenzeichen |
4119984 |
| Offenlegungstag |
24.12.1992 |
| Veröffentlichungstag im Patentblatt |
24.12.1992 |
| IPC-Hauptklasse |
H01B 12/02
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| IPC-Nebenklasse |
H01C 7/13
H01L 39/16
C04B 35/50
C04B 35/00
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| Zusammenfassung |
Die Erfindung bezieht sich auf einen resistiven Strombegrenzer (1), der in der Lage ist, Ströme von vielen Ampere zu tragen. Der Strombegrenzer (1) ist so ausgebildet, daß seine wirksame elektrische Länge um mindestens das Dreifache größer ist als seine lineare Ausdehnung, wobei der Querschnitt des Leiters (2) und die senkrechten Abstände zweier benachbarter Leiterabschnitte (2A, 2B) so bemessen sind, daß immer die Bedingung erfüllt ist IOhm < Ikrit.
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| Beschreibung[de] |
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Die Erfindung bezieht sich auf einen resistiven
Strombegrenzer gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Strombegrenzer dieser Art sind seit vielen Jahren bekannt.
Sie weisen wenigstens einen Leiter aus supraleitendem
Material auf, der in der Lage ist, Nennströme von vielen Ampere
zu tragen. Strombegrenzer dieser Art können wegen der
starken Widerstandänderung während des Überganges vom
supraleitenden in den normalleitenden Zustand für Schaltzwecke in
diesem Bereich verwendet werden. Der Informationsschrift
"Theoretische und experimentelle Untersuchungen über die
Eigenschaften eines großen supraleitenden
Gleichstrombegrenzers mit 40 MW Schaltleistung bei einer Spannung von
47 kV", Kernforschungszentrum Karlsruhe KfK 2672 (1978),
ist entsprechendes 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 TC, 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 resistiven Zustand übergeführt werden.
Solche Strombegrenzer sind in der Lage, Ströme auf einen
Reststrom 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, einen resistiven
Strombegrenzer aufzuzeigen, der für die Begrenzung von
großen und kleinen Strömen geeignet und zudem klein
dimensioniert ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des
Patentanspruches 1 gelöst.
Der stromtragende Leiter des resistiven Strombegrenzers ist
aus einem Hochtemperatur-Supraleiter-Material gefertigt.
Vorzugsweise wird als supraleitendes Material ein polynäres
Oxid verwendet. Besonders geeignet hierfür ist Yttrium-
Barium-Kupferoxid bzw. Wismutcuprat, wobei letzteres
Bleizusätze aufweisen kann. Es können auch keramische
Materialien mit supraleitenden Eigenschaften verwendet werden,
die anstelle von Yttrium ein anderes oder ein zusätzliches
Seltenerdmetall enthalten. Ebenso kommen für die Fertigung
des Leiters NbTi, Nb3Sn oder Chevrel-Phasen in Frage.
Durch die spezielle Ausbildung des Leiters kann seine
elektrisch wirksame Länge wesentlich vergrößert werden, während
seine lineare Ausdehnung einen vorgebbaren Wert nicht
überschreitet. Die elektrisch wirksame Länge des Leiters, sein
Querschnitt und der senkrechte Abstand jeweils zweier
benachbarter Leiterabschnitte sind so bemessen, daß beim
Überschreiten der kritischen Stromdichte der sich im
supraleitenden Material oberhalb der Sprungtemperatur TC
einstellende ohmsche Widerstand eine Größe aufweist, die eine
Minderung des fließenden Stroms auf einen definierten Wert
bewirkt.
Der Leiter kann erfindungsgemäß aus einer supraleitenden,
orthogonalen Platte gefertigt werden. In die zur Längsachse
der Platte parallel verlaufenden Seiten wird eine
definierte Anzahl von Schlitzen eingeschnitten, die senkrecht zur
Längsachse der Platte verlaufen. Die Schlitze werden
alternierend in diese beiden Längsseiten eingeschnitten.
Hierdurch wird aus der Platte ein mäanderförmiger Leiter
gebildet. Die Enden des so gebildeten Leiters werden mit je
einem elektrischen Anschlußpol versehen.
Es besteht auch die Möglichkeit, in der Oberfläche eines
Trägers eine mäanderförmige Nut auszubilden. Die
Abmessungen der Nut sind gemäß den obigen Angaben für den Leiter
festgelegt. Der Träger kann aus einem metallischen oder
isolierenden Material gefertigt sein. Im Fall eines
metallischen Trägers wird die Nut zunächst mit einem
isolierenden Material ausgekleidet und dann mit dem supraleitenden
Material ausgefüllt.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Strombegrenzers wird eine Hülse aus Metall, vorzugsweise
aus Silber oder Kupfer, mit einem supraleitenden
metallischen oder keramischen Material ausgefüllt. Anschließend
wird die Hülse gewalzt und gezogen, so daß ihr Querschnitt
dem des zu bildenden Leiters entspricht. Anschließend wird
die Hülse mäanderförmig gebogen, so daß ein Strombegrenzer
entsteht, dessen Leiter die geforderten Abmessungen
aufweist.
