Limitador de corriente de falla con una pluralidad de elementos de superconducción, y al menos uno con un contacto eléctrico entre su película superconductora y su substrato eléctricamente conductor.
Limitador de corriente de falla, 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 (5a-5d) 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 de dentro de la secuencia cuyas películas (5a-5d) superconductoras estánconectadas eléctricamente en serie con la película (5a-5d) superconductora de dicho elemento (2a-2f)superconductor,
caracterizado porque,
al menos uno de los elementos (2a-2f) superconductores comprende un contacto (24a-24c) eléctrico entre supelícula (5a-5d) superconductora y su substrato (3a-3d) eléctricamente conductor a través de su capa (4a-4c) deaislamiento, en el que el contacto (24a-24c) eléctrico está situado básicamente en el centro entre las regiones dondeel elemento (2a-2f) superconductor está conectado eléctricamente a un elemento (2a-2f) superconductor anterior y auno siguiente.
Tipo: Patente Europea. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: E10192011.
Solicitante: ALSTOM TECHNOLOGY LTD.
Inventor/es: Usoskin,Alexander Dr, Mumford,Francis James.
Fecha de Publicación: .
Clasificación Internacional de Patentes:
- H01L39/16 ELECTRICIDAD. › H01 ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS. › H01L DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES; DISPOSITIVOS ELECTRICOS DE ESTADO SOLIDO NO PREVISTOS EN OTRO LUGAR (utilización de dispositivos semiconductores para medida G01; resistencias en general H01C; imanes, inductancias, transformadores H01F; condensadores en general H01G; dispositivos electrolíticos H01G 9/00; pilas, acumuladores H01M; guías de ondas, resonadores o líneas del tipo guía de ondas H01P; conectadores de líneas, colectores de corriente H01R; dispositivos de emisión estimulada H01S; resonadores electromecánicos H03H; altavoces, micrófonos, cabezas de lectura para gramófonos o transductores acústicos electromecánicos análogos H04R; fuentes de luz eléctricas en general H05B; circuitos impresos, circuitos híbridos, envolturas o detalles de construcción de aparatos eléctricos, fabricación de conjuntos de componentes eléctricos H05K; empleo de dispositivos semiconductores en circuitos que tienen una aplicación particular, ver la subclase relativa a la aplicación). › H01L 39/00 Dispositivos que utilizan la superconductividad o la hiperconductividad; Procedimientos o aparatos especialmente adaptados a la fabricación o al tratamiento de estos dispositivos o de sus partes constitutivas (dispositivos consistentes en una pluralidad de componentes de estado sólido formados en o sobre un sustrato común H01L 27/00; superconductores caracterizados por la técnica de formación o por la composición de las cerámicas C04B 35/00; conductores, cables o líneas de transmisión superconductores o hiperconductores H01B 12/00; bobinas o arrollamientos superconductores H01F; amplificadores que utilizan la superconductividad H03F 19/00). › Dispositivos conmutables entre los estados normal y superconductor.
- H01L39/24 H01L 39/00 […] › Procesos o aparatos especialmente adaptados a la fabricación o el tratamiento de los dispositivos cubiertos por H01L 39/00 de sus partes constitutivas.
PDF original: ES-2403095_T3.pdf
Fragmento de la descripción:
Limitador de corriente de falla con una pluralidad de elementos de superconducción, y al menos uno con un contacto eléctrico entre su película superconductora y su substrato eléctricamente conductor.
La invención se refiere a un limitador de corriente de falla, con un dispositivo superconductor que comprende una secuencia de elementos de superconducción, cada uno de los cuales posee:
-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 de superconducción adyacentes de la secuencia están conectadas eléctricamente, en particular en serie,
en el que el substrato eléctricamente conductor de cada elemento de superconducción de la secuencia está aislado eléctricamente de cada substrato eléctricamente conductor de los elementos de superconducción adyacentes dentro de la secuencia cuyas películas superconductoras están conectadas eléctricamente en serie con la película superconductora de dicho elemento de superconducción.
