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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schutzvorrichtung, welche einen supraleitenden Strombegrenzer und eine in Reihe zu dem supraleitenden Strombegrenzer angeordnete Schalteinrichtung aufweist.
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Zum Schutz eines Stromnetzes vor den Auswirkungen eines Fehlerstroms, insbesondere in Folge eines Kurzschlusses, sind unterschiedliche Schutzvorrichtungen bekannt. Ein mögliches Beispiel ist eine Sicherung bzw. Schmelzsicherung. Ein alternatives, derzeit verfolgtes Schutzkonzept umfasst den Einsatz von supraleitenden Fehlerstrombegrenzern (Superconducting Fault Current Limiter, SFCL) vom resistiven Typ.
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Das Funktionsprinzip derartiger Strombegrenzer basiert auf dem sogenannten „Quench“, d.h. dem schnellen „Umschalten“ eines supraleitenden Stromträgers vom supraleitenden in den normalleitenden, resistiven Zustand. Ein solcher Übergang kann für den Fall eintreten, dass der für die Anordnung charakteristische kritische Strom überschritten wird. Bei einem in einem Stromnetz eingesetzten supraleitenden Strombegrenzer ist dessen elektrischer Widerstand im supraleitenden Zustand so niedrig, dass der Strombegrenzer für das Netz praktisch „unsichtbar“ ist. Sofern der kritische Strom (beispielsweise aufgrund eines Kurzschlusses) überschritten und der Strombegrenzer in den normalleitenden Zustand versetzt wird, kann der in diesem Zustand vorliegende elektrische Widerstand eine Begrenzung des Über- bzw. Kurzschlussstroms bewirken.
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Im normalleitenden Zustand führt der begrenzte Strom jedoch dazu, dass sich der Strombegrenzer kontinuierlich aufheizt, und daher die Gefahr einer Beschädigung bzw. Zerstörung des Strombegrenzers durch Überhitzung besteht. Um dies zu vermeiden, wird der durch den supraleitenden Strombegrenzer fließende Strom möglichst schnell nach Ansprechen bzw. Versetzen des Strombegrenzers in den normalleitenden Zustand mit Hilfe einer in Reihe zu dem Strombegrenzer angeordneten Schalteinrichtung unterbrochen.
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Hierfür ist zunächst vorgesehen, das Ansprechen des Strombegrenzers möglichst schnell und sicher zu detektieren. Zu diesem Zweck wird üblicherweise die an dem supraleitenden Strombegrenzer anliegende Spannung erfasst. Bei Feststellen eines Überschreitens einer vorgegebenen Spannungsschwelle, welches als Kriterium für eine bevorstehende Beschädigung des supraleitenden Strombegrenzers herangezogen wird, wird die dem Strombegrenzer zugeordnete Schalteinrichtung zum Unterbrechen des Stromflusses ausgelöst.
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Der vorstehend beschriebene Ansatz ist jedoch mit Nachteilen verbunden. Beispielsweise kann es vorkommen, dass der kritische Strom für längere Zeit nur wenig überschritten wird und dadurch das „Umschalten“ des supraleitenden Strombegrenzers in den resistiven Zustand nur an einem kurzen Leiterstück des Strombegrenzers auftritt. Wenn die vorgegebene Spannungsschwelle hierbei nicht erreicht wird und infolgedessen die Schalteinrichtung nicht zum Unterbrechen des Stromflusses geschaltet wird, kann sich das im resistiven Zustand befindliche Leiterstück bis zur Zerstörung erhitzen. Möglich ist es auch, dass infolge eines kurzen starken Strompulses eine derartige Spannung an dem Strombegrenzer auftritt, dass die Schalteinrichtung ausgelöst und damit die Stromversorgung in dem von dem Strombegrenzer geschützten Teil des Netzes unterbrochen wird, obwohl keine Gefahr für den supraleitenden Strombegrenzer bestand.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine verbesserte Fehlerstrom-Schutzvorrichtung anzugeben, bei welcher die vorstehend genannten Nachteile vermieden werden können.