Der erfindungsgemäße resistive Strombegrenzer verliert beim
Überschreiten einer kritischen Stromstärke seine
supraleitenden Eigenschaften und wird zu einem ohmschen Widerstand.
Wegen der speziell gewählten Abmessungen seiner elektrisch
wirksamen Länge kehrt er aber in den supraleitenden Zustand
zurück, sobald durch ihn kein überkritischer Strom mehr
fließt.
Weitere erfindungswesentliche Merkmale sind in den
Unteransprüchen offenbart.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 einen aus einer supraleitenden Platte
hergestellten resistiven Strombegrenzer,
Fig. 2 einen weiteren resistiven Strombegrenzer,
Fig. 3 eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Strombegrenzers.
Der in Fig. 1 dargestellte resistive Strombegrenzer 1 weist
einen Leiter 2 mit supraleitenden Eigenschaften auf. Der
Leiter 2 ist aus einer supraleitenden Platte 3 gefertigt,
die bei dem hier gezeigten Beispiel eine orthogonale Form
aufweist. Die Platte 3 ist aus YBa2Cu3O6,9 gefertigt. Sie
wird bei einem Druck von 7 kbar verpreßt. Anschließend wird
die Platte 3 bei 950°C etwa 24 Stunden gesintert. Hieran
schließt sich eine Abkühlung des Plattenmaterials während
48 Stunden von 900 auf 400°C an. Die Platte 3 weist eine
Abmessung von 85×50×5 mm-3 auf. Sie besitzt eine Dichte
von 4,69 g×cm-3. Dies entspricht einer theoretischen Dichte
von 74%. Die kritische Temperatur dieser Platte 3 liegt
bei 89 K (R=0 Ohm). In die Platte 3 sind in die
Längsseiten 3A und 3B Schlitze 4 eingesägt. Die Schlitze 4 sind
alternierend und senkrecht zur Längsachse der Platte 3
angeordnet. Die Schlitze 4 sind so weit in die Platte 3
eingesägt, daß der Abstand d vom Schlitzende bis zur unmittelbar
benachbarten Längsseite 3A, 3B etwa so groß ist wie der
Abstand f zweier benachbarter Schlitze 4. Dieser beträgt
hierbei etwa 2 mm. Hierdurch wird ein mäanderförmiger
Leiter 2 gebildet. Der Leiter 2 ist an seinen beiden Enden
mit je einem elektrischen Anschlußpol 5 bzw. 6 versehen.
Wenn aus Gründen der elektrischen Leitfähigkeit des
supraleitenden Materials die Verwendung einer Platte 3
erforderlich ist, die sich nicht selbst trägt, so wird diese zur
Erhöhung ihrer Stabilität dauerhaft mit einem Träger (hier
nicht dargestellt) verbunden. Dieser kann aus einem
isolierenden Material oder einem metallischen Material
gefertigt sein. Bei Verwendung eines metallischen Materials wird
zwischen die Platte 3 und den Träger (hier nicht
dargestellt) ein Isoliermaterial (hier nicht dargestellt)
angeordnet. Nach dem Verbinden der Platte 3 mit einem solchen
Träger werden die Schlitze 4 wie oben beschrieben
ausgebildet. Bei dem hier gezeigten Beispiel sind in die Platte 3
Schlitze 4 mit einer Länge von 4,2 cm und einer Breite von
1 mm eingesägt. Der Abstand zweier benachbarter Schlitze 4
beträgt 2 mm. Der hierdurch gebildete Leiter 2 weist eine
Gesamtlänge von 169 mm und erfüllt die gewünschte
Strombegrenzung in der gewünschten Weise.
Aus der gleichen Platte 3 entsteht, wenn sie mit nur 12
Schlitzen der gleichen Länge versehen wird, ein Leiter mit
einer Länge von 67,7 cm. Der ohmsche Widerstand eines
solchen Leiters beträgt bei Raumtemperatur 0,70 Ohm. Bei 77 K
und einer kritischen Stromdichte von 87 A cm2 wird die
Supraleitung bei einer Stromstärke von etwa 25 A
unterbrochen.
