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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum induktiven Begrenzen eines Fehler- oder Kurzschlussstromes, die im wesentlichen aus einem einen Eisenkern aufweisenden Transformator mit kurzgeschlossener Sekundär-Hochtemperatur-Supraleiterwicklung besteht.
Fehler- und Kurzschlussstrombegrenzer spielen in elektrischen Netzen eine wichtige Rolle Üblicherwei- se werden Unterbrecher für ein Vielfaches des Nennstroms ausgelegt, was entsprechende Grösse und damit verbundene Kosten bedingt. Darüber hinaus muss bei schnell ansteigendem Kurzschlussstrom auch mit hohem Energiefluss und dem damit verbundenen Sicherheitsrisiko gerechnet werden.
So ist aus der EP-A1 620 630 ein supraleitender Strombegrenzer bekannt, der aus einem zylindrischen Körper aus keramischen Hochtemperatur-Supraleitermaterial und einer diesen Körper umgebenden Spule besteht. Ein zylindrischer Kühlbehälter umgibt den Körper und darüber ist eine Induktionswicklung angebracht. Ein Eisenkern ist im Zentrum des Kühlbehälters angeordnet.
Supraleiter haben die Eigenschaft, dass beim Erreichen ihrer kritischen Stromdichte ein plötzlicher Phasenwechsel vom supraleitenden In den normalleitenden Zustand auftritt. Bis vor wenigen Jahren waren nur metallische Supraleiter bekannt, zu deren Kühlung üblicherweise flüssiges Helium verwendet wird, was mit hohen Kosten und grossem apparativen Aufwand verbunden ist. Darüber hinaus sind auch Hochtempera- tur-Supraleiter bekannt, die mit dem welt billigeren und leichter handhabbaren flüssigen Stickstoff gekühlt werden können.
Die Entwicklung der Hochtemperatur-Supraleiter, die mit dem weit billigeren und leichter handhabbaren flüssigen Stickstoff gekühlt werden können, bieten der Anwendung dieser Supraleiter für Strombegrenzer neue Möglichkeiten.
Die hier angesprochenen induktiven Strombegrenzer bestehen im wesentlichen aus einem Transformator mit kurzgeschlossener Sekundärwicklung. Die Primärwicklung besteht aus einem Kupferleiter, in dem der zu begrenzende Strom fliesst. Die Sekundärwicklung besteht aus einer kürzgeschlossenen Supraleiterwicklung.
Im Normalbetrieb fliesst durch die Primärwicklung ein bestimmter Strom, der kleiner als/oder maximal gleich dem Nennstrom ist. In diesem Fall wird in der supraleitenden Sekundärwicklung ein dem Wicklungverhältnis entsprechend grosser Strom induziert, der den Eisenkern des Transformators abschirmt. Die Induktivität der Primärwicklung ist für diesen Fall sehr klein.
Steigt jedoch der Strom In der Primärwicklung-z. B. durch einen Kurzschluss - schnell an, so ändern sich die Verhältnisse in der kurzgeschlossenen Sekundärwicklung ebenfalls. Sobald der induzierte Strom in der supraleitenden Sekundärwicklung den kritischen Wert erreicht, tritt der Phasenübergang ein, die Sekundärwicklung verliert ihre Eigenschaft der Supraleitung und wird normalleitend. Dabei tritt plötzlich ein hoher Ohm'scher Widerstand auf, wodurch der Strom in der Sekundärwicklung klein wird. Die Primärwick- lung ist nicht mehr vom Eisenkern des Transformators abgeschirmt.
Für den Primärstrom stellt die Primärwicklung somit plötzlich eine hohe Induktivität dar, wodurch eine entsprechende Strombegrenzung erreicht werden kann.
Bei bishengen Sekundärwicklungen mit Hochtemperatur-Supraleitern wird zur Begrenzung eines hohen Primärstroms ein grosser Eisenkörper mit einer supraleitenden Sekundärwicklung mit entsprechend grossem Durchmesser benötigt.
Als Sekundärwicklung wurden bisher dickwandige Rohre oder gestapelte dickwandige Ringe aus verschiedenen Hochtemperatur-Supraleiter-Materialien verwendet.
Typisch dafür sind z. B. schmelzgegossenes Bi2Sr2CaCu20x (MCP-BSCCO 2212), oder schmelzpro- zesslertes, YBa2Cu30x (MP-YBCO 123).
Die Herstellung von grossen Ringen mit dieser Technologie ist jedoch ziemlich schwierig und ab einer bestimmten Grösse unmöglich.
Ein Nachteil von dickwandigen supraleitenden Ringen oder Rohren besteht In der geringen thermischen Leitfähigkeit des Materials. Bei Auftreten eines Schaltvorgangs wegen eines Störfalls (z B. Überstrom, Stromspitzen, Lastabwurf usw. ) geht das Supraleitermaterial In den normalleitenden Zustand über und der Im Supraleiter fliessende Sekundärstrom erzeugt eine Erwärmung. Nach Beendigung der Störung ist auf Grund der geringen thermischen Leitfähigkeit eine relativ grosse Zeitspanne zur Wlederabkühlung und Wiederherstellung des supraleitenden Betriebszustands notwendig.
