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Dokumentenidentifikation DE10061340A1 06.06.2002
Titel Strombegrenzungseinrichtung mit stromführenden Hochtemperatur-Supraleiterbahnen
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Fischer, Stefan, Dr., 12161 Berlin, DE;
Volkmar, Ralf Reiner, 23758 Oldenburg, DE
DE-Anmeldedatum 05.12.2000
DE-Aktenzeichen 10061340
Offenlegungstag 06.06.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 06.06.2002
IPC-Hauptklasse H02H 9/02
IPC-Nebenklasse H01B 12/06   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine Strombegrenzungseinrichtung mit auf einer Platte (PL) angeordneten stromführenden Hochtemperatur-Supraleiterbahnen (HTSL), insbesondere für die Mittelspannungstechnik, wobei die Hochtemperatur-Supraleiterbahnen (HTSL) eine Leiterbahnstruktur (LBS) mit unverzweigten Leiterbahnen bilden.
Die Leiterbahnstruktur (LBS) der Hochtemperatur-Supraleiterbahnen (HTSL) ist durch eine seriell und parallel verzweigte Linienstruktur (LST) bzw. durch eine geschlossene Netzwerkstruktur (GNW) ersetzt, wobei die Linienstruktur (LST) durch Vervielfachung eines Linienelements (LE...) mit identischer Grundstruktur und die Netzwerkstruktur (GWN) durch Grundelementausnehmungen (GA) realisiert ist.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Strombegrenzungseinrichtung mit auf einer Platte angeordneten stromführenden Hochtemperatur- Supraleiterbahnen, insbesondere für die Mittelspannungstechnik, wobei die Hochtemperatur-Supraleiterbahnen eine Leiterbahnstruktur mit unverzweigten Leiterbahnen bilden.

Eine Strombegrenzungseinrichtung der eingangs definierten Art ist beispielsweise durch die WO 00/04589 bekannt.

Die Strombegrenzungseinrichtung enthält isolierende Tragekörper in Form von Platten, auf denen Hochtemperatur-Supraleiterbahnen angeordnet sind. Die Hochtemperatur-Supraleiterbahnen selbst sind linienförmig ausgebildet und miteinander verbunden. Die Hochtemperatur-Supraleiterbahnen weisen dementsprechend gerade und gebogene Leiterbahnabschnitte auf.

Zur Optimierung der maximalen Schaltleistung ist hier vorgeschlagen, die gebogenen Leiterbahnabschnitte der Strombegrenzungseinrichtung bezüglich ihrer Außen- und Innenradien in einem bevorzugten Verhältnis zueinander auszuführen.

Auch das Verhältnis der Radien zur Leiterbahnbreite selbst ist in bestimmten Grenzen zu halten, da es sonst zu unerwünscht hohen Wärmeentwicklungen an den Innenseiten der Radien der supraleitenden Schichten kommen kann. Zu hohe thermische Belastungen können zum Durchbrennen der Leiterbahnen und zu Beschädigungen derselben und deren Tragekörper führen, so dass die Supraleiterstruktur unbrauchbar und der Strombegrenzer nicht mehr funktionsfähig ist. Ursache dafür sind, bedingt durch Inhomogenitäten oder Fehlerstellen innerhalb der Struktur der Hochtemperatur-Supraleiterbahnen, unerwünscht lokal ablaufende Quenchvorgänge, bei denen an den lokalen hochohmigen Bereichen die gesamte anliegende Spannung abfällt und somit die gesamte über die Leiterbahn geführte elektrische Leistung dort in Wärme umgewandelt wird. Die lokalen Stellen werden somit überhitzt, ggf. aufgeschmolzen und über den dann entstehenden Lichtbogen gänzlich zerstört.

Durch Inhomogenitäten der Schicht der Hochtemperatur-Supraleiterbahnen wird also der sogenannte Quenchvorgang nicht - wie beabsichtigt - gleichzeitig über die gesamte Länge der Hochtemperatur-Supraleiterbahnen sondern nur lokal im Fehlerbereich der Schicht eingeleitet.

Die Strombegrenzungseinrichtung ist dementsprechend nicht mehr voll funktionsfähig bzw. für den bestimmungsgemäßen Gebrauch nicht mehr einsatzfähig.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, eine Strombegrenzungseinrichtung hinsichtlich ihrer Belastung im Kurzschlussfall so auszulegen, dass Beeinträchtigungen durch Inhomogenitäten der Schichten der Hochtemperatur-Supraleiterbahnen weitestgehend gemindert sind, und darüber hinaus die Anpassung der Strombegrenzungseinrichtung an die unterschiedlichen Strom- und Spannungsbelastungen der Mittelspannungstechnik in einfacher Weise zu ermöglichen.