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Diese Aufgabe wird durch eine Schutzvorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß wird eine Schutzvorrichtung vorgeschlagen, welche einen supraleitenden Strombegrenzer, eine in Reihe zu dem supraleitenden Strombegrenzer angeordnete Schalteinrichtung, und eine Stromerfassungseinrichtung zum Erfassen eines durch den supraleitenden Strombegrenzer fließenden elektrischen Stroms aufweist. Weiter vorgesehen ist eine Auswerteeinrichtung zum Ermitteln eines eine Temperatur des supraleitenden Strombegrenzers wiedergebenden Parameters auf der Grundlage des mit der Stromerfassungseinrichtung erfassten elektrischen Stroms, und zum Veranlassen eines Schaltens der Schalteinrichtung auf der Grundlage des ermittelten Parameters, um den Stromfluss durch den supraleitenden Strombegrenzer zu unterbrechen.
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Bei der erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung ist vorgesehen, das Unterbrechen des Stromflusses zum Verhindern einer Beschädigung des supraleitenden Strombegrenzers anhand eines sich auf eine Temperatur des Strombegrenzers beziehenden Parameters durchzuführen. Hierbei handelt es sich um eine „direkte“ Größe, welche mit dem Ansprechverhalten des Strombegrenzers und mit einer möglichen bzw. bevorstehenden Beschädigung des Strombegrenzers in unmittelbarem Zusammenhang steht. Gegenüber dem oben beschriebenen Ansatz, bei welchem ausschließlich eine „indirekte“ Größe wie die am supraleitenden Strombegrenzer anliegende Spannung berücksichtigt wird, kann auf diese Weise der „Gefährdungszustand“ des supraleitenden Strombegrenzers mit einer höheren Genauigkeit beurteilt werden. Dadurch kann einerseits ein verbesserter Schutz des supraleitenden Strombegrenzers vor einer Beschädigung bei einem niedrigen Überstrom, und andererseits eine Vermeidung von eigentlich unnötigen Stromabschaltungen bei kurzen starken Strompulsen erzielt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Auswerteeinrichtung ausgebildet, ein Schalten der Schalteinrichtung auf der Grundlage eines Vergleichs des ermittelten Parameters mit einem vorgegebenen Grenzwert zu veranlassen. Der Grenzwert kann hierbei mit einer hohen Genauigkeit auf den supraleitenden Strombegrenzer abgestimmt sein, wodurch sich eine hohe Zuverlässigkeit in Bezug auf das Unterbrechen des Stromflusses zum Verhindern einer Beschädigung des supraleitenden Strombegrenzers erzielen lässt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Auswerteeinrichtung ausgebildet, den die Temperatur des supraleitenden Strombegrenzers wiedergebenden Parameter auf der Grundlage eines Modells des supraleitenden Strombegrenzers zu ermitteln. Hierdurch kann das Ansprech- bzw. Temperaturverhalten des supraleitenden Strombegrenzers mit einer hohen Genauigkeit nachgebildet, und infolgedessen ein hoher Schutz des supraleitenden Strombegrenzers vor einer Beschädigung erzielt werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform bildet das Modell, anhand dessen die Auswerteeinrichtung den Temperatur-Parameter ermittelt, den supraleitenden Strombegrenzer als Körper mit räumlich homogenen Eigenschaften ab. Für ein solches, relativ einfaches Modell des supraleitenden Strombegrenzers kann auch die Auswerteeinrichtung relativ einfach und kostengünstig ausgestaltet sein.
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In einer hierzu alternativen, bevorzugten Ausführungsform bildet das Modell den supraleitenden Strombegrenzer als Körper mit mehreren und unterschiedliche Eigenschaften aufweisenden Teilabschnitten ab. Durch Verwendung eines solchen, komplexeren Modells ist die Möglichkeit gegeben, das Verhalten des supraleitenden Strombegrenzers mit einer höheren Genauigkeit nachzubilden. Der Parameter kann hierbei eine Temperatur eines Teilabschnitts, insbesondere eines „temperaturempfindlichsten“ Teilabschnitts des supraleitenden Strombegrenzers wiedergeben.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Stromerfassungseinrichtung einen Stromwandler. Auf diese Weise kann die Schutzvorrichtung bei einem Wechselstromnetz zum Einsatz kommen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Stromerfassungseinrichtung ausgebildet, den durch den supraleitenden Strombegrenzer fließenden elektrischen Strom mit einer Abtastfrequenz in einem Bereich zwischen 10 kHz und 1 MHz zu erfassen. Hierdurch ist die Möglichkeit eines schnellen Ermittelns bzw. Nachbildens des Temperaturverhaltens des supraleitenden Strombegrenzers (insbesondere in Echtzeit) gegeben, wodurch ein zuverlässiger Schutz des supraleitenden Strombegrenzers weiter begünstigt werden kann.
