DE10032368A1

DE10032368A1 - Superconducting device with a resistive current limiter unit using high-T¶c¶ superconducting material

Info

Publication number: DE10032368A1
Application number: DE10032368A
Authority: DE
Inventors: Heinz-Werner Neumueller; Guenter Ries
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2000-07-04
Filing date: 2000-07-04
Publication date: 2002-01-24
Also published as: WO2002003401A1

Abstract

The superconductor (2) comprises a current-limiting unit (7) and a winding (4, 5), each containing high-Tc superconducting material. Refrigeration means (KM) are provided for cooling parts to an operating temperature. The current-limiting unit (7) is integrated by supply leads (9a, 9b) into the winding circuit (4) at the temperature level (T) of the refrigeration means (KM), forming a series connection. a common cryostat (10) is preferably provided for the current-limiting unit (7) and the winding (4, 5).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Supraleitungseinrichtung mit mindestens einer resistiven Strombegrenzereinheit, die wenigstens eine für einen Nennstrom ausgelegte Leiterbahn aufweist, welche Hoch-T_c-Supraleitermaterial enthält, von einem Kältemittel auf Betriebstemperatur zu kühlen ist und an ihren Enden mit Anschlussleitern verbunden ist. Eine entspre chende Supraleitungseinrichtung geht aus der EP 0 829 101 B1 hervor.The invention relates to a superconductor device with at least one resistive current limiter unit which has at least one conductor track designed for a nominal current, which contains high-T _c superconductor material, is to be cooled to operating temperature by a refrigerant and is connected at its ends to connecting conductors. A corresponding superconducting device can be found in EP 0 829 101 B1.

In elektrischen Wechselstromversorgungsnetzen können Kurz schlüsse und elektrische Überschläge nicht mit Sicherheit vermieden werden. Dabei steigt der Wechselstrom im betroffe nen Stromkreis sehr schnell, d. h. innerhalb der ersten Halb welle, auf ein Vielfaches seines Nennwertes an, bis er durch geeignete Sicherungs- und/oder Schaltmittel unterbrochen wird. Als Folge davon treten in allen betroffenen Netzkompo nenten wie Leitungen, Sammelschienen, Schaltern und Transfor matoren erhebliche thermische sowie mechanische Belastungen durch Stromkräfte auf. Da diese kurzzeitigen Lasten mit dem Quadrat des Stromes zunehmen, kann eine sichere Begrenzung des Kurzschlussstromes auf einen niedrigeren Spitzenwert die Anforderungen an die Belastungsfähigkeit dieser Netzkomponen ten erheblich reduzieren. Dadurch lassen sich Kostenvorteile erreichen, etwa beim Aufbau neuer als auch beim Ausbau beste hender Netze, indem durch einen Einbau von Strombegrenzerein heiten ein Austausch von Netzkomponenten gegen höher belast bare Ausführungsformen vermieden werden kann.In electrical AC power networks, short short circuits and electrical arcing are not certain be avoided. The alternating current in the affected increases circuit very quickly, d. H. within the first half wave, to a multiple of its nominal value until it passes through suitable fuse and / or switching means interrupted becomes. As a result, occur in all affected network compos components such as cables, busbars, switches and transfor considerable thermal and mechanical loads by current forces. Since these short-term loads with the Increasing the square of the current can be a sure limitation of the short-circuit current to a lower peak value Requirements for the load capacity of these network components reduce considerably. This allows cost advantages achieve, for example, when building new ones as well as when expanding existing networks by installing current limiters exchange of network components for higher loads bare embodiments can be avoided.

Mit supraleitenden Strombegrenzereinheiten vom resistiven Typ kann in an sich bekannter Weise der Stromanstieg nach einem Kurzschluss auf einen Wert von wenigen Vielfachen des Nenn stromes begrenzt werden. Darüber hinaus ist eine solche Begrenzereinheit kurze Zeit nach Abschaltung wieder betriebs bereit. Sie wirkt also wie eine schnelle, selbstheilende Si cherung. Dabei gewährleistet sie eine hohe Betriebssicher heit, da sie passiv wirkt, d. h. autonom ohne vorherige Detek tion des Kurzschlusses und ohne aktive Auslösung durch ein Schaltsignal arbeitet.With superconducting current limiter units of the resistive type can the current increase after a Short circuit to a value of a few multiples of the nominal current can be limited. Beyond that one Limiter unit operational again a short time after switching off ready. So it acts like a quick, self-healing Si insurance. It guarantees a high level of operational reliability because it acts passively, d. H. autonomous without prior detection short circuit and without active triggering by a Switching signal works.

