In der vorliegenden Arbeit wurden Schichten des Hochtemperatursupraleiters YBa2Cu3O7-δ (YBCO) untersucht, die epitaktisch mittels gepulster Laserabscheidung auf texturierten metallischen Templaten abgeschieden wurden. Dabei kamen ionenstrahltexturiertes ABAD-YSZ-Band und walztexturiertes NiW-Band zum Einsatz. Für Anwendungen solcher sogenannten Bandleiter ist die Fähigkeit zum Transport möglichst hoher kritischer Ströme Ic essentiell. Dies kann durch das Wachstum möglichst dicker Schichten, eine Verbesserung der Flussschlauchverankerung (Pinning), sowie die Reduzierung der durch Korngrenzen verursachten Stromlimitierung erreicht werden. Im ersten Teil der Arbeit wurden strukturelle und supraleitende Eigenschaften in bis zu 5 µm dicken YBCO-Schichten auf ABAD-YSZ-Band untersucht. Dazu wurden neben nicht-fremdphasendotierten (undotierten) YBCO-Schichten auch BaHfO3- und BaY(NbTa)O6-dotierte YBCO-Schichten herangezogen. Die Untersuchungen erfolgten mittels Röntgenbeugungs-methoden (XRD), Rasterelektronen- und Rasterkraftmikroskopie (REM, AFM), sowie resistiver und induktiver Methoden zur Bestimmung der Sprungtemperatur Tc und der kritischen Stromdichte Jc. Schichtdickenabhängige Messungen konnten u. a. zeigen, dass Ic in undotierten YBCO-Schichten bei einer Dicke oberhalb von 2,8 µm nicht weiter anstieg, während Ic in den dotierten Schichten bis zu einer Dicke von 5 µm nicht limitiert war. Darüber hinaus konnte in temperatur- und feldabhängigen Jc-Messungen ein verbessertes Pinningverhalten bei tiefen Temperaturen und in hohen äußeren Magnetfeldern gefunden werden. Mit Hilfe von transmissionselektronenmikroskopischen Untersuchungen (TEM) und Messungen der Jc-Anisotropie wurde zusätzlich ein Strukturschema herausgearbeitet, das eine Verknüpfung von Herstellungsparametern, Mikrostruktur und Pinningeigenschaften ermöglicht. Der zweite Teil befasste sich mit der Analyse der Mikrostruktur und der lokalen Textur von undotierten YBCO-Schichten auf ABAD-YSZ- und NiW-Band. Die lokale Textur wurde dabei mittels Rückstreuelektronenbeugung (EBSD) aufgelöst. Die Ergebnisse wurden mit orts-aufgelösten Magnetisierungsmessungen (Raster-Hall-Sonden-Mikroskopie) korreliert, mit denen der lokale Stromfluss untersucht werden kann. Auf beiden Templaten zeigte sich eine granulare Struktur, die durch gegeneinander verkippte bzw. verdrehte YBCO-Körner gekennzeichnet war. Während die granulare Struktur auf ABAD-YSZ-Band durch hauptsächlich in-plane missorientierte YBCO-Bereiche mit einem Durchmesser < 1 µm charakterisiert war, konnten auf NiW-Band hauptsächlich out-of-plane missorientierte Bereiche mit einer typischen Größe von 20-50 µm nachgewiesen werden. Auf NiW-Band hing die YBCO-Mikrostruktur und die Schärfe der lokalen Textur von der individuellen out-of-plane Missorientierung des darunter-liegenden NiW-Korns ab, was auf eine bereits im unbeschichteten NiW-Band vorhandene Facettierung zurückgeführt werden konnte. Zu deren Beschreibung wurde ein Facettenmodel entwickelt, das durch TEM-Untersuchungen bestätigt werden konnte. Abschließend wurde auf einkristallinen Substraten und auf ABAD-YSZ-Band ein homogener Stromfluss nachgewiesen, während die supraleitenden Eigenschaften in YBCO-Schichten auf NiW-Band von der lokalen Mikrostruktur und Textur bestimmt wurden. Damit konnte gezeigt werden, dass die globalen Eigenschaften der Bandleiter vom Zusammenspiel eines über Korngrenzen miteinander verbundenen Ensembles von Körnern mit individuellen Eigenschaften bestimmt werden.

