Limitador de corriente de falta con una pluralidad de elementos superconductores que tienen substratos electricamente conductores, aislados.

- Limitador de corriente de falta, con un dispositivo (1; 21; 31; 41; 51; 61; 71; 72) superconductor que comprendeuna secuencia de elementos (2a - 2f) superconductores,

cada uno de ellos con:

- un substrato (3a - 3d) eléctricamente conductor

- una película (5 - a5d) superconductora, y

- una capa (4a - 4c) intermedia eléctricamente aislante proporcionada entre el substrato y la películasuperconductora,

en el que las películas (5a - 5d) superconductoras de elementos (2a - 2f) superconductores adyacentes de lasecuencia están conectadas eléctricamente, en particular en serie;

en el que el substrato (3a - 3d) eléctricamente conductor de cada elemento (2a - 2f) superconductor de la secuenciaestá aislado eléctricamente de cada substrato (3a - 3d) eléctricamente conductor de aquellos elementos (2a - 2f)superconductores adyacentes comprendidos dentro de la secuencia cuyas películas (5a - 5d) superconductorasestán eléctricamente conectadas en serie con la película (5a - 5d) superconductora de dicho elemento (2a - 2f)superconductor,

en el que las películas (5a - 5d) superconductoras de al menos algunos elementos (2a - 2f) superconductoresadyacentes están conectadas eléctricamente por medio de un elemento (42a - 42e) de puente;

en el que el elemento (42a - 42e) de puente comprende una sección de superconducción,

y en el que las películas (5a - 5d) superconductoras de los elementos (2a - 2f) superconductores adyacentesconectados eléctricamente por medio del elemento (42a - 42e) de puente están ambos conectados eléctricamente ala sección de superconducción, y

en el que el elemento (42a - 42e) de puente se solapa, en particular se solapa parcialmente, con ambos elementos(2a - 2f) superconductores adyacentes conectados eléctricamente por medio del elemento (42a - 42e) de puente,caracterizado porque

el elemento (42a - 42e) de puente comprende un substrato dieléctrico (43a - 43b), y la sección de superconducciónes una capa (44a, 44b) superconductora que cubre el substrato (43a, 43b) dieléctrico,

y porque la capa (44a, 44b) superconductora del elemento (42a - 42e) de puente se enfrenta a las películas (5a -5d) superconductoras de los elementos (2a - 2f) superconductores adyacentes conectados eléctricamente por mediodel elemento (42a - 42e) de puente.

Limitador de corriente de falta con una pluralidad de elementos superconductores que tienen substratos eléctricamente conductores, aislados.

La invención se refiere a un limitador de corriente de falta, con un dispositivo de superconducción que comprende una serie de elementos superconductores, cada uno de ellos con:

- un substrato eléctricamente conductor,

- una película superconductora, y

- una capa intermedia eléctricamente aislante proporcionada entre el substrato y la película superconductora,

en el que las películas superconductoras de elementos superconductores adyacentes de la serie están conectadas eléctricamente, en particular en serie, en el que el substrato eléctricamente conductor de cada elemento superconductor de la serie está aislado eléctricamente de cada substrato eléctricamente conductor de estos elementos superconductores adyacentes dentro de la serie cuyas películas superconductoras están eléctricamente conectadas en serie con la película superconductora de dicho elemento superconductor, en el que las películas superconductoras de al menos alguno de los elementos superconductores adyacentes están conectadas eléctricamente por medio de un elemento de puente, en el que el elemento de puente comprende una sección de superconducción, y en el que las películas superconductoras de los elementos superconductores adyacentes conectados eléctricamente por medio del elemento de puente están eléctricamente conectadas a la sección de superconducción, y en el que el elemento de puente se solapa, en particular se solapa parcialmente, con ambos elementos superconductores adyacentes eléctricamente conectados por medio del elemento de puente.

Un dispositivo de superconducción de ese tipo es conocido a partir del documento US 7.071.148 B1.

