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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Strombegrenzung in einer Stromleitung, wobei die Vorrichtung eine mit der Stromleitung in Serie geschaltete Primärspule und eine mit der Primärspule induktiv gekoppelte supraleitende Einrichtung umfasst.
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Derartige Vorrichtungen zur Strombegrenzung werden auch iSFCL (inductive Superconducting Fault Current Limiter) genannt. Sie 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 begrenzenden Strom praktisch verlustfrei durch die Primärspule der strombegrenzenden Vorrichtung fließen kann. 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. In diesem Kurzschlussfall 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 magnetfeldverdrängende 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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Um Kosten zu senken und eine etwaige Beschädigung des Supraleiters zu verhindern, kann dieser mit einem normalleitenden Kurzschlusselement derart verbunden werden, dass er von diesem vollständig überbrückt wird. Im supraleitenden Zustand weist das normalleitende Kurzschlusselement einen im Vergleich zum Supraleiter sehr hohen Widerstand auf, während im normalleitenden Zustand der Widerstand des normalleitenden Kurzschlusselements niedriger als der des Supraleiters ist. Geht also der Supraleiter in seinen normalleitenden Zustand über, wird der Strom in das den Supraleiter schützende normalleitende Kurzschlusselement geleitet.
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Da das normalleitende Kurzschlusselement einen elektrischen Widerstand aufweist, ist die induzierte Stromstärke kleiner als im supraleitenden Zustand und somit nicht mehr ausreichend, um den magnetischen Kern, über den das supraleitende Kurzschlusselement und die Primärspule induktiv gekoppelt sind, abzuschirmen. Die Induktivität des supraleitenden Strombegrenzers wird somit durch die Magnetisierbarkeit, also Permeabilität, des Kerns bestimmt. Da diese sehr groß wird, wird auch die Drosselwirkung im Primärkreislauf, in dem der zu begrenzende Strom fließt, sehr groß.
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Jedoch erwärmt sich durch den im normalleitenden Kurzschlusselement fließenden Strom das System sehr stark. Neben dem normalleitenden Kurzschlusselement, welches auch Shunt, Bypass oder Nebenschluss genannt wird, wird auch der Supraleiter über seine Sprungtemperatur erwärmt. Es ergeben sich somit lange Rückkühlzeiten, bis die supraleitende Einrichtung wieder supraleitend wird. Eine schnelle Wiedereinschaltung nach Beendigung des Kurzschlussfalls ist damit nicht möglich.
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Zudem kommt es im Kurzschlussfall aufgrund der Erwärmung des normalleitenden Kurzschlusselements zum Verdampfen des Kühlmediums. Die entstehenden Blasen beeinflussen die Kühlung darüber oder daneben angeordneter supraleitender Bauteile negativ.
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Außerdem führt der schnelle Übergang vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand und umgekehrt zum Auftreten entsprechend steiler transienter Wiederkehrspannungen im Primärkreislauf.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Strombegrenzung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der in wirtschaftlicher Weise Beschädigungen der supraleitenden Einrichtung im Betrieb vermieden werden und gleichzeitig eine schnelle Wiedereinschaltung nach einem Kurzschlussfall gewährleistet wird.
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Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Die supraleitende Einrichtung, welche insbesondere aus Hochtemperatursupraleitern aufgebaut ist, umfasst einen ersten Abschnitt und mindestens einen zweiten Abschnitt, wobei der erste und der zweite Abschnitt elektrisch, insbesondere in Serie, miteinander verbunden sind. Die Abschnitte unterscheiden sich in mindestens einer supraleitenden Eigenschaft. Der zweite Abschnitt wird zudem durch ein normalleitendes Kurzschlusselement überbrückt, das insbesondere parallel zu diesem geschaltet ist. Das normalleitende Kurzschlusselement hat insbesondere einen kleinen Widerstand und besteht beispielsweise aus Stahl.
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Erfindungsgemäß wird somit nur ein Abschnitt der supraleitenden Einrichtung, der eine andere supraleitende Eigenschaft als der andere Abschnitt hat, durch das normalleitende Kurzschlusselement überbrückt. Eine Überbrückung der gesamten supraleitenden Einrichtung ist somit zwar denkbar, aber nicht zwingend erforderlich.