Erfindungsgemäß wird dies durch die Merkmale

  • 1. 1.1 die Leiterbahnstruktur LBS der Hochtemperatur-Supraleiterbahnen HTSL ist durch eine seriell und parallel verzweigte Linienstruktur LST ersetzt,
  • 2. 1.2 die seriell und parallel verzweigte Linienstruktur LST ist durch Vervielfachung eines Linienelements LE . . . mit geometrisch identischer Grundstruktur erreicht,
gelöst.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, zur Überwindung der bekannten Schwierigkeiten von den bisher bevorzugten unverzweigten Linienstrukturen für die Hochtemperatur-Supraleiterbahnen der Strombegrenzungseinrichtung abzugehen und dafür die positiven Eigenschaften einer verzweigten Linienstruktur auf die Ausgestaltung der Hochtemperatur-Supraleiterbahnen zu übertragen. Der besondere Vorteil dieser verzweigten Linienstruktur ist darin zu sehen, dass sich der geführte Strom über mehrere Leiterbahnen anstatt nur über eine einzige verteilt ausbreitet. Der Strom ist demnach gleichmäßiger über die gesamte Plattenfläche der Strombegrenzungseinrichtung verteilt.

Kommt es hier wegen vorhandener Inhomogenität der Schicht der Hochtemperatur-Supraleiterbahnen an einer lokal begrenzten Stelle zu einem unerwünschten Quenchvorgang, so ist der Spannungsabfall proportional zur Anzahl der parallelen Leiterbahnen aufgeteilt und die an der hochohmigen Quenchstelle eingebrachte Wärmeenergie dementsprechend geringer. Die Möglichkeit der lokalen Überhitzung und die damit verbundene Zerstörung der Supraleiterbahnen und ggf. auch der Platten ist damit erheblich herabgesetzt.

Eine weiterführende Steigerung der Anzahl parallel liegender Leiterbahnen ist erfindungsgemäß durch die Merkmale

  • 1. 2.1 die Leiterbahnstruktur der Hochtemperatur-Supraleiterbahnen ist durch eine geschlossene Netzwerkstruktur ersetzt,
  • 2. 2.2 die Netzwerkstruktur ist mit leistungsbedarfsangepassten Grundelementausnehmungen versehen, und
  • 3. 2.3 die Grundelementausnehmungen sind innerhalb der Netzwerkstruktur derart verteilt angeordnet, dass die Hochtemperatur- Supraleiterbahnen vollflächig parallel und seriell verzweigte Leitungszüge mit annähernd gleich großen Flächen bilden,
erreicht.

Mit der Überführung der unverzweigte Leiterbahnstruktur in eine gänzlich geschlossenen Netzwerkstruktur mit den leistungsbedarfsangepaßten Grundelementausnehmungen wird der Grad der Leistungsoptimierung für die Leiterbahnen hinsichtlich ihrer Parallelanordnung und Verteilung auf der gesamten Platte noch zusätzlich gesteigert. Werden die stromführenden Leiterbahnen so gestaltet, dass sich in jedem Knotenpunkt kurze gerade Leiterbahnabschnitte als Verbindungsstege zu den benachbarten Leiterbahnabschnitten und deren Knotenpunkte ergeben, so wird bei einem Quenchvorgang der Temperaturanstieg in einem Leiterbahnabschnitt unmittelbar auch an dessen benachbarte Verbindungsstege übertragen und führt dort ebenfalls zur Temperaturerhöhung. Der Quenchvorgang wird durch diesen Lawineneffekt praktisch vollflächig eingeleitet.

Erfolgt bei der geschlossenen Netzwerkstruktur der Quenchvorgang dagegen nur im Bereich einer lokalen Leiterbahn mit fehlerbehafteter Leiterbahnstruktur, so wird dort nur der anteilige Strom- und Spannungswert in Wärme umgesetzt, die aufgrund der umgebenen freien Flächen gut abgeführt werden kann. Der Quenchvorgang verläuft über die gesamte Platte gesehen insgesamt weicher, d. h. zeitlich gedehnt und über die Fläche der Platte gesehen annähernd gleichmäßig verteilt.

