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Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik Institut für Elektrische Energieversorgung und Hochspannungstechnik Elektrisches und thermisches Verhalten elektrischer Kontakte von normal- und supraleitenden Materialien Braunschweig, 17. Juni 2015 Katrin Bäuml

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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]

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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)

-

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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

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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

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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

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.

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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

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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

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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 ++ ++

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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

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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.

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• Dipl.-Ing. Katrin Bäuml

[email protected]

Braunschweig, 17.06.2015 Folie 25

[email protected]

TU Dresden, IEEH

Mommsenstraße 10

Binderbau

01062 Dresden