Los limitadores de corriente de falta superconductores se utilizan para limitar el flujo de corriente a través del lado de carga de una circuitería eléctrica en caso de un cortocircuito en el lado de carga. En el caso más simple, el limitador de corriente de falta comprende un dispositivo de superconducción conectado en serie con la carga. El dispositivo de superconducción puede transportar una corriente con pérdidas muy bajas. Siempre que la corriente a través del dispositivo de superconducción no rebase la corriente crítica, el dispositivo de superconducción es prácticamente invisible dentro de la circuitería eléctrica, y son las características de la carga, en particular la resistencia, lo que determina la corriente dentro de la circuitería eléctrica.

En caso de que caiga la resistencia de la carga (es decir, exista un cortocircuito dentro de la carga) , la corriente en el circuito se incrementa, y eventualmente sobrepasa la corriente crítica. En ese caso, el dispositivo de superconducción se extingue (es decir, se vuelve normalmente conductor) , lo que da como resultado una elevada resistencia óhmica del dispositivo de superconducción. Como resultado, la corriente de la circuitería eléctrica cae correspondientemente, y la carga queda protegida frente a una corriente eléctrica elevada.

El material superconductor de una dispositivo de superconducción debe ser enfriado a una temperatura baja con el fin de que alcance su estado de superconducción. Con el fin de facilitar y rebajar los costes para el enfriamiento, se pueden utilizar materiales superconductores de alta temperatura (materiales HTS) . Los materiales HTS tienen una temperatura crítica por encima de una temperatura de 30 ºK, y pueden con frecuencia ser enfriados con nitrógeno líquido (LN2) .

Un limitador de corriente de falta con un dispositivo de superconducción que utilice un material HTS es conocido apartir del documento US 5.986.536. Éste comprende varios elementos superconductores, cada uno de los cuales comprende una película HTS depositada sobre un substrato eléctricamente aislante (dieléctrico) , fabricado en particular con un material que permite el crecimiento texturizado de la película HTS tal como ZrO2 estabilizado con ytrio, con una entrecapa delgada de Ag. Los elementos superconductores, es decir sus películas HTS, están conectados en serie.

Los limitadores de corriente de falta de este tipo que comprenden elementos superconductores con películas superconductoras texturizadas depositadas sobre un substrato dieléctrico, son bastante caras de fabricar. Además, tales limitadores de corriente de falta tienen un tiempo de recuperación relativamente largo después de un evento de extinción.

El documento DE 2410148 A divulga un dispositivo de conmutación que comprende una pluralidad de placas de aluminio perforadas de una manera tipo meandro, estando las placas recubiertas con capas superconductoras y teniendo capas de óxido de aluminio entre las mismas. Las capas superconductoras de placas contiguas están conectadas en serie por medio de contactos sobresalientes.

El documento US 7.071.148 B1 describe un artículo superconductor asociado, en el que dos segmentos contiguos y orientados de manera similar, cada uno de los cuales comprende un substrato a base de metal, una capa intermedia y un recubrimiento superconductor, están conectados eléctricamente a través de un tercer segmento opuesto del mismo tipo, dispuesto sobre la parte superior de los dos segmentos.

Objeto de la invención El objeto de la invención consiste en introducir un limitador de corriente de falta que sea simple y altamente fiable, que sea barato de fabricar, y que sea capaz de recuperarse en un tiempo corto tras un evento de extinción.

Breve descripción de la invención Este objeto ha sido logrado, de acuerdo con la presente invención, mediante un limitador de corriente de falta según la introducción realizada al principio, caracterizado porque el elemento de puente comprende un substrato dieléctrico, y la sección de superconducción es una capa superconductora que cubre el substrato dieléctrico, y porque la capa superconductora del elemento de puente se enfrenta a las películas superconductoras de los elementos superconductores adyacentes conectados eléctricamente por medio del elemento de puente.

De acuerdo con la invención, el limitador de corriente de falta (=FCL) es básicamente un dispositivo de superconducción que comprende una pluralidad de elementos superconductores; estos elementos superconductores tienen, cada uno de ellos, una película superconductora, en particular una película HTS, depositada sobre un substrato eléctricamente conductor, en particular un substrato metálico. La película superconductora y el substrato eléctricamente conductor están (al menos en gran medida) aislados uno del otro; a este efecto, existe una capa intermedia de aislamiento depositada entre el substrato eléctricamente conductor y la película superconductora. Se debe apreciar que se conocen hilos superconductores basados en substratos eléctricamente conductores con un material HTS depositado sobre la parte superior de los mismos, por ejemplo a partir del documento US 6.765.151.