In Fig. 2 ist eine weitere Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Strombegrenzers 1 in vergrößertem Maßstab
dargestellt. Dieser wird hierbei durch einen Träger 20 gebildet,
in dessen Oberfläche 20a eine mäanderförmige Nut 21
ausgebildet ist. Diese ist zur Ausbildung des Leiters 2 mit
supraleitendem Material 22 ausgefüllt. Die Nut 21 hat, damit
der hierdurch gebildete Leiter 2 die gleichen Eigenschaften
wie der in Fig. 1 dargestellte und in der zugehörigen
Beschreibung erläuterte Leiter 2 aufweist, die gleichen
Abmessungen wie dieser Leiter 2. Ist der Träger 20 aus einem
elektrisch leitenden Material hergestellt, so wird die Nut
21 zunächst mit einem Isoliermaterial (hier nicht
dargestellt) ausgekleidet.
Ist der Träger 20 aus einem isolierenden Material
gefertigt, so kann die Nut 21 unmittelbar mit dem
Ausgangsmaterial ausgefüllt werden, das später supraleitende
Eigenschaften aufweist. Durch eine entsprechende Nachbehandlung
erhält dieses Material 22 seine supraleitenden
Eigenschaften.
Wie Fig. 3 zeigt, kann der Leiter 2 des Strombegrenzers 1
auch aus einer Hülse 30 gebildet werden, die mit
supraleitendem Material 32 ausgefüllt ist. Die Hülse 30 ist so
gewalzt und gezogen, daß der Leiter 2 den gleichen
Querschnitt wie der in Fig. 1 dargestellte Leiter 2 aufweist.
Die Hülse 30 wird zusätzlich so gebogen, daß der Leiter 2
die gewünschte Mäanderform zeigt. Er wird an seinen Enden
zusätzlich mit elektrischen Anschlußpolen 5 versehen. Falls
es erforderlich ist, kann die als Leiter 2 dienende Hülse
30 mit einem Träger 40 verbunden werden, um die mechanische
Stabilität des Strombegrenzers 1 zu verbessern.
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| Anspruch[de] |
- 1. Resistiver Strombegrenzer mit wenigstens einem den
Nennstrom tragenden Leiter (2) aus einem
Hochtemperatur-Supraleiter-Material, dadurch gekennzeichnet, daß die
elektrisch wirksame Länge des Leiters (2) um mindestens
das dreifache größer ist als seine lineare Ausdehnung.
- 2. Resistiver Strombegrenzer nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Gesamtlänge des Leiters (2), sein
Querschnitt und der senkrechte Abstand seiner
Leiterabschnitte (2A) so gewählt sind, daß beim Überschreiten
der kritischen Stromdichte der sich im supraleitenden
Material oberhalb seiner Sprungtemperatur TC
einstellende ohmsche Widerstand eine Größe aufweist, die eine
Minderung des fließenden Stroms bewirkt.
- 3. Resistiver Strombegrenzer nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter (2) aus einer
supraleitenden Platte mit definierten Abmessungen
gefertigt ist.
- 4. Resistiver Strombegrenzer nach einem der Ansprüche 1 bis
3, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter (2) aus einer
supraleitenden, orthogonalen Platte gefertigt ist, die
zur Ausbildung des Leiters (2) mit Schlitzen (4)
versehen ist, welche in definiertem Abstand parallel und
alternierend zueinander in die beiden zur Längsachse
(3A, 3B) der Platte (3) verlaufenden Seiten geschnitten
sind.
- 5. Resistiver Strombegrenzer nach einem der Ansprüche 1
oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter (2)
durch eine mit supraleitendem Material (22) ausgefüllte
Nut (21) gebildet ist, die mäanderförmig in der
Oberfläche eines Trägers (20) angeordnet ist.
- 6. Resistiver Strombegrenzer nach einem der Ansprüche 1
oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter (2)
durch eine mit supraleitendem Material gefüllte Hülse
(30) gebildet ist, die durch Walzen und Ziehen an den
gewünschten Querschnitt des Leiters (2) angepaßt und
mäanderförmig angeordnet ist.
- 7. Resistiver Strombegrenzer nach einem der Ansprüche 1
bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das zur Fertigung
des Leiters (2) verwendete Hochtemperatur-Supraleiter-
Material ein polynäres Oxid ist, das Bismut, Calcium,
Strontium und Kupfer mit oder ohne Zusatz von Blei
enthält.
- 8. Resistiver Strombegrenzer nach einem der Ansprüche 1
bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter (2) aus
einem Hochtemperatur-Supraleiter-Material in Form eines
polynären Oxids besteht, das Yttrium und/oder ein
Seltenerdmetall sowie Barium und Kupfer enthält.
- 9. Resistiver Strombegrenzer nach einem der Ansprüche 1
bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter (2) aus
YBa2Cu3O6,9 oder Bi2Sr2CaCu2O8 oder Bi2Sr2Ca2Cu3O10
besteht.
- 10. Resistiver Strombegrenzer nach einem der Ansprüche 1
bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter (2) aus
NbTi, Nb3Sn oder Chevrel-Phasen besteht.
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