含至少两个由超导性导体带组成的导体组合的用于电阻式开关元件的导体配置

技术领域

本发明涉及一种用于电阻式开关元件的导体配置，包含至少一个第一和至少一个第二导体组合。这些导体组合分别包括各由至少一条超导性导体带构成的两个平行延伸形成一种双线结构的导体部分。例如由US6275365B1已知这种导体配置。

背景技术

在电网中由发电机向用户输送电能。在此过程中应避免短路，因为短路可能导致设备不可修复地损坏。避免电网中产生短路的一种可能性是，采用所谓的短路电流限制器。

就开关特性及运行成本而言，超导体短路电流限制器是一种特别适宜的形式。它们在工作时基于超导性没有或只有很小的功率损失，而且特征在于其迅速、可逆的开关。它们的工作原理基于在产生短路电流时将超导装置从超导状态转变为普通导电状态。串联在电网中的超导装置通过这种转变非常迅速地接通电网内一个限制短路电流的电阻。由此在遭遇短路电流时可以保护电网和与之连接的设备。在短路电流消退后，通过在冷却到低于临界温度后将超导装置从普通导电状态返回超导状态，短路电流限制器能够重新从电网排除附加电阻。此时又可以在电网内几乎无损失地经由电流限制器传输电流。

由现有技术，例如由US6275365B1，已知具有双线并列卷绕超导线圈的超导体短路电流限制器。一个线圈总是由一条导体带构成，导体带由两个导体部分组成以及绕圆柱形线圈芯卷绕。导体带沿自身折叠，此时形成这两个相邻的导体部分，而每个导体部分通过绝缘层相对于相邻的导体部分电隔离。相邻的线圈沿圆柱形线圈芯的轴线卷绕在不同位置。相邻的线圈可互相并联。然而在这里出现了线圈耐压强度方面的问题。在这种结构中，在两个外部线圈处，施加在线圈上的总电压减小。在额定电压尤其大于10kV时，基于所述导体部分之间必要的距离，所以电感、损失和位置需求都很大。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种具有前言所述特征的用于电阻式开关元件、尤其短路电流限制器的改进的导体配置，在结构紧凑的同时有高的耐压强度、小的电感和低的交变场损失，以及实现冷却剂达到所使用的导体带的良好的可达性。

上述技术问题通过权利要求1的特征得以解决。

按本发明的电阻式开关元件导体配置，包含至少一个第一和至少一个第二导体组合，它们分别由至少一条超导性导体带组成。在该导体配置中，每个导体组合包括由至少一条导体带构成的两个平行延伸形成一种双线结构的导体部分。所述至少一个第一和所述至少一个第二导体组合在一个公共平面内彼此相邻延伸并互相绝缘地形成一个共同的线圈绕组，其线匝基本上按螺旋线的方式延伸。

按本发明的导体配置有利的设计由各相关的从属权利得出。

按导体配置的一种优选的实施形式，所述螺旋线设计为阿基米德螺旋线，或对数螺旋线，或双曲线螺旋线，或费马螺旋线的形式。在这里一个导体组合的两个平行延伸形成一种双线结构的导体部分，分别在它们的末端和/或始端互相导电地和/或机械地连接，在这里设计至少一个连接位置。

按一种特别优选的实施形式，至少一个连接位置设计为两个尖顶彼此逐渐靠拢的始端和/或末端的形式。与之不同，所述至少一个连接位置也可以设计为U形，尤其朝U形一侧弯曲，和/或连接位置可以设计为双U形，尤其S形。至少一条导体带也可以在导体组合的至少一个连接位置有部分椭圆，尤其部分圆的形状。还可以组合所述连接位置的这些形状。

一项优选的实施形式规定，在公共平面内叠置至少两个连接位置。与之不同，也可以在公共平面内，在一个椭圆，尤其圆的圆周上，布置至少两个连接位置。在这方面特别优选的是，在所述圆周上均匀分布所述至少两个连接位置。优选地它们可以布置在螺旋线中心内或附近。

按一种优选的实施形式，超导性导体带包括高温超导材料。在相邻的导体部分之间，尤其在一个导体组合的相邻导体部分之间以及在相邻导体组合的相邻导体部分之间，设计一个绝缘装置。优选地，所过绝缘装置设计为至少一个定距器的形式，尤其是一个在相邻导体部分之间造成一个在2至3毫米范围内间距的定距器。