Un elemento superconductor basado en un substrato eléctricamente conductor es mucho más barato de fabricar que un elemento superconductor basado en un substrato dieléctrico, debido en particular a que los costes de los substratos son diferentes en un factor del orden de aproximadamente 50. Además, un substrato eléctricamente conductor, típicamente un substrato de metal, ofrece también una conducción del calor mucho mejor que los típicos substratos dieléctricos. Como consecuencia, después de un evento de extinción que caliente típicamente el elemento superconductor por encima de la temperatura crítica del material de la película superconductora, puede ser enfriado de manera mucho más rápida de manera que el limitador de corriente de falta recupere su operación normal mucho más rápidamente.

Como particularidad de la invención, el FCL aplica una serie de elementos superconductores, con sus películas superconductoras conectadas eléctricamente, y con sus substratos eléctricamente conductores aislados entre sí. Se ha encontrado que el diseño de la invención es beneficioso para conseguir tanto una elevada resistencia de falta como una posible caída de tensión (campo eléctrico) suficientemente alta a través de la dirección de flujo de la corriente de transporte, en particular > 2 V/cm. Permitir que se consiga una elevada resistencia de falta (es decir, la resistencia del limitador de corriente de falta en el modo extinguido) , y permitir que se consiga una elevada caída de tensión, pueden ser considerados por lo tanto como objetivos adicionales... [Seguir leyendo]

1. -Limitador de corriente de falta, con un dispositivo (1; 21; 31; 41; 51; 61; 71; 72) superconductor que comprende una secuencia de elementos (2a -2f) superconductores, cada uno de ellos con:

- un substrato (3a -3d) eléctricamente conductor

- una película (5 -a5d) superconductora, y

- una capa (4a -4c) intermedia eléctricamente aislante proporcionada entre el substrato y la película superconductora,

en el que las películas (5a -5d) superconductoras de elementos (2a -2f) superconductores adyacentes de la secuencia están conectadas eléctricamente, en particular en serie;

en el que el substrato (3a -3d) eléctricamente conductor de cada elemento (2a -2f) superconductor de la secuencia está aislado eléctricamente de cada substrato (3a -3d) eléctricamente conductor de aquellos elementos (2a -2f) superconductores adyacentes comprendidos dentro de la secuencia cuyas películas (5a -5d) superconductoras están eléctricamente conectadas en serie con la película (5a -5d) superconductora de dicho elemento (2a -2f) superconductor, en el que las películas (5a -5d) superconductoras de al menos algunos elementos (2a -2f) superconductores adyacentes están conectadas eléctricamente por medio de un elemento (42a -42e) de puente;

en el que el elemento (42a -42e) de puente comprende una sección de superconducción, y en el que las películas (5a -5d) superconductoras de los elementos (2a -2f) superconductores adyacentes conectados eléctricamente por medio del elemento (42a -42e) de puente están ambos conectados eléctricamente a la sección de superconducción, y en el que el elemento (42a -42e) de puente se solapa, en particular se solapa parcialmente, con ambos elementos (2a -2f) superconductores adyacentes conectados eléctricamente por medio del elemento (42a -42e) de puente, caracterizado porque el elemento (42a -42e) de puente comprende un substrato dieléctrico (43a -43b) , y la sección de superconducción es una capa (44a, 44b) superconductora que cubre el substrato (43a, 43b) dieléctrico, y porque la capa (44a, 44b) superconductora del elemento (42a -42e) de puente se enfrenta a las películas (5a 5d) superconductoras de los elementos (2a -2f) superconductores adyacentes conectados eléctricamente por medio del elemento (42a -42e) de puente.

2. -Limitador de corriente de falta de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque las películas (5a -5d) superconductoras de algunos elementos (2a -2f) superconductores adyacentes están conectadas eléctricamente de manera directa.

3. -Limitador de corriente de falta de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque los elementos (2a -2f) superconductores adyacentes conectados eléctricamente de manera directa están:

- orientados con sus películas (5a -5d) superconductoras enfrentándose entre sí, y

- desplazados cada uno hacia el otro, de tal modo que los elementos (2a -2f) superconductores adyacentes se solapan parcialmente en una región (22a -22c) de solapamiento, en el que, en la región (22a -22c) de solapamiento, las películas (5a – 5d) superconductoras de los elementos (2a -2f) superconductores solapantes están conectadas eléctricamente.

