DD144617A1

DD144617A1 - Verfahren zum steuern des rueckkuehlvorganges von supraleitenden wicklungen

Info

Publication number: DD144617A1
Application number: DD21378679A
Authority: DD
Inventors: Herbert Schida; Dieter Schroth
Original assignee: Herbert Schida; Dieter Schroth
Priority date: 1979-06-20
Filing date: 1979-06-20
Publication date: 1980-10-22

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Energieanlagen, i Das Ziel der Erfindung besteht darin, in kürzester Zeit bei einem minimalen Kühlmittelbedarf eine Rückkühlung einer nach einem Störungsfall normalleitend gevzordenen supraleitenden Wicklung in supraleitenden Strombegrenzungsmitteln zu sichern. Die Erfindung löst- die Aufgabe, ein Verfahren zur Steuerung eines Rückkühlvorganges von normalleitend gewordenen supraleitenden Wicklungen zu entwickeln dadurch, daß in Abtastintervallen die Stromaufnahme und der innere Widerstand der Wicklung gemessen vzird, diese Meßvzerte einem Mikroprozeßrechner zugeführt und die Energieaufnahme berechnet vzird und gleichzeitig in einer Abgasleitung der Druck, die Temperatur und.

Description

Erfinder:.

Dipl.-Ing« Herbert Schi da Dipl.-Ing. Dieter Schroth

-A-

Titel der Erfindung:

Verfahren zum Steuern des Rückkühlvorganges von supraleitenden Wicklungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung wird in supraleitenden Begrenzungsmitteln von Elektro-Energieanlagen als Verfahren zur Steuerung des Rückkühlprozesses von supraleitenden Wicklungen vdrksam.

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Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

In supraleitenden Wicklungen, insbesondere in Schaltwicklungen in supraleitenden Strombegrenzungsmitteln, treten beim Übergang vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand und im normalleitenden Zustand erhebliche Energieumsetzungen aeif, die die Werte der Energieumsetzungen im supraleitenden Betrieb erheblich überschreiten. Die Erwärmung der supraleitenden V/icklung hängt von der · Dauer des Stromflusses im normalleitenden Zustand und von den Kühlbedingungen einschließlich der Konstruktion der Wicklung und des Kühlregimes ab.

Durch die Erwärmung verdampft die die Wicklung umschließende kryogene Flüssigkeit innerhalb des Kryostaten. 2ur Rückkühlung der in den normalleitenden Zustand überführten supraleitenden Wicklung, werden bisher beispielsweise leistungsstarke Gasverflüssigungsanlagen eingesetzt, damit die Bereitstellung einer genügend großen Menge an flüssigem Kühlmittel gesichert ist„ Durch diese Maßnahme treten große Enorgie-- und Anlagekosten bei einer ungenügenden Auslastung der Gasverflüssigungsanlage im Nenn la stbetrLeb auf. Weiterhin ist zu einer wirtschaft- · licheren Gestaltung ßes Rückkühlprozesses bekannt, durch besondere Wicklungsanordnungen die Wicklungen durch ein Vorkühlmittel mit unterschiedlichen Siedetemperaturen, z.B. Stickstoff oder Wasserstoff, in geeigneter Weise vorzukühlen. Bei der Verwendung mehrerer Kühlmittel werden diese entsprechend in der Reihenfolge ihrer Siedetemperaturen zax Rückkühlung der betroffenen Wicklung eingesetzt,,

Der Beginn und das Eöde des Rückkühlp;rozesses wird über bekannte Meßeinrichtungen signalisiert. Auch dieser Einrichtung zur Rückkühlung haftet der Mangel an, daß. der Anlagenaufwand erheblich und eine Wirtschaftlichkeit der Anlage nicht gegeben ist". Weiterhin ist zu einer

schnellen Rückkühlung einer normalleitend gewordenen supraleitenden V/icklang bekannt, einem Nennbetriebskreislauf einen getrennten Rückkühlkreislauf zuzuordnen, wobei der Rückkühlkreislauf mit einem Behälter für flüssiges Kühlmittel verbunden ist, aus dem der aufgeheizten Wicklung flüssiges Kühlmittel dosiert zugeführt wird und zur Aufnahme des im verstärkten Umfang anfallenden verdampften Kühlmittels ein Gasbehälter vorgesehen ist'. Zur Betätigung der Kühlmittelventile werden bekannte Einrichtungen eingesetzt. Nach DDR-PS 129-066 ist eine Schutzeinrichtung bekannt geworden, mit der nach Feststellen, des Umschaltens der supraleitenden Wicklung vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand ein Steuersignal zum Umstellen der Kühlmittelventile vom Nennbetrieb in den Rückkühlbetrieb abgegeben wird. Die Kühlmittelventile werden durch ein elektronisches Steuergerät bedient, das mit verschiedenen Druckmeßfühlern, Vakuummeßsonden und Temperaturmeßfühlern arbeitet.