Resistive supraleitende Strombegrenzereinheiten der eingangs genannten Art bilden eine seriell in einen Stromkreis z. B. mit einem Transformator einzufügende supraleitende Schalt strecke. Dabei wird der Übergang mindestens einer supralei tenden Leiterbahn vom praktisch widerstandslosen kalten Be triebszustand unterhalb der Sprungtemperatur T_c des verwende ten Supraleitermaterials in den normalleitenden Zustand über T_c hinaus (sogenannter "Quench") ausgenutzt, wobei der nun vorhandene elektrische Widerstand R_n der Leiterbahn den Strom auf eine akzeptable Höhe I = U/R_n begrenzt. Die Erwärmung über T_c geschieht durch Joule'sche Wärme in dem Supraleiter der Leiterbahn selbst, wenn nach Kurzschluss die Stromdichte j über den kritischen Wert j_c des Supraleitermaterials an steigt. Dabei kann das Material auch unterhalb von T_c bereits einen endlichen elektrischen Widerstand annehmen. Im begren zenden Zustand oberhalb von T_c fließt in dem Stromkreis ein vorteilhaft verminderter Reststrom solange weiter, bis der Stromkreis z. B. mittels eines zusätzlichen mechanischen Trennschalters völlig unterbrochen wird.Resistive superconducting current limiter units of the type mentioned initially form a series in a circuit z. B. distance to be inserted with a transformer superconducting switching. The transition of at least one superconducting conductor path from the practically unrestricted cold operating state below the transition temperature T _{c of} the superconductor material used to the normally conductive state beyond T _c (so-called "quench") is used, the electrical resistance R _{n of} the conductor path now present limits the current to an acceptable level I = U / R _n . The heating above T _c takes place through Joule's heat in the superconductor of the conductor track itself, if after a short circuit the current density j rises above the critical value j _{c of} the superconductor material. The material can already assume a finite electrical resistance below T _c . In the limiting state above T _c , an advantageously reduced residual current continues to flow in the circuit until the circuit z. B. is completely interrupted by means of an additional mechanical disconnector.

Supraleitende Strombegrenzereinheiten mit bekannten metallo xidischen Hoch-T_c-Supraleitermaterialien (sogenannten "HTS"- Materialien), deren T_c so hoch liegt, dass sie mit flüssigem Stickstoff (LN₂) von höchstens 77 K im supraleitenden Be triebszustand zu halten sind, zeigen eine schnelle Zunahme des elektrischen Widerstandes beim Überschreiten von j_c. Die Erwärmung in den normalleitenden Zustand und somit die Strom begrenzung geschehen dabei in hinreichend kurzer Zeit, so dass der Spitzenwert eines Kurzschlussstromes auf einen Bruchteil des unbegrenzten Stromes, etwa auf den 3- bis 10fachen Wert des Nennstromes begrenzt werden kann. Der sup raleitende Strompfad sollte dabei in gut-wärmeleitendem Kon takt mit einem geeigneten Kältemittel stehen, das ihn in ver hältnismäßig kurzer Zeit nach Überschreitung von j_c in den supraleitenden Betriebszustand wieder zurückzuführen vermag.Superconducting current limiter units with known metal oxide high-T _c superconductor materials (so-called “HTS” materials) whose T _{c is} so high that they can be kept in the superconducting operating state with liquid nitrogen (LN ₂ ) of at most 77 K a rapid increase in electrical resistance when j _{c is} exceeded. The heating to the normally conductive state and thus the current limitation take place in a sufficiently short time so that the peak value of a short-circuit current can be limited to a fraction of the unlimited current, for example to 3 to 10 times the value of the nominal current. The superconducting current path should be in good heat-conductive contact with a suitable refrigerant, which can return it to the superconducting operating state in a relatively short time after exceeding j _c .

Mit der aus der eingangs genannten EP-B-Schrift zu entnehmen den Strombegrenzereinheit sind entsprechende Anforderungen zu erfüllen. Die bekannte Einrichtung weist einen Trägerkörper aus einem elektrisch isolierenden Material wie z. B. aus Y- stabilisiertem ZrO₂ (sogenanntem "YSZ") oder aus Glas auf, auf welchem unmittelbar oder über mindestens eine Zwischen schicht ein metalloxidisches HTS-Material in Form einer zu mindestens einer Leiterbahn strukturierten Schicht aufge bracht ist. Die Leiterbahn kann dabei insbesondere als Mäan der gestaltet sein (vgl. EP 0 523 374 B1). An ihren Enden ist die Leiterbahn der bekannten Begrenzereinheit mit weiteren, normalleitenden Anschlussleitern zur Einspeisung bzw. Abnahme des zu begrenzenden Stromes großflächig mittels Löt-, Press- oder Federkontakten kontaktierbar.Corresponding requirements must be met with the current limiter unit which can be gathered from the EP-B document mentioned at the outset. The known device has a carrier body made of an electrically insulating material such as. B. from Y-stabilized ZrO ₂ (so-called "YSZ") or from glass on which a metal oxide HTS material in the form of a layer structured to form at least one conductor track is brought up directly or via at least one intermediate layer. The conductor track can in particular be designed as a meander (cf. EP 0 523 374 B1). At its ends, the conductor track of the known limiter unit can be contacted over a large area by means of soldering, pressing or spring contacts with further, normally conducting connection conductors for feeding in or taking off the current to be limited.

