ES2938512T3 - Dispositivo limitador de corriente superconductor con línea de suministro de corriente - Google Patents

Abstract

La invención se refiere a un dispositivo limitador de corriente superconductor (1) que tiene - un elemento de bobina superconductora (3), - un criostato (5), dentro del cual está dispuesto el elemento de bobina superconductora (3), - al menos una fuente de alimentación (7a, 7b) para conectar el elemento de bobina superconductora (3) a un circuito de alimentación externo - y al menos un paso (11) a través de una pared exterior del criostato (5), a través del cual se conduce la alimentación de energía (7a, 7b), - donde la alimentación de energía (7a, 7b) comprende al menos una primera sección de cable (21), que se extiende entre el paso (11) y el elemento de bobina superconductora (3), - donde la primera sección de cable (21) tiene al menos una primer elemento conductor (31) y un segundo elemento conductor (32),- donde el primer elemento conductor (31) está diseñado como un elemento conductor metálico normalmente conductor y el segundo elemento conductor (32) está diseñado como un elemento conductor superconductor conectado en paralelo con él. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Dispositivo limitador de corriente superconductor con línea de suministro de corriente

La presente invención hace referencia a un dispositivo limitador de corriente con un elemento de bobina superconductor, un criostato dentro del cual está dispuesto el elemento de bobina superconductor, y al menos una línea de suministro de corriente para la conexión del elemento de bobina superconductor a un circuito externo.

Por el estado de la técnica se conocen dispositivos limitadores de corriente superconductores que habitualmente presentan uno o varios elementos de bobina superconductores, que se enfrían en un criostato a una temperatura de servicio criogénica por debajo de la temperatura de transición del material superconductor utilizado. Esos criostatos, por tanto, aíslan el elemento de bobina ultra enfriado del entorno externo comparativamente caliente. Por ejemplo, un criostato de esa clase puede estar diseñado como un criostato de baño que está enfriado con un refrigerante criogénico líquido durante el funcionamiento. A menudo, el refrigerante se trata de nitrógeno líquido. El elemento de bobina superconductor habitualmente está dispuesto dentro del criostato de manera que el refrigerante criogénico circula alrededor del mismo, enfriándolo de forma directa. Para mantener el refrigerante frío de forma permanente, y de forma indirecta el elemento de bobina, durante el funcionamiento, a menudo se utiliza un cabezal de enfriamiento. Un cabezal de enfriamiento de esa clase puede estar dispuesto en el área de la pared externa del criostato, y puede utilizarse para condensar nuevamente el refrigerante que se evapora durante el funcionamiento del dispositivo limitador de corriente. A su vez, el cabezal de enfriamiento puede enfriarse a la temperatura criogénica requerida mediante un circuito de compresor que se sitúa en el exterior. La potencia de enfriamiento requerida en este caso contribuye de forma considerable al consumo de energía de un dispositivo limitador de corriente de esa clase. Esto se debe principalmente a que una potencia de enfriamiento predeterminada en el área criogénica del dispositivo puede alcanzarse solamente mediante una potencia esencialmente más elevada (en particular, entre otras, la potencia del compresor) en el área caliente del dispositivo. El factor entre la potencia empleada para la refrigeración y la potencia de enfriamiento alcanzada puede encontrarse por ejemplo en 25: en un caso de esa clase, 1 W de la potencia de enfriamiento alcanzada debe “pagarse” utilizando 25 W de la potencia empleada en el área caliente del dispositivo. En los casos desfavorables, ese factor incluso puede ser esencialmente más elevado, por ejemplo incluso puede ser de 100. Un ejemplo del estado de la técnica se encuentra en el documento de patente WO2015/193163.

En los dispositivos limitadores de corriente conocidos resulta una desventaja el hecho de que debido a pérdidas eléctricas en las líneas de suministro de corriente se produce una demanda de potencia de enfriamiento relativamente elevada. Las líneas de suministro de corriente se necesitan para conectar el elemento de bobina superconductor del dispositivo limitador de corriente a un circuito externo. Para ello en particular deben proporcionarse conexiones eléctricas entre el área criogénica del dispositivo y el entorno externo caliente. Los dispositivos limitadores de corriente resistivos típicos están diseñados para corrientes nominales comparativamente elevadas, en el rango de algunos 100 A o incluso de varios kA. Para poder suministrar corrientes elevadas de esa clase al elemento de bobina superconductor, las líneas de suministro de corriente habitualmente están realizadas como un conductor de cobre con una sección transversal comparativamente alta. Debido a las corrientes elevadas y a la resistencia óhmica de los conductores de cobre, de este modo, se libera comparativamente mucho calor hacia las líneas de suministro de corriente durante el funcionamiento. Debido al factor desfavorable antes descrito, una potencia elevada correspondiente debe proporcionarse de forma permanente, para evacuar ese calor. Esto no sólo implica una demanda de energía elevada y costes operativos altos, sino que también aumenta la inversión en cuanto a los aparatos al dimensionar el sistema de refrigeración (por tanto, por ejemplo el cabezal de enfriamiento y el compresor externo).

Por lo tanto, el objeto de la presente invención consiste en proporcionar un dispositivo limitador de corriente que supere las desventajas mencionadas. En particular debe proporcionarse un dispositivo limitador de corriente en el cual, en comparación con el estado de la técnica, estén reducidas las pérdidas térmicas debido al transporte de corriente hacia la línea de suministro de corriente.

