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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Strombegrenzung in einer Stromleitung, wobei die Vorrichtung eine mit der Stromleitung in Serie zu schaltende Primärspule und eine mit der Primärspule induktiv gekoppelte supraleitende Einrichtung umfasst.
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Derartige Vorrichtungen zur Strombegrenzung sind typischerweise nach der Art eines Transformators aufgebaut, wobei die supraleitende Einrichtung ein ringförmiges supraleitendes Kurzschlusselement umfasst, das mit der Primärspule derart induktiv gekoppelt ist, dass die Primärspule und das supraleitende Kurzschlusselement im Wesentlichen von demselben magnetischen Fluss durchdrungen werden. Im supraleitenden Zustand des ringförmigen supraleitenden Kurzschlusselements werden aufgrund der nahezu unendlich hohen elektrischen Leitfähigkeit des supraleitenden Materials elektrische Ströme in dem supraleitenden Kurzschlusselement induziert, die das von der Primärspule erzeugte magnetische Feld vollständig kompensieren, so dass jegliches magnetisches Feld aus dem Inneren der Primärspule und des supraleitenden Kurzschlusselements verdrängt wird.
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Aufgrund der Verdrängung des Magnetfelds aus der Primärspule im supraleitenden Zustand des supraleitenden Kurzschlusselements stellt die Primärspule in diesem Fall nur eine vernachlässigbar kleine elektrische Impedanz dar, so dass der zu begrenzende Strom praktisch verlustfrei durch die Primärspule der strombegrenzenden Vorrichtung fließen kann.
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Wenn der durch die Primärspule fließende, zu begrenzende Strom einen vorbestimmten Grenzwert überschreitet, so überschreitet die in dem supraleitenden Kurzschlusselement resultierende elektrische Stromdichte bzw. die durch das supraleitende Kurzschlusselement verdrängte magnetische Flussdichte oder die Temperatur des supraleitenden Kurzschlusselements einen vorbestimmten kritischen Wert. Infolge dessen verliert das supraleitende Material des supraleitenden Kurzschlusselements seine supraleitende Eigenschaft und geht in den normalleitenden Zustand über, in dem der elektrische Widerstand des supraleitenden Kurzschlusselements stark erhöht ist. Dabei geht der Magnetfeld-verdrängende Effekt des supraleitenden Kurzschlusselements verloren, so dass sich die an den Anschlussklemmen der Primärspule sichtbare Impedanz der Vorrichtung stark erhöht und die gewünschte strombegrenzende Wirkung der Vorrichtung eintritt.
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Problematisch bei den bekannten Vorrichtungen ist es, dass zum Zeitpunkt des Übergangs des supraleitenden Kurzschlusselements von dem supraleitenden Zustand in den normalleitenden Zustand eine hohe thermische Belastung des supraleitenden Kurzschlusselements auftritt, da der elektrische Widerstand des supraleitenden Materials sprunghaft ansteigt und unmittelbar nach Eintritt des Übergangs ein relativ hoher elektrischer Strom in dem supraleitenden Kurzschlusselement fließt. Um Beschädigungen oder gar die Zerstörung des supraleitenden Kurzschlusselements zu verhindern, muss das supraleitende Kurzschlusselement dementsprechend für eine relativ hohe elektrische Strombelastung während des Übergangs von dem supraleitenden in den normalleitenden Zustand ausgelegt sein. Dazu ist eine relativ große Menge an supraleitendem Material erforderlich, welches eine hohe Güte und insbesondere eine hohe Reinheit aufweist. Die Bereitstellung derartiger hochwertiger supraleitender Materialien ist sehr aufwendig und teuer, so dass die Herstellung der strombegrenzenden Vorrichtung insgesamt mit einem hohen wirtschaftlichen Aufwand verbunden ist.
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Aus der
DE 198 51 047 C2 ist eine Vorrichtung zur Strombegrenzung in einer Stromleitung bekannt, wobei die Vorrichtung eine mit der Stromleitung in Serie zu schaltende Primärspule und eine mit dieser induktiv gekoppelte supraleitende Einrichtung umfasst, wobei die supraleitende Einrichtung wenigstens zwei separate, mit der Primärspule jeweils induktiv gekoppelte supraleitende Kurzschlusselemente umfasst, die im Wesentlichen ring- oder spulenförmig ausgestaltet sind.
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Aus der
DE 696 10 229 T2 ist eine Strombegrenzerschaltung mit supraleitenden Scheiben bekannt. Die
AT 401 590 B offenbart eine Strombegrenzerschaltung mit supraleitender sekundärer Kurzschlusswicklung.
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Aus der
DE 35 43 877 A1 ist ein ausschließlich normalleitender Strombegrenzer mit einer bewegbaren normalleitenden Kurzschlusswicklung zwischen Primärwicklung und einem Kurzschlusszylinder bekannt.