Darüber hinaus ist mit der praktisch wabenförmigen geschlossenen Netzwerkstruktur bei gleichen äußeren Abmessungen der Platten eine variable Ausgestaltung der Geometrie der Leiterbahnen und damit eine flexible Anpassung an die Leistungsanforderungen für die Strombegrenzungseinrichtungen erreicht. Gemäß von vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung sind alternativ die Merkmale

  • 1. 3.1 die Grundelementausnehmungen weisen eine eckige Umfangsstruktur, vorzugsweise eine Dreieck-, Viereck-, Hexagon- oder Oktogonstruktur, auf und
  • 2. 4.1 die Grundelementausnehmungen weisen eine beliebige Umfangsstruktur auf,
vorgesehen.

Die Grundelementausnehmungen innerhalb der geschlossenen Netzwerkstruktur ermöglichen somit eine optimale Anpassung an die Leistungsanforderungen für die Strombegrenzungseinrichtungen, wobei die funktionsbedingt entstehende Verlustwärme optimal auf der gesamten Plattenfläche der jeweiligen Strombegrenzungseinrichtungen verteilt ist.

Als wesentlich für die Erfindung ist außerdem hervorzuheben, dass sich die Strombegrenzungseinrichtungen mit ihren Hochtemperatur-Supraleiterbahnen sowohl in Dünnfilmschichttechnik auf den Trägersubstraten als auch in sogenannter Dickfilmschichttechnik, beispielsweise zwischen Metallschichten, realisieren lassen.

Die Erfindung wird durch ein figürlich dargestellte Ausführungsbeispiele näher erläutert, wobei

Fig. 1 die unverzweigte Leitungsstruktur der Hochtemperatur-Supraleiterbahnen der bekannten Strombegrenzungseinrichtung zeigt,

Fig. 2 die verzweigte Linienstruktur einer möglichen Ausführungsform der Erfindung abbildet,

Fig. 3 die geschlossene Netzwerkstruktur einer weiteren möglichen Ausführungsform der Erfindung erkennen läßt, und

Fig. 4 und 5 Kombinationen von unverzweigten Leiterbahnen mit in sich verzweigter Linienstruktur und in sich geschlossener Netzwerkstruktur darstellen.

Die Fig. 1 zeigt eine bekannte Strombegrenzungseinrichtung mit auf einer Platte PL unverzweigt angeordneter Leiterbahnstruktur LBS. Die Platte PL ist durch ein sogenanntes Trägersubstrat TS realisiert, auf dem die Hochtemperatur-Supraleiterbahn HTSL in Dünnfilmschichttechnik DUS aufgetragen ist.

Die Fig. 2 läßt im wesentlichen die seriell und parallel verzweigte Linienstruktur LST der Hochtemperatur-Supraleiterbahnen erkennen. Die verzweigte Linienstruktur LST wird praktisch durch die Vervielfachung des Linienelements LE mit geometrischer identischer Grundstruktur auf der Platte PL erreicht.

Die erfindungsgemäße Hochtemperatur-Supraleiterbahn HTSL gemäß der Fig. 3 ist ebenfalls verzweigt und weist insgesamt eine geschlossene Netzwerkstruktur GNW auf, die sich im wesentlichen durch die symmetrische Verteilung der Grundelementausnehmungen GA über die gesamte Platte PL der Strombegrenzungseinrichtung ergibt. Mit den Grundelementausnehmungen GA sind die Hochtemperatur-Supraleiterbahnen HTSL praktisch wie in einem Netzwerk parallel und seriell direkt miteinander verknüpft, so dass sich zwischen den jeweils benachbarten Grundelementausnehmungen GA die mit den Pfeilen angedeuteten Teilströme gleichmäßig verteilen. Daraus resultiert eine über die gesamte Fläche der geschlossenen Netzwerkstruktur GWN annähernd gleich verteilte Strom- und Spannungsbelastung im Betriebszustand der Strombegrenzungseinrichtung. Damit ist sichergestellt, dass - bedingt durch Inhomogenitäten innerhalb Hochtemperatur-Supraleiterbahn-Schicht vereinzelt auftretende Quenchvorgänge in ihren schädlichen Auswirkungen auf ein Minimum begrenzt sind, da im Gegensatz zu den streng linienförmigen Leitungsstrukturen bei der geschlossenen Netzwerkstruktur GNW durch die Aufteilung in Teilströmen lokale Fehlerstellen auch nur entsprechend gering belastet sind. Die lokale Wärmebelastung ist also geringer und kann im Hinblick auf die größeren fehlerfreien Restflächen der Spannungsbegrenzungseinrichtung ohne nennenswerte Schwierigkeiten in kurzer Zeit abgeführt werden.