All diese bekannten supraleitenden Strombegrenzereinheiten erfordern jeweils einen eigenen Kryostaten, um das Supralei termaterial ihrer mindestens einen Leiterbahn auf der erfor derlichen Tieftemperatur, insbesondere der LN₂-Temperatur, zu halten. Ihre beiden zur Stromzu- bzw. -ableitung dienenden Anschlussleiter führen dann jeweils von der Tieftemperatur auf Raumtemperatur. Damit sind entsprechende Wärmeeinlei tungsverluste in dem Kryostaten verbunden. Soll nun eine ent sprechende Strombegrenzereinheit in den Stromkreis einer HTS- Material enthaltenden Wicklung oder Spule integriert werden, so geschieht das nach dem Stand der Technik im Bereich der warmen Teile der Anschlussleiter dieser Wicklung. Folglich sind bei einer entsprechenden HTS-Einrichtung mit einer HTS- Strombegrenzereinheit und einer HTS-Wicklung pro Phase für die Strombegrenzereinheit und die Wicklung jeweils zwei Stromzuführungen mit Übergang zwischen Raumtemperatur und Tieftemperatur erforderlich. Der diesbezügliche Kältemit telaufwand aufgrund von Wärmeleitungsverlusten der erforder lichen Kryostaten ist dementsprechend hoch.All these known superconducting current limiter units each require their own cryostat in order to keep the superconductor term material of their at least one conductor track at the required low temperature, in particular the LN ₂ temperature. Both of their connecting conductors, which are used for power supply and discharge, then each lead from the low temperature to room temperature. Corresponding heat input losses in the cryostat are associated with this. If a corresponding current limiter unit is now to be integrated into the circuit of a winding or coil containing HTS material, this is done according to the prior art in the area of the warm parts of the connecting conductors of this winding. Consequently, with a corresponding HTS device with one HTS current limiter unit and one HTS winding per phase, two current leads with a transition between room temperature and low temperature are required for the current limiter unit and the winding. The related refrigerant expenditure due to heat conduction losses of the required cryostats is accordingly high.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, den Kälte mittelaufwand einer solchen Supraleitungseinrichtung zu ver ringern.The object of the present invention is therefore the cold to ver such a superconducting device wrestlers.

Diese Aufgabe wird mit den in Anspruch 1 angegebenen Maßnah men gelöst. Die Supraleitungseinrichtung nach der Erfindung weist folglich mindestens eine resistive Strombegrenzerein heit mit wenigstens einer für einen Nennstrom ausgelegten Leiterbahn auf, welche Hoch-T_c-Supraleitermaterial enthält und an ihren Enden mit Anschlussleitern verbunden ist, ferner mindestens eine Wicklung mit wenigstens einem Leiter auf, welcher Hoch-T_c-Supraleitermaterial enthält, sowie ein Kälte mittel zur Kühlung der supraleitenden Teile der Einrichtung auf mindestens eine Betriebstemperatur auf. Dabei soll die Strombegrenzereinheit auf Kältemittelniveau über ihre An schlussleiter in den Stromkreis der Wicklung unter Ausbildung einer Serienschaltung integriert sein.This object is achieved with the measures specified in claim 1. The superconducting device according to the invention consequently has at least one resistive current limiter unit with at least one conductor track designed for a nominal current, which contains high-T _c superconductor material and is connected at its ends to connecting conductors, and at least one winding with at least one conductor, which Contains high-T _c superconductor material, and a refrigerant for cooling the superconducting parts of the device to at least one operating temperature. The current limiter unit should be integrated into the circuit of the winding at the refrigerant level via its connecting conductor, forming a series connection.

Die mit dieser Ausgestaltung der Supraleitungseinrichtung verbundenen Vorteile sind insbesondere darin zu sehen, dass ihre Strombegrenzereinheit keine eigenen Stromzuführungen mit Übergang zwischen Raumtemperatur und Tieftemperatur erfordert und deshalb der Kältemittelbedarf entsprechend begrenzt ist.With this configuration of the superconducting device The associated advantages can be seen in particular in the fact that your current limiter unit does not have its own power supply Transition between room temperature and low temperature required and therefore the refrigerant requirement is limited accordingly.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Supraleitungseinrichtung nach der Erfindung gehen aus den abhängigen Ansprüchen her vor.Advantageous configurations of the superconducting device according to the invention go from the dependent claims in front.