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In der
DE 100 35 634 A1 ist ein supraleitender Strombegrenzer mit Transformator bekannt.
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Die
DE 623 439 A offenbart einen ausschließlich normalleitenden Strombegrenzer mit Kurzschlusswicklungen.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Strombegrenzung der eingangs genannten Art anzugeben, die mit verringertem wirtschaftlichen Aufwand bereitgestellt werden kann und bei deren Betrieb gleichzeitig Beschädigungen der supraleitenden Einrichtung wirksam und zuverlässig vermieden werden.
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Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Die supraleitende Einrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst wenigstens zwei separate, mit der Primärspule jeweils induktiv gekoppelte supraleitende Kurzschlusselemente, die im Wesentlichen ring- oder spulenförmig ausgestaltet sind und die voneinander beabstandet angeordnet sind, sowie ein normalleitendes Kurzschlusselement, das mit den wenigstens zwei supraleitenden Kurzschlusselementen induktiv gekoppelt ist.
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Erfindungsgemäß werden also zwei supraleitende Kurzschlusselemente und zusätzlich ein normalleitendes Kurzschlusselement vorgesehen, welches mit den zwei supraleitenden Kurzschlusselementen induktiv gekoppelt ist.
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Aufgrund der induktiven Kopplung zwischen dem normalleitenden Kurzschlusselement und den supraleitenden Kurzschlusselementen ist im supraleitenden Zustand der supraleitenden Kurzschlusselemente auch das normalleitende Kurzschlusselement von etwaigen durch die Primärspule induzierten magnetischen Feldern abgeschirmt, so dass in diesem Zustand in dem normalleitenden Kurzschlusselement keine elektromagnetische Induktion stattfindet und das normalleitende Kurzschlusselement somit keine zusätzliche an den Anschlussklemmen der Primärspule sichtbare Impedanz der Vorrichtung darstellt. Durch die Verwendung zweier supraleitender Kurzschlusselemente wird dabei eine wirksame Abschirmung des normalleitenden Kurzschlusselements bei größtmöglicher Flexibilität hinsichtlich der geometrischen Anordnung der supraleitenden Kurzschlusselemente und des normalleitenden Kurzschlusselements erreicht. Streuverluste aufgrund einer unvollständigen magnetischen Abschirmung des normalleitenden Kurzschlusselements werden weitestgehend vermieden.
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Beim Übergang der supraleitenden Kurzschlusselemente vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand geht die magnetische Abschirmung des normalleitenden Kurzschlusselements verloren und in dem normalleitenden Kurzschlusselement wird ein elektrischer Strom induziert, der dem von der Primärspule erzeugten magnetischen Feld entgegen wirkt.
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Das normalleitende Kurzschlusselement übernimmt also beim Übergang der supraleitenden Kurzschlusselemente vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand einen Teil der Gegeninduktion, die durch die supraleitenden Kurzschlusselemente im supraleitenden Zustand hervorgerufen wird, wodurch die Strombelastung der supraleitenden Kurzschlusselemente während dieses Übergangs reduziert wird. Dadurch können Beschädigungen der supraleitenden Kurzschlusselemente wirksam vermieden werden und es wird ermöglicht, relativ kleine supraleitende Kurzschlusselemente mit einer geringen Menge an supraleitendem Material einzusetzen, sowie auch weniger hochwertige supraleitende Kurzschlusselemente, die eine geringere spezifische Strombelastbarkeit am Übergang von dem supraleitenden in den normalleitenden Zustand aufweisen.
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Die Erfindung schafft auf diese Weise eine Vorrichtung zur Strombegrenzung in einer Stromleitung, die mit verringertem Aufwand herstellbar ist und die dabei Beschädigungen der supraleitenden Einrichtung wirksam und zuverlässig vermeidet.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen beschrieben.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das normalleitende Kurzschlusselement im Wesentlichen ring- oder spulenförmig ausgestaltet. Das normalleitende Kurzschlusselement kann dabei zum Beispiel einen oder mehrere elektrisch leitfähige Kurzschlussringe umfassen und/oder eine oder mehrere elektrisch leitfähige kurzgeschlossene Spulen mit einer oder mehreren Windungen. Bei dieser Ausgestaltung kann das normalleitende Kurzschlusselement einen erheblichen Teil der von den supraleitenden Kurzschlusselementen bewirkten Gegeninduktion übernehmen, so dass die supraleitenden Kurzschlusselemente bei dem Übergang von dem supraleitenden in den normalleitenden Zustand besonders wirksam entlastet werden.