Dichos objetos se solucionan mediante el dispositivo limitador de corriente descrito en la reivindicación 1. El dispositivo limitador de corriente según la invención presenta un elemento de bobina superconductor y un criostato, dentro del cual está dispuesto el elemento de bobina superconductor. Además, el mismo presenta al menos una línea de suministro de corriente para la conexión del elemento de bobina superconductor a un circuito externo, y al menos un paso a través de una pared externa del criostato, a través del cual es guiada la línea de suministro de corriente. La línea de suministro de corriente comprende al menos una primera parte de línea que se extiende entre el paso y el elemento de bobina superconductor, donde esta primera parte de línea presenta al menos un primer elemento conductor y un segundo elemento conductor. En este caso, el primer elemento conductor está diseñado como un elemento conductor metálico de conducción normal y el segundo elemento conductor está diseñado como un elemento conductor superconductor conectado de forma paralela al primer elemento conductor.

La expresión, de que la primera parte de línea se extiende entre el paso y el elemento de bobina, debe entenderse de manera que al menos una parte de la sección entre el paso y el elemento de bobina se puentea eléctricamente mediante la primera parte de línea. Sin embargo, no es necesario obligatoriamente que se puentee toda la sección mediante la primera parte de línea, sino que de manera opcional, sobre esa sección pueden estar presentes también una o varias otras partes de línea conectadas en serie a la primera parte de línea, puenteando eléctricamente otras secciones parciales de la sección mencionada.

La característica esencial del dispositivo limitador de corriente según la invención, por tanto, reside en que en al menos en una parte de la sección entre el paso y el elemento de bobina, la línea de suministro de corriente se forma mediante un circuito paralelo entre un elemento conductor metálico de conducción normal y un elemento conductor superconductor. La ventaja esencial, en comparación con una línea de suministro de corriente de conducción completamente normal, reside en que al menos en el área de la primera parte de línea descrita se reducen las pérdidas térmicas en el flujo de corriente a través de la línea de suministro de corriente. Esa reducción se logra de manera que dentro de la primera parte de línea, el elemento conductor superconductor conectado de forma paralela recibe el flujo de corriente, al menos en parte. El grado de recepción del elemento conductor superconductor depende de la configuración exacta de la primera parte de línea: entre otras cosas, de la relación de las secciones transversales entre el primer y el segundo elemento conductor, del material superconductor seleccionado y en particular de la temperatura de servicio y de un gradiente de temperatura, que habitualmente se encuentra presente, sobre la longitud de la línea de suministro de corriente. De este modo, por ejemplo, es posible que el elemento conductor superconductor no se encuentre presente sobre toda su longitud a una temperatura de servicio suficientemente baja, que por ejemplo se encuentre por debajo de la temperatura de transición del material superconductor utilizado. Sin embargo, en al menos una parte de la longitud total se alcanza un valor por debajo de la temperatura de transición, ya que al menos el extremo de la línea de suministro de corriente, orientado hacia el elemento de bobina, debe encontrarse en una temperatura de servicio criogénica suficientemente reducida. Para la invención, por lo tanto, es esencial que al menos en esa área del lado de la bobina de la línea de suministro de corriente, una parte significativa de la corriente de servicio pueda ser recibida por el elemento conductor superconductor en la primera parte de línea, de la línea de suministro de corriente. Puesto que al menos esa parte de corriente circula aproximadamente sin pérdidas en el material superconductor, las pérdidas térmicas que se presentan para esa parte de corriente pueden no ser consideradas. Por tanto, en comparación con una línea de suministro de corriente de conducción normal, están reducidas las pérdidas térmicas y, con ello, de manera ventajosa, también la potencia de enfriamiento necesaria durante el funcionamiento.

La ventaja descrita se alcanza aun cuando la línea de suministro de corriente no presenta un elemento conductor superconductor en toda su longitud. También se alcanza cuando el elemento conductor superconductor que se encuentra presente no se encuentra en el estado superconductor en toda su longitud (por tanto, en el caso de una temperatura de servicio por debajo de la temperatura de transición). Además, la ventaja descrita se alcanza también cuando el área del elemento conductor superconductor, que funciona por debajo de la temperatura de transición, presenta una densidad de corriente crítica que es demasiado reducida para poder transportar sin pérdidas toda la corriente de servicio en la sección transversal dada del superconductor. Aun en el caso de todas las limitaciones mencionadas, el elemento conductor superconductor recibe en parte del flujo de corriente, y se alcanza en parte una reducción de las pérdidas térmicas de la línea de suministro de corriente.

En las reivindicaciones dependientes de la reivindicación 1, así como en la siguiente descripción, se indican configuraciones y perfeccionamientos ventajosos de la invención.