Mit allen bekannten Einrichtungen zum Gestalten eines Rückkühlprozesses von normalleitend .gewordenen supraleitenden Wicklungen und von dazu geeigneten Steuereinrichtungen ist es nicht möglich, einen Rückkühlprozeß ökonomisch zu betreiben₅ weil die Enthalpie des Kühlmittels nicht maximal ausgenutzt wird. Dies ist vorwiegend darauf zurückzuführen, daß die der Wicklung zugeführte Energie unberücksichtigt bleibt und die gemessene V/icklungstemperatur keinen Rückschluß auf eine erforderliche Kühlmittelmenge zuläßt.

Ziel der Erfind tmp,

Das Ziel der Erfindung besteht darin, in kürzester Zeit bei einem minimalen Kühlmittelbedarf eine Rückkühlung

einer nach einem eingetretenen Störfall normalleitend gewordenen supraleitenden Wicklung, insbesondere Schaltwi.cklungen in supraleitenden Begrenzungsmitteln zu sichern.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt di© Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Steuerung eines Riiekkühlv or ganges einer im Störungsfall normalleitend gewordenen supraleitenden ¥/icklung, insbesondere SchaItwicklung bis zum Erreichen des supraleitenden Zu. stan des derselben zu entwickeln.

Diese Aufgabe wurde daüurch gelöst, daß ein Verfahren zum Steuern des RückkühlvoEganges von Wicklungen, insbesondere von Schaltwicklungen in supraleitenden Begrenzungsmitteln, die vom supraleitenden Zustand durch einen Störungsfall in den noEiaalleitenden Zustand überführt worden sind, mittels eines in einer Ganverflüssigungsanlage verflüssigten foryogenen Flüssigkeit entwickelt wurde, mit dem in Abtastintervallen die Stromaufnahme und der innere Widerstand der Wicklung gemessen wird, diese Meßwerte einem Steuerungssystem mit einem Fdkroprozeßrechner 'zugeführt werden, mit dem bei Eintritt, der Horma!leitung die der Wicklung zugeführte Energie berechnet wird und gleichzeitig in einer Abgasleitung der Druck, die Temperatur und die Durchsatzmenge von verdampftem Kühlmittel pro Zeiteinheit in Intervallen gemessen und dem Mikroproseßrechner im Steuerungssystem zugeführt werden, sumnäert und hieraus die abgeführte Energie berechnet wird* Anschließend wird die Energiebilanz zwischen zugefulsrter und abgeführter Energie gebildet, die dann im !Prozeßrechner auf eine Meßwert-

abweichung gegenüber Speicherwerten kontrolliert wird und darauf folgend ein Stellsignal an ein die Zufuhr der kryogenen Flüssigkeit aus einem Vorratsbehälter mengenmäßig regelndes Dosierventil ausgelöst wird. Die Meßwert-· abweichung wird durch einein den Speicher des Mikroprozeßrechners eingelesene. Funktion einer: spezifischen Abkühlkurve bestimmt.

Ausführungsbei spiel

Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung wird der prinzipielle Aufbau eines Steuerungssystems für eine Rückkühlung von einer mit kryogenen Flüssigkeiten gekühlten supraleitenden Wicklung gezeigt'.

Innerhalb eines Kryostaten 1 ist eine supraleitende Wicklung 2. angeordnet, die über eine elektrische Anschluß-Verbindung 3 mit einer nicht dargestellten Energie— Versorgungsstrecke in Verbindung steht. Aus einer nicht dargestellten Gasverflüssigungsanlage wird über eine Flüssigkeitsleitung 4 und/oder aus einem ebenfalls nicht dargestellten Vorratsbehälter über eine Speiseleitung dem Kryostaten 1 kryogene Flüssigkeit zugeführtV Im Leitungszug der Flüssigkeitsleitung 4· ist ein Absperrventil und im Leitungszug der Speiseleitung 5 ist ein Dosierventil Τ vorgesehen. Sowohl das Absperrventil 6 als auch das Dosierventil 7 werden durch ein Steuerungssystem betätigte Das im Kryostaten 1 verdampfte Kühlmittel strömt über eine Abgasleitung 9 ab_o Innerhalb dieser Abgasleitung 9 sind eine Druckmeßeinrichtung 10, eine Temperaturmeßstelle 11 und eine Mengendurchsatzmeßeinrichtung 12 angeordnet« Die zwei Phasen der elektrischen