一个导体组合的两个导体部分特别优选地设计为，它们使电流沿相反的方向流动。相邻导体组合的相邻导体部分可以设计为，它们同样使电流沿相反的方向流动。

按导体配置的一种特别优选的实施形式，所述至少一个第一和所述至少一个第二导体组合并联。与之不同，所述至少一个第一和所述至少一个第二导体组合也可以串联。还可以组合不同导线组合的这些接线法。

导体组合的导体部分的连接位置优选地互相导电和/或机械地连接。此外，所述连接也应理解为事先分离的部分导电的和/或机械的连接，或理解为一种在由一个整体加工而成的导体部分中存在的电和/或机械连接。在第一种，亦即在连接事先分离部分情况下，所述连接可例如通过钎焊或电焊制成。

总之，本发明的基本思想在于，一个与要保护的电网串联的超导装置，在出现短路时从超导状态转变为普通导电状态，并因而非常迅速地在电网中接通一个电阻，它限制短路电流。在限制的情况下，总额定电压沿电流方向基本上沿导体配置线性减小。在这里导体带的配置必须最佳地满足规定的准则，这通过导体配置按本发明的设计可以有利地得到保证。

首先，导体带应布置为，使得产生尽可能低的电感，由此使电流限制器在普通状态下对于电网仿佛是‘看不见的’。原则上可以采取措施达到这一点，亦即将反向电流的导体区按彼此间尽可能小的距离布置。作为基本规则适用的是，导体间距应小于导体宽度。

配置导体带的另一个准则是，应选择一种配置，尽管电流限制器的额定电流为若干kA(Kilo Ampere)，在此配置中仍能产生尽可能低的交变场损失。大的交变场损失增加了总损失，并因而提高运行成本，以及要求使用更大并因而更昂贵的冷却设备。当磁通在超导体内进或出运动时，产生交变场损失。原则上可以保持小的交变场损失，为此通过适当并联各个横截面较小的导体，或通过一个装置，在此装置中形成的磁场，如在例如反向电流间距尽可能小的情况下那样，保持为较小。为达到这一效果，所述间距必须明显小于导体宽度。

导体带的配置应有尽可能紧凑的结构。这主要可通过开关元件内部的导体之间以及必要时存在的开关元件之间小的距离达到。

此外，导体带的配置应使冷却剂能有良好的可达性。通常采用液氮作为冷却剂。冷却剂进出导体带良好的可达性，允许在一次开关过程后迅速再冷却。这可采取下述措施达到：导体表面，除可能存在薄的绝缘层外，基本上露出可被冷却剂润湿。尤其是，导体配置应没有用例如环氧树脂浇注。为保证在一次开关过程后迅速再冷却，按本发明在相邻导体带之间最小距离约2-3mm就够了。

配置导体带的另一个准则是耐压强度。在介电试验时要求的耐压强度大体高于在限制的情况下所施加的大约与电网额定电压相应的电压5-10倍。为了在高压技术中使用，耐压强度是特别重要的，通常通过加大间距、表面用塑料涂层或通过浇注环氧树脂达到。因此这些为了达到耐压强度所提出的要求与前面列举的其他要求相矛盾。通过电阻式开关元件，亦即电流限制器，按本发明提供的实施形式，保证在这些准则之间的最佳化。

尤其是，至少一个第一和至少一个第二导体组合的导体配置，所述导体组合分别由超导性导体带形成一种双线结构，并在一个公共平面内按螺旋线的形式平行延伸，提供了一种按上述准则的最佳实施形式。形式上为至少一个定距器的绝缘装置导致冷却剂良好的可达性以及造成导体带最佳间距。在一个平面内配置，可以实现一种特别紧凑的结构。导体组合例如并联，导致在所有相邻导体带内反向的电流并因而使损失最小。

通过并联多条导体带，使各导体条带在大直径线圈的情况下保持自身短的长度。由此也保持每个线圈低的额定电压。其结果是不存在这样的必要性，即，基于耐压强度的原因将带的间距增大到超过根据准则有利的2-3mm的距离。通过小间距双线的布置，使产生的磁场最小，这不仅导致低的电感，而且也造成小的交变场损失。在低压电流限制器中，这种布置同样是有利的，因为通过带的并联可以使用更大的线圈，并因而可以显著改善空间利用率。