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Insbesondere bei Verwendung eines Modells kann es sich bei dem mit der Auswerteeinrichtung ermittelten Parameter um eine nachgebildete Temperatur handeln. Diese stellt eine direkt entscheidende Größe zur Beurteilung des Gefährdungszustands des supraleitenden Strombegrenzers dar.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Schutzvorrichtung des Weiteren eine Spannungserfassungseinrichtung zum Erfassen einer an dem supraleitenden Strombegrenzer anliegenden elektrischen Spannung auf. Die Auswerteeinrichtung ist hierbei ausgebildet, den die Temperatur des supraleitenden Strombegrenzers wiedergebenden Parameter zusätzlich auf der Grundlage der mit der Spannungserfassungseinrichtung erfassten elektrischen Spannung zu ermitteln. Hierdurch ist die Möglichkeit eines relativ einfachen und schnellen Ermittelns des Parameters durch die Auswerteeinrichtung gegeben.
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In dieser Hinsicht kann es sich bei dem mit der Auswerteeinrichtung ermittelten Parameter um einen nachgebildeten elektrischen Widerstand handeln. Der elektrische Widerstand ist hierbei ein Maß für die Temperatur des supraleitenden Strombegrenzers, und stellt damit ebenfalls eine direkt entscheidende Größe zur Beurteilung des Gefährdungszustands des supraleitenden Strombegrenzers dar.
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Die Spannungserfassungseinrichtung umfasst vorzugsweise einen Spannungsteiler. Hierdurch ist die Möglichkeit gegeben, die an dem supraleitenden Strombegrenzer anliegende und erfasste Spannung in eine niedrigere Spannung umzuwandeln, wodurch die Schutzvorrichtung beispielsweise im Hochspannungsbereich eingesetzt werden kann.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Fehlerstrom-Schutzvorrichtung mit einer Stromerfassungseinrichtung;
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2 eine schematische Darstellung einer weiteren Fehlerstrom-Schutzvorrichtung, welche zusätzlich eine Spannungserfassungseinrichtung umfasst.
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Anhand der folgenden Figuren werden mögliche bzw. beispielhafte Ausgestaltungen von Schutzvorrichtungen 100, 101 beschrieben, welche auch als „Strombegrenzermodule“ bezeichnet werden können. Die Schutzvorrichtungen 100, 101 können in elektrischen Stromnetzen wie zum Beispiel Energieversorgungs- bzw. Energieverteilungsnetzen eingesetzt werden, um einen Schutz für den Fall eines Über- bzw. Fehlerstroms, beispielsweise infolge eines Kurzschlusses, zu erzielen. Dabei kann der Strom zunächst mit Hilfe eines supraleitenden Strombegrenzers 110 begrenzt, und nachfolgend der Stromfluss mit Hilfe einer entsprechend angesteuerten Schalteinrichtung 150 unterbrochen werden. Durch das Unterbrechen kann der supraleitende Strombegrenzer 140 vor einer Beschädigung oder Zerstörung durch Überhitzung geschützt werden.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Fehlerstrom-Schutzvorrichtung 100, welche in einem Stromnetz bzw. Wechselstromnetz zum Einsatz kommen kann. Die Schutzvorrichtung 100 weist einen supraleitenden Strombegrenzer 110 und eine in Reihe zu dem supraleitenden Strombegrenzer 110 angeordnete Schalteinrichtung 150, beispielsweise ein Leistungsschalter 150, auf. Bei Verwendung in dem zu schützenden Stromnetz sind diese Komponenten in einem Stromkreis des Netzes, beispielsweise zwischen einer Spannungsquelle und einem Verbraucher (nicht dargestellt), angeordnet. Der Stromkreis ist in 1 anhand von mit der Schutzvorrichtung 100 bzw. deren Komponenten verbundenen elektrischen Leitungen 105 angedeutet. Dabei wird darauf hingewiesen, dass die in 1 gezeigten Abschnitte der Leitungen 105 Bestandteil der Schutzvorrichtung 100 sein können. Gleiches gilt auch für die Schutzvorrichtung 101 von 2.