So können insbesondere die Wicklung und die Begrenzereinheit in einem gemeinsamen Kryostatengefäß angeordnet sein, das zwei Kältemittelräume enthält, in denen die Wicklung bzw. die Begrenzereinheit untergebracht sind. Dies hat den Vorteil, dass sich in den Kältemittelräumen unterschiedliche Tempera turniveau einstellen können.In particular, the winding and the limiter unit be arranged in a common cryostat vessel, the contains two refrigerant rooms, in which the winding or Limiter unit are housed. This has the advantage that there are different temperatures in the refrigerant rooms be able to adjust the level.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Kältemittel in dem Kältemittelraum der Wicklung sich auf einem tieferen Tempera turniveau befindet als das Kältemittel in dem Kältemittelraum der Begrenzereinheit. Vorzugsweise sollten sich dabei der Kältemittelraum der Wicklung und der Kältemittelraum der Begrenzereinheit zumindest annähernd auf gleichem Druck (un ter Einschluss von Abweichungen des Drucks im Kältemittelraum der Begrenzereinheit von dem Druck in dem Kältemittelraum der Wicklung um maximal ±10%) befinden. Auf diese Weise kann die in der Wicklung in Folge von Wechselstromverlusten des Supraleiters entstehende Verlustwärme durch Konvektion abge führt werden, ohne dass es zu einer unerwünschten Gasbildung durch entsprechendes Verdampfen kommt. So lässt sich eine durch Gasblasen verursachte Verminderung der elektrischen Spannungsfestigkeit, die insbesondere bei Betrieb mit hoher Spannung zu fordern ist, vermeiden.It when the refrigerant in the Refrigerant room of the winding itself at a lower temperature level is as the refrigerant in the refrigerant room the limiter unit. Preferably, the Refrigerant space of the winding and the refrigerant space of the Limiter unit at least approximately at the same pressure (un Inclusion of deviations in the pressure in the refrigerant room the limiter unit from the pressure in the refrigerant space Winding by a maximum of ± 10%). That way which in the winding due to alternating current losses of the Superconductor generated heat loss by convection lead without causing undesirable gas formation by appropriate evaporation. So you can reduction in electrical caused by gas bubbles Dielectric strength, especially when operating with high Avoid demanding tension.

Dabei ist es zweckmäßig, wenn die Kältemittelräume unterein ander in einer Kältemittelverbindung stehen. Denn damit ist vorteilhaft ein Austausch des Kältemittels zwischen den bei den eventuell auf differierendem Temperaturniveau befindli chen Kältemittelräumen ermöglicht.It is expedient if the refrigerant spaces are below one another are in a refrigerant connection. Because with that advantageous to exchange the refrigerant between the which may be at a different temperature level chen refrigerant rooms.

Aus den vorgenannten Gründen können vorteilhaft die Kältemit telräume bis auf eine eventuell vorgesehene Kältemittelver bindung durch eine wärmeisolierende Wand thermisch getrennt sein.For the aforementioned reasons, the refrigerant can be advantageous except for a possible refrigerant supply bond thermally separated by a heat-insulating wall his.

Darüber hinaus können vorteilhaft magnetische Abschirmmittel zur feldmäßigen Abschirmung der Wicklung von der zugeordneten Begrenzereinheit vorgesehen sein, um so eine feldmäßige Be einflussung der stromführenden Leiterbahn der Begrenzerein heit durch die Wicklung zu unterbinden. In addition, magnetic shielding means can be advantageous for field shielding of the winding from the assigned Limiter unit can be provided so as to be a field-like loading influence of the current-carrying conductor track of the limiters is prevented by the winding.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Supraleitungseinrichtung sind aus den restlichen Ansprüchen und der Zeichnung zu entnehmen.Further advantageous embodiments of the invention Superconducting device are from the remaining claims and the drawing.

Zur ergänzenden Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend auf die Zeichnung Bezug genommen, in der schematisch bevor zugte Ausführungsformen von Supraleitungseinrichtungen nach der Erfindung veranschaulicht sind. Dabei zeigen jeweils in schematischer Darstellung derenThe following is a supplementary explanation of the invention referred to the drawing, in the schematic before preferred embodiments of superconducting devices of the invention are illustrated. Each show in schematic representation of their

Fig. 1 einen supraleitenden Transformator mit einer ersten supraleitenden Strombegrenzereinheit in Schrägan sicht, Fig. 1 view a superconducting transformer having a first superconducting current limiter unit in Schrägan,

Fig. 2 diesen Transformator mit einer zweiten Strombegrenze reinheit in entsprechender Ansicht sowie Fig. 2 this transformer with a second current limit purity in a corresponding view and

Fig. 3 eine supraleitende Wicklung mit einer anderen supra leitenden Strombegrenzereinheit in Schnittansicht. Fig. 3 shows a superconducting winding with another superconducting current limiter unit in a sectional view.