Según una forma de ejecución ventajosa, la línea de suministro de corriente presenta una segunda parte de línea adicional de conducción normal, que está conectada eléctricamente en serie con la primera parte de línea. Expresado de otro modo, en este caso, la línea de suministro de corriente no está provista de un elemento conductor superconductor en toda su longitud, sino sólo en una parte de su longitud. A modo de ejemplo, y de forma especialmente conveniente, la parte de línea de conducción normal, de la línea de suministro de corriente, puede estar dispuesta en el extremo de la línea de suministro apartado del elemento de bobina superconductor, ya que éste habitualmente es el extremo comparativamente caliente de la línea de suministro de corriente, en el que no se encuentra presente una temperatura de servicio suficientemente reducida para un elemento conductor superconductor. Por ejemplo, la segunda parte de línea de conducción normal puede extenderse a través del paso en la pared externa del criostato, puesto que en esa área habitualmente ya no se encuentra presente una temperatura de servicio criogénica. De manera opcional, la segunda parte de línea, adicionalmente, también puede extenderse en una subárea dentro del criostato. Por ejemplo, por tanto, puede puentear una parte de la sección entre el paso y el elemento de bobina. Esta forma de ejecución es conveniente cuando también en una subárea de esa clase la línea de suministro de corriente se encuentra a una temperatura que se ubica aún por encima de la temperatura de servicio del material superconductor utilizado. Por ejemplo, dentro de un criostato de baño, ésta puede ser el área que se sitúa de forma geodésica por encima del nivel de líquido de un refrigerante criogénico líquido. Ese volumen, por ejemplo, puede completarse mediante refrigerante evaporado que se encuentra a una temperatura más elevada que el refrigerante condensado que se encuentra por debajo del nivel de líquido.

En caso de estar presente una segunda parte de la línea de suministro de corriente de conducción completamente normal, no se requiere obligatoriamente que esa segunda parte de la línea esté diseñada como un elemento separado: más bien, es posible, y eventualmente es ventajoso, que la segunda parte de línea de conducción normal descrita esté conformada de una pieza con el primer elemento de línea de conducción normal de la primera parte de línea. De este modo, por ejemplo, una varilla de cobre, sobre una parte de su longitud, puede conformar la segunda parte de línea de conducción completamente normal (habitualmente en el extremo caliente de la línea de suministro de corriente), y sobre otra parte de su longitud puede conformar el elemento conductor de conducción normal de la primera parte de línea (habitualmente en el extremo frío de la línea de suministro de corriente). Sólo en esa área más fría, adicionalmente, se encuentra presente al menos un elemento conductor superconductor, conectado de forma paralela al mismo.

En general, de manera ventajosa, la primera parte de línea puede extenderse sobre una parte predominante de la longitud del recorrido entre el paso y el elemento de bobina superconductor. En los casos en los cuales se encuentra presente una segunda parte de línea de conducción completamente normal, por tanto, la primera parte de línea, de manera ventajosa, puede puentear al menos la parte predominante de la sección mencionada. Esto consigue la ventaja de que en este caso puede lograrse una marcada reducción de las pérdidas térmicas, porque sobre una longitud significativa de la línea de suministro de corriente puede transportarse al menos una parte de la corriente en el elemento conductor superconductor. En las formas de ejecución con un criostato de baño se considera especialmente conveniente que al menos la parte de la línea de suministro de corriente que se encuentra por debajo del nivel de líquido, esté realizada mediante la primera parte de línea antes descrita.

En general, de manera ventajosa, el primer elemento conductor y el segundo elemento conductor pueden estar conectados de forma plana uno con otro dentro de la primera parte de línea. Por una conexión plana de esa clase en particular puede entenderse una conexión plana, eléctricamente conductora, que conecte los dos elementos conductores conectados de forma paralela, no sólo de forma puntual, sino en toda su longitud. Una ventaja esencial de esta forma de ejecución consiste en que mediante la conexión plana se posibilita una distribución continua y óptima para cada posición de las partes de corriente entre el primer elemento conductor de conducción normal y el segundo elemento conductor superconductor. Por ejemplo, si la temperatura de la primera parte de línea varía sobre la longitud, aumentado hacia el extremo frío, el elemento conductor superconductor puede recibir mayores partes del transporte de corriente. La conexión eléctrica plana consigue que en cada subárea de esa longitud, la corriente que debe transportarse pueda dividirse de forma óptima entre el elemento conductor de conducción normal y el elemento conductor superconductor. Gracias a esto, las pérdidas térmicas se reducen en la mayor medida posible.

De manera ventajosa, la conexión eléctrica plana puede configurarse de manera que al menos uno de los dos elementos conductores conectados de forma paralela esté conectado al otro elemento conductor sobre toda su anchura. Si las anchuras de los dos elementos conductores están seleccionadas diferentes, por tanto, en particular el elemento conductor más estrecho, sobre toda su anchura, puede estar conectado al elemento conductor más ancho. En particular, también varios elementos conductores superconductores, respectivamente sobre toda su anchura, pueden estar conectados de forma plana a un elemento conductor de conducción normal.

La conexión plana descrita entre el primer y el segundo elemento conductor, por ejemplo, puede estar realizada mediante una unión por soldadura. Una conexión plana eléctricamente conductora puede realizarse de manera especialmente sencilla mediante una soldadura eléctricamente conductora. De manera alternativa, sin embargo, también es posible realizar una conexión plana eléctricamente conductora por ejemplo con un adhesivo eléctricamente conductor. Según otra variante, los dos elementos conductores conectados también pueden estar presionados de forma plana uno contra otro, por ejemplo pueden estar atornillados o apretados. En el caso de una conexión a presión mecánica de esa clase, de manera opcional, el área de contacto entre los dos elementos conductores conectados puede estar llenada con una capa de contacto eléctrica adicional, por ejemplo mediante una capa de indio que puede deformarse fácilmente y es eléctricamente conductora.

