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Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik Institut für Elektrische Energieversorgung und Hochspannungstechnik
Elektrisches und thermisches Verhalten elektrischer Kontakte von normal- und supraleitenden normal- und supraleitenden Materialien
Braunschweig, 17. Juni 2015
Katrin Bäuml
Motivation
• Der induktiv geschirmte supraleitende Kurzschlussstrombegrenzer (iSFCL)
Bandleiter
• Entwurf und Inbetriebnahme eines Kryo-Versuchsstandes
Gliederung
• Entwurf und Inbetriebnahme eines Kryo-Versuchsstandes
• Elektrisches und thermisches Verhalten von Bandleitern
Verbindungen
• Klemmen von normal- und supraleitenden Bandleitern
• Kleben von normal- und supraleitenden Bandleitern
• RMS-Löten von normal- und supraleitenden Bandleitern
Zusammenfassung und Ausblick
Braunschweig, 17.06.2015 Folie 2
MotivationDer induktiv geschirmte supraleitende Kurzschlussstrombegrenzer
CB
Primary coilLoad
CryostatSuperconducting short-circuitedsecondary
CB
Primary coilLoad
CryostatSuperconducting short-circuitedsecondary
Prinzipschaltbild
Primärwindung
HTS-(Sekundär-) Windung
Kryostat
Eisenkern
Sicherheitsventil
Braunschweig, 17.06.2015 Folie 3
Prinzipdarstellung Demonstrator
MotivationDer induktiv geschirmte supraleitende Kurzschlussstrombegrenzer
• Normalbetrieb
HTSL supraleitend – kein Magnetfeld im
inneren des HTSL-Zylinders,
Beitrag des Eisenkerns zur Induktivität nur
Braunschweig, 17.06.2015 Folie 4
Beitrag des Eisenkerns zur Induktivität nur
als Streufluss
=> kleine Reaktanz
• Kurzschluss
HTSL wird normalleitend - magnetischer Fluss
dringt in Eisenkern ein,
Gesamtinduktivität wird sichtbar
=> große Impedanz
MotivationDer induktiv geschirmte supraleitende Kurzschlussstrombegrenzer
Kreisförmige, parallele Anordnung
von HTS-Bandleitern und
normalleitenden Shunt-Bandleitern
Braunschweig, 17.06.2015 Folie 5
=> Untersuchungen zum Verhalten von elektrischen
Verbindungen bei Umgebungstemperaturen von siedendem
Flüssigstickstoff (LN2 , -195,8°C) notwendig
Quelle: BRUKER HTS
Motivation
• Der induktiv geschirmte supraleitende Kurzschlussstrombegrenzer (iSFCL)
Bandleiter
• Entwurf und Inbetriebnahme eines Kryo-Versuchsstandes
Gliederung
• Entwurf und Inbetriebnahme eines Kryo-Versuchsstandes
• Elektrisches und thermisches Verhalten von Bandleitern
Verbindungen
• Klemmen von normal- und supraleitenden Bandleitern
• Kleben von normal- und supraleitenden Bandleitern
• RMS-Löten von normal- und supraleitenden Bandleitern
Zusammenfassung und Ausblick
Braunschweig, 17.06.2015 Folie 6
BandleiterEntwurf und Inbetriebnahme eines Kryo-Versuchsstandes
Stelltransformatoren
Hochstromtransformatoren
Vakuumschütze Drehschalter zur
Schützsteuerung
Braunschweig, 17.06.2015 Folie 7
=> induktive Stromeinspeisung über Hochstromtransformatoren
LN2 Behälter mit
Probenhalterung
und Prüfling
BandleiterEntwurf und Inbetriebnahme eines Kryo-Versuchsstandes
Probenhalterung Potentialabgriff
Zugentlastung für
Thermoelemente
Einspannung
Braunschweig, 17.06.2015 Folie 8
300 mm
245 mm
gefederter,
vergoldeter
Kontaktstift
Abstandshalter
Schrauben zur
Kontaktierung
der Messleitung
Thermoelemente
BandleiterEntwurf und Inbetriebnahme eines Kryo-Versuchsstandes
Überprüfen der Potentialabgriffe
• Bestimmen des elektrischen Widerstandes RDC
von Cu-Bandleitern bei Raumtemperatur und in LN2
Mess- Mess- ϑ / °C R / R /
Braunschweig, 17.06.2015 Folie 9
Mess-gerät
Mess-variante
ϑ / °C R40mm / µΩ
Rber 40mm / µΩ
MO 2A
Messspitze
26,0
556,7
586,4PA oben 562,3
PA unten 564,7
PA oben - 195,8
67,167,8
PA unten 67,3
LoRePA oben
- 195,867,2
67,8PA unten 67,3