In den Figuren sind sich entsprechende Teile jeweils mit den selben Bezugszeichen versehen.In the figures, corresponding parts are each with the provided with the same reference numerals.

Bei der mindestens einen supraleitenden Wicklung der erfin dungsgemäßen Supraleitungseinrichtung kann es sich insbeson dere um die Primär- oder Sekundärwicklung eines supraleiten den Transformators handeln (vgl. z. B. WO 00/16350 A).With the at least one superconducting winding of the inventions Superconducting device according to the invention, in particular the primary or secondary winding of a superconductor act the transformer (see e.g. WO 00/16350 A).

Ebenso kann die supraleitende Wicklung eine Drosselspulen wicklung (vgl. z. B. EP 0 440 664 B1) oder die Wicklung eines sonstigen Magneten (vgl. z. B. US 5,168,259 A), beispielsweise einer supraleitenden Glättungsdrossel im Gleichstrompfad eines halbleitergesteuerten Frequenzumrichters oder eines Gleichrichters sein. In dem Stromkreis dieser mindestens einen Wicklung soll mindestens eine resistive Strombegrenze reinheit integriert sein. Im allgemeinen wird sich diese Ein heit an mindestens einer der Anschlussseiten der Wicklung be finden. Es ist jedoch auch möglich, dass die Wicklung in min destens zwei Teilwicklungen unterteilt ist und die Strom begrenzereinheit in dem Verbindungsbereich zwischen diesen beiden Teilwicklungen angeordnet wird. Selbstverständlich können auch mehrere Strombegrenzereinheiten beispielsweise auf jeder Anschlussseite einer Wicklung vorgesehen werden. Dabei sind die Wicklung bzw. Teilwicklungen und die ihr zuge ordnete mindestens eine Strombegrenzereinheit seriell zusam mengeschaltet. Für die Supraleitungseinrichtung nach der Er findung geeignete Strombegrenzereinrichtungen sind prinzi piell bekannt (vgl. z. B. EP 0 829 101 B1 oder die EP 0 345 767 B1).The superconducting winding can also be a choke coil winding (see e.g. EP 0 440 664 B1) or the winding of a other magnets (see, for example, US Pat. No. 5,168,259 A), for example a superconducting smoothing choke in the direct current path a semiconductor controlled frequency converter or one Be a rectifier. In the circuit this at least a winding should have at least one resistive current limit purity be integrated. In general, this one unit on at least one of the connection sides of the winding Find. However, it is also possible that the winding in min is divided into two partial windings and the current limiter unit in the connection area between them two partial windings is arranged. Of course can also several current limiter units, for example can be provided on each connection side of a winding. Here are the winding or partial windings and the zuge arranged at least one current limiter unit in series volume on. For the superconducting device according to the Er suitable current limiting devices are prince piell known (see, for example, EP 0 829 101 B1 or the EP 0 345 767 B1).

Als Leitermaterial für die supraleitenden Teile der Supralei tungseinrichtung nach der Erfindung kann dasselbe HTS- Material oder können auch verschiedene Materialien eingesetzt werden. So kann z. B. die mindestens eine Leiterbahn der Strombegrenzereinheit mit YBa₂Cu₃O_x-Supraleitermaterial er stellt werden, während für den mindestens einen Leiter der Wicklung (Bi,Pb)₂Sr₂Ca₂Cu₃O_y-Material gewählt wird. Die kon krete Wahl unterschiedlicher Materialien hängt z. B. von den Herstellungsprozessen der einzelnen Teile ab oder wird wegen unterschiedlicher Sprungtemperaturen der Materialien bevor zugt bei unterschiedlichen Temperaturniveaus der Betriebstem peraturen dieser Teile vorgesehen.The same HTS material or different materials can be used as conductor material for the superconducting parts of the superconducting device according to the invention. So z. B. the at least one conductor track of the current limiter unit with YBa ₂ Cu ₃ O _x superconductor material, it is selected for the at least one conductor of the winding (Bi, Pb) ₂ Sr ₂ Ca ₂ Cu ₃ O _y material. The specific choice of different materials depends, for. B. from the manufacturing processes of the individual parts or is provided because of different transition temperatures of the materials before given at different temperature levels of operating temperatures of these parts.

