Elektrisches und thermisches Verhalten elektrischer Kontakte von

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

2 Gliederung Motivation Der induktiv geschirmte supraleitende Kurzschlussstrombegrenzer (isfcl) Bandleiter 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, Folie 2

3 Motivation Der induktiv geschirmte supraleitende Kurzschlussstrombegrenzer Prinzipschaltbild Primary coil CB Load Superconducting short-circuited secondary Cryostat Sicherheitsventil Eisenkern HTS-(Sekundär-) Windung Kryostat Primärwindung Prinzipdarstellung Demonstrator Braunschweig, Folie 3

4 Motivation Der induktiv geschirmte supraleitende Kurzschlussstrombegrenzer Normalbetrieb HTSL supraleitend kein Magnetfeld im inneren des HTSL-Zylinders, 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 Braunschweig, Folie 4

5 Motivation Der induktiv geschirmte supraleitende Kurzschlussstrombegrenzer Kreisförmige, parallele Anordnung von HTS-Bandleitern und normalleitenden Shunt-Bandleitern Quelle: BRUKER HTS => Untersuchungen zum Verhalten von elektrischen Verbindungen bei Umgebungstemperaturen von siedendem Flüssigstickstoff (LN 2, -195,8 C) notwendig Braunschweig, Folie 5

6 Gliederung Motivation Der induktiv geschirmte supraleitende Kurzschlussstrombegrenzer (isfcl) Bandleiter 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, Folie 6

7 Bandleiter Entwurf und Inbetriebnahme eines Kryo-Versuchsstandes Stelltransformatoren Hochstromtransformatoren Vakuumschütze Drehschalter zur Schützsteuerung LN 2 Behälter mit Probenhalterung und Prüfling => induktive Stromeinspeisung über Hochstromtransformatoren Braunschweig, Folie 7

8 Bandleiter Entwurf und Inbetriebnahme eines Kryo-Versuchsstandes Probenhalterung Potentialabgriff Zugentlastung für Thermoelemente Einspannung Abstandshalter 245 mm 300 mm gefederter, vergoldeter Kontaktstift Schrauben zur Kontaktierung der Messleitung Braunschweig, Folie 8

9 Bandleiter Entwurf und Inbetriebnahme eines Kryo-Versuchsstandes Überprüfen der Potentialabgriffe Bestimmen des elektrischen WiderstandesR DC von Cu-Bandleitern bei Raumtemperatur und in LN 2 Messgerät Messvariante ϑ/ C R40mm/ µω Rber 40mm/ µω Messspitze 556,7 PA oben 26,0 562,3 586,4 MO 2A PA unten 564,7 PA oben 67,1-195,8 PA unten 67,3 67,8 LoRe PA oben 67,2-195,8 PA unten 67,3 67,8 [2] Braunschweig, Folie 9

10 Bandleiter Elektrisches und thermisches Verhalten von Bandleitern Übersicht der verwendeten Bandleiter Oberflächtragfähigkeit Strom- Variante Substrat Breite Beschichtung h/ µm b/ mm Kupfer Stahl Silber Ic/ A µm 3 µm Ag µm 3 µm Stahl µm Ag µm 2 µm Cu µm 2 µm Cu 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 Braunschweig, Folie 10

11 Bandleiter Elektrisches und thermisches Verhalten von Bandleitern Normalleiter: Cu-Bandleiter, Ag-Bandleiter Erhöhen des Stroms führt zur Erwärmung des Bandleiters -> Widerstandsanstieg Konvektives Sieden Blasensieden Kritische Wärmestromdichte fast erreicht => flacherer Anstieg von ΔT Siedeverzug Der zuvor theoretisch berechnete Widerstandswert von R 40mm, konnte in einem Stromsteigerungsversuch nachvollzogen werden Braunschweig, Folie 11

12 Bandleiter Elektrisches und thermisches Verhalten von Bandleitern Hochtemperatursupraleiter: REBCO-Bandleiter Erhöhen des Stroms bis zur Quench-SchwelleI C Verlustleistung Pv / mw Var1: Cu50/Ag3, Substrat 50µm Var5: Ag2/Cu40, Substrat 100µm Var7: Ag2, Substrat 100µm Dominiert durch Wechselstromverluste Variante Kritischer Strom Îc/ A Dominiert durch Hystereseverluste Verlustleistung PV/ W Widerstands -wert R/ µω Var ,2 62,4 Var ,9 46,2 Var ,0 15,9 Var ,2 40,6 Var ,9 49,8 Var ,4 19, Strom Î / A Braunschweig, I C max - Wert aus Herstellerangabe Folie 12

13 Gliederung Motivation Der induktiv geschirmte supraleitende Kurzschlussstrombegrenzer (isfcl) Bandleiter 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, Folie 13

14 Verbindungen Messprinzip Durchgängiger Bandleiter Verbindung U I Leiter1 15 mm 15 mm 15 mm Leiter2 I RV,45 RL1,15 RV RL2,15 R L1,15 = 1/3 R V,45 R V = R V,45 (R L1,15 +R L2,15 ) Identisches Messprinzip für alle untersuchten Verbindungen Braunschweig, Folie 14