En general, de manera ventajosa, el primer elemento de la primera parte de línea puede estar formado de cobre o de una aleación que contenga cobre. La aleación que contiene cobre en particular puede tratarse de latón. Los materiales mencionados son especialmente ventajosos, ya que presentan una conductividad específica elevada. De este modo, en el caso de una sección transversal del conductor comparativamente reducida, una corriente elevada puede transportarse con pérdidas térmicas comparativamente reducidas. De manera alternativa o adicional, el primer elemento conductor, como material, puede presentar también aluminio, ya que el mismo, igualmente, posee una conductividad específica comparativamente elevada. Los materiales mencionados, igualmente, son especialmente ventajosos como materiales para la segunda parte de línea conectada en serie, que opcionalmente se encuentra presente.

En general, e independientemente de la selección del material exacta, el primer elemento conductor está diseñado como un elemento conductor con una superficie de la sección transversal de al menos 10 mm2 Una superficie de la sección transversal alta de ese modo es conveniente para que al menos en el extremo caliente de la primera parte de línea pueda transportarse una corriente suficientemente elevada para el funcionamiento del dispositivo limitador de corriente, en el elemento conductor de conducción normal. En el caso de corrientes de servicio elevadas del dispositivo limitador de corriente (en particular de algunos 100 A a varios kA), se considera ventajoso que la superficie de la sección transversal del primer elemento conductor se encuentre incluso en al menos 50 mm2. Los valores mencionados para la superficie de la sección transversal en particular pueden realizarse sobre toda la longitud del primer elemento conductor. De manera conveniente, la superficie de la sección transversal puede ser constante sobre la longitud del primer elemento conductor, ya que esto simplifica la fabricación.

En general, e independientemente del material y de la superficie de la sección transversal, el primer elemento conductor, por ejemplo, puede estar presente como un elemento conductor en forma de una varilla. Una varilla conductora de esa clase, por ejemplo, puede estar realizada maciza o también hueca. Se considera aquí especialmente ventajosa una varilla conductora con una sección transversal rectangular (por tanto, en particular una varilla cuadrada), en la cual una o varias superficies principales de la varilla conductora pueden estar conectadas de forma plana a un conductor de tira superconductor. El primer elemento conductor, sin embargo, principalmente puede estar conformado como un conductor flexible en forma de una tira, o también como un hilo trenzado formado por una pluralidad de subconductores individuales, trenzados entre sí.

En general, de manera ventajosa e independientemente de la conformación exacta del primer elemento conductor, el segundo elemento conductor puede presentar un conductor de tira superconductor. Un conductor de tira de esa clase puede presentar una capa superconductora sobre un sustrato en forma de una tira. Un conductor de tira de esa clase es particularmente adecuado para realizar una conexión plana eléctricamente conductora hacia el primer elemento conductor de conducción normal. Además, en la actualidad se dispone de conductores de tira superconductores con una calidad del conductor elevada y en particular con una densidad de corriente crítica elevada, a temperaturas comparativamente elevadas.

Según una forma de ejecución en general preferente, el segundo elemento conductor puede comprender un material superconductor de alta temperatura. Los superconductores de alta temperatura (HTS) son materiales superconductores con una temperatura de transición por encima de 25 K (y en algunas clases de material por encima de 77 K), en los cuales la temperatura de servicio puede alcanzarse mediante una refrigeración con otros materiales criogénicos, como helio líquido). Por ese motivo, los materiales HTS también son especialmente atractivos, ya que esos materiales, en función de la selección de la temperatura de servicio, pueden presentar campos magnéticos críticos superiores elevados, así como densidades de corriente críticas elevadas. De manera especialmente ventajosa, muchos materiales HTS pueden refrigerarse con nitrógeno líquido.

El superconductor de alta temperatura puede presentar un superconductor cerámico de óxido de la segunda generación, por ejemplo una unión del tipo REBa2Cu3Ox (abreviado REBCO), donde RE representa un elemento de las tierras raras o una mezcla de elementos de esa clase. De manera alternativa, sin embargo, puede tratarse también de un conductor HTS de la primera generación (1G-HTS), por ejemplo de una unión del tipo Bi2223 o Bi2212. También el diboruro de magnesio se considera como un material HTS ventajoso.

En general, e independientemente de la selección del material, el segundo elemento conductor puede presentar varios subconductores superconductores y en particular varios conductores de tira superconductores. Por ejemplo, esto es posible de manera que el segundo elemento conductor esté formado por una pila de varios conductores de tira superconductores. De manera alternativa o adicional, también varios conductores de tira superconductores (así como pilas de conductores de tira) pueden estar dispuestos sobre superficies separadas de un elemento conductor de conducción normal, conformando juntos el segundo elemento conductor. En todo caso, se considera ventajoso que la pluralidad de subconductores superconductores estén conectados entre sí eléctricamente, de forma paralela. No es obligatorio que el número de subconductores sea constante sobre la longitud de la primera parte de línea. Por ejemplo, también en el extremo más caliente de la primera parte de línea (por tanto en el extremo apartado del elemento de bobina), el número de subconductores conectados de forma paralela puede estar aumentado para compensar una reducción de la densidad de corriente crítica con la temperatura de servicio que se torna más elevada.