In Fig. 1 ist eine erste Ausführungsform einer Supralei tungseinrichtung nach der Erfindung angedeutet. Diese allge mein mit 2 bezeichnete Einrichtung enthält einen HTS- Transformator 3 mit Primär- und Sekundärwicklung 4 bzw. 5. Diese Wicklungen umschließen sich konzentrisch und einen mittleren Jochsteg 6a eines flussführenden Magnetjochs 6 aus weichmagnetischem Material. Ferner ist eine HTS-Strombegren zereinheit 7 mit mehreren hintereinander geschalteten Begren zerplatten 8i (vgl. die genannte EP 0 829 101 B1) vorgesehen, die jeweils mindestens eine für einen Nennstrom I ausgelegte HTS-Leiterbahn L aufweisen. Die Begrenzereinheit ist an ihren Leiterbahnenden E1 und E2 mit Anschlussleitern 9a und 9b ver bunden. Sie ist über diese Anschlussleiter in den Stromkreis z. B. der Primärwicklung 4 integriert. In Fig. 1, a first embodiment of a Supralei processing device according to the invention is indicated. This generally designated 2 device contains an HTS transformer 3 with primary and secondary windings 4 and 5 respectively. These windings enclose themselves concentrically and a central yoke web 6 a of a flux-guiding magnetic yoke 6 made of soft magnetic material. Furthermore, an HTS current limiter unit 7 with a plurality of series-connected limiter plates 8 i (cf. EP 0 829 101 B1 mentioned), each of which has at least one HTS conductor track L designed for a nominal current I, is provided. The limiter unit is at its conductor track ends E1 and E2 with connection conductors 9 a and 9 b ver prevented. It is connected to the connecting circuit in the circuit z. B. the primary winding 4 integrated.

Der Transformator 3 und die Strombegrenzereinheit 7 befinden sich zusammen mit dem von den Wicklungen 4 und 5 umschlosse nen Teil des mittleren Jochsteg 6a in einem gemeinsamen Kry ostatengefäß 10. In dieses Gefäß wird ein von einer Kältema schine 11 geliefertes Kältemittel KM eingespeist. Stattdessen kann auch ein in dem Kryostatengehäuse befindliches Kältemit tel K über einen Kaltkopf einer entsprechenden Kältemaschine auf einem geforderten Temperaturniveau T zu halten sein. Mit hilfe des Kältemittels KM werden die supraleitenden Teile der Supraleitungseinrichtung 2 im Betriebszustand auf das Tempe raturniveau T unterhalb der Sprungtemperatur des jeweils ver wendeten HTS-Materials gekühlt.The transformer 3 and the current limiter unit 7 are located together with the part of the central yoke web 6 a enclosed by the windings 4 and 5 in a common cryostat vessel 10 . A refrigerant KM supplied by a refrigeration machine 11 is fed into this vessel. Instead, a refrigerant K located in the cryostat housing can also be kept at a required temperature level T via a cold head of a corresponding refrigeration machine. With the help of the refrigerant KM, the superconducting parts of the superconducting device 2 are cooled in the operating state to the temperature level T below the transition temperature of the HTS material used in each case.

Wie aus Fig. 1 zu entnehmen ist, sind für die Primärwicklung 4 (einschließlich der mit ihr verschalteten Strombegrenze reinheit 7) sowie für die Sekundärwicklung 5 vorteilhaft je weils nur zwei Stromzuführungen 12a, 12b bzw. 13a, 13b mit Temperaturübergängen von der Tieftemperatur T des Kältemit tels KM auf Raumtemperatur RT erforderlich. Isolatoren dieser Stromzuführungen, die wegen der Durchführung durch auf Erdpo tential liegende Teile des Kryostatengehäuses 10 benötigt werden, sind mit 14 bezeichnet.As can be seen from FIG. 1, for the primary winding 4 (including the current limit unit 7 connected to it ) and for the secondary winding 5, only two current leads 12 a, 12 b and 13 a, 13 b with temperature transitions of each are advantageous the low temperature T of the refrigerant KM to room temperature RT required. Insulators of these power supplies, which are required because of the implementation of parts of the cryostat housing 10 which are at earth potential, are designated by 14.

Die in Fig. 2 dargestellte, allgemein mit 16 bezeichnete Supraleitungseinrichtung nach der Erfindung unterscheidet sich von der Einrichtung 2 nach Fig. 1 im wesentlichen nur durch eine andere Ausführungsform ihrer Strombegrenzereinheit 17. Diese Einheit wird hier aus mehreren hintereinander ge schalteten Stäben oder Rohren 18i gebildet. Diese Rohre be stehen insbesondere aus schmelztexturiertem HTS-Material wie YBa₂Cu₃O_x mit einer vorbestimmten kritischen Stromdichte j_c (ohne Feld bei 77 K) von mindestens 5 . 10³ A/cm². Die Rohre 18i sind an endseitigen Anschluss- oder Endkappen 19i kontak tiert.The superconducting device according to the invention shown in FIG. 2, generally designated 16, differs from the device 2 according to FIG. 1 essentially only in another embodiment of its current limiter unit 17 . This unit is formed here from a plurality of ge connected rods or tubes 18 i. These tubes are in particular made of melt-textured HTS material such as YBa ₂ Cu ₃ O _x with a predetermined critical current density j _c (without field at 77 K) of at least 5. 10 ³ A / cm ² . The tubes 18 i are in contact at the end connection or end caps 19 i.