Dans le contexte de la montée des préoccupations écologiques, le développement de véhicules de transports routiers s’oriente vers le développement de véhicules moins polluants à entraînement électrique comme les Véhicules Électriques Hybrides (VEHs) et les Véhicules tout Électriques (VEs). Avec l’augmentation des puissances requises et la réduction de l’espace disponible, la gestion thermique devient une préoccupation de plus en plus importante lors du développement des composants embarqués comme les moteurs/générateurs électriques, onduleurs, batteries et faisceaux électriques. Parmi eux, le faisceau électrique de puissance qui est typiquement composé de câbles électriques, de connecteurs et de boîtes de distribution de puissance ne peut être conçu de manière appropriée qu’à la suite d’une analyse thermique, électrique, chimique et mécanique approfondie.Cette thèse est écrite pour contribuer à l’optimisation de la conception électrothermique de faisceaux de câbles par des simulations afin de réduire la quantité de tests expérimentaux nécessaires pour leur développement. Des modèles théoriques pour la prédiction du comportement électrique et thermique de câbles électriques et des faisceaux de câbles sont passés en revue et adaptés aux exigences automobiles. La validation est accomplie en comparant les résultats de simulation avec ceux d’analyses élément finie (FEA) et de données de mesure. Une partie majeure de cette thèse aborde la simulation thermique de câbles électriques de longueur infinie suspendus dans l’air, prenant en compte les dépendances en température des résistances de conducteurs et la non-linéarité du coefficient de transfert thermique total à la surface du câble. L’influence des courants de blindage et de courants arbitraires dans les conducteurs sur la montée en température des câbles électriques est considérée dans des circuits thermiques équivalents et illustré par des exemples pratiques. / In the context of growing ecological concerns, the development of road transport vehicles moves itself toward the development of less polluting vehicles with electric drives such as Hybrid Electric Vehicles (HEVs) and full Electric Vehicles (EVs). With rising power requirements and reducing available space, thermal management is becoming an increasingly important concern during development of on-board vehicle components such as electric motor(s)/generator(s), power inverter(s), battery pack(s) and cable harnesses. Among them, the cable harness which is typically composed of electrical cables, connectors and power distribution boxes can only be designed properly after a detailed thermal, electrical, chemical and mechanical analysis.This thesis is written to contribute to the optimization of the electro-thermal design of cable harnesses through simulations and reduce the amount of experimental testing needed during their development. Theoretical models for the prediction of the electrical and thermal behavior of electric cables and cable harnesses are reviewed and adapted for automotive requirements. Validation is accomplished by comparing simulation results with Finite Element Analysis (FEA) and measurement data. A major part of this thesis addresses the thermal simulation of electrical cables of infinite length installed in air, taking into account the temperature dependencies of conductor resistances and non-linearity of the total heat transfer coefficient at the cable surface. The influence of shielding currents and arbitrary current loads in the conductors on the temperature rises within electric cables is also considered using thermal ladder networks and illustrated by practical examples. Because shielding currents in vehicles are not only caused by induced currents but also by functional electrical currents generated by low-voltage power sources, new theoretical studies and experimental observations for the estimation of these currents as a function of the vehicle electrical architecture and circuit characteristics are presented. A primary finding reveals that keeping the resistance of grounding connections low compared to that of the shielding connections is an appropriate but expensive means for limiting the transfer of functional currents in the shielding circuits. Finally, a complete and modular model for the prediction of transient temperatures along the length of cable harness sections is developed and validated based on the outcomes of all previous findings.

This Thesis is concerned with the concept of grounding of 110/22 kV transformer station. The aim of the Thesis is to create a ground network for grounding a specified outdoor substation. This 110 kV outdoor substation is formed according to H-scheme and encircles a wide area. In additon to this, an earth potential has to be distributed as equally as possible within the whole area of the substation. The most convenient alternative from the point of view of effective grounding and distribution of potential is a grid network. Therefore, the grid network is the means of grounding which I have chosen as a solution for this issue. In this solution, flat conductor network cables are used to cover the whole substation, with ground rods placed at the points of intersection. Parts of appliance can be then connected to this existing network, thus creating several parallel channels which provide grounding with low resistance. The network is made of common steel zinc-coated stip, size 30 x 4 mm. When proposing a concept of grounding and adjustment of ground electrodes, we have to take account of grounding requirements, stated according to ČSN standards. The proposed earthing system was created in appropriate size in order to meet all these grounding requirements. These requirements are also mentioned and described in a theoretical part of the Thesis. Second part of the Thesis consists of proposed concept of the grounding itself, together with calculated parameters. The grounding has to be carried out according to both safety regulations and electrical appliance requirements. The issue of grounding substations of power system is resolved by the ČSN standards 33 3201 (“Elektrické instalace nad AC 1kV”), 33 2000-4-41 (“Elektrická zařízení – Ochrana před úrazem elektrickým proudem”) and 33 2000-5-54 (“Elektrická zařízení – Výběr a stavba elektrických zařízení – Uzemnění a ochranné vodiče”) and by the PNE company standards 33 0000-4 (“Příklady výpočtů uzemňovacích soustav v distribuční a přenosové soustavě dodavatele elektřiny”) and 33 0000-1 (“Ochrana před úrazem elektrickým proudem v distribuční soustavě dodavatele elektřiny”). These standards apply to creating a concept of grounding and grounding of new, reconstructed or expanded electrical substations of power system.