通过按本发明的导体带配置，解决了如在按现有技术的双线扁平型线圈或嵌套式螺管线圈中存在的耐压强度方面的问题，因为在两个外匝之间实际上降低了施加在线圈上的总电压。这种紧凑的结构，减少了按现有技术高压时在串联多个小线圈的配置中，或在大额定电流时也会在并联的线圈中产生的那种损失。在多个线圈沿轴向串联布置的结构形式中，导致一种不利的狭长的几何形状，而在线圈并列地平行堆叠配置时，必然导致恶化低温恒温器中的空间利用率。在按本发明的配置中解决了这些疑难问题。

增大线圈直径也导致降低空间利用率、加大电感和提高交变场损失。通过增大线圈直径使每个线圈的导体长度以及每个线圈的额定电压增加。其结果是，为了确保耐压强度也必须加大导体带之间的距离。为了使用大电流，通过增加导体宽度或通过并联布置多个窄带线圈，有可能加大每条带的临界电流。如果不能使用在线圈之间距离很小的双线布局，则导体电流的增大超比例地严重增加了交变场损失。并联多个窄带线圈又会降低空间利用率。反之，按本发明的导体带配置则提供可能性，在损失最小的同时保证最佳的空间利用率。

附图说明

下面借助附图详细说明本发明优选的实施形式和按从属权利要求所述特征的有利的扩展设计，但不应受此限制。附图中对应的部分总是赋予相同的符号。

附图分别采用示意图，其中：

图1表示用于电阻式开关元件的按本发明包括三个导体组合的导体配置；

图2表示与图1中类似的导体配置，但包括六个而不是三个导体组合；

图3表示与图1中类似的导体配置，有U形连接位置；

图4表示与图3中类似的导体配置，有U形或S形连接位置；

图5表示与图1中类似的导体配置，有尖顶状连接位置；以及

图6表示类似于图4的导体配置，有嵌套式连接位置。

具体实施方式

图1示意表示按本发明用于电阻式开关元件的导体配置1A，它包括三个导体组合，亦即导体组合10、20和30。每个导体组合10、20、30由至少一条超导性导体带2组成。每个导体组合10、20、30有两个平行延伸形成双线结构的导体部分11、12或21、22或31、32，它们各有一个中心连接位置15、25、35。导体组合10、20、30在一个公共平面内彼此相邻地布置并且相互绝缘。导体组合10、20、30构成一个共同的线圈绕组，它的线匝基本上按螺旋线的方式延伸。导体组合10、20、30的连接位置15、25、35分别设计为部分圆形，以及在所述平面内设置与绕螺旋线中心70的圆半径71相切。

在一个导体组合10、20、30的两个相邻导体部分11、12或21、22或31、32之间分别安置定距器3，它用作导体带2之间的电绝缘子。在图1中定距器3用波形线表示。它可以设计为不同结构，尤其可以将导体带2不仅沿垂直于图纸平面的方向，而且沿所述平面固定，亦即彼此相对固定。通常定距器3用塑料，如聚四氟乙烯，或用其他低温下稳定的电绝缘材料制成。定距器3的形状设计为，使它允许冷却剂有进出导体带2良好的可达性。在这里尤其将液氮用作冷却剂，但也可以采用其他冷却剂，例如液态氦或液态氖。

导体带2可以用超导性材料制成，例如由在银膜内的高温超导材料Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O(BSCCO)构成，或例如由施加在一条钢带上的Selten-Erden-Kupfer-Oxid YBCO构成。导体带的一种特别优选的形式通过设计为所谓勒贝儿导体得到。也可以在普通的导电材料内或上，组合各种低转变温度的超导性材料(LTS材料)，如NbTi或Nb₃Sn，和/或高温超导体(HTS)材料。

双线导体组合10、20、30的导体带2可以由一件或由复合在一起的多件组成。在使用一件式导体带2的情况下，导体组合10、20、30通过上下折叠导体带2组成，其中折叠位置在下面称为连接位置15、25、35，以及导体部分11、12或21、22或31、32互相连接在一起。在复合式导体带2的情况下，通过上下堆叠两条导体带2形成一个双线导体组合10、20、30，其中一端尤其形状配合式地机械及导电地拼合，并因而使导体部分11、12或21、22或31、32分别机械和电互相复合在一起。在这种情况下，导体带2在那里拼合的位置，在下面称为连接位置15、25、35。在后一种情况下，拼合可例如通过钎焊实现。

在所述至少一条导体带2的与连接位置15、25、35的相对置端，亦即图1中螺旋线的外边缘，在这些导体部分11、12、21、22、31、32上分别装上用于电触点接通的接头13、14、23、24、33、34。导体部分11、12、21、22、31、32可以通过这些接头13、14、23、24、33、34电触点接通，尤其串联或上下并联，以及施加正或负的外电压。