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Die supraleitenden Kurzschlusselemente umfassen bevorzugt jeweils einen oder mehrere Kurzschlussringe und/oder eine oder mehrere kurzgeschlossene Spulen mit jeweils einer oder mehreren Windungen.
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Die Entlastung der supraleitenden Kurzschlusselemente bei dem Übergang von dem supraleitenden in den normalleitenden Zustand kann noch weiter erhöht werden, wenn das normalleitende Kurzschlusselement mit zumindest einem der wenigstens zwei supraleitenden Kurzschlusselemente und bevorzugt beiden supraleitenden Kurzschlusselementen jeweils elektrisch verbunden ist, da in diesem Fall der Anteil der von dem normalleitenden Kurzschlusselement bewirkten Gegeninduktion noch weiter erhöht ist.
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Bevorzugt sind die Primärspule und die supraleitenden Kurzschlusselemente so angeordnet, dass die supraleitenden Kurzschlusselemente im supraleitenden Zustand das Innere der Primärspule zumindest annähernd vollständig von einem von der Primärspule erzeugten magnetischen Feld abschirmen. Ebenso schirmen die supraleitenden Kurzschlusselemente im supraleitenden Zustand das normalleitende Kurzschlusselement zumindest annähernd vollständig von einem von der Primärspule erzeugten magnetischen Feld ab. Dabei wird bevorzugt durch die geometrische Anordnung der Primärspule, der supraleitenden Kurzschlusselemente und des normalleitenden Kurzschlusselements sichergestellt, dass diese Komponenten im Wesentlichen von demselben magnetischen Fluss durchdrungen werden. Dadurch werden durch das magnetische Feld hervorgerufene Streuverluste weitgehend vermieden und es wird eine besonders geringe Impedanz der strombegrenzenden Vorrichtung im Betriebszustand gewährleistet.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind das normalleitende Kurzschlusselement sowie die wenigstens zwei supraleitenden Kurzschlusselemente im Wesentlichen koaxial zueinander angeordnet, wobei die wenigstens zwei supraleitenden Kurzschlusselemente bevorzugt in axialer Richtung voneinander beabstandet sind und das normalleitende Kurzschlusselement bevorzugt in axialer Richtung zwischen den wenigstens zwei supraleitenden Kurzschlusselementen angeordnet ist. Auf diese Weise ergibt sich eine besonders wirksame Abschirmung zwischen der Primärspule, den supraleitenden Kurzschlusselementen und dem normalleitenden Kurzschlusselement und eine kompakte Gesamtanordnung.
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Um eine starke induktive Kopplung zwischen der Primärspule, den supraleitenden Kurzschlusselementen und/oder dem normalleitenden Kurzschlusselement zu schaffen und zu gewährleisten, dass diese Komponenten im Wesentlichen von demselben magnetischen Fluss durchdrungen sind, kann die Vorrichtung ein magnetisierbares Element wie zum Beispiel einen magnetisierbaren Eisenkern umfassen. Bevorzugt weisen dabei die Primärspule, die wenigstens zwei supraleitenden Kurzschlusselemente und das normalleitende Kurzschlusselement jeweils wenigstens eine um das magnetisierbare Element herum verlaufende Windung auf und sind über das magnetisierbare Element nach der Art eines Transformators mit magnetischem Kern induktiv miteinander gekoppelt. Unter einer Windung wird hierin prinzipiell sowohl eine Windung einer Spule als auch ein Kurzschlussring verstanden. Auf diese Weise wird eine besonders starke induktive Kopplung zwischen der Primärspule, den supraleitenden Kurzschlusselementen und dem normalleitenden Kurzschlusselement geschaffen, so dass eine maximale magnetische Abschirmwirkung des Supraleiters geschaffen wird. Das magnetisierbare Element kann insbesondere einen Ringkern bilden, wobei bevorzugt wenigstens eine Windung der supraleitenden Kurzschlusselemente, wenigstens eine Windung der Primärspule und wenigstens eine Windung des normalleitenden Kurzschlusselements um einen Arm des Ringkerns herum verlaufen.
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Ebenso können die Primärspule, die normalleitenden Kurzschlusselemente und das normalleitende Kurzschlusselement in einem Spalt des bevorzugt ringförmigen magnetisierbaren Elements angeordnet sein und dabei insbesondere koaxial zueinander angeordnet sein. Auf diese Weise wird nach der Art eines Transformators mit Luftspalt sichergestellt, dass die Primärspule, die supraleitenden Kurzschlusselemente und das normalleitende Kurzschlusselement im Wesentlichen von demselben magnetischen Fluss durchdrungen werden, so dass die Vorrichtung im supraleitenden Zustand der supraleitenden Kurzschlusselemente im Wesentlichen verlustfrei arbeitet.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die zwei supraleitenden Kurzschlusselemente und das normalleitende Kurzschlusselement innerhalb des Umfangs der Primärspule angeordnet und von der Primärspule umgeben sind. Dadurch wird zum einen eine besonders wirksame magnetische Abschirmung der Primärspule und des normalleitenden Kurzschlusselements durch die supraleitenden Kurzschlusselemente und zum anderen ein besonders kompakter Aufbau der Gesamtanordnung gewährleistet.