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Der supraleitende Strombegrenzer 110 weist als aktiven Bestandteil einen Supraleiter auf, welcher im Betrieb der Schutzvorrichtung 100 durch eine entsprechende Kühlung in den supraleitenden Zustand versetzt und in diesem Zustand gehalten werden kann. Zu diesem Zweck kann der Supraleiter zum Beispiel in einem Kryostat angeordnet und von einem flüssigen Kühlmedium umgeben und gekühlt sein. In Betracht kommt insbesondere eine Ausgestaltung als Hochtemperatur-Supraleiter, welcher mittels Flüssigstickstoff gekühlt wird. Der Supraleiter kann ferner zum Beispiel als bifilare Spirale ausgebildet, und gegebenenfalls mit einem Shunt-Widerstand versehen sein.
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Im supraleitenden Zustand ist der elektrische Widerstand des supraleitenden Strombegrenzers 110 so niedrig, dass der Strombegrenzer 110 für das Netz praktisch „unsichtbar“ ist, und infolgedessen ein Stromfluss durch den Strombegrenzer 110 mit keiner oder einer lediglich sehr kleinen Verlustleistung verbunden ist. Sofern ein Über- bzw. Fehlerstrom, beispielsweise infolge eines Kurzschlusses, in dem Teil des Stromnetzes auftritt, in welchem auch die Schutzvorrichtung 100 und deren Strombegrenzer 110 angeordnet ist, kann der durch den Strombegrenzer 110 fließende Strom höher als dessen kritischer Strom sein, wodurch der Strombegrenzer 110 in kurzer Zeit von dem supraleitenden Zustand in den normalleitenden, resistiven Zustand übergehen kann („Quench“). Auf diese Weise wird in das Netz sprungartig ein entsprechender Widerstand geschaltet, wodurch ein Spannungsabfall und damit eine Begrenzung des Fehlerstroms bewirkt werden kann. Der Fehlerstrom kann hierbei zum Beispiel vom zwanzig- bis fünfzigfachen Nennstrom auf den ein- bis fünffachen Nennstrom begrenzt werden. Die Ansprechzeit des supraleitenden Strombegrenzers 110, in welcher das „Umschalten“ in den resistiven, strombegrenzenden Zustand stattfindet, kann beispielsweise im Bereich von einer Millisekunde liegen.
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Im normalleitenden Zustand kann der begrenzte Stromfluss zu einer kontinuierlichen Aufheizung des supraleitenden Strombegrenzers 110 führen, was eine Überhitzung und damit eine Beschädigung bzw. Zerstörung des Strombegrenzers 110 zur Folge haben kann. Um dies zu vermeiden, ist vorgesehen, den Stromfluss mit Hilfe der in Reihe zu dem supraleitenden Strombegrenzer 110 angeordneten Schalteinrichtung 150 möglichst schnell (beispielsweise innerhalb von fünfzig bis zweihundert Millisekunden) nach Ansprechen des supraleitenden Strombegrenzers 110 zu unterbrechen.
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Bei der Schutzvorrichtung 100 erfolgt das Unterbrechen des Stromflusses zum Verhindern einer Beschädigung des supraleitenden Strombegrenzers 110 auf der Grundlage eines ermittelten Parameters, welcher eine Temperatur des supraleitenden Strombegrenzers 110 wiedergibt. Dieser Parameter stellt eine „direkte“, mit dem Ansprechen des supraleitenden Strombegrenzers 110 in unmittelbarem Zusammenhang stehende Größe dar, und ermöglicht es, eine gegebenenfalls bevorstehende Beschädigung des supraleitenden Strombegrenzers 110 mit einer hohen Genauigkeit zu beurteilen.
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Die Schutzvorrichtung 100 weist zu diesem Zweck eine Kombination aus einer schnellen Stromerfassungseinrichtung („Strommesssystem“) 121, 122 zum Erfassen des durch den supraleitenden Strombegrenzer 110 fließenden Stroms und einer zugehörigen Auswerteeinrichtung 140 auf. Hierbei ist die Auswerteeinrichtung 140 zum Ermitteln des Temperatur-Parameters auf der Grundlage des erfassten Stroms und zum Auslösen eines Schaltens der Schalteinrichtung 150 auf der Grundlage des ermittelten Temperatur-Parameters ausgebildet, wie weiter unten noch näher beschrieben wird.