Un dispositivo superconductor de ese tipo es conocido a partir del documento US 7.071.148 B1.
Los limitadores de corriente de falla de superconducción se utilizan para limitar el flujo de corriente a través del lado de carga de un circuito eléctrico en caso de cortocircuito en el lado de carga. En el caso más simple, el limitador de corriente de falla comprende un dispositivo superconductor conectado en serie con la carga. El dispositivo superconductor puede transportar una corriente con pérdidas muy bajas. Siempre que la corriente a través del dispositivo superconductor no exceda la corriente crítica, el dispositivo superconductor es prácticamente invisible dentro de la circuitería eléctrica, y es la característica de la carga, en particular la resistencia, la que determina la corriente a través del circuito eléctrico.
En caso de que la resistencia de la carga caiga (es decir, exista un cortocircuito dentro de la carga) , la corriente del circuito se incrementa, y eventualmente excede la corriente crítica. En ese caso, el dispositivo superconductor se extingue (es decir, se vuelve un conductor normal) , lo que da como resultado una resistencia óhmica alta del dispositivo superconductor. Como resultado, la corriente en el circuito eléctrico cae consiguientemente, y la carga queda protegida frente a una alta corriente eléctrica.
El material superconductor de un dispositivo superconductor debe ser enfriado hasta una temperatura baja con el fin de que alcance el estado de superconducción. Con el fin de facilitar y reducir los costes del enfriamiento, se pueden usar materiales superconductores de alta temperatura (materiales HTS) . Los materiales HTS tienen una temperatura crítica por encima de una temperatura de 30 ºK, y con frecuencia pueden ser enfriados con nitrógeno líquido (LN2) .
Se conoce un limitador de corriente de falla con un dispositivo de superconducción que utiliza materiales HTS a partir del documento US 5.986.536. Éste comprende varios elementos de superconducción, cada uno de los cuales comprende una película de HTS depositada sobre un substrato eléctricamente aislante (dieléctrico) , realizado en particular con un material que permite el crecimiento texturado de la película de HTS, tal como ZrO2 estabilizado con itrio, con una delgada intercapa de Ag. Los elementos de superconducción, es decir sus películas de HTS, están conectados en serie.
Los limitadores de corriente de falla de este tipo que comprenden elementos de superconducción con películas de superconducción texturadas depositadas sobre un substrato dieléctrico, son bastante caros de fabricar. Además, tales limitadores de corriente de falla 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 a modo de meandro, estando las placas recubiertas con películas superconductoras y disponiendo de capas de óxido de aluminio entre las mismas. Las capas de superconducción de placas contiguas están conectadas en serie por medio de contactos sobresalientes.
El documento US 7.071.148 B1 describe un artículo superconductor unido, en el que dos segmentos contiguos y orientados de manera similar, comprendiendo cada uno de ellos un substrato a base de metal, una capa de separación y un recubrimiento superconductor, están conectados eléctricamente a través de un tercer segmento opuesto, 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 falla que sea barato de fabricar, y que esté capacitado para un tiempo de recuperación corto después de un evento de extinción.
Breve descripción de la invención Este objeto ha sido alcanzado, de acuerdo con la invención, por medio de un limitador de corriente de falla según se ha introducido en el encabezamiento de la descripción, caracterizado porque al menos uno de los elementos de superconducción comprende un contacto eléctrico entre su película superconductora y su substrato eléctricamente conductor a través de su capa aislante, en el que el contacto eléctrico está situado básicamente en el centro entre las regiones en las que el elemento de superconducción está conectado eléctricamente al elemento de superconducción anterior y al siguiente.
De acuerdo con la invención, el limitador de corriente de falla (=FCL) es básicamente un dispositivo superconductor que comprende una pluralidad de elementos de superconducción; estos elementos de superconducción tienen, cada uno de ellos, una película superconductora, en particular una película de HTS, depositada sobre un substrato eléctricamente conductor, en particular un substrato metálico. La película superconductora y el substrato eléctricamente conductor están (al menos en una gran extensión) aislados entre sí; a este efecto, existe una capa de aislamiento intermedia depositada entre el substrato eléctricamente conductor y la película superconductora. Debe apreciarse que hilos superconductores basados en substratos eléctricamente conductores con material HTS depositado sobre la parte superior, son ya conocidos, por ejemplo a partir del documento US 6.765.151.