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Die supraleitenden Kurzschlusselemente werden im Betrieb der Vorrichtung auf eine Temperatur unterhalb der Temperatur gekühlt, bis zu der sie ihre supraleitende Eigenschaft aufweisen, d. h. ihrer kritischen Temperatur. Die supraleitenden Kurzschlusselemente können zum Beispiel ein supraleitendes Material mit einer kritischen Temperatur im Bereich oberhalb von 77 K umfassen, insbesondere ein keramisches Hochtemperatur-Supraleitermaterial wie zum Beispiel ein Yttrium-Barium-Kupferoxid-Material (YBCO).
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Die Vorrichtung kann zumindest ein kryostatisches Gefäß umfassen, in dem zumindest eines der wenigstens zwei supraleitenden Kurzschlusselemente aufgenommen ist, so dass das supraleitende Kurzschlusselement auf eine Temperatur unterhalb seiner kritischen Temperatur gekühlt wird. In dem kryostatischen Gefäß ist dazu bevorzugt flüssiger Stickstoff oder ein anderes geeignetes Kühlmittel enthalten. Die Vorrichtung kann auch mehrere kryostatische Gefäße umfassen, in denen jeweils eines der wenigstens zwei supraleitenden Kurzschlusselemente aufgenommen ist. Diese Ausgestaltung erlaubt die Verwendung von kleineren kryostatischen Gefäßen, wodurch die Flexibilität hinsichtlich der Gesamtanordnung erhöht wird und der Aufwand für die Bereitstellung der kryostatischen Gefäße und für die Kühlung der supraleitenden Kurzschlusselemente verringert wird.
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Die Primärspule ist bevorzugt außerhalb des wenigstens einen kryostatischen Gefäßes angeordnet. Sie kann jedoch auch in den Kryostaten eingebaut werden.
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Das normalleitende Kurschlusselement kann prinzipiell außerhalb oder innerhalb des kryostatischen Gefäßes angeordnet sein. Bei einer Anordnung des normalleitenden Kurzschlusselements außerhalb des kryostatischen Gefäßes ist das normalleitende Kurzschlusselement bevorzugt über eine thermisch isolierende elektrische Durchführung des kryostatischen Gefäßes elektrisch mit dem innerhalb des kryostatischen Gefäßes angeordneten supraleitenden Kurzschlusselement verbunden.
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Insbesondere bei einer Anordnung des normalleitenden Kurzschlusselements außerhalb eines kryostatischen Gefäßes eines supraleitenden Kurzschlusselements muss das normalleitende Kurzschlusselement so ausgestaltet sein, dass es die gewünschte Gegeninduktion beim Übergang der supraleitenden Kurzschlusselemente von dem supraleitenden in den normalleitenden Zustand bewirkt, ohne dabei aufgrund der durch den Stromfluss in dem normalleitenden Kurzschlusselements bewirkten thermischen Belastung beschädigt zu werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist das normalleitende Kurzschlusselement als unabhängig von der Primärspule und den wenigstens zwei supraleitenden Kurzschlusselementen mechanisch selbsttragendes Element ausgebildet. Dies hat zum einen den Vorteil, dass das normalleitende Kurzschlusselement vorgefertigt und erst am Schluss der Herstellung in die Vorrichtung eingefügt werden kann, wodurch der Herstellungsaufwand für die Vorrichtung insgesamt verringert wird. Ferner ist ein derartiges selbsttragendes Kurzschlusselement mechanisch besonders robust und thermisch besonders belastbar. Ferner wird es durch die freitragende Ausgestaltung des normalleitenden Kurzschlusselements ermöglicht, dieses so in der Vorrichtung anzuordnen, dass es im Wesentlichen von allen Seiten her gekühlt werden kann, da es nicht oder nur an einzelnen Stellen mechanisch mit den weiteren Komponenten der Vorrichtung, z. B. der Primärspule, den supraleitenden Kurzschlusselementen oder einem etwaig vorhandenen magnetisierbaren Element der Vorrichtung verbunden werden muss.