In der vorliegenden Arbeit wurden Schichten des Hochtemperatursupraleiters YBa2Cu3O7-δ (YBCO) untersucht, die epitaktisch mittels gepulster Laserabscheidung auf texturierten metallischen Templaten abgeschieden wurden. Dabei kamen ionenstrahltexturiertes ABAD-YSZ-Band und walztexturiertes NiW-Band zum Einsatz. Für Anwendungen solcher sogenannten Bandleiter ist die Fähigkeit zum Transport möglichst hoher kritischer Ströme Ic essentiell. Dies kann durch das Wachstum möglichst dicker Schichten, eine Verbesserung der Flussschlauchverankerung (Pinning), sowie die Reduzierung der durch Korngrenzen verursachten Stromlimitierung erreicht werden. Im ersten Teil der Arbeit wurden strukturelle und supraleitende Eigenschaften in bis zu 5 µm dicken YBCO-Schichten auf ABAD-YSZ-Band untersucht. Dazu wurden neben nicht-fremdphasendotierten (undotierten) YBCO-Schichten auch BaHfO3- und BaY(NbTa)O6-dotierte YBCO-Schichten herangezogen. Die Untersuchungen erfolgten mittels Röntgenbeugungs-methoden (XRD), Rasterelektronen- und Rasterkraftmikroskopie (REM, AFM), sowie resistiver und induktiver Methoden zur Bestimmung der Sprungtemperatur Tc und der kritischen Stromdichte Jc. Schichtdickenabhängige Messungen konnten u. a. zeigen, dass Ic in undotierten YBCO-Schichten bei einer Dicke oberhalb von 2,8 µm nicht weiter anstieg, während Ic in den dotierten Schichten bis zu einer Dicke von 5 µm nicht limitiert war. Darüber hinaus konnte in temperatur- und feldabhängigen Jc-Messungen ein verbessertes Pinningverhalten bei tiefen Temperaturen und in hohen äußeren Magnetfeldern gefunden werden. Mit Hilfe von transmissionselektronenmikroskopischen Untersuchungen (TEM) und Messungen der Jc-Anisotropie wurde zusätzlich ein Strukturschema herausgearbeitet, das eine Verknüpfung von Herstellungsparametern, Mikrostruktur und Pinningeigenschaften ermöglicht. Der zweite Teil befasste sich mit der Analyse der Mikrostruktur und der lokalen Textur von undotierten YBCO-Schichten auf ABAD-YSZ- und NiW-Band. Die lokale Textur wurde dabei mittels Rückstreuelektronenbeugung (EBSD) aufgelöst. Die Ergebnisse wurden mit orts-aufgelösten Magnetisierungsmessungen (Raster-Hall-Sonden-Mikroskopie) korreliert, mit denen der lokale Stromfluss untersucht werden kann. Auf beiden Templaten zeigte sich eine granulare Struktur, die durch gegeneinander verkippte bzw. verdrehte YBCO-Körner gekennzeichnet war. Während die granulare Struktur auf ABAD-YSZ-Band durch hauptsächlich in-plane missorientierte YBCO-Bereiche mit einem Durchmesser < 1 µm charakterisiert war, konnten auf NiW-Band hauptsächlich out-of-plane missorientierte Bereiche mit einer typischen Größe von 20-50 µm nachgewiesen werden. Auf NiW-Band hing die YBCO-Mikrostruktur und die Schärfe der lokalen Textur von der individuellen out-of-plane Missorientierung des darunter-liegenden NiW-Korns ab, was auf eine bereits im unbeschichteten NiW-Band vorhandene Facettierung zurückgeführt werden konnte. Zu deren Beschreibung wurde ein Facettenmodel entwickelt, das durch TEM-Untersuchungen bestätigt werden konnte. Abschließend wurde auf einkristallinen Substraten und auf ABAD-YSZ-Band ein homogener Stromfluss nachgewiesen, während die supraleitenden Eigenschaften in YBCO-Schichten auf NiW-Band von der lokalen Mikrostruktur und Textur bestimmt wurden. Damit konnte gezeigt werden, dass die globalen Eigenschaften der Bandleiter vom Zusammenspiel eines über Korngrenzen miteinander verbundenen Ensembles von Körnern mit individuellen Eigenschaften bestimmt werden.