图1所表示的实施例中，接头13、14、23、24、33、34均匀布置在螺旋线外圆半径上。一个导体组合的一个导体部分总是置于与正电位接触状态，而一个导体组合的另一个导体部分总是置于与负电位接触状态(正电位+或负电位-)，此时一个双线导体组合10或20或30的接头13、14或23、24或33、34总是彼此相邻地布置在圆半径上。导体组合以这样的方式配置和电触点接通，亦即使直接相邻的导体组合的直接相邻的导体部分所施加的电位各有相反的符号。

在图1中三个导体组合10、20、30的导体带2的连接位置15、25、35分别设计为部分圆形。它们布置在螺旋线内部，在围绕螺旋线中心70的一个圆71上。在圆71上，在这种情况下是指连接位置15、25、35圆的形状分别与所述围绕中心70的圆71尤其准确地在一个点相切。

图2示意表示按本发明的导体配置1B另一种可选择的实施形式。与图1所示导体配置1A的区别在于，图2中的导体配置1B有六个而不是三个导体组合。在图2中导体组合10、20、30、40、50、60与其各自导体部分11、12或21、22或31、32或41、42或51、52或61、62以及连接位置15、25、35、45、55、65的形状和布局，除了由于增加了导体组合的数量因而空间尺寸不同外，与图1中导体组合10、20、30与其各自导体部分11、12或21、22或31、32以及连接位置15、25、35的形状和布局类似。

图3示意表示按本发明的导体配置1C再另一种可选择的实施形式。与图1所示导体配置1A的区别在于，图3中的导体配置1C有互相套叠的导体组合10、20、30和排列在一条直线72上叠置的连接位置15、25、35。定距器3设在这些导体带2之间。连接位置15、25、35分别设计为U形，在这里，U形通过将线匝卷绕成向一侧方向弯曲的螺旋线形成。图3所示按本发明的实施形式，与图1所示按本发明的导体配置1A实施形式的另一个区别在于，在本配置中提供接头13、14、23、24、33、34。图3中的这些接头不是像图1中那样均匀地布置在螺旋线的圆周上，而是在图纸平面内，在螺旋线圆周的一个地方上下堆叠。图1所示实施形式的优点是，它比图3所示的实施形式有更高的耐压强度，因为所述接头彼此有更大的空间距离。不过在某些情况下，出于接触技术方面的原因，图3中表示的配置可能是有利的。

图4示意表示按本发明的导体配置1D再另一种可选择的实施形式。类似于图3中表示的导体配置1C，图4中的导体配置1D有互相套叠的导体组合10、20、30和排列在一条直线72上叠置的连接位置15、25、35，它们设计为U形或S形。定距器3设在这些导体带2之间。与图3所示实施形式的区别在于，导体组合10、20、30各第一导体部分11、21、31的接头12、22、32，总是在螺旋线的一个圆周侧，沿在图纸平面内通过螺旋线中心的一条直线上下叠置，而导体组合10、20、30各第二导体部分14、24、34的接头13、23、33，则在螺旋线的另一相对置的那个圆周侧叠置在同一条直线上。所说明的本发明图4所示的实施形式有一种很高的耐压强度。

图5示意表示按本发明的导体配置1E再另一种可选择的实施形式，它包括尖顶逐渐靠拢的连接位置15、25、35。类似于图1所示导体配置1A，在图5的导体配置1E中没有设计导体组合10、20、30互相套叠，而是并列堆叠的连接位置15、25、35。在图5所示实施例中，导体部分从螺旋线外向内观察的堆叠顺序为11、12、21、22、31、32，因此一个导体组合的导体部分总是彼此相邻排列。与之不同，在图3和图4所示实施形式中，导体部分从螺旋线外向内的堆叠顺序则为31、21、11、12、22、32。因此，在后一种情况下导体组合互相套叠，亦即嵌套，以及除最里面和最外面的导体组合10和30外，导体部分始终只和另一个导体组合的导体部分直接相邻。在图5中，在螺旋线内部的连接位置15、25、35，在图纸平面内沿一条弯曲线72上下堆叠。

图6表示按本发明的导体配置1F另一种实施例，其中设计为尖顶的连接位置互相嵌套地排列。因此，除连接位置15、25、35的形状外，图6所示实施形式与图3中表示的实施形式1C一致。

可以组合图1至图6中表示的本发明实施形式1A至1F的各项特征。尤其接头的布局可以与连接位置的配置无关地选择。