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Das normalleitende Kurzschlusselement kann wenigstens einen elektrischen Leiter umfassen, der zumindest bereichsweise von einer einen elektrisch isolierenden Feststoff enthaltenden Mantelschicht ummantelt ist. Dadurch kann eine gute elektrische Isolation des elektrischen Leiters des normalleitenden Kurzschlusselements erreicht werden. Die Mantelschicht kann dabei insbesondere eine Spannungsfestigkeit von mehr als 72 kV, bevorzugt wenigstens 100 kV und besonders bevorzugt wenigstens 140 kV aufweist. Ein isolierender Bypass ist jedoch nicht unbedingt erforderlich.
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Der Feststoff kann dabei zum Beispiel ein Material aufweisen, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die ein Harz, ein Gießharz, ein faserverstärktes Kunststoffmaterial, ein gehärtetes Kern-Hülle-Polymer, ein Silikonmodifiziertes Epoxidharz mit einer geringen Bruchzähigkeit und ein eine bi-modale Teilchengrößen-Verteilung aufweisendes, füllstoffverstärktes Epoxidharz und faserverstärkte Prepregs umfasst. Diese Materialien eignen sich besonders, um ein mechanisch selbsttragendes normalleitendes Kurzschlusselement mit einer hohen Spannungsfestigkeit und einer hohen thermischen Belastbarkeit herzustellen.
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Die Ummantelung des normalleitenden Kurzschlusselements ist dabei bevorzugt durch einen Gießvorgang herstellbar. Insbesondere kann das normalleitende Kurzschlusselement durch Umwickeln eines Leiterabschnitts mit einem faserverstärkten Kunststoffmaterial und anschließendes Aushärten des Kunststoffmaterials herstellbar sein.
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Das normalleitende Kurzschlusselement umfasst bevorzugt ein Material mit einem geringeren spezifischen elektrischen Widerstand als der spezifische elektrische Widerstand, den das supraleitende Material eines supraleitenden Kurzschlusselements im normalleitenden Zustand annimmt. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst das normalleitende Kurzschlusselement einen ein Stahlmaterial enthaltenden Leiterabschnitt. Dadurch kann eine besonders hohe thermische Belastbarkeit bei gleichzeitig hoher Leitfähigkeit des normalleitenden Kurzschlusselements gewährleistet werden. Die Primärspule kann zum Beispiel einen ein Kupfermaterial enthaltenden Leiterabschnitt umfassen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist das normalleitende Kurzschlusselement wenigstens einen elektrischen Leiterabschnitt auf, der einen im Wesentlichen flachen Querschnitt mit einer größeren Breite als Höhe aufweist. Dabei ist bevorzugt die Breitenrichtung des Leiterabschnitts relativ zu der Längsachse des normalleitenden Kurzschlusselements geneigt oder im Wesentlichen parallel zu der Längsachse des normalleitenden Kurzschlusselements angeordnet. Durch den Querschnitt des Leiterabschnitts wird eine erhöhte Oberfläche des Leiterabschnitts geschaffen, die eine wirksame Kühlung desselben erleichtert. Wenn die Breitenrichtung des Leiterabschnitts geneigt oder parallel zu der Längsachse des normalleitenden Kurzschlusselements angeordnet ist, wird es ermöglicht, mehrere solche Leiterabschnitte in mehreren Lagen um die Längsachse des normalleitenden Kurzschlusselements herum zu führen. Dadurch kann auf einer geringen Länge des normalleitenden Kurzschlusselements eine große Anzahl von Windungen des normalleitenden Kurzschlusselements realisiert werden, wodurch eine besonders kompakte Gesamtanordnung geschaffen wird. Außerdem erlaubt diese Anordnung das Vorsehen von in Längsrichtung des normalleitenden Kurzschlusselements durch das normalleitende Kurzschlusselement verlaufenden Kühlkanälen, wodurch eine besonders effiziente Kühlung ermöglicht wird.
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Das normalleitende Kurzschlusselement umfasst bevorzugt wenigstens einen Leiterabschnitt, der einen über seine Länge variierenden Abstand zu der Längsachse des normalleitenden Kurzschlusselements aufweist. Auf diese Weise kann derselbe Leiterabschnitt in mehreren Lagen um die Längsachse des normalleitenden Kurzschlusselements herum verlaufen, so dass auf diese Weise ebenfalls eine Vielzahl an Windungen auf einer geringen Länge des normalleitenden Kurzschlusselements realisiert werden können.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst das normalleitende Kurzschlusselement wenigstens zwei Windungen und einen Kühlkanal, der sich zwischen den zwei Windungen erstreckt und der von einem Kühlmittel durchflossen ist, wobei die Längsrichtung des Kühlkanals bevorzugt zumindest abschnittsweise gegenüber der Längsachse des normalleitenden Kurzschlusselements geneigt oder parallel dazu verläuft. Durch diese Ausgestaltung der Kühlkanäle wird eine besonders effiziente Ableitung von verdampftem Kühlmittel in Längsrichtung des normalleitenden Kurzschlusselements gewährleistet. Dadurch wird verhindert, dass verdampftes Kühlmittel gemäß dem Leidenfrost-Phänomen eine gasförmige Schicht auf dem normalleitenden Kurzschlusselement bildet, die das normalleitende Kurzschlusselement thermisch isoliert. Stattdessen wird eine zuverlässige Nachleitung von unverdampftem Kühlmittel und dadurch eine besonders zuverlässige Kühlwirkung erreicht.