Anschlußverbindung 3 sind mit einer WiderStandsmeßeinrichtung 13 über jeweils einen Koppelkondensator H verbunden und in einer der beiden Phasen der elektrischen Anschluß-Verbindung 3 ist ein Strommeßwandler 15 vorgesehen. Sämtliche Meßwerte der Meßstellen 10;-11; 12;13;1 5 werden dem Steuerungssystem 8 zugeleitet. Im Betrieb wird in der supraleitenden Wicklung 2 ständig der ohmsche Widerstand derselben gemessen, der im supraleitenden Zustand der Wicklung £ einen Wert UuIl aufweist'. Bei einem Störungsfall, z.B. Fehler in der Y/icklung 2, Stromspitze von außen. u.ä_e, werden in der Wicklung 2 normalleitende Bereiche entstehen. Diese werden über die Widerstandsmeßeinrichtung 13 als kleiner ohmscher Widerstand der Wicklung 2- erkannt. Vergrößert sich dieser Widerstandswert weiterhin und übersteigt er einen definierten Viert, dann liegt eine echte Störung vor und das Steuerungssystem wird aktiviert« Dieses Steuerungssystem 8 enthält einen nicht dargestellten Mikroprozeßrechner, der in seinen Speichern Programme für die Meßwerterfassung aller Meßwerte aus den Meßstellen 10;11;12;13;15 und für die Meßwertverarbeitung diese sowie charakteristische Datem der: Wicklung 2 und der kryogen en Flüssigkeit als Kühlmittel enthält« Mit diesen Programmen und diesen charakteristischen Daten .ermittelt der Mikroprozeßrechner aus den zyklisch abgefragten Meßwerten die Steuersignale zur Betätigung des Dosierventils T₉ des Absperrventils 6 und der Ventile 16;17* Das Ventil 16 befindet sich in' der Abgasleitung 9, die zur Gasverflüssigungsanlage führt, und das Ventil 17 ist im Leitungszug einer Gasleitung 18, die hinter den Meßsteilen 10;11;12 von der Abgasleitung 9 abzweigt und zu einem nicht dargestellten Gasbehälter führt, vorgesehen.

Die Aktivierung des Steuerungssystems hat zur Folge, daß das Absperrventil 6 in der Flüssigkeitsleitung 4 von der Gasverflüssigungsanlage und .das Ventil 16 in der Abgasleitung 9 geschlossen werden und gleichzeitig das. Dosierventil 7 in der Speiseleitung 5 vom Vorratsbehälter zum Kryostaten 1 und das Ventil 17 in der Gasleitung 18 zu einem nicht dargestellten Gasbehälter führt, geöffnet werden. Mit der Betätigung der Ventile beginnt sofort die Berechnung der zugeführten Energie. Über den Strom-Meßwandler 15 wird der erfaßte Meßwert in das Steuerungssystem gegeben. Der Mikroprozeßrechner beginnt dann entsprechend der Länge des Abtastzyklusses •mit dem vorliegenden momentanen Widerstandswert der Y/icklung Z diesen Energiewert, der für die Dauer des Stromflusses von Beginn der Störung bis zum Abschalten des Stromes über die Abtastzyklen zum Gesamtwert summiert wird, zu errechnen. Gleichzeitig wird die abgeführte Energie durch das Auswerten der Meßwerte aus den Meßstellen 10;11;12 vom Mikroprozeßrechner ermittelt. Hier erfolgt ebenfalls' eine Summation. Es wird sofort die Energiebilanz gebildet, aus der die Steuerungssignale für die Betätigung der Ventile 6;7;16;17 bzw. für den Grad der Betätigung abgeleitet werden. Dabei wird der Kühlmitteldurchsatz bei der Vorgabe der Abkühlzeit optimiert.'

