DE102010007087A1

DE102010007087A1 - Vorrichtung zur Strombegrenzung mit einer veränderbaren Spulenimpedanz

Info

Publication number: DE102010007087A1
Application number: DE102010007087A
Authority: DE
Inventors: Mathias Prof. Dr. 34270 Noe; Christian Schacherer
Original assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Current assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date: 2010-02-06
Filing date: 2010-02-06
Publication date: 2011-08-11
Also published as: EP2532016B1; WO2011095199A1; EP2532016A1; JP2013519219A; US20120306606A1; US9583258B2; JP5907894B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Strombegrenzung mit einer veränderbaren Spulenimpedanz. Vorgeschlagen wird ein Strombegrenzer bei dem durch den Einsatz einer supraleitenden Spule im Innern einer Drosselspule die Induktivität und damit die Impedanz der Drosselspule signifikant reduziert wird. Dies geschieht durch Ströme, die in der supraleitenden Spule induziert werden und die das Magnetfeld der Drosselspule im Normalbetrieb kompensieren. Bei Überschreiten eines bestimmten Stromwertes geht der Supraleiter in den normalleitenden Zustand über und vergrößert die Induktivität, wodurch der Strom begrenzt wird. Nach dem Abschalten des zu hohen Stroms geht der Supraleiter nach wenigen Sekunden wieder selbstständig in den supraleitenden Zustand zurück und der Normalbetrieb kann wieder aufgenommen werden. Ein besonderer Vorteil des Strombegrenzers ist seine kompakte Bauweise, so dass er sowohl für die Erstausrüstung von Energienetzwerken, als auch für die Nachrüstung bestehender Netzwerke geeignet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Strombegrenzung mit einer veränderbaren Spulenimpedanz.
Strombegrenzer werden ganz allgemein in der Energietechnik und in der elektrischen Energieversorgung eingesetzt. In der Energietechnik allgemein und insbesondere in der Hochspannungstechnik sind vor allem Strombegrenzer bekannt, die unter Verwendung von Drosselspulen nach dem Prinzip des abgeschirmten Eisenkerns oder des gleichstromvormagnetisierten Eisenkerns arbeiten. Nachteilig ist bei Strombegrenzern, in denen Eisenkerne verwendet werden, dass sie durch ein hohes Volumen und hohes Gewicht gekennzeichnet sind, sowie die vergleichsweise hohe Impedanz des elektrischen Systems im Nennbetrieb.
Weiter bekannt sind die als I_s-Begrenzer bezeichneten Strombegrenzer. Der Vorteil dieser I_s-Begrenzer liegt darin, dass die Impedanz im Normalbetrieb vernachlässigbar gering ist, jedoch im Fehlerfall schlagartig erhöht werden kann. Dies wird durch Sprengkapseln realisiert. Ein Nachteil dieses Systems ist jedoch, dass durch die Verwendung von Sprengkapseln nach jedem Auslösen ein Wartungsvorgang nach sich zieht und dass es nur begrenzt auf Aufwendungen in der Hochspannungstechnik skalierbar ist.
Ein weiterer Ansatz ist die Verwendung von supraleitenden Materialen. Die DE 60 2004 012 035 beschreibt zum Beispiel einen supraleitenden Strombegrenzer mit magnetfeldunterstützem Quench. Im Fehlerfall führt der durch den Supraleiter fließende Strom zu einem kritischen Strom und der Supraleiter geht in den normalleitenden Zustand über. Gemäß des in der DE 60 2004 012 035 offenbarten Strombegrenzers ist jeder Supraleiterkörper mit einer Spule parallelgeschaltet.
Bekannt ist weiterhin das Prinzip der so genannten resistiven supraleitenden Strombegrenzer, die durch ihre nichtlineare Strom-Spannungslinie den Strom im Kurzschlussfall begrenzen. Nachteilig bei den beiden letztgenannten Prinzipien ist, dass die Stromzufuhr über geeignete Mittel zwischen einer Raumtemperaturumgebung und eine Tieftemperaturumgebung erfolgen muss. Hierbei kommt es zu hohen thermischen Verlusten.
Aufgabe der Erfindung ist es daher einen Strombegrenzer anzugeben, der die genannten Einschränkungen und Nachteile vermeidet. Insbesondere soll die Erfindung einen Strombegrenzer angeben, der schnell und zuverlässig im Fehlerfall den Strom begrenzt, automatisch in den Normalzustand zurückkehrt, sowie die Impedanz im Nennbetrieb nur in vernachlässigbarem Maße erhöht. Der Strombegrenzer soll weiterhin in Kombination mit den vielfach verwendeten Drosselspulen eingesetzt werden können und in bestehende Netze nachrüstbar sein.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen nach Anspruch 1. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung an.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Strombegrenzer vorgeschlagen, bei dem durch den Einsatz einer supraleitenden Spule im Innern einer Drosselspule die Induktivität und damit die Impedanz der Drosselspule signifikant reduziert wird. Dies geschieht durch Ströme, die in der supraleitenden Spule induziert werden und die das Magnetfeld der Drosselspule kompensieren.
Die Drosselspule des erfindungsgemäßen Strombegrenzers umfasst einen abgeschlossenen Kyrostat, der keine elektrische Verbindung zu seiner Umgebung hat. Im Innern des Kyrostats ist eine kurzgeschlossene Spule angeordnet, die aus einem supraleitenden Material besteht. Diese Spule umfasst eine oder mehrere kurzgeschlossene Wicklungen, wobei jede Wicklung aus mindestens einer kurzgeschlossenen Windung besteht. Eine Ausführform umfasst eine supraleitende Spule, die aus nur einer kurzgeschlossenen Windung besteht. In einer bevorzugten Ausführform besteht die kurzgeschlossene Spule aus einem kommerziell erhältlichen supraleitenden Bandleiter.