4. -Limitador de corriente de falta de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 2 ó 3, caracterizado porque las películas (5a -5d) superconductoras de los elementos (2a -2f) superconductores adyacentes conectados eléctricamente de forma directa están conectados eléctricamente a través de una capa (6; 6a, 6b) de un metal normalmente conductor.

5. -Limitador de corriente de falta de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los elementos (2a -2f) superconductores adyacentes conectados eléctricamente por medio de un elemento (42a -42e) de puente están:

- orientados con sus películas (5a -5d) superconductoras enfrentadas en la misma dirección,

- y dispuestos cada uno próximo al otro, con un espacio de separación (45a, 45b) entre dos elementos (2a -2f) superconductores adyacentes,

en el que el elemento (42a -42e) de puente establece una conexión eléctrica de las películas (5a -5d) superconductoras de los elementos (2a -2f) superconductores adyacentes a través del espacio de separación (45a, 45b) .

6. -Limitador de corriente de falta de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque los elementos (2a -2f) superconductores están conectados según una configuración en forma de anillo.

7. -Limitador de corriente de falta de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque los elementos (2a -2f) superconductores están conectados según una secuencia lineal.

8. -Limitador de corriente de falta de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7,

caracterizado porque al menos uno de los elementos (2a -2f) superconductores comprende un contacto (24a -24c) eléctrico entre su película (5a -5d) superconductora y su substrato (3a -3d) eléctricamente conductor a través de su capa (4a -4c) de aislamiento, en el que el contacto (24a -24c) eléctrico está situado básicamente en el centro entre las regiones en las que el elemento (2a -2f) superconductor está conectado eléctricamente a un elemento (2a -2f) superconductor precedente y a uno siguiente.

9. -Limitador de corriente de falta de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque dentro de los elementos (2a -2f) superconductores, la capa (4a -4c) de aislamiento es continua, aislando la película (5a -5d) superconductora completamente del substrato (3a -3d) eléctricamente conductor.

10. -Limitador de corriente de falta de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la secuencia de elementos (2a -2f) superconductores comprende al menos tres elementos (2a -2f) superconductores.

11. -Método para producir un dispositivo (1; 21; 31; 41; 51; 61; 71; 72) superconductor para un limitador de corriente de falta, en particular un limitador de corriente de falta de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10,

en el que una secuencia de elementos (2a -2f) superconductores, cada uno de ellos con:

- un substrato (3a -3d) eléctricamente conductor,

- una película (5a -5d) superconductora, y

- una capa (4a -4c) eléctricamente aislante proporcionada entre el substrato (3a -3d) eléctricamente conductor y la película (5a -5d) superconductora,

están conectados eléctricamente, en particular conectados eléctricamente en serie, estableciendo una conexión eléctrica entre las películas (5a -5d) superconductoras de elementos (2a -2f) superconductores adyacentes, pero manteniendo el substrato (3a -3d) eléctricamente conductor de cada elemento (2a -2f) superconductor de la secuencia aislado eléctricamente de los substratos (3a -3d) eléctricamente conductores de aquellos elementos (2a -2f) superconductores adyacentes de la secuencia cuyas películas (5a -5d) superconductoras están conectadas eléctricamente en serie con la película (5a -5d) superconductora de dicho elemento (2a -2f) superconductor, caracterizado porque cada elemento (2a -2f) superconductor está expuesto a una tensión aplicada transversalmente a través de la capa (4a -4c) eléctricamente aislante de modo que se inducen rupturas de corriente a través de la capa (4a -4c) aislante, en el que la exposición a la tensión se lleva a cabo hasta que todos los puentes de baja resistencia a través de la capa (4a -4c) de aislamiento se han quemado.

12. -Método de acuerdo con la reivindicación 11, caracterizado porque la tensión se aplica a modo de rampa de tensión con un incremento de la tensión gradualmente con el tiempo, en particular en el que la tensión se incrementa hasta su valor máximo durante un intervalo de tiempo de entre 0, 3 s y 15 s.