Vor Inbetriebnahme der Wicklung 2 wird experimentell die Abkühlkurve *_ABmin = f (E _Xu ) ermittelt, die dann als charakteristische Daten der Wicklung in den Speicher des Mikroprozeßrechners eingelesen werden. Bei einer vorgegebenen Abkühlzeit t_ABinin ist ein maximaler Durchsatz des Kühlmittels erforderlich. Das ständige Überwachen der. Energiebilanzen und die damit verbundene Überprüfung der realen Abkühlung durch einen Vergleich mit den V/er ten aus

der A"bkühlkurve ergeben die erforderlichen Steuersignale für das Dosierventil 7 im Leitungszu'g der Speiseleitung S vom Vorratsbehälter'.· .

Est die Energiebilanz lull und der in der Widerst andsme-ß-· einrichtung 13 gemessene Widerstandswert ebenfalls Null,'so erfolgt die Umschaltung des Kryostaten auf die Gasverflüssigungsanlage durch entsprechende Schaltung der Ventile 6;7; 16; 17., Gleichzeitig wird ein Signal gegeben, daß die supraleitende ?/icklung 2 wieder: betriebsbereit ist.

Der Vorteil dieser rechnergestützten Steuerung des Kühl— regimes für supraleitende Wicklungen, insbesondere Schaltwicklungen, ist, daß mit einem minimal möglichen Kühlmitteldurchsatz in einer vorgegebenen realisierbaren Ätokühlzeit die Wicklung 2 optimal abgekühlt wirdO Bei der Verwendung von mehreren nacheinander einsetzb.aren Kühlmitteln ist dieses Verfahren zum Steuern besonders gut geeignet, weil der Zeit- und Temperaturpunkt der Umschaltung für Kühlmittel mit niedrigerem Siedepunkt optimal festgestellt werden kann, ohne daß die vorher verwendeten Kühlmittel den Abkühlvorgang beispielsweise durch Einfrieren beeinträchtigen. Außerdem kann das jeweilige Kühlmittel von der Enthalpie her optimal ausgenutzt werden. Durch die Anwendung dieses Verfahrens werden die Kosten für die Rückkühlung gesenkt j weil für höhere Temperaturen billigere Gase mit entsprechend höherer Verflüssigungstemperatur als für die niedrigeren Temperaturen zum Vorkühlen verwendet werden können_o

Claims

Erfindungsanspruch

Verfahren zum Steuern des Rückkühlvorganges von . ' supraleitenden Wicklungen, insbesondere von Schaltwicklungen in supraleitenden Begrenzungsmitteln innerhalb eines Kryostaten, die vom supraleitenden Zustand in den normalleitenden Zustand überführt worden sind, mittels eines in einer Gasverflüssigungsanlage verflüssigten kryogenen Kühlmittels, gekennzeichnet da durch, daß die Leistungsaufnahme der Wicklung (2) durch eine Strommessung und der Betriebszustand der Wicklung (2) durch eine V/iderstandsmessung erfaßt werden, die Meßwerte aus der Strommessung und Widerstandsmessung einem Steuerungssystem (8) mit einem Mikroprozeßrechner zugeführt werden, mit dem bei Eintritt der Normalleitung die der Wicklung (2); zugeführte Energie berechnet wird und gleichzeitig in einer Abgasleitung (9) durch eine Druckmeßeinrichtung (10) der Druck, durch eine Temperaturmeßstelle (11) die Temperatur und durch eine Mengendurchsatzmeßeinrichtung (13) die Durchsatzmenge von Verdampftem Kühlmittel pro Zeiteinheit in Intervallen gemessen werden und dem Mikroprozeßrechner im Steuerungssystem (8) zugeführt werden und summiert und hieraus die abgeführte Energie berechnet wird, anschließend durch Differenzbildung zwischen zugeführter und mit dem Kühlmittel abgeführter Energie eine Energiebilanz gebildet wird, die dann im Mikroprozeßrechner auf eine Meßwerfcabv.'eichung gegenüber" von Speicherwerten kontrolliert wird und dann anschließend ein Stellsignal an ein die Zufuhr der kryogenen Flüssigkeit aus einem Vorratsbehälter mengenmäßig regelndes Dosierventil (7) ausgelöst wird.

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2. Verfahren nach Punkt 2, gekennzei chnet dadurch, daß die Meßwertabweichung mittels eines Mikroprozeßrechners kontrolliert wird, der mit einem Programmspeicher versehen ist, in dem die Funktion einer spezifischen Abkühlkurve eingegeben worden ist_o