Un elemento de superconducción basado en un substrato eléctricamente conductor es mucho más barato de fabricar que un elemento de superconducción basado en un substrato dieléctrico, en particular debido a que el coste del substrato difiere en un factor de aproximadamente 50. Además, un substrato eléctricamente conductor, típicamente un substrato metálico, ofrece también una conducción térmica mucho mejor que un substrato dieléctrico típico. Como consecuencia, después de un evento de extinción que típicamente calienta el elemento de superconducción por encima de la temperatura crítica del material de la película superconductora, puede ser enfriado de manera mucho más rápida de modo que el limitador de corriente de falla recupera el funcionamiento normal de forma mucho más rápida.
Como particularidad de la invención, el FCL del invento aplica una secuencia de elementos de superconducción, con sus películas superconductoras eléctricamente conectadas, y con sus substratos eléctricamente conductores aislados entre sí. Este diseño innovador ha sido encontrado beneficioso para conseguir tanto una alta resistencia de falla, como una posible caída de tensión suficientemente alta (campo eléctrico) a través de la dirección de transporte de corriente, en particular >2 V/cm. Permitir que se consiga una resistencia de falla alta (es decir, la resistencia del limitador de corriente de falla en el modo de extinguido) , y permitir que se consiga una caída de tensión alta, pueden ser considerados por lo tanto como objetivos adicionales de la presente invención.
Cuando el FCL del invento está en modo de falla, es decir, cuando la carga tiene un cortocircuito y las películas superconductoras se han extinguido, la tensión externa cae a través del limitador de corriente de falla, o más exactamente a través de las películas superconductoras ahora resistivas (conducción normal) en el interior del limitador de corriente de falla. Sin embargo, existe una trayectoria de desvío de corriente, ofrecida por los substratos eléctricamente conductores de los elementos de superconducción cercanos. Si la tensión es suficientemente alta, esto puede causar una perforación desde una película superconductora, a través de una capa intermedia de aislamiento, hasta... [Seguir leyendo]
Reivindicaciones:
1. Limitador de corriente de falla, 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 (5a-5d) 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 de dentro 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,
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 donde el elemento (2a-2f) superconductor está conectado eléctricamente a un elemento (2a-2f) superconductor anterior y a uno siguiente.
2. Limitador de corriente de falla de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque las películas (5a-5d) superconductoras de al menos algunos de los elementos (2a-2f) superconductores adyacentes están conectadas eléctricamente de forma directa.
3. Limitador de corriente de falla de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque los elementos (2a-2f) superconductores adyacentes conectados eléctricamente de forma directa están:
- orientados de modo que sus películas (5a-5d) superconductoras se enfrentan entre sí, y
- desplazados unos contra otros, 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) superconductores de los elementos (2a-2f) superconductores solapantes están conectadas eléctricamente.
4. Limitador de corriente de falla 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 conectadas eléctricamente de forma directa están conectadas eléctricamente a través de una capa (6; 6a, 6b) de un metal normalmente conductor.
5. Limitador de corriente de falla de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque 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 superconductora,
y en el que las películas (5a-5d) superconductoras de los elementos (2a-2f) superconductores adyacentes conectadas eléctricamente por medio de un elemento (42a-42e) de puente están ambas conectadas eléctricamente a la sección superconductora.
6. Limitador de corriente de falla de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado porque los elementos (2a-2f) superconductores adyacentes conectados eléctricamente por medio de un elemento (42a-42e) de puente están:
- orientados de modo que sus películas (5a-5d) superconductoras se enfrentan en la misma dirección,
- y dispuestos unos a continuación de otros, 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) .