Die geschlossene Netzwerkstruktur GNW kann für die Strombegrenzungseinrichtungen sowohl in Dünnfilmtechnik im Zusammenhang mit Substraten als auch in Dickfilmtechnik mit und ohne Substrate angewendet werden.

Mit den Fig. 4 und 5 ist angedeutet, dass zur Realisierung der Spannungsbegrenzungseinrichtungen in Verbindung mit flexibler Anpassung an die unterschiedlichen Leistungsanforderungen auch Hochtemperatur-Supraleiterbahnen in Form von Linien mit in sich überwiegend geschlossener Netzwerkstruktur denkbar wären.


Anspruch[de]
  1. 1. Strombegrenzungseinrichtung mit auf einer Platte (PL) angeordneten stromführenden Hochtemperatur-Supraleiterbahnen (HTSL), insbesondere für die Mittelspannungstechnik, wobei die Hochtemperatur-Supraleiterbahnen (HTSL) eine Leiterbahnstruktur(LBS) mit unverzweigten Leiterbahnen bilden, gekennzeichnet durch die Merkmale
    1. 1. 1.1 die Leiterbahnstruktur (LBS) der Hochtemperatur-Supraleiterbahnen (HTSL) ist durch eine seriell und parallel verzweigte Linienstruktur (LST) ersetzt,
    2. 2. 1.2 die seriell und parallel verzweigte Linienstruktur (LST) ist durch Vervielfachung eines Linienelements (LE . . .) mit geometrisch identischer Grundstruktur erreicht.
  2. 2. Strombegrenzungseinrichtung mit auf einer Platte (PL) angeordneten stromführenden Hochtemperatur-Supraleiterbahnen (HTSL), insbesondere für die Mittelspannungstechnik, wobei die Hochtemperatur-Supraleiterbahnen (HTSL) eine Leiterbahnstruktur(LBS) mit unverzweigten Leiterbahnen bilden, gekennzeichnet durch die Merkmale
    1. 1. 2.1 die Leiterbahnstruktur (LBS) der Hochtemperatur-Supraleiterbahnen (HTSL) ist durch eine geschlossene Netzwerkstruktur (GNW) ersetzt,
    2. 2. 2.2 die Netzwerkstruktur (GNW) ist mit leistungsbedarfsangepassten Grundelementausnehmungen (GA) versehen,
    3. 3. 2.3 die Grundelementausnehmungen (GA) sind innerhalb der Netzwerkstruktur (GNW) derart verteilt angeordnet, dass die Hochtemperatur-Supraleiterbahnen (HTSL) vollflächig parallel und seriell verzweigte Leitungszüge mit annähernd gleich großen Flächen bilden.
  3. 3. Strombegrenzungseinrichtung mit auf einer Platte (PL) angeordneten stromführenden Hochtemperatur-Supraleiterbahnen (HTSL), nach Patentanspruch 2, gekennzeichnet durch das Merkmal
    1. 1. 3.1 die Grundelementausnehmungen (GA) weisen eine eckige Umfangsstruktur, vorzugsweise eine Dreieck-, Viereck-, Hexagon- oder Oktogonstruktur, auf.
  4. 4. Strombegrenzungseinrichtung mit auf einer Platte (PL) angeordneten stromführenden Hochtemperatur-Supraleiterbahnen (HTSL), nach Patentanspruch 2, gekennzeichnet durch das Merkmal
    1. 1. 4.1 die Grundelementausnehmungen (GA) weisen eine beliebige Umfangsstruktur auf.
  5. 5. Strombegrenzungseinrichtung mit auf einer Platte (PL) angeordneten stromführenden Hochtemperatur-Supraleiterbahnen (HTSL), nach Patentanspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch das Merkmal
    1. 1. 5.1 die stromführenden Hochtemperatur-Supraleiterbahnen (HTSL) sind in Dünnfilmschichttechnik ausgeführt.
  6. 6. Strombegrenzungseinrichtung mit auf einer Platte (PL) angeordneten stromführenden Hochtemperatur-Supraleiterbahnen (HTSL), nach Patentanspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch das Merkmal
    1. 1. 6.1 die stromführenden Hochtemperatur-Supraleiterbahnen (HTSL) sind in Dickfilmschichttechnik ausgeführt.






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