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Eine besonders gute Kühlwirkung wird ferner erreicht, wenn das normalleitende Kurzschlusselement einen Leiterabschnitt mit zumindest einer sich durch den Leiterabschnitt hindurch erstreckenden Durchlassöffnung für ein Kühlmittel aufweist, wobei sich die wenigstens eine Durchlassöffnung bevorzugt quer zu der Längsrichtung des Leiterabschnitts oder in Längsrichtung des Leiterabschnitts durch den Leiterabschnitt hindurch erstreckt.
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Die Vorrichtung kann insbesondere zur Strombegrenzung im Niederspannungs-Mittelspannungs- und Hochspannungsbereich ausgebildet sein, wobei ein Nennstrom der Vorrichtung zum Beispiel bis zu 15 KA betragen kann. Die Vorrichtung eignet sich zum Einsatz in elektrischen Erzeugungs-Übertragungs- und Verteilungsnetzen und insbesondere auch zum Einsatz in Großkraftwerken.
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Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung rein beispielhaft anhand einer vorteilhaften Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
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1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer Vorrichtung zur Strombegrenzung in einer Stromleitung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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2 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer Vorrichtung zur Strombegrenzung in einer Stromleitung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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3 eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zur Strombegrenzung in einer Stromleitung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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4 eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zur Strombegrenzung in einer Stromleitung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; und
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5a)–f) beispielhafte Leiterabschnitte eines normalleitenden Kurzschlusselements einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung mit und ohne Durchlassöffnungen für ein Kühlmittel.
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1 zeigt eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer Vorrichtung zur Strombegrenzung in einer Stromleitung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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Die Vorrichtung umfasst eine Primärspule 10 mit zwei Anschlussklemmen 12, die mit einer den zu begrenzenden Strom führenden Stromleitung elektrisch in Serie zu schalten ist.
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Die Vorrichtung umfasst ferner zwei separate, als Kurzschlussringe ausgebildete supraleitende Kurzschlusselemente 14, die im Inneren der Primärspule 10 angeordnet sind und um einen Arm eines magnetisierbaren Ringkerns 16 herum verlaufen.
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Die beiden supraleitenden Kurzschlusselemente 14 sind jeweils elektrisch mit einer Windung eines als kurzgeschlossene Spule ausgebildeten normalleitenden Kurzschlusselements 18 verbunden, welches zwischen den beiden supraleitenden Kurzschlusselementen 14 angeordnet ist. In 1 ist das normalleitende Kurzschlusselement 18 zum Zweck einer funktionalen Darstellung seitlich zu den supraleitenden Kurzschlusselementen 14 versetzt dargestellt. In der Praxis verlaufen die Windungen des normalleitenden Kurzschlusselements 18 aber bevorzugt ebenfalls um den Ringkern 16 herum und weisen einen Radius auf, der dem Radius der supraleitenden Kurzschlusselemente 14 im Wesentlichen entspricht, wie dies in den 3 und 4 dargestellt ist. Insbesondere sind die Primärspule 10, die supraleitenden Kurzschlusselemente 14 und das normalleitende Kurzschlusselement 18 bevorzugt so ausgestaltet, dass deren Längsachsen 20, die in 1 getrennt dargestellt sind, zumindest annähernd zusammenfallen, d. h. diese Komponenten im Wesentlichen koaxial angeordnet sind (siehe ebenfalls 3 und 4).
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Im Folgenden wird die Funktionsweise der in 1 dargestellten Vorrichtung erläutert.