Dadurch ergibt sich eine relativ lange Unterbrechung des durch den Fehlerstromschutzschalter geschützten Stromkreises
Ein weiterer Nachteil des Einsatzes von dickwandigen supraleitenden Ringen oder Rohren besteht dann, dass ein separater Kühlbehälter mit eingebauten mechanischen Abstutzungen für die als kurzgeschlossene Sekundärwicklung verwendeten supraleitenden Ringe oder Rohre notwendig ist
Derartige Entwicklungen sind beispielsweise aus L. S. Flelshman, YA Bashkirov. VA Ansteanu. Y Bnssette, J R Cave, IEEE Transactions on applied superconductivity.
Vol 3, No. 1 (1993) 570 und J Bock, H Bestgen S Elschner IEEE Transactions on app ! led superconductlvity Vcl 3 P 1659 (1993) bekannt
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Darüber hinaus ist es auch bekannt, mittels Sol-Gel-Technologie relativ dicke Schichten eines Hochtem- peratur-Supraleiters auf ebenen Flachen eines geeigneten Keramik Substrats aufzubringen, und durch einen geeigneten Sintervorgang eine hohe Stromdichte im supraleitenden Zustand zu erreichen.
Aufgabe der Erfindung ist es eine Einrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der Im wirtschaftlich vertretbaren Rahmen auch grosse Ströme, wie sie in der Industrie gang und gäbe sind, schnellstens begrenzt werden können.
Die erfindungsgemässe Einrichtung zur induktiven Begrenzen eines Feh ! er- oder Kurzschiussstromes ! St dadurch gekennzeichnet, dass als Sekundär-Wicklung ein den Eisenkern umschliessendes Rohr und/oder Warnengebilde aus Keramikmaterial vorgesehen ist, wobei das Wannengebilde einen U-förmigen Querschnitt aufweist, dass dieses Rohr innen und/oder aussen bzw. das Wannengebilde innen mit einer Schicht aus einem Hochtemperatur-Supraleitermaterial versehen ist, und dass in dem Wannengebilde, in das gegebenenfalls das Rohr reicht, flüssiger Stickstoff zur Kühlung vorgesehen ist.
Mit der Erfindung ist es erstmals möglich, die lange Betriebsunterbrechung nach Beendigung eines Störfalls zu vermeiden. Gemäss Erfindung werden statt dickwandigen supraleitenden Ringen oder Rohren Oberflächenschichten aus Supraleitermaterial verwendet. Durch die relativ geringe Dicke der supraleitenden Schicht ist eine gute Kühlbarkeit dieser Schicht gewährleistet, so dass eine schnelle Wiedererlangung der supraleitenden Eigenschaften dieser supraleitenden Schicht nach Beendigung der Störung erzielt wird.
Dadurch ergibt sich eine geringere Betriebsunterbrechung des mit dem Fehlerstromschutzschalter geschützten Stromkreises.
Gemäss einem besonderen Merkmal der Erfindung ist das Rohr aus einzelnen übereinander angeordneten beschichteten Keramikscheiben gebildet.
Die Aufbringung der Schicht kann über die Sol-Gel-Technologie oder ein Schmelzverfahren erfolgen.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung weist das Keramikmatenal vor Aufbringung der Schicht eine Silber-Oberfläche auf.
Das Rohr und/oder das Wannengebilde kann eine dem Eisenkern angepasste Form aufweisen.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die innere Oberfläche des Kühlbehälters direkt mit der supraleitenden Schicht versehen wird, wodurch die Funktion von Kühlbehälter und kurzgeschlossener supraleitender Sekundärwicklung in einem Bauteil vereinigt werden, so dass kein separater Kühlbehälter notwendig ist
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass zur Erhöhung des möglichen Sekundärstroms und damit auch des Nennstroms mehrere innen und/oder aussen mit einer supraleitenden Schicht versehene Keramikrohr undloder Keramikscheiben verwendet werden, wobei ebenfalls gute Kühlbarkeit gegeben 1St.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen, die in der Zeichnung dargestellt sind, näher erläutert Flg 1 zeigt ein beschichtetes Wannengebilde als Kühlbehälter und integnerter kurzgeschlossener Sekundärwicklung und Flg. 2 ein beschichtetes Keramikrohr als kurzgeschlossene Sekundärwicklung..
Gemäss Flg. 1 ist ein Wannengebilde 1 aus Keramikmatenal vorgesehen. Dieses Wannengebilde 1 ist mit einer Schicht 2 aus einem Hochtemperatur-Supraleitermaterial versehen. In dieses Wannengebilde wird flüssiger Stickstoff zur Kühlung eingefüllt. Darüber hinaus umgibt praktisch dieses Wannengebilde den Eisenkern 3.
Gemäss der Flg. 2 weist der Behälter 5 einen im weitesten Sinn U-förmigen Querschnitt aufund umgibt den Eisenkern 3. Innen kann der Behälter 5 mit einer Schicht 2 aus einem Hochtemperatur-Supraleitermate- na ! versehen sein. In dem Behälter 5 ist ein Rohr oder Keramikring 8 vorgesehen, der ebenfalls mit einer Schicht 2 aus einem Hochtemperatur-Supraleltermaterial- sowohl innen als auch aussen - versehen sein kann.
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