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Die eigentliche Stromerfassung wird mit einer entsprechenden Messeinrichtung 121 durchgeführt, welche zum Messen des elektrischen Stroms durch den supraleitenden Strombegrenzer 110 ausgebildet und (ebenfalls) in Reihe zu dem supraleitenden Strombegrenzer 110 angeordnet ist. Im Hinblick auf eine Ausgestaltung des zu schützenden Stromnetzes als Wechselstromnetz handelt es sich hierbei, wie in 1 angedeutet ist, um einen Stromwandler 121. Im Hinblick auf eine mögliche alternative Ausgestaltung des Stromnetzes als Gleichstromnetz kann eine anders ausgebildete Einrichtung 121, zum Beispiel auf der Basis eines Hall-Sensors oder Shunt-Widerstands, zum Einsatz kommen.
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Die Messeinrichtung 121 bzw. der Stromwandler 121 ist des Weiteren mit einem Analog-Digital-Umsetzer 122 verbunden, mit dessen Hilfe gemessene Stromsignale in digitale Daten umgewandelt, und der Auswerteeinrichtung 140 zugeführt werden können. Der Analog-Digital-Umsetzer 122 ist vorzugsweise dazu ausgebildet, das Umwandeln bzw. Abtasten der mit der Messeinrichtung 121 gewonnenen Stromsignale mit einer hohen Abtastfrequenz in einem Bereich zwischen zum Beispiel 10 kHz und 1 MHz durchzuführen, wodurch es möglich ist, den Strom bzw. Änderungen desselben mit einer hohen Schnelligkeit, insbesondere (annähernd) in Echtzeit, zu erfassen.
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Die Auswerteeinrichtung 140, welche einen Mikroprozessor, vorzugsweise einen programmierbaren Mikroprozessor, umfassen kann, ist dazu ausgebildet, als Parameter zur Beurteilung des Ansprechens bzw. Zustands des supraleitenden Strombegrenzers 110 eine Temperatur desselben nachzubilden, und hierauf basierend, d.h. in Abhängigkeit der (jeweils) ermittelten Temperatur, gegebenenfalls ein Schalten der Schalteinrichtung 150 zum Unterbrechen des Stromflusses zu initiieren. Die Ermittlung der Temperatur führt die Auswerteeinrichtung 140 auf der Grundlage eines mathematischen bzw. physikalischen Modells des supraleitenden Strombegrenzers 110 durch, welches eine Wärmebilanzgleichung umfassen kann. Der erfasste und der Auswerteeinrichtung 140 über den Analog-Digital-Umsetzer 122 „zugeführte“ Strom dient hierbei als Eingangsgröße. Auf diese Weise kann das Ansprech- bzw. Temperaturverhalten des supraleitenden Strombegrenzers 110 mit einer hohen Genauigkeit abgebildet werden, was infolge der schnellen Stromerfassung (ebenfalls annähernd) in Echtzeit möglich ist.
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Zur Nachbildung der Temperatur kann ein relativ einfaches Modell in Betracht kommen, welches den supraleitenden Strombegrenzer 110 (bzw. dessen supraleitenden Stromträger als aktiven Bestandteil) als Körper mit räumlich homogenen Eigenschaften abbildet, d.h. dass in dem Modell berücksichtigte Größen für den gesamten Supraleiter einheitlich verwendet werden. Weitere (physikalische) Größen, welche neben der Temperatur in dem Modell einbezogen sein können, sind insbesondere der elektrische Widerstand, die Wärmekapazität und der Wärmeübergangskoeffizient, wobei für derartige Modellgrößen realitätsnahe Kennlinien für deren Temperaturabhängigkeit verwendet sein können. Für den Widerstand im supraleitenden Zustand kann zusätzlich die Stromabhängigkeit berücksichtigt sein.
