Kennlinienfeldmessung und Modellierung der Auslösung und Quenchausbreitung in HTSL - Strombegrenzern (PDF)

Es wird die Anwendung von Hochtemperatur-Supraleitern (HTS) als Schutzorgan zur Strombegrenzung in elektrischen Energieversorgungsnetzen untersucht. Für diese Anwendung ist ein definierter und reproduzierbarer Übergang von der Supra- zur Normalleitung (Quench) notwendig. Untersucht wird das Quenchverhalten von supraleitenden Dünnfilmen mit hohen kritischen Stromdichten im MA/cm2 -Bereich, insbesondere von Yttrium-Barium-Kupferoxid (YBCO) auf keramischen Substraten. Hierfür kommen vor allem Saphirsubstrate in Frage. Ein besonderer Schwerpunkt der Arbeit liegt, neben der Charakterisierung des Überganges in den Normalleitungszustand, auf der Einschätzung der Wirkung von herstellungstechnisch bedingt unvermeidbaren Materialinhomogenitäten auf den Begrenzungsvorgang.
Nach einem einleitenden Kapitel werden Belastungstests und Versuche zum Quenchverhalten beim Schalten im induktiven 50 Hz-Kurzschlusskreis vorgestellt. Mögliche Ausfallursachen werden beschrieben und Grenzen der Belastbarkeit aufgezeigt.
Das dritte Kapitel beschreibt die Versuchsdurchführung und die Ergebnisse von Charakterisierungsmessungen. Aus dem gemessenen Kennlinienfeld wird eine über einen weiten Temperatur- und Strombereich gültige analytische Beschreibung des HTS-Widerstandes in Abhängigkeit von Temperatur und Stromdichte bzw. elektrischem Feld abgeleitet.
Die so gewonnene analytische Beschreibung wird für Simulationsrechnungen genutzt. Hierzu wird vor allem das FEM-Programm ANSYS verwendet, für das ein spezielles HTS-Element programmiert wird. Mit den Simulationsrechnungen werden verschiedene messtechnisch nicht direkt erfassbare Annahmen zum Quenchverhalten überprüft. Anschließend wird exemplarisch die Auswirkung von Materialinhomogenitäten auf den Begrenzungsvorgang dargestellt. Eine vereinfachende Beschreibung des veränderlichen HTS-Widerstandes für Netzsimulationen wird aus den FEM-Rechnungen gewonnen.

Im abschließenden Kapitel werden die wesentlichen Erkenntnisse dieser Arbeit zusammengefasst und nochmals ein Fazit gezogen.
Zusätzlich werden im Anhang D Untersuchungen zum elektrischen Isolationsvermögen des Kühlmittels Flüssigstickstoff vorgestellt, da die verwendeten Dünnfilme mit Schichthöhen < 1 µm ein entsprechend inhomogenes Feld zur Folge haben. Für diesen speziellen Fall liegen bisher noch keine Erkenntnisse zum Isolationsvermögen vor.