15 Verbindungen Fügetechniken Klemmen Kleben RMS-Löten Isolierte Cu-Blöcke mit 2x M8-Schrauben verspannt Verwendung eines nicht-leitfähigen 2-Komponenten Klebers Typ A: 80 µm Al 50 -Ni 50 Folien Typ B: 40 µm Al 50 -Ni 50 Folien Braunschweig, Folie 15

16 Verbindungen Klemmen, Kleben und RMS-Löten von normalleitenden Bandleitern Normalleitende Verbindungen Widerstandsmessung bei RT Materialpaarung Fügetechnik Drehmoment/ Fügekraft Widerstand 20 C Verbindungswiderstand R V,DC / µω M / Nm F/ kn R DC / µω vorher nachher Klemmen 12,5 561,5 116,9 118,2 Cu - Cu 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) - Klemmen 12,5 496,1 101,5 100,8 Ag - Ag Braunschweig, 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) - Folie 16

17 Verbindungen Klemmen, Kleben und RMS-Löten von normalleitenden Bandleitern DC Verbindungswiderstand bei RT: R V,D DC/ µω NLCu NLAg Klm Klb Lot durchgehend Klm Klb Lot durchgehend Verbindungswiderstand in LN 2 : ca. 8 mal reduziert, R V,DC R V,AC R V / µω Braunschweig, NLCu NLAg Klm Klb Lot durchgehend Klm Klb Lot durchgehend DC Wert AC Wert Folie 17

18 Verbindungen Klemmen, Kleben und RMS-Löten von supraleitenden Bandleitern R V,AC Werte der Verbindungen zw. HTSL des gleiches Typs R V,SL / µω SL Var.1 ϑ 0 = -195,8 C I = 100 A SL Var.5 Lot durchgehend Klm Klb durchgehend Klm SL Var.7 Klb durchgehend Braunschweig, Folie 18

19 Verbindungen Klemmen, Kleben und RMS-Löten von supraleitenden Bandleitern Supraleitende Verbindungen Widerstandsmessung in LN 2 WiderstandR /µω Klemmen Var5 SL direkt Kleben Var5 SL direkt Var5 oben direkt ΔR Var5 Klem 4,8 µω ΔR Var5 Kleb 2,7 µω R ist nahezu unabhängig von der Strombelastung, bis zur Quench- Schwelle Strom Î/ A I C - Werte im Vergleich zur Herstellerangabe von I C ~ 300 A Braunschweig, Die Herstellerangaben der Quench- Schwelle werden mit keiner Verbindungstechnik unterschritten. Folie 19

20 Verbindungen Reihenschaltung von normal- und supraleitenden Bandleitern R V Werte der Verbindungen zw. HTSL und Normalleiter R V,SL-NL / µω ϑ 0 = -195,8 C I = 100 A Var1. -Ag Var.1 -Cu Var.5 -Cu Var.7 -Ag 0 Lot Lot Klm Klb Klm Klb DC Wert AC Wert Braunschweig, Folie 20

21 Verbindungen Reihenschaltung von normal- und supraleitenden Bandleitern Aufnahme einer Temperaturkurve in LN 2 3,0 2,5 Kritischer Strom Î C Klemm Var7-Ag V2 MP3 Klemm Var7-Ag V2 MP4 Klemm Var7-Ag V Übertemperatur T/ K 2,0 1,5 1,0 Zusammenbruch der Supraleitung => Quench- Bereich Strom Î/ A Position der Thermoelemente / mm 0,5 50 0,0 0 12:49:49 12:49:58 12:50:07 12:50:15 12:50:24 12:50:33 12:50:41 Zeit t/ sec Braunschweig, Beispiel: Ag-HTSL Var7 Folie 21

22 Verbindungen Bewertung der bisherigen Ergebnisse Darstellung des Zusammenhangs zwischen mechanischer Belastung beim Fügen, Gütefaktor sowie Zugfestigkeit Kurzzeitige LN 2 Beständigkeit Klemmen Kleben RMS-Löten Fügekraft F Verbindungswiderstand R V Handhabung Anwendbarkeit Braunschweig, Folie 22

23 Gliederung Motivation Der induktiv geschirmte supraleitende Kurzschlussstrombegrenzer (isfcl) Voruntersuchungen 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, Folie 23

24 Zusammenfassung und Ausblick Es konnten drei unterschiedliche Fügetechnologien zur Verbindung von Normalleitern, Supraleitern sowie Kombinationen aus Normal- und Supraleitern für den prinzipiellen Einsatz in LN 2 -Umgebung qualifiziert werden. Nachdem zunächst die Parameter zur Herstellung der Verbindungen, hinsichtlich geringer mechanischer Belastung, optimiert wurden, konnte anschließend das Widerstandsverhalten untersucht werden. Tests zum Temperaturverhalten zeigten einen sehr hohen, allerdings räumlich stark begrenzten Temperaturanstieg. Braunschweig, Folie 24

25 Dipl.-Ing. Katrin Bäuml TU Dresden, IEEH Mommsenstraße 10 Binderbau Dresden Braunschweig, Folie 25