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Mit dem erfassten Strom als Eingangsgröße und dem als Wärmebilanzgleichung ausgestalteten Modell kann die Auswerteeinrichtung 140 eine nachgebildete Temperatur des supraleitenden Strombegrenzers 141 berechnen, und anhand der Temperatur ein Schalten der Schalteinrichtung 150 zum Unterbrechen des Stromflusses und damit Verhindern einer Beschädigung des supraleitenden Strombegrenzers 110 veranlassen. Zu diesem Zweck wird die nachgebildete Temperatur mit einem vorgegebenen Grenzwert („Temperatur-Schwellwert“) verglichen, welcher mit einer hohen Genauigkeit auf den supraleitenden Strombegrenzer 110 abgestimmt sein kann. Als Grenzwert kommt insbesondere ein Temperaturwert im Bereich oder knapp oberhalb der kritischen Temperatur (Sprungtemperatur) des supraleitenden Strombegrenzers 110 in Betracht, bei deren Überschreiten der Strombegrenzer 110 normalleitend wird. Sofern ein Erreichen oder Überschreiten des Grenzwerts durch die Auswerteeinrichtung 140 festgestellt wird, veranlasst die Auswerteeinrichtung 140 das Schalten der Schalteinrichtung 150 zum Unterbrechen des Stromflusses. Hierbei kann zum Beispiel vorgesehen sein, dass die Auswerteeinrichtung 140 ein entsprechendes Auslösesignal an die Schalteinrichtung 150 übermittelt, wodurch die zuvor geschlossene Schalteinrichtung 150 geöffnet und infolgedessen der Stromfluss unterbrochen werden kann.
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Bei der Schutzvorrichtung 100 kann der supraleitende Strombegrenzer 110 auf zuverlässige Art und Weise vor einer Beschädigung oder einer Zerstörung geschützt werden. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Verwendung der nachgebildeten Temperatur des supraleitenden Strombegrenzers 110 es ermöglicht, ein Ansprechen und einen Gefährdungszustand des supraleitenden Strombegrenzers 110 mit einer hohen Genauigkeit zu beurteilen. Gegenüber einem herkömmlichen Ansatz, bei welchem als Kriterium zum Auslösen der Schalteinrichtung 150 lediglich eine „indirekte“ Größe (elektrische Spannung am Strombegrenzer 110) berücksichtigt wird, kann auf diese Weise sowohl ein verbesserter Schutz des Strombegrenzers 110 vor Beschädigung bei niedrigen Überströmen, als auch ein Verhindern von eigentlich unnötigen Abschaltungen bei sehr kurzen starken Strompulsen erzielt werden.
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Bei Verwendung des oben beschriebenen, relativ einfachen Modells des supraleitenden Strombegrenzers 100 ist ferner die Möglichkeit gegeben, die Auswerteeinrichtung 140 mit einem relativ einfachen und kostengünstigen Aufbau zu verwirklichen. Alternativ kann jedoch auch ein komplexeres Modell des supraleitenden Strombegrenzers 110 zum Einsatz kommen, wodurch zwar die Auswerteeinrichtung 140 gegebenenfalls einen komplexeren Aufbau aufweisen, sich das Verhalten des supraleitenden Strombegrenzers jedoch mit einer (noch) höheren Genauigkeit nachbilden lässt.
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In Betracht kommt insbesondere ein Modell, welches den supraleitenden Strombegrenzer 110 (bzw. dessen aktiven Bestandteil) als Körper mit mehreren und unterschiedliche Eigenschaften aufweisenden Teilabschnitten abbildet. In dieser Hinsicht können Modellgrößen der einzelnen Teilabschnitte unterschiedliche Abhängigkeiten aufweisen und durch unterschiedliche Kennlinien vorgegeben sein. Der Parameter, anhand dessen ein Schalten der Schalteinrichtung 150 durch die Auswerteeinrichtung 140 gesteuert wird, kann hierbei eine auf der Grundlage des erfassten Stroms ermittelte bzw. nachgebildete Temperatur eines Teilabschnitts des supraleitenden Strombegrenzers 110 sein. Dabei kann es sich insbesondere um ein „temperaturempfindlichstes“ Teilstück des supraleitenden Strombegrenzers 110 handeln. Auch in dieser Ausgestaltung kann die nachgebildete Temperatur in der oben beschriebenen Art und Weise mit einem Temperatur-Grenzwert verglichen werden, wobei bei Erreichen oder Überschreiten des Grenzwerts ein Schalten der Schalteinrichtung 150 durch die Auswerteeinrichtung 140 ausgelöst werden kann.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren, in einem Stromnetz (Wechsel- oder auch Gleichstromnetz) einsetzbaren Fehlerstrom-Schutzvorrichtung 101. Die Schutzvorrichtung 101 ist ähnlich zu der vorstehend beschriebenen Schutzvorrichtung 100 aufgebaut und weist ebenfalls einen supraleitenden Strombegrenzer 110, eine in Reihe zu dem Strombegrenzer 110 angeordnete Schalteinrichtung 150, eine Auswerteeinrichtung 140 zum Steuern bzw. Auslösen eines Schaltens der Schalteinrichtung 150, eine Strommesseinrichtung 121 bzw. einen Stromwandler 121 und einen Analog-Digital-Umsetzer 122 auf. Dabei wird darauf hingewiesen, dass in Bezug auf bereits beschriebene Details, welche sich auf gleichartige oder übereinstimmende Aspekte und Bestandteile, eine Funktionsweise, mögliche Vorteile, usw. beziehen, und welche bei der Schutzvorrichtung 101 in analoger Weise zutreffen können, auf die vorstehenden Ausführungen Bezug genommen wird.