En general, de manera ventajosa, el criostato puede estar diseñado como un criostato de baño, donde el mismo está diseñado para ser llenado con un refrigerante criogénico líquido. Los refrigerantes criogénicos adecuados son por ejemplo el nitrógeno líquido, helio líquido, neón líquido, hidrógeno líquido, oxígeno líquido y/o metano líquido. De este modo, al utilizar todos esos refrigerantes criogénicos en principio la forma líquida puede encontrarse en un equilibrio junto con la forma gaseosa. En particular, dentro del criostato de baño puede estar proporcionado un nivel de líquido (por tanto, un nivel de llenado predeterminado), hasta que se alcance el refrigerante licuado en el funcionamiento. Si los componentes que deben refrigerarse - como elemento(s) y línea(s) de suministro de corriente - se refrigeran con refrigerante líquido, se produce entonces habitualmente una evaporación de una parte del refrigerante. Ese refrigerante evaporado, habitualmente, se condensa de nuevo debido a las partes restantes del sistema de refrigeración (a menudo en un cabezal de enfriamiento y/o en un condensador separado). De manera conveniente, el criostato de baño está diseñado para un funcionamiento a sobrepresión. El mismo, por ejemplo, también puede estar compuesto por un recipiente del criostato y por una tapa del criostato.

En todo caso, al utilizar un criostato de baño se considera ventajoso que la primera parte de línea descrita (con elemento conductor de conducción normal conectado de forma paralela y elemento conductor superconductor) puentee al menos la parte de la longitud del recorrido de la línea de suministro de corriente que está sumergida en el refrigerante líquido durante el funcionamiento. Expresado de otro modo, la primera parte de línea, entonces, se extiende al menos desde el elemento de bobina hasta el nivel de llenado proporcionado del criostato de baño.

Además, puede ser ventajoso que el criostato de baño esté diseñado para un nivel de llenado que esté seleccionado de manera que durante el funcionamiento del dispositivo limitador de corriente la primera parte de línea esté sumergida en el refrigerante líquido al menos un 50 % de su longitud. Expresado de otro modo, el refrigerante líquido debe circular alrededor de una parte predominante de la primera parte de línea, durante el funcionamiento, lo cual, de manera ventajosa, permite una refrigeración eficiente del elemento conductor superconductor y, con ello, también un transporte aproximadamente sin pérdidas, de al menos una parte de la corriente de servicio. Un diseño de esa clase, al estar presentes varias líneas de suministro de corriente, puede alcanzarse fácilmente ante todo para aquella línea de suministro de corriente con la cual se contacta un área del elemento de bobina que se sitúa de forma geodésica comparativamente más abajo.

El dispositivo limitador de corriente, adicionalmente, de manera ventajosa, puede comprender un cabezal de enfriamiento que está dispuesto en el área de una pared externa del criostato. Por ejemplo, un cabezal de enfriamiento de esa clase, en el caso de una realización de dos partes del criostato, puede ser sostenido por la tapa del criostato. En general, de manera conveniente, un cabezal de enfriamiento de esa clase, al menos parcialmente, se proyecta hacia el interior del espacio interno del criostato, de manera que puede refrigerarse el área que se sitúa en el interior, con el cabezal de enfriamiento. De manera ventajosa, el cabezal de enfriamiento se encuentra por encima del nivel de refrigerante, de modo que el refrigerante evaporado puede condensarse en el área del cabezal de enfriamiento y, con ello, puede suministrarse nuevamente al depósito de refrigerante líquido. Esa condensación puede tener lugar directamente en el cabezal de enfriamiento o en un condensador que se encuentre presente de manera adicional.

Según una forma de ejecución en general ventajosa, el dispositivo limitador de corriente puede comprender al menos dos líneas de suministro de corriente. La presencia de dos líneas de suministro de corriente de esa clase es conveniente para poder conectar el elemento de bobina con un circuito cerrado externo. De manera especialmente ventajosa, también la segunda línea de suministro de corriente está diseñada como una primera línea de suministro de corriente antes descrita. De manera conveniente, también para cada línea de suministro de corriente se encuentra presente un paso propio, asociado a la misma, a través de la pared externa del criostato.

A continuación, la invención se explica mediante algunos ejemplos de ejecución preferentes, haciendo referencia a los dibujos que se adjuntan, en donde muestran:

Figura 1 una representación esquemática de la sección transversal de un dispositivo limitador de corriente, según un primer ejemplo de la invención,

Figura 2 una representación esquemática de la sección transversal de un dispositivo limitador de corriente, según un segundo ejemplo de la invención, y

Figura 3 una representación local esquemática de la sección transversal para la primera parte de línea de una línea de suministro de corriente.

En las figuras, los elementos idénticos o que cumplen la misma función están provistos de los mismos símbolos de referencia.

En la figura 1 se muestra una representación esquemática de la sección transversal de un dispositivo limitador de corriente 1, según un primer ejemplo de ejecución de la invención. En este caso se trata de un dispositivo limitador de corriente superconductor resistivo. El mismo comprende un elemento de bobina superconductor 3 que está dispuesto en el espacio interno de un criostato 5 y mediante el cual está aislado térmicamente con respecto al ambiente externo. Durante el funcionamiento, el elemento de bobina 3 superconductor se enfría a una temperatura de servicio criogénica, por debajo de la temperatura de transición del material superconductor utilizado. El elemento de bobina 3, por ejemplo, puede tratarse de una bobina enrollada de forma bifilar, pero en particular también de una pila formada por varias bobinas bifilares de esa clase, que se sitúan de forma vertical unas sobre otras.