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Die supraleitenden Kurzschlusselemente 14 verdrängen in ihrem supraleitenden Zustand das magnetische Feld derart, dass der magnetische Fluss durch jeden der beiden supraleitenden Kurzschlussringe 14 im Wesentlichen verschwindet. Dadurch wird der Fluss in dem magnetisierbaren Ringkern 16 an den Stellen unterbrochen, an denen sich die beiden supraleitenden Kurzschlusselemente 14 um den Ringkern 16 herum erstrecken. Aufgrund der Magnetisierbarkeit des bevorzugt ferromagnetischen Ringkerns 16 kann auf diese Weise das gesamte von dem Ringkern 16 eingenommene Volumen im Wesentlichen magnetfeldfrei gehalten werden, d. h. insbesondere auch der gesamte Bereich des Ringkerns 16, um den herum die Primärspule 10 und das normalleitende Kurzschlusselement 18 herum verlaufen, so dass die Primärspule 10 und das normalleitende Kurzschlusselement 18 magnetisch abgeschirmt werden und deren Inneres im Wesentlichen magnetfeldfrei gehalten wird. Um auch bei größeren Dimensionen eine besonders wirksame magnetische Abschirmung zu erreichen und den Einfluss von magnetischen Streufeldern weitestgehend zu reduzieren, können optional auch noch ein oder mehrere weitere wie in 1 gestrichelt dargestellte supraleitende Kurzschlusselemente 14' eingesetzt werden, die um den Ringkern 16 herum verlaufen und bevorzugt, wie in 1 gezeigt, mit dem normalleitenden Kurzschlusselement 18 elektrisch verbunden sind.
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In dem supraleitenden Zustand der supraleitenden Kurzschlusselemente 14 wird somit das Innere der Primärspule 10 im Wesentlichen magnetfeldfrei gehalten, wodurch eine sehr geringe an den Anschlussklemmen 12 sichtbare Impedanz der Vorrichtung erreicht wird, so dass der zu begrenzende Strom praktisch verlustfrei durch die Vorrichtung fließen kann.
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Überschreitet der Strom in der Primärspule 10 seinen vorgegebenen Maximalwert, bricht die Supraleitung in den supraleitenden Kurzschlusselementen 14 zusammen. Dadurch bricht auch die magnetische Abschirmung des normalleitenden Kurzschlusselements 18 zumindest teilweise zusammen, so dass in dem normalleitenden Kurzschlusselement 18 Ströme induziert werden, die dem durch den Strom in der Primärspule 10 erzeugten Magnetfeld entgegen wirken. Das normalleitende Kurzschlusselement 18 übernimmt somit einen Teil der im supraleitenden Zustand von den supraleitenden Kurzschlusselementen 14 bewirkten Gegeninduktion, so dass die Strombelastung der supraleitenden Kurzschlusselemente 14 beim Übergang von dem supraleitenden in den normalleitenden Zustand verringert wird.
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Da bei dem Übergang der supraleitenden Kurzschlusselemente 14 von dem supraleitenden in den normalleitenden Zustand die vollständige magnetische Abschirmung zwischen der Primärspule 10 und dem Ringkern 16 zusammenbricht und nur noch eine unvollständige Kompensation der durch die Primärspule 10 erzeugten Magnetfelder erfolgt, wird die an den Anschlussklemmen 12 sichtbare Impedanz der Vorrichtung stark erhöht, so dass der in der Primärspule 10 fließende Strom wirksam begrenzt wird.
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2 zeigt eine Vorrichtung, die im Wesentlichen der in 1 gezeigten Vorrichtung entspricht, wobei in 2 die spulenförmige Ausgestaltung des in 1 nur schematisch dargestellten normalleitenden Kurzschlusselements 18 deutlich erkennbar ist.
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Ferner umfasst die Vorrichtung von 2 einen Ringkern 16, der zwei zusätzliche, in 2 durch gestrichelte Linien 22 angedeutete Arme aufweist, die ebenfalls jeweils in erfindungsgemäßer Weise mit einer Primärspule 10, wenigstens zwei supraleitenden Kurzschlusselementen 14 und einem normalleitenden Kurzschlusselement 18 versehen sein können, um somit insgesamt eine dreiphasige Strombegrenzungsvorrichtung zu bilden.
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3 zeigt eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zur Strombegrenzung in einer Stromleitung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, die im Wesentlichen der in 1 gezeigten Vorrichtung entspricht, wobei in 3 die Primärspule 10 der besseren Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt ist. Die supraleitenden Kurzschlusselemente 14 und das normalleitende Kurzschlusselement 18 sind in 3 der besseren Unterscheidbarkeit halber mit entgegengesetzt gerichteten Schraffuren dargestellt. In 3 ist zusätzlich ein kryostatisches Gefäß 24 gezeigt, in dem die supraleitenden Kurzschlusselemente 14 und das normalleitende Kurzschlusselement 18 aufgenommen sind. Außerdem sind die elektrischen Durchverbindungen 26 zwischen den supraleitenden Kurzschlusselementen 14 und dem normalleitenden Kurzschlusselement 18 dargestellt.