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Im Unterschied zu der Schutzvorrichtung 100 ist die Schutzvorrichtung 101 zusätzlich dazu ausgebildet, die an dem supraleitenden Strombegrenzer 110 anliegende elektrische Spannung mit Hilfe eines (schnellen) Spannungsmesssystems 131, 132 zu erfassen, und den die Temperatur des Strombegrenzers 110 wiedergebenden Parameter, anhand dessen das Ansteuern der Schalteinrichtung 150 erfolgt, zusätzlich (d.h. neben dem erfassten Strom) auf der Grundlage der erfassten Spannung zu ermitteln.
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Die Schutzvorrichtung 101 weist zu diesem Zweck einen Spannungsteiler 131 und einen weiteren, mit dem Spannungsteiler 131 verbundenen Analog-Digital-Umsetzer 132 auf. Der Spannungsteiler 131 ist mit entsprechenden Messleitungen verbunden, über welche die an dem supraleitenden Strombegrenzer 110 anliegende Spannung abgegriffen werden kann. Über den Spannungsteiler 131 kann die abgegriffene Spannung in eine niedrigere Spannung „umgewandelt“ werden, welche dem Analog-Digital-Umsetzer 132 zugeführt wird. Hierdurch kann die Schutzvorrichtung 101 insbesondere im Hochspannungsbereich eingesetzt werden.
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Über den mit dem Spannungsteiler 131 verbundenen Analog-Digital-Umsetzer 132 können die gewonnenen Spannungssignale in digitale Daten umgewandelt, und der Auswerteeinrichtung 140 zugeführt werden. Entsprechend dem anderen Analog-Digital-Umsetzer 122 kann auch der Analog-Digital-Umsetzer 132 dazu ausgebildet sein, das Abtasten der Spannungssignale mit einer hohen Abtastfrequenz in einem Bereich zwischen zum Beispiel 10 kHz und 1 MHz durchzuführen, wodurch es möglich ist, die Spannung bzw. Änderungen derselben mit einer hohen Schnelligkeit, insbesondere (annähernd) in Echtzeit, zu erfassen.
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Die Auswerteeinrichtung 140, welche erneut in Form eines Mikroprozessors, vorzugsweise programmierbaren Mikroprozessors, verwirklicht sein kann, ist dazu ausgebildet, als Parameter zur Beurteilung des Ansprechens bzw. Zustands des supraleitenden Strombegrenzers 110 einen elektrischen Widerstand desselben nachzubilden bzw. zu berechnen. Dabei dienen der (wiederum mit den Einrichtungen 121, 122) erfasste Strom und die erfasste Spannung als Eingangsgrößen, anhand derer die Auswerteeinrichtung 140 den Widerstand auf der Grundlage eines entsprechenden Modells ermitteln kann. Der elektrische Widerstand ist hierbei ein Maß für die Temperatur des supraleitenden Strombegrenzers 110, und stellt damit ebenfalls eine direkt entscheidende Größe dar, um das Ansprechen und den Gefährdungszustand des supraleitenden Strombegrenzers 110 mit einer hohen Genauigkeit und Zuverlässigkeit beurteilen zu können. Infolge der schnellen Strom- und Spannungserfassung ist das Ermitteln des Widerstands durch die Auswerteeinrichtung 140 (ebenfalls annähernd) in Echtzeit möglich.