En el presente ejemplo, el criostato 5 está diseñado como un criostato de baño, que durante el funcionamiento del dispositivo limitador de corriente se llena con un refrigerante líquido 41. El refrigerante líquido, por ejemplo, puede tratarse de nitrógeno licuado. El criostato 5 está diseñado para un nivel de llenado 47, donde de forma geodésica por debajo de ese nivel de llenado 47 se encuentra un espacio para líquido 43, y por encima del mismo se encuentra un espacio para gas 45. El elemento de bobina 3 está dispuesto completamente en el espacio para líquido 43, de manera que el refrigerante líquido puede circular alrededor del elemento de bobina y refrigerarlo de forma directa. El criostato 5 está compuesto por un recipiente del criostato 5a que se sitúa abajo y por una tapa del criostato 5b que se sitúa arriba. En la tapa del criostato 5b está introducido un cabezal de enfriamiento 51 que se proyecta hacia el espacio interno del criostato. Ese cabezal de enfriamiento 51 presenta un área del condensador 53 en la cual el refrigerante evaporado en la refrigeración puede condensarse, y desde allí, puede reconducirse nuevamente desde el espacio para líquido 43. El área del condensador 53, del cabezal de enfriamiento 51, mediante otros componentes del sistema de refrigeración no representados en detalle (por ejemplo un circuito del compresor dispuesto por fuera del criostato) se mantiene de forma permanente a una temperatura criogénica que es adecuada para la licuefacción del refrigerante.

Para poder conectar el elemento de bobina superconductor 3 a un circuito externo, el dispositivo limitador de corriente 1 presenta dos líneas de suministro de corriente 7a y 7b, que dentro del criostato 5 están conectadas eléctricamente al elemento de bobina 3. A cada línea de suministro de corriente está asociado un paso 11 mediante la tapa del criostato 5b, de manera que las líneas de suministro de corriente 7a y 7b pueden conducirse hacia el exterior, a través del criostato 5. En el ejemplo mostrado, las dos líneas de suministro de corriente 7a y 7b presentan las características según la invención antes descritas, de manera que las ventajas de la invención pueden realizarse para ambas. La línea de suministro de corriente 7a representada a la izquierda contacta un área del elemento de bobina 3 que se sitúa comparativamente más arriba, y la línea de suministro de corriente 7b representada a la derecha contacta un área del elemento de bobina 3 que se sitúa comparativamente más abajo.

Cada una de las dos líneas de suministro de corriente 7a y 7b presenta una primera parte de línea 21 y una segunda parte de línea 22. En este caso, respectivamente la primera parte de línea está formada por un circuito paralelo entre un primer elemento conductor 31 de conducción normal, y un segundo elemento conductor 32, superconductor. La segunda parte de línea 22, conectada en serie con respecto a la primera parte de línea 21, en cambio, está realizada con conducción completamente normal. En el ejemplo mostrado, la segunda parte de línea 22 respectivamente está conformada mediante el conductor 15 que se encuentra presente en el área del paso 11, dentro del aislamiento 13. La segunda parte de línea 22, respectivamente presenta una longitud 122. La primera parte de línea 21, respectivamente dentro del criostato 5, se conecta al conductor 15 de conducción normal del paso 11 asociado, puenteando así toda la longitud del recorrido 1, entre el paso y la respectiva conexión del elemento de bobina. Expresado de otro modo, la longitud 121 de la primera parte de línea corresponde precisamente a esa longitud del recorrido 1 que debe puentearse dentro del criostato 5. Esas dos longitudes 1 y 121 están ilustradas en la figura 1 a modo de ejemplo sólo para la línea de suministro de corriente 7a representada a la izquierda, que contacta la parte del elemento de bobina 3 que se sitúa arriba. Para la línea de suministro de corriente 7b representada a la derecha, que contacta la parte inferior del elemento de bobina 3, esas dos longitudes son igualmente idénticas. Pero en total son un poco más largas.

El elemento conductor 31 de conducción normal de las dos primeras parte de línea 21 está formado respectivamente por una varilla cuadrada de cobre. La sección transversal de ese conductor de cobre está seleccionada suficientemente alta, para también poder transportar sola la corriente de servicio para el limitador de corriente. Con esas dos varillas de cobre, respectivamente sobre toda su longitud, está conectado de forma plana al menos un elemento conductor 32 superconductor. Por ejemplo, en cada varilla de cobre, sobre al menos una superficie externa, un conductor de tira superconductor está en contacto de forma plana con la varilla de cobre. Ese contacto plano, por ejemplo, puede estar realizado mediante una unión por soldadura plana. En el ejemplo mostrado, esa unión por soldadura se extiende sobre toda la longitud de la respectiva varilla de cobre y sobre toda la anchura del respectivo conductor de tira superconductor.