Die aus Fig. 3 entnehmbare Supraleitungseinrichtung 20 nach der Erfindung umfasst ein Kryostatengefäß 21 mit zwei Kältemittelräumen 22 und 23. Die beiden Kältemittelräume 22 und 23 können dabei gemeinsam in dem Kryostatengefäß nebeneinander angeordnet sein, wobei sie durch eine Trennwand getrennt sind. Gemäß der dargestellten Ausführungsform kann in dem Kryostatengefäß 21 der Kältemittelraum 22 aber auch den Käl temittelraum 23 umschließen. Selbstverständlich ist auch eine Ausführungsform möglich, bei der umgekehrt der Kältemittel raum 23 den Kältemittelraum 22 umgibt. Der Kältemittelraum 22 dient zur Aufnahme mindestens einer HTS-Wicklung 25 bei spielsweise eines Transformators oder einer Drosselspule. In ihm wird ein Kältemittel KM1, beispielsweise LN₂, von einer Kältemaschine 11 auf einem vorbestimmten Temperaturniveau T1 unterhalb der Sprungtemperatur des HTS-Materials der Wick lungsleiter gehalten. Vorzugsweise liegt das Temperaturniveau T1 deutlich (z. B. 5 bis 10 K) unter der Siedetemperatur des Kältemittels KM1 (von 77 K für LN₂). Der Kältemittelraum 23 dient zur Aufnahme einer Strombegrenzereinheit 27. Die min destens eine, beispielsweise mäanderförmige HTS-Leiterbahn L dieser Einheit wird mittels eines Kältemittels KM2 auf einem Temperaturniveau T2 gehalten. Dieses Temperaturniveau liegt über dem von T1, insbesondere auf der Siedetemperatur des LN₂ von etwa 77 K. Zur thermischen Trennung der beiden Kältemit telräume ist der Kältemittelraum 23 von dem Kältemittelraum 22 durch eine wärmeisolierende Trennwand 28, beispielsweise eine Doppelwand mit Vakuum- und/oder Schaumstoffisolierung, getrennt. Die Kältemittel KM1 und KM2 in den beiden Kältemit telräumen 22 und 23 sind untereinander über einen Verbin dungskanal 29 verbunden. Außerdem ist eine Stromdurchführung 30 durch die Wand 28 vorgesehen, um die elektrische Hinter einanderschaltung von Wicklung 25 und Strombegrenzereinheit 27 zu ermöglichen. Der elektrische Leiter dieser Stromdurch führung kann aus normalleitendem Material oder aus HTS- Material bestehen. Aus dem Kältemittelraum 23 führt ein Ga sauslass 32 nach außen, über den Abgas des Kältemittels KM2 abzuführen ist. Auf Grund dieser Anordnung des Gasauslasses ist auch zu gewährleisten, dass sich eine Kältemittelströmung vom auf T1 gehaltenen Kältemittelraum 22 zum auf T2 < T1 liegenden Kältemittelraum 23 einstellt. In der Figur sind ferner noch die beiden für die Hintereinanderschaltung von Strombe grenzereinrichtung 27 und Wicklung 25 erforderlichen, nach außen führenden Stromzuführungen 12a und 13a mit ihren Isola toren 14 angedeutet.The superconducting device 20 according to the invention, which can be seen in FIG. 3, comprises a cryostat vessel 21 with two refrigerant spaces 22 and 23 . The two refrigerant spaces 22 and 23 can be arranged together in the cryostat vessel next to one another, wherein they are separated by a partition. According to the illustrated embodiment, the refrigerant chamber 22 can also enclose the refrigerant chamber 23 in the cryostat vessel 21 . Of course, an embodiment is also possible in which, conversely, the refrigerant space 23 surrounds the refrigerant space 22 . The refrigerant space 22 serves to accommodate at least one HTS winding 25, for example a transformer or a choke coil. In it, a refrigerant KM1, for example LN ₂ , is held by a refrigerator 11 at a predetermined temperature level T1 below the transition temperature of the HTS material of the winding conductor. The temperature level T1 is preferably significantly (for example 5 to 10 K) below the boiling temperature of the refrigerant KM1 (from 77 K for LN ₂ ). The refrigerant space 23 serves to accommodate a current limiter unit 27 . The at least one, for example meandering, HTS conductor track L of this unit is kept at a temperature level T2 by means of a refrigerant KM2. This temperature level is above that of T1, in particular at the boiling point of the LN ₂ of about 77 K. For the thermal separation of the two refrigerant compartments, the refrigerant compartment 23 is separated from the refrigerant compartment 22 by a heat-insulating partition 28 , for example a double wall with a vacuum and / or Foam insulation, separated. The refrigerants KM1 and KM2 in the two refrigerant spaces 22 and 23 are connected to one another via a connecting duct 29 . In addition, a current feedthrough 30 is provided through the wall 28 in order to enable the electrical connection of the winding 25 and the current limiter unit 27 . The electrical conductor of this current leadthrough can consist of normal conductive material or HTS material. From the refrigerant chamber 23 , a gas outlet 32 leads to the outside, via which the exhaust gas of the refrigerant KM2 is to be removed. On the basis of this arrangement of the gas outlet, it must also be ensured that a refrigerant flow from the refrigerant space 22 held at T1 to the refrigerant space 23 located at T2 <T1 is established. In the figure are also the two required for the series connection of Strombe limiter device 27 and winding 25 , leading to the outside power supplies 12 a and 13 a with their isolators 14 indicated.