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Auch in dieser Ausgestaltung kann das Ermitteln des elektrischen Widerstands durch die Auswerteeinrichtung 140 auf der Grundlage eines relativ einfachen Modells bzw. „Widerstandsmodells“ des supraleitenden Strombegrenzers 110 erfolgen, welches den supraleitenden Strombegrenzer 110 (bzw. dessen supraleitenden Stromträger als aktiven Bestandteil) als Körper mit räumlich homogenen Eigenschaften abbildet, so dass in dem Modell berücksichtigte Größen für den gesamten Supraleiter einheitlich verwendet werden. Da neben dem Strom auch die Spannung am supraleitenden Strombegrenzer 110 als Eingangsgröße dient, kann die oben beschriebene Verwendung von Kennlinien entfallen. Hierdurch ist es möglich, die Ermittlung des als Temperatur-Parameter dienenden Widerstands des supraleitenden Strombegrenzers 110 auf einfache und schnelle Weise durchzuführen.
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Auf der Grundlage des ermittelten Widerstands kann die Auswerteeinrichtung 140 ein Schalten der Schalteinrichtung 150 zum Unterbrechen des Stromflusses und damit Verhindern einer Beschädigung des supraleitenden Strombegrenzers 110 veranlassen. Zu diesem Zweck wird der Widerstand mit einem vorgegebenen Widerstands-Grenzwert verglichen, welcher mit einer hohen Genauigkeit auf den supraleitenden Strombegrenzer 110 abgestimmt sein kann. Als Grenzwert kommt insbesondere ein Widerstandswert in Betracht, welcher einem Temperaturwert des supraleitenden Strombegrenzers 110 im Bereich oder knapp oberhalb der kritischen Temperatur entspricht. Sofern ein Erreichen oder Überschreiten des Grenzwerts durch die Auswerteeinrichtung 140 festgestellt wird, veranlasst die Auswerteeinrichtung 140 das Schalten der Schalteinrichtung 150 zum Unterbrechen des Stromflusses. Dabei kann erneut zum Beispiel in Betracht kommen, dass die Auswerteeinrichtung 140 ein entsprechendes Auslösesignal an die Schalteinrichtung 150 übermittelt, wodurch die zuvor geschlossene Schalteinrichtung 150 geöffnet und infolgedessen der Stromfluss unterbrochen wird.
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In analoger Weise kann auch bei der Schutzvorrichtung 101 der Einsatz eines komplexeren Modells des supraleitenden Strombegrenzers 110 vorgesehen sein, welches das Verhalten des supraleitenden Strombegrenzers 110 (gegebenenfalls) mit einer höheren Genauigkeit nachbildet. In Betracht kommt erneut insbesondere ein Modell, welches den supraleitenden Strombegrenzer 110 (bzw. dessen aktiven Bestandteil) als Körper mit mehreren und unterschiedliche Eigenschaften aufweisenden Teilabschnitten abbildet. Der Parameter, anhand dessen ein Schalten der Schalteinrichtung 150 durch die Auswerteeinrichtung 140 gesteuert wird, kann hierbei ein nachgebildeter elektrischer Widerstand eines Teilabschnitts, insbesondere eines „temperaturempfindlichsten“ Teilstücks des supraleitenden Strombegrenzers 110 sein. Auch dieser Widerstand, welcher als Maß für die Temperatur des betreffenden Teilabschnitts des supraleitenden Strombegrenzers 110 dienen kann, kann mit einem Grenzwert verglichen werden, wobei bei Erreichen oder Überschreiten des Grenzwerts ein Schalten der Schalteinrichtung 150 durch die Auswerteeinrichtung 140 ausgelöst werden kann.
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Die anhand der Figuren erläuterten Ausführungsformen stellen bevorzugte bzw. beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung dar. Neben den beschriebenen und abgebildeten Ausführungsformen sind weitere Ausführungsformen vorstellbar, welche weitere Abwandlungen und/oder Kombinationen von beschriebenen Merkmalen umfassen können.
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Beispielsweise können Fehlerstrom-Schutzvorrichtungen, welche zur Schnellabschaltung bzw. Sofortabschaltung eines Fehlerstroms in einem Stromnetz einsetzbar sein, anstelle der in den Figuren gezeigten und beschriebenen Systeme und Einrichtungen zur Strom- bzw. Spannungserfassung anders aufgebaute Systeme und Einrichtungen aufweisen. Auch können Fehlerstrom-Schutzvorrichtungen gegebenenfalls weitere Einrichtungen und Elemente umfassen. Des Weiteren ist es möglich, für eine zum Unterbrechen des Stromflusses eingesetzte Schalteinrichtung anstelle des oben angegebenen Leistungsschalters andere Einrichtungen bzw. Schalter zu verwenden.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