[2]
BandleiterElektrisches und thermisches Verhalten von Bandleitern
Übersicht der verwendeten Bandleiter
Variante Substrat Breite BeschichtungOber-fläche
Strom-tragfähigkeit
h / µm b / mm Kupfer Stahl Silber Ic / A
1 50 12 50 µm 3 µm Ag 250
Braunschweig, 17.06.2015 Folie 10
1 50 12 50 µm 3 µm Ag 250
2 50 12 75 µm 3 µm Stahl 250
4 100 10 2 µm Ag 300
5 100 12 40 µm 2 µm Cu 3006 50 12 40 µm 2 µm Cu 3007 100 12 2 µm Ag 280
Zum Vergleich wurden normalleitende
Bandleiter aus Cu sowie Ag-beschichtete
(~ 3 µm) Cu-Bandleiter mit identischen
Abmessungen (12 x 0,1 mm) verwendet
BandleiterElektrisches und thermisches Verhalten von Bandleitern
Normalleiter: Cu-Bandleiter, Ag-Bandleiter
Erhöhen des Stroms führt zur Erwärmung des Bandleiters -> Widerstandsanstieg
Konvektives Sieden
Braunschweig, 17.06.2015 Folie 11
Siedeverzug Der zuvor theoretisch berechneteWiderstandswert von R40mm, konnte in einemStromsteigerungsversuchnachvollzogen werden
Konvektives Sieden
Blasensieden
Kritische Wärmestromdichte fast erreicht=> flacherer Anstieg von ΔT
BandleiterElektrisches und thermisches Verhalten von Bandleitern
Hochtemperatursupraleiter: REBCO-Bandleiter
Erhöhen des Stroms bis zur Quench-Schwelle IC6.000
Var1: Cu50/Ag3, Substrat 50µm
Var5: Ag2/Cu40, Substrat 100µm
Braunschweig, 17.06.2015Folie 12
0
1.000
2.000
3.000
4.000
5.000
0 100 200 300 400 500
Ver
lust
leis
tung
Pv
/ mW
StromÎ / A
Var5: Ag2/Cu40, Substrat 100µm
Var7: Ag2, Substrat 100µm
IC max - Wert aus Herstellerangabe
Dominiert durch Wechselstromverluste
Dominiert durch Hysterese-verluste
Variante Kritischer Strom Îc/ A
Verlust-leistungPV / W
Widerstands-wert R / µΩ
Var1 410 5,2 62,4
Var2 360 2,9 46,2
Var4 340 1,0 15,9
Var5 460 4,2 40,6
Var6 390 3,9 49,8
Var7 380 1,4 19,6
Motivation
• Der induktiv geschirmte supraleitende Kurzschlussstrombegrenzer (iSFCL)
Bandleiter
• Entwurf und Inbetriebnahme eines Kryo-Versuchsstandes
Gliederung
• Entwurf und Inbetriebnahme eines Kryo-Versuchsstandes
• Elektrisches und thermisches Verhalten von Bandleitern
Verbindungen
• Klemmen von normal- und supraleitenden Bandleitern
• Kleben von normal- und supraleitenden Bandleitern
• RMS-Löten von normal- und supraleitenden Bandleitern
Zusammenfassung und Ausblick
Braunschweig, 17.06.2014 Folie 13
VerbindungenMessprinzip
Leiter1I
I
U
Durchgängiger Bandleiter Verbindung
Braunschweig, 17.06.2015 Folie 14
Identisches Messprinzip für alle untersuchten Verbindungen
Leiter215 mm 15 mm15 mm
RL1,15 RV RL2,15
RV,45
I
RV = RV,45 – (RL1,15+RL2,15) RL1,15 = 1/3 RV,45
VerbindungenFügetechniken
Klemmen Kleben RMS-Löten
Braunschweig, 17.06.2015 Folie 15
Isolierte Cu-Blöcke mit
2x M8-Schrauben
verspannt
Verwendung eines
nicht-leitfähigen
2-Komponenten Klebers
Typ A: 80 µm Al50-Ni50
Folien
Typ B: 40 µm Al50-Ni50
Folien
VerbindungenKlemmen, Kleben und RMS-Löten von normalleitenden Bandleitern
Normalleitende Verbindungen – Widerstandsmessung bei RT
Material-paarung
Füge-technik
Dreh-moment/Fügekraft
M / Nm
Wider-stand 20°C
R /
Verbindungs-widerstandRV,DC / µΩ
Braunschweig, 17.06.2015 Folie 16
M / NmF / kN
RDC / µΩ
vorher nachher
Cu - Cu
Klemmen 12,5 561,5 116,9 118,2
Kleben 3,5 580,7 138,5 135,4
RMS-Löten 3,5 581,3 (A)
584,3 (B)
134,1 (A)
135,3 (B)
135,4 (A)
-
Ag - Ag
Klemmen 12,5 496,1 101,5 100,8
Kleben 3,5 511,0 120,4 120,2
RMS-Löten 3,5 515,9 (A)
541,4 (B)
115,9 (A)
144,8 (B)
117,5 (A)
-
DC Verbindungswiderstand bei RT:
150
200
250
300
V,D
C/
µΩ
NL Cu NL Ag
Klemmen, Kleben und RMS-Löten von normalleitenden Bandleitern
Verbindungen
Verbindungswiderstand in LN2: ca. 8 mal reduziert, RV,DC ≈ RV,AC
0
50
100
RV
,DC