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Wie in 3 gezeigt, umfassen bei dieser Ausführungsform die supraleitenden Kurzschlusselemente 14 und das normalleitende Kurzschlusselement 18 jeweils breit ausgestaltete Leiterabschnitte, deren Breitenrichungen im Wesentlichen parallel zu der Längsachse 20 der Vorrichtung verlaufen. Prinzipiell könnten die supraleitenden Kurzschlusselemente 14 und/oder das normalleitende Kurzschlusselement 18 auch so ausgestaltet sein, dass die entsprechenden Leiterabschnitte im Wesentlichen scheibenartig um die Längsachse 20 herum verlaufen, wobei die Breitenrichtung der Leiterabschnitte im Wesentlichen senkrecht zu der Längsachse 20 verläuft.
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4 zeigt eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zur Strombegrenzung in einer Stromleitung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, die im Wesentlichen der in 3 dargestellten Ausführungsform entspricht. Allerdings sind in 4 auf der linken Seite Leiterabschnitte dargestellt, deren Breitenrichtung in einem Winkel von ungefähr 45° zur Richtung der Längsachse 20 der Vorrichtung verläuft. Wie auf der linken Seite von in 4 durch Pfeile 28 dargestellt, werden dadurch zwischen den Leiterabschnitten verlaufende Kühlkanäle realisiert, die ein Aufsteigen von verdampfter Kühlflüssigkeit (zum Beispiel verdampftem Flüssigstickstoff) nach oben hin ermöglichen.
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Auf der rechten Seite von 4 sind Leiterabschnitte eines normalleitenden Kurzschlusselements 18 dargestellt, deren Breitenrichtung parallel zur Längsachse 20 verläuft, und die in mehreren Lagen um den Ringkern 16 herum verlaufen, so dass zwischen den Leiterabschnitten parallel der Längsrichtung 20 verlaufende Kühlkanäle gebildet sind, in denen verdampfte Kühlflüssigkeit ebenfalls zuverlässig und schnell abgeführt werden kann.
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In 4 sind lediglich der Einfachheit der Darstellung halber auf der linken und der rechten Seite des Ringkerns 16 verschiedene gegenseitige Anordnungen der Leiterabschnitte des normalleitenden Kurzschlusselements 18 gezeigt. In der Praxis kann es einfacher sein, das normalleitende Kurzschlusselement 18 so auszugestalten, dass die Leiterabschnitte des normalleitenden Kurzschlusselements 18 um den Ringkern 16 herum eine regelmäßige und überall im Wesentlichen gleiche gegenseitige Anordnung aufweisen.
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In 5a)–f) sind jeweils beispielhafte Leiterabschnitte eines normalleitenden Kurzschlusselements 18 dargestellt.
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5a) zeigt zum Beispiel einen Leiterabschnitt, der senkrecht zu seiner Längsrichtung 30 einen verbreiterten, im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweist. 5b) zeigt einen Leiterabschnitt, der im Wesentlichen dem von 5a) entspricht, wobei in 5b) zusätzlich Durchlassöffnungen 32 für ein Kühlmittel in dem Leiterabschnitt vorgesehen sind, die sich im Wesentlichen senkrecht zu der Längsrichtung 30 des Leiterabschnitts durch den Leiterabschnitt hindurch erstrecken.
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5c) zeigt einen Leiterabschnitt mit im Wesentlichen kreisrundem Querschnitt. 5d) zeigt einen entsprechenden Leiterabschnitt, wobei zusätzlich eine Durchlassöffnung 32 vorgesehen ist, die sich in Längsrichtung 30 des Leiterabschnitts durch den Leiterabschnitt hindurch erstreckt, so dass ein Hohlleiterabschnitt mit einem durchgehenden Kanal für ein Kühlmittel geschaffen wird.
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5e) zeigt einen Leiterabschnitt mit im Wesentlichen quadratischem Querschnitt. 5f) zeigt einen entsprechenden Leiterabschnitt, wobei zusätzlich eine Durchlassöffnung 32 vorgesehen ist, die sich in Längsrichtung 30 des Leiterabschnitts durch den Leiterabschnitt hindurch erstreckt, so dass ein Hohlleiterabschnitt mit einem durchgehenden Kanal für ein Kühlmittel geschaffen wird.
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Durch die Durchlassöffnungen 32 in 5b), d) und f) wird jeweils eine noch effektivere Kühlung dieser Leiterabschnitte ermöglicht, so dass eine Beschädigung des normalleitenden Kurzschlusselements 18 aufgrund einer übermäßigen Erwärmung zu jedem Zeitpunkt wirksam vermieden wird.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Primärspule
- 12
- Anschlussklemme
- 14, 14'
- supraleitendes Kurzschlusselement
- 16
- Ringkern
- 18
- normalleitendes Kurzschlusselement
- 20
- Längsachse
- 22
- zusätzliche Arme des Ringkerns
- 24
- kryostatisches Gefäß
- 26
- Durchverbindung
- 28
- Pfeil
- 30
- Längsrichtung eines Leiterabschnitts
- 32
- Durchlassöffnung