Durante el funcionamiento del dispositivo limitador de corriente 1, los elementos conductores superconductores 32 no se encuentran obligatoriamente en el estado superconductor sobre toda su longitud. Por ejemplo, la temperatura de servicio del espacio para gas 45 puede estar seleccionada de manera que los elementos conductores superconductores 32 ya no se encuentren aquí por debajo de su temperatura de transición. De manera alternativa, también podría suceder que aunque no se alcance un valor por debajo de la temperatura de transición, sin embargo, dentro del espacio para gas 45 la densidad de corriente crítica que puede alcanzarse en el superconductor sea relativamente reducida, de modo que con la sección transversal del superconductor que se encuentra a disposición no pueda transportarse sin pérdidas toda la corriente necesaria. En todo caso, sin embargo, en el área del espacio para líquido 43, puede alcanzarse un valor inferior a la temperatura de transición para los dos elementos conductores superconductores 32. De ese modo, al menos por debajo del nivel de llenado 47 se alcanza un estado superconductor y, de manera ventajosa, también se alcanza una densidad de corriente crítica en los elementos conductores superconductores 32. Debido a esto, al menos por debajo del nivel de llenado 47 y al menos para una parte de la corriente que debe transportarse, se alcanza un transporte de corriente con pocas pérdidas, entre los pasos 11 y el elemento de bobina 3. En el ejemplo mostrado, respectivamente la parte predominante de la longitud 121 de la primera parte de línea 21 se introduce en el espacio para líquido 43. En comparación con una realización de conducción completamente normal de las líneas de suministro de corriente, aquí se consigue una reducción marcada de las pérdidas térmicas y, con ello, también una reducción de la potencia de enfriamiento requerida del dispositivo limitador de corriente.

En la figura 2 se muestra una representación esquemática de la sección transversal de un dispositivo limitador de corriente 1, según un segundo ejemplo de ejecución de la invención. Este dispositivo limitador de corriente está estructurado esencialmente de forma similar a aquél del primer ejemplo de ejecución. La diferencia esencial con respecto al ejemplo de la figura 1 reside en que la longitud del recorrido 1 entre el paso 11 y el elemento de bobina superconductor 3 aquí no se puentea por completo, sino sólo parcialmente, mediante la primera parte de línea 21 descrita. La longitud 121, por tanto, aquí es más reducida que toda la longitud del recorrido I que debe puentearse en el espacio interno del criostato. La parte restante de la longitud del recorrido que debe puentearse se conecta aquí mediante un conductor de conducción completamente normal. Expresado de otro modo, por tanto, aquí se encuentra presente un circuito en serie entre una primera parte de línea 21 (al menos parcialmente superconductora) y una parte de línea de conducción completamente normal 22. La parte de línea de conducción completamente normal 22, sin embargo, conforma aquí no sólo el conductor interno 15 del paso 11, sino también otra sección de línea de conducción normal dentro del espacio para vapor 45 del criostato 5.

De forma análoga al primer ejemplo, las primeras partes de línea también aquí, respectivamente, están formadas por un circuito paralelo conectado de forma plana, formado por una varilla de cobre maciza (como primer elemento conductor 31) y un conductor de tira superconductor (como segundo elemento conductor 32). Esas primeras partes de línea 21 se introducen ambas predominantemente en el espacio para líquido 43 del criostato. En las dos líneas de suministro de corriente 7a y 7b, sin embargo, aquí respectivamente el elemento conductor superconductor 32 termina apenas por encima del nivel de líquido 47. En la parte predominante del espacio para gas 45, las líneas de suministro de corriente 7a y 7b se forman aquí por las partes de línea de conducción completamente normal 22. Esa segunda variante de ejecución se considera especialmente ventajosa si las líneas de suministro de corriente no presentan una temperatura de servicio suficientemente reducida, de todas formas, en el área del espacio para gas, para posibilitar un transporte de corriente con pocas pérdidas, hacia los superconductores. De este modo, en esa área puede ahorrarse el material conductor superconductor. En el ejemplo de la figura 2, el elemento conductor de conducción normal 31, de la primera parte de línea, se convierte de una pieza en el área inferior de la segunda parte de línea 22: se trata respectivamente de la misma varilla de cobre que, sin embargo, sólo en su área situada abajo está conectada de forma plana al elemento conductor superconductor 32 asociado y, por tanto, sólo forma aquí una parte de la primera parte de línea 21.

En la figura 3 se muestra una representación local esquemática de la sección transversal para una primera parte de línea 21, a modo de ejemplo, de una línea de suministro de corriente. Por ejemplo, las primeras partes de línea 21 de los ejemplos de las figuras 1 y 2 pueden estar realizadas de ese modo o de un modo similar. También aquí, en este caso, la primera parte de línea 21 mostrada está formada por un circuito paralelo formado por un primer elemento conductor de conducción normal 31, y por un segundo elemento conductor superconductor. El primer elemento conductor de conducción normal 31 también en este caso está formado como una varilla cuadrada maciza de cobre. Las cuatro superficies externas de esa varilla cuadrada respectivamente están conectadas de forma plana con uno o con varios conductores de tira superconductores 61. Esa conexión plana eléctricamente conductora respectivamente está realizada mediante capas de soldadura conductoras 63. De este modo, los respectivos conductores de tira 61 no sólo están conectados de forma plana a la varilla de cobre de conducción normal 31 sobre toda su longitud, sino también sobre toda su anchura b. La pluralidad de conductores de tira superconductores 61 está conectada paralelamente entre sí de forma eléctrica y, en conjunto, conforma el segundo elemento conductor superconductor de la primera parte de línea 21. La disposición de conductores de tira en todas las cuatro superficies externas de la varilla de cobre debe entenderse aquí sólo de forma ilustrativa. En principio es suficiente que sólo un conductor superconductor individual esté conectado de forma plana al conductor de conducción normal, en su superficie externa. Sin embargo, a modo de ejemplo, los conductores superconductores también pueden estar dispuestos sobre dos superficies externas o sobre tres superficies externas de la varilla de cobre.