Über die vorstehend erläuterten Ausführungsformen einzelner Supraleitungseinrichtungen 2, 16, 20 nach der Erfindung an Hand der Figuren hinaus können magnetische Abschirmmittel z. B. in Form von Blechen vorgesehen werden, um so eine feld mäßige Beeinflussung der supraleitenden Wicklung seitens der in den Leiterbahnen der Strombegrenzereinrichtung geführten Ströme zu unterbinden.In addition to the above-described embodiments of individual superconducting devices 2 , 16 , 20 according to the invention with the aid of the figures, magnetic shielding means can, for. B. be provided in the form of sheets, so as to prevent a moderate influence on the superconducting winding on the part of the currents conducted in the conductor tracks of the current limiting device.

Statt der Wahl von LN₂ als Kältemittel KM, KM1 und KM2 sind selbstverständlich auch andere Kältemittel wie z. B. LNe, LHe oder GHe möglich, um das mindestens eine in der Supralei tungseinrichtung nach der Erfindung verwendete Hoch-T_c- Supraleitermaterial auf der Betriebstemperatur dieses Materi als zu halten. Das Kältemittel braucht dabei nicht unbedingt flüssig bzw. siedend zu sein (wie im Fall einer Verwendung von GHe). Gegebenenfalls ist auch statt der für die Ausfüh rungsbeispiele angenommenen Badkühlung eine forcierte Kühlung möglich. Dies gilt insbesondere für den Fall einer Verwendung von GHe.Instead of choosing LN ₂ as the refrigerant KM, KM1 and KM2, other refrigerants such as B. LNe, LHe or GHe possible to keep the at least one high-T _c - superconducting material used in the superconducting device according to the invention at the operating temperature of this material as. The refrigerant does not necessarily have to be liquid or boiling (as in the case of using GHe). If necessary, forced cooling is also possible instead of the bath cooling assumed for the exemplary embodiments. This applies in particular if GHe is used.

Claims

1. Superconductivity device ( 2 , 16 , 20 ) with
at least one resistive current limiter unit ( 7 , 17 , 27 ) which has at least one conductor track (L) designed for a nominal current (I), which contains high-T _c - superconductor material and at its ends (E1, E2) with connecting conductors ( 9 a, 9 b) is connected,
at least one winding ( 4 , 5 , 25 ) which has at least one conductor which contains high-T _c superconductor material
and
a refrigerant (KM, KM1, KM2) for cooling the superconducting parts of the device to at least one operating temperature (T, T1, T2),
wherein the current limiter unit ( 7 , 17 , 27 ) is integrated at the refrigerant level via its connecting conductors ( 9 a, 9 b) into the circuit of the winding ( 4 , 25 ), forming a series connection.

2. Device according to claim 1, characterized in that the winding ( 4 , 5 , 25 ) and the current limiter unit ( 7 , 17 , 27 ) are arranged in a common cryostat vessel ( 10 , 21 ), the two Kältemit telraum ( 22 , 23 ), in which the winding or the current limiter unit are accommodated.

3. Device according to claim 2, characterized in that the refrigerant spaces ( 22 , 23 ) are in a refrigerant connection with each other.

4. Device according to claim 2 or 3, characterized in that the refrigerant (KM1) in the refrigerant chamber ( 22 ) of the winding ( 25 ) is at a lower temperature level (T2) than the refrigerant (KM2) in the refrigerant chamber ( 23 ) the current limiter unit ( 27 ).

5. Device according to claim 4, characterized in that the refrigerant chamber ( 22 ) of the winding ( 25 ) and the refrigerant chamber ( 23 ) of the current limiter unit ( 27 ) are at least approximately at the same pressure.

6. Device according to one of claims 3 to 5, characterized in that the cold medium spaces ( 22 , 23 ) are thermally separated apart from the refrigerant connection by a heat-insulating wall ( 28 ).

7. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the primary or secondary winding ( 4 or 5 ) of a superconducting transformer is formed with the winding.

8. Device according to one of claims 1 to 6, there characterized by that with the Winding the winding of a choke coil or other Magnetic coil is formed.

9. Device according to one of the preceding claims, characterized in that magneti shielding means for shielding the winding in the field are provided by the associated current limiter unit.