7. Limitador de corriente de falla de acuerdo con la reivindicación 5 ó 6, caracterizado porque el elemento (42a42e) de puente comprende un substrato (43a, 43b) dieléctrico, y la sección superconductora es una capa (44a, 44b) superconductora que cubre el substrato (43a, 43b) dieléctrico,
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 conectadas eléctricamente por medio del elemento (42a-42e) de puente,
y porque el elemento (42a-42e) de puente se superpone, en particular se superpone parcialmente, con ambos elementos (2a-2f) superconductores adyacentes conectados eléctricamente por medio del elemento (42a-42e) de puente.
8. Limitador de corriente de falla de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque los elementos (2a-2f) superconductores están conectados según una configuración a modo de anillo.
9. Limitador de corriente de falla de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque los elementos (2a-2f) superconductores están conectados según una secuencia lineal.
10. Limitador de corriente de falla de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la secuencia de elementos (2a-2f) superconductores comprende al menos tres elementos (2a-2f) superconductores.
11. Método para fabricar un dispositivo (1; 21; 31; 41; 51; 61; 71; 72) superconductor de un limitador de corriente de falla de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10,
caracterizado porque,
cada elemento (2a-2f) superconductor se expone a una tensión aplicada transversalmente a través de la capa (4a4c) eléctricamente aislante de modo que se inducen perforaciones de corriente a través de la capa (4a-4c) aislante, en el que la exposición a la tensión se realiza hasta que se queman los puentes de baja resistencia a través de la capa (4a-4c) de aislamiento.
12. Método de acuerdo con la reivindicación 11, caracterizado porque la tensión se aplica a modo de rampa de tensión mediante una tensión que se incrementa 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 segundos y 15 segundos.
Patentes similares o relacionadas:
Fabricación de cables superconductores de alta temperatura y larga longitud con microestructuras de fijación implantadas uniformes de iones, del 1 de Abril de 2020, de AMERICAN SUPERCONDUCTOR CORPORATION: Procedimiento de producción de un cable superconductor de alta temperatura y larga longitud, que comprende: proporcionar un sustrato que tiene una superficie […]
Método de fabricación de cables superconductores, del 9 de Octubre de 2019, de Advanced Conductor Technologies LLC: Un método para fabricar un cable superconductor, que comprende: proporcionar un formador ; enrollar una pluralidad de conductores de cintas superconductoras […]
Producto de partida y procedimiento para la fabricación de un superconductor de alta temperatura en forma de banda, del 11 de Septiembre de 2019, de BASF SE: Producto de partida para la fabricación de un superconductor de alta temperatura, HTS, con forma de banda, que comprende un sustrato metálico con forma de banda […]
Nanopartículas para uso como centros de anclaje en superconductores, del 11 de Septiembre de 2019, de BASF SE: Nanopartículas que comprenden un óxido de Sr, Ba, Y, La, Ti, Zr, Hf, Nb, o Ta, en las que las nanopartículas tienen un diámetro promedio en peso de 1 a 30 nm y en las que un […]
Superconductor y método para fabricar el mismo, del 19 de Junio de 2019, de KABUSHIKI KAISHA TOSHIBA: Superconductor , que comprende: una pieza de base; y una capa superconductora proporcionada sobre la pieza de base, teniendo la capa […]
Atenuación de los efectos de defectos en hilos superconductores a alta temperatura, del 19 de Junio de 2019, de AMERICAN SUPERCONDUCTOR CORPORATION: Un producto fabricado para conducir corriente, comprendiendo el producto fabricado: un primer segmento de hilo superconductor […]
Uso de partículas cristalinas de óxido de tantalio como centro de fijación en un superconductor, del 5 de Junio de 2019, de BASF SE: Uso de partículas cristalinas, que contienen óxido de tantalio y tienen un diámetro promedio en peso de 1 a 20 nm, como centro de fijación en superconductores.
Procedimiento de producción de cables superconductores de alta temperatura, del 10 de Abril de 2019, de BASF SE: Un procedimiento de producción de cables superconductores de alta temperatura que comprende calentar una película que comprende itrio o un metal de tierras raras, […]