En la figura 3, para la superficie externa de la varilla de cobre 31, que se sitúa abajo, a modo de ejemplo se muestra que en lugar de un conductor de tira 61 individual también puede estar presente una pila 66 de varios conductores de tira. La disposición de una pila de esa clase naturalmente también es posible en otras superficies externas del elemento conductor de conducción normal 31 y sólo ilustra la posibilidad de variación de las configuraciones. Para el efecto según la invención es esencial que al menos un conductor superconductor esté conectado de forma paralela a un conductor de conducción normal al menos sobre una parte de la longitud de la línea de suministro de corriente.

Lista de símbolos de referencia

1 Dispositivo limitador de corriente

3 Elemento de bobina superconductor

5 Criostato

5a Recipiente del criostato

5b Tapa del criostato

7a Primera línea de suministro de corriente

7b Segunda línea de suministro de corriente

11 Paso

13 Aislamiento

15 Conductor del paso

21 Primera parte de línea

22 Segunda parte de línea

31 Elemento conductor de conducción normal

32 Elemento conductor superconductor

41 Refrigerante

43 Espacio para líquido

45 Espacio para gas

47 Nivel de llenado

51 Cabezal de enfriamiento

53 Área del condensador

61 Conductor de tira superconductor

63 Capa de soldadura

66 Pila de conductores de tira

b Anchura del conductor de tira

I Longitud del recorrido entre el paso y el elemento de bobina

121 Longitud de la primera parte de línea

122 Longitud de la segunda parte de línea

Claims (14)

REIVINDICACIONES

1. Dispositivo limitador de corriente (1) con

- un elemento de bobina superconductor (3),

- un criostato (5), dentro del cual está dispuesto el elemento de bobina superconductor (3),

- al menos una línea de suministro de corriente (7a, 7b) para la conexión del elemento de bobina superconductor (3) a un circuito externo,

- y al menos un paso (11) a través de una pared externa del criostato (5), a través del cual es guiada la línea de suministro de corriente (7a, 7b),

- donde la línea de suministro de corriente (7a, 7b) comprende al menos una primera parte de línea (21) que se extiende entre el paso (11) y el elemento de bobina superconductor (3),

- donde la primera parte de línea (21) presenta al menos un primer elemento conductor (31) y un segundo elemento conductor (32),

- donde el primer elemento conductor (31) está diseñado como un elemento conductor metálico de conducción normal y el segundo elemento conductor (32) está diseñado como un elemento conductor superconductor conectado de forma paralela al mismo,

- caracterizado porque el primer elemento conductor (31) está formado como un elemento conductor con una superficie de la sección transversal de al menos 10 mm2.

2. Dispositivo limitador de corriente (1) según la reivindicación 1, en el cual la línea de suministro de corriente (7a,7b) presenta una segunda parte de línea adicional (22) de conducción normal y que está conectada eléctricamente en serie con la primera parte de línea (21).

3. Dispositivo limitador de corriente (1) según la reivindicación 1 ó 2, en el cual la primera parte de línea (21) se extiende sobre una parte predominante de la longitud del recorrido (I) entre el paso (11) y el elemento de bobina superconductor (3).

4. Dispositivo limitador de corriente (1) según una de las reivindicaciones precedentes, en el cual, dentro de la primera parte de línea (21), el primer elemento conductor (31) y el segundo elemento conductor (32) están conectados uno con otro de forma plana.

5. Dispositivo limitador de corriente (1) según la reivindicación 4, en el cual la conexión plana entre el primer elemento conductor (31) y el segundo elemento conductor (32) se extiende sobre toda la longitud (l21) de la primera parte de línea (21).

6. Dispositivo limitador de corriente (1) según una de las reivindicaciones 4 ó 5, en el cual el primer elemento conductor (31) y el segundo elemento conductor (32) están soldados uno con otro.

7. Dispositivo limitador de corriente (1) según una de las reivindicaciones precedentes, en el cual el primer elemento conductor (31) está formado de cobre o de una aleación que contiene cobre.

8. Dispositivo limitador de corriente (1) según una de las reivindicaciones precedentes, en el cual el segundo elemento conductor (32) presenta un conductor de tira superconductor (61), en particular con una capa superconductora sobre un sustrato en forma de una tira.

9. Dispositivo limitador de corriente (1) según una de las reivindicaciones precedentes, en el cual el segundo elemento conductor (32) comprende un material superconductor de alta temperatura.

10. Dispositivo limitador de corriente (1) según una de las reivindicaciones precedentes, en el cual el segundo elemento conductor (32) comprende varios subconductores superconductores (61).

11. Dispositivo limitador de corriente (1) según una de las reivindicaciones precedentes, en el cual el criostato (5) está diseñado como un criostato de baño para el llenado con un refrigerante criogénico líquido (41).

12. Dispositivo limitador de corriente (1) según la reivindicación 11, en el cual el criostato de baño (5) está diseñado para un nivel de llenado (47) que está seleccionado de manera que durante el funcionamiento del dispositivo limitador de corriente (1) la primera parte de línea (21) está sumergida en el refrigerante líquido (41) al menos un 50 %.

13. Dispositivo limitador de corriente (1) según una de las reivindicaciones precedentes, el cual comprende un cabezal de enfriamiento (51) que está dispuesto en el área de una pared externa del criostato (5).

14. Dispositivo limitador de corriente (1) según una de las reivindicaciones precedentes, que comprende al menos dos líneas de suministro de corriente (7a, 7b).