Im Normalbetrieb kompensiert die supraleitende Spule das Magnetfeld der Drosselspule. Dadurch wird die Induktivität gesenkt und der Spannungsabfall im Normalbetrieb wird minimiert. Bei Überschreiten eines bestimmten Stromwertes in der supraleitenden Spule geht der Supraleiter in den normalleitenden Zustand über und vergrößert die Induktivität, wodurch der Strom begrenzt wird. Nach dem Abschalten des zu hohen Stroms geht der Supraleiter nach einer geringen Zeit wieder selbstständig in den supraleitenden Zustand zurück und der Normalbetrieb kann wieder aufgenommen werden.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Strombegrenzers ist seine intrinsische Eigensicherheit durch die Materialeigenschaften des Supraleiters selbst. Dies erlaubt einen Verzicht auf zusätzliche Auslösemechanismen.
Ein besonderer Vorteil ist, dass zur effektiven Strombegrenzung kein Eisenkern notwendig ist, was sich vorteilhaft auf die Impedanz des Systems und auch auf die Dimensionierung des Bauteils auswirkt. Der Verzicht auf Eisenkerne erlaubt eine kompakte Bauweise des Strombegrenzers, so dass dieser in bestehende Netzsysteme eingebaut werden kann. Auf diese Weise können konventionelle Maßnahmen zur Strombegrenzung mit einer Drosselspule effizienter gestaltet werden. Dies ist sowohl durch Erstausrüstung neuer Energienetzwerke mit einer kurzgeschlossenen supraleitenden Spule zur Reduzierung der Impedanz im Nennbetrieb, als auch durch Nachrüstung bestehender Netzwerke.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass keine Mittel zur Stromzuführung zu der supraleitenden Spule nötig sind. Der Kyrostat kann daher als abgeschlossenes System ausgeführt werden und die üblicherweise auftretenden thermischen Verluste, die bei elektrischen Verbindungen zwischen einer Umgebung mit Raumtemperatur und einer Tieftemperaturumgebung auftreten, werden vermieden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Beispiels und der Figuren erläutert.
1 zeigt ein Übersichtsschaubild einer Anordnung aus einer Drosselspule mit eingesetzter Hochtemperatursupraleiter (HTS) Spule und Kühleinrichtung.
2 zeigt das Ersatzschaltbild einer Drosselspule mit eingesetzter HTS Spule.
In 1 ist schematisch eine Anordnung aus einer Drosselspule 1, einem Kyrostat 2, der mit flüssigen Stickstoff 3 gefüllt ist, einem Kühlgerät 4 und einer HTS-Spule 5 dargestellt.
Die HTS-Spule 5 ist in der Ausführform als YBCO-Bandleiter mit einer, in der Figur nicht gezeigten, Wicklung ausgestaltet, wobei diese Wicklung kurzgeschlossen ist. Die HTS-Spule 5 ist außerdem in einem Kyrostat 2 angeordnet, das ein Kühlgerät 4 den sich in ihm befindlichen und die HTS-Spule umgebenen Stickstoff 3 kühlt. Auf diese Weise werden die supraleitenden Eigenschaften der HTS-Spule 5 erzeugt.
2 zeigt das Ersatzschaltbild der Drosselspule 1 mit einem ohmschen Widerstand 11 und einer Streuinduktivität 12 und mit einer eingesetzter HTS-Spule 5, die eine veränderliche Impedanz 21 besitzt. Die gesamte Anordnung der Spulen hat die Hauptinduktivität 22. Die kurzgeschlossene HTS-Spule 5 kompensiert im Normalbetrieb das Magnetfeld der Drosselspule 1. Durch diese Kompensation wird die Induktivität abgesenkt und die Verluste des Systems im Normalbetrieb werden minimiert. Kommt es hingegen zu einem Kurzschluss, geht die HTS-Spule 5 in den normalleitenden Zustand über. Das Magnetfeld der Drosselspule 1 wird nicht mehr kompensiert und als Folge steigt die Induktivität an. Der Kurzschlussstrom wird dadurch begrenzt. Bei Wegfall des Kurzschlusstroms kehrt die HTS-Spule 5 nach wenigen Sekunden in den supraleitenden Zustand zurück und der Normalbetrieb wird wieder aufgenommen.
Bezugszeichenliste

1: Drosselspule
2: Kyrostat
3: flüssiger Stickstoff
4: Kühlgerät
5: HTS-Spule
11: ohmscher Widerstand der Drosselspule
12: primäre Streuinduktivität der Drosselspule
21: veränderliche Imdepanz der supraleitenden Spule
22: Hauptinduktivität der Anordnung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 602004012035 [0004, 0004]

Claims

Vorrichtung zur Strombegrenzung mit einer veränderbaren Spulenimpedanz, umfassend eine Drosselspule (1), und eine Kühleinrichtung (4), dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere Spule aus einem Hochtemperatur supraleitendem Material (5), wobei die weitere Spule (5) in der Drosselspule (1) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Kühleinrichtung (4) ein Kyrostat (2) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Kyrostat (2) als abgeschlossenes System, ohne Mittel zum elektrischen Verbinden der Spule (5) zu ihrer elektrischen Umgebung, ausgeführt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Spule aus dem Hochtemperatur supraleitenden Material (5) im Inneren des Kyrostats (2) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Spule (5) mindestens eine kurzgeschlossene Windung umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Spule (5) elektrisch kurzgeschlossen ist.