Klm Klb Lot durchgehend Klm Klb Lot durchgehend
0
5
10
15
20
25
30
RV
/ µ
Ω
Klm Klb Lot durchgehend Klm Klb Lot durchgehend
NL Cu NL Ag
DC Wert
AC Wert
Folie 17Braunschweig, 17.06.2015
8
9
10
ϑ0 = -195,8°CI = 100 A
VerbindungenKlemmen, Kleben und RMS-Löten von supraleitenden Bandleitern
RV,AC–Werte der Verbindungen zw. HTSL des gleiches Typs
0
1
2
3
4
5
6
7
RV
,SL
/ µ
Ω
Lot durchgehend Klm Klb durchgehend Klm Klb durchgehend
SL Var.5 SL Var.7SL Var.1
Braunschweig, 17.06.2015 Folie 18
11
12
13
14
15
Klemmen Var5 SL direkt
Kleben Var5 SL direkt
Var5 oben direkt
VerbindungenKlemmen, Kleben und RMS-Löten von supraleitenden Bandleitern
Supraleitende Verbindungen – Widerstandsmessung in LN2
∆R ist nahezu unabhängig von der Strombelastung, bis zur Quench-
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
0 100 200 300 400 500
Wid
ers
tan
dR
/µ
Ω
Strom Î / A
ΔRVar5 Kleb ≈ 2,7 µΩ
ΔRVar5 Klem ≈ 4,8 µΩ
Braunschweig, 17.06.2015 Folie 19
IC - Werte im Vergleich zur Herstellerangabe von IC ~ 300 A
bis zur Quench-Schwelle
Die Herstellerangaben der Quench-Schwelle werden mit keiner Verbindungstechnik unterschritten.
VerbindungenReihenschaltung von normal- und supraleitenden Bandleitern
RV–Werte der Verbindungen zw. HTSL und Normalleiter
7
8
9
Var1. - Ag
Var.5 - Cuϑ0 = -195,8°CI = 100 A
Braunschweig, 17.06.2015 Folie 20
0
1
2
3
4
5
6
RV
,SL-
NL
/ µ
Ω
DC Wert AC Wert
Var1. - Ag
Lot Lot Klm Klb Klm Klb
Var.1 - Cu
Var.7 - Ag
VerbindungenReihenschaltung von normal- und supraleitenden Bandleitern
Aufnahme einer Temperaturkurve in LN2
250
300
2,5
3,0
Klemm Var7-Ag V2 MP3
Klemm Var7-Ag V2 MP4
Klemm Var7-Ag V2
Kritischer Strom ÎC
Braunschweig, 17.06.2015 Folie 21
Position der Thermoelemente / mm
0
50
100
150
200
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
12:49:49 12:49:58 12:50:07 12:50:15 12:50:24 12:50:33 12:50:41St
rom
Î/
A
Üb
ert
em
pe
ratu
r ∆T
/ K
Zeit t / sec
Klemm Var7-Ag V2
Zusammenbruch der Supraleitung => Quench-Bereich
Beispiel: Ag-HTSL Var7
VerbindungenBewertung der bisherigen Ergebnisse
Darstellung des Zusammenhangs zwischen mechanischer Belastung beim Fügen, Gütefaktor sowie Zugfestigkeit
Klemmen Kleben RMS-Löten
Braunschweig, 17.06.2015 Folie 22
Klemmen Kleben RMS-Löten
Kurzzeitige LN2
Beständigkeit++ 0 ++
Fügekraft F - ++ ++
VerbindungswiderstandRV
++ + +
Handhabung ++ + -
Anwendbarkeit 0 ++ ++
Motivation
• Der induktiv geschirmte supraleitende Kurzschlussstrombegrenzer (iSFCL)
Voruntersuchungen
• Entwurf und Inbetriebnahme eines Kryo-Versuchsstandes
Gliederung
• Entwurf und Inbetriebnahme eines Kryo-Versuchsstandes
• Elektrisches und thermisches Verhalten von Bandleitern
Bandleiter Verbindungen
• Klemmen von normal- und supraleitenden Bandleitern
• Kleben von normal- und supraleitenden Bandleitern
• RMS-Löten von normal- und supraleitenden Bandleitern
Zusammenfassung und Ausblick
Braunschweig, 17.06.2015 Folie 23
Zusammenfassung und Ausblick
Es konnten drei unterschiedliche Fügetechnologien zurVerbindung von Normalleitern, Supraleitern sowieKombinationen aus Normal- und Supraleitern für denprinzipiellen Einsatz in LN2-Umgebung qualifiziert werden.
Nachdem zunächst die Parameter zur Herstellung der
Braunschweig, 17.06.2015 Folie 24
Nachdem zunächst die Parameter zur Herstellung derVerbindungen, hinsichtlich geringer mechanischerBelastung, optimiert wurden, konnte anschließend dasWiderstandsverhalten untersucht werden.
Tests zum Temperaturverhalten zeigten einen sehr hohen,allerdings räumlich stark begrenzten Temperaturanstieg.
• Dipl.-Ing. Katrin Bäuml
Braunschweig, 17.06.2015 Folie 25
TU Dresden, IEEH
Mommsenstraße 10
Binderbau
01062 Dresden