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Im Kurzschlussfall wird aufgrund der unterschiedlichen supraleitenden Eigenschaften beispielsweise zuerst der zweite Abschnitt normalleitend, so dass der Strom an dieser Stelle durch das normalleitende Kurzschlusselement und nicht durch den zweiten Abschnitt fließt. Im supraleitenden Kurzschlusselement, welches im Folgenden auch als Sekundärspule bezeichnet wird, fließt somit der Strom durch den ersten Abschnitt und das normalleitenden Kurzschlusselement. Da das normalleitende Kurzschlusselement beispielsweise einen vergleichsweise geringen elektrisch Widerstand aufweist und zudem eine starke magnetische Kopplung zwischen Primärspule und der supraleitenden Einrichtung besteht, ist der Strom in der supraleitenden Sekundärspule groß genug, um dem äußeren Feld der Primärspule so weit entgegenzuwirken, dass der Kern nicht in die magnetische Sättigung gerät. Auf diese Weise ist auch die Induktivität des Systems ausreichend groß, um den Strom im Primärkreislauf zu begrenzen. Zusätzlich kann jedoch der Strom in der supraleitenden Einrichtung klein genug sein, um insbesondere den ersten Abschnitt nicht zum Übergang in den normalleitenden Zustand zu bewegen.
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Der Wärmeeintrag ist somit vorzugsweise auf das normalleitende Kurzschlusselement begrenzt. Daher ist es möglich, beispielsweise den ersten Abschnitt auf einer Temperatur zu halten, die eine schnelle Rückkühlung in den supraleitenden Zustand ermöglicht.
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Zudem ist der Bereich der Blasenbildung aufgrund von einer teilweisen Verdampfung des Kühlmediums, beispielsweise flüssiger Stickstoff oder Helium, auf das normalleitende Kurzschlusselement beschränkt. Dadurch kann der supraleitende Abschnitt optimal gekühlt werden.
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Durch die Einteilung der supraleitenden Einrichtung in zwei verschiedene Abschnitte kommt es zu einem sanften Übergang des Systems vom supraleitenden Zustand in einen zumindest teilweise normalleitenden Zustand. Damit treten auch geringere Werte der transienten Wiederkehrspannungen im Primärkreislauf auf, die Spannungsspitzen werden dort also geringer.
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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. Zudem wird eine schnelle Rückkühlung des Systems gewährleistet.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen beschrieben.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der zweite Abschnitt kleiner als der erste Abschnitt. Der zweite Abschnitt ist somit beispielsweise als Störstelle zu verstehen, welche im ersten Abschnitt angeordnet ist. Auf diese Weise muss nur ein geringer Teil der supraleitenden Einrichtung durch das normalleitende Kurzschlusselement überbrückt werden. Die Wärmebildung im Kurzschlussfall wird somit auf einen kleinen Bereich beschränkt.
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Nach einer weiteren Ausführungsform ist die unterschiedliche supraleitende Eigenschaft die kritische Temperatur, das kritische Magnetfeld, die kritische Stromdichte und/oder die Stromtragfähigkeit. Eine unterschiedliche supraleitende Eigenschaft kann beispielsweise durch verschiedene Materialien, verschiedene Längen, Breiten oder Dicken der Abschnitte erreicht werden. Zudem können sich die Abschnitte beispielsweise in der Anzahl der die supraleitende Sekundärspule bildenden, koaxial und/oder axial zueinander angeordneten supraleitenden Ringbänder unterscheiden. Auch ist es denkbar, den einen Abschnitt aus einem massiven Supraleiter und den anderen Abschnitt aus zumindest einem Dünnschicht-Supraleitband auszubilden.
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Mit Hilfe der unterschiedlichen supraleitenden Eigenschaften kann somit gesteuert werden, welcher Abschnitt im Kurzschlussfall zuerst von einem supraleitenden Zustand in einen normalleitenden Zustand übergeht. Eine Störstelle oder Schwachstelle kann somit gezielt in die supraleitende Einrichtung eingebracht werden, wodurch festgelegt werden kann, an welcher Stelle das normalleitende Kurzschlusselement anzubringen ist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der zweite Abschnitt zumindest eine schlechtere supraleitende Eigenschaft als der erste Abschnitt auf. Insbesondere hat der zweite Abschnitt eine geringere Stromtragfähigkeit als der erste Abschnitt, was beispielsweise dadurch realisiert wird, dass er über weniger Ringbänder als der erste Abschnitt verfügt. Der zweite Abschnitt geht somit als erstes in den normalleitenden Zustand über und bildet somit gezielt eine Schwachstelle in der supraleitenden Einrichtung. Durch eine entsprechende Wahl der supraleitenden Eigenschaft des zweiten Abschnitts kann die Schwelle, ab der ein Kurzschlussfall eintritt, genau definiert und der Strom im Primärkreislauf effektiv begrenzt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform ist das normalleitende Kurzschlusselement derart ausgebildet, dass es im supraleitenden Zustand des zweiten Abschnitts einen höheren elektrischen Widerstand als der zweite Abschnitt hat. Für das Kurzschlusselement wird also ein Material mit einem derartigen spezifischen Widerstand gewählt, dass der Strom durch den zweiten Abschnitt fließt, wenn sich dieser in einem supraleitenden Zustand befindet. Im normalleitenden Zustand des zweiten Abschnitts kann das Kurzschlusselement hingegen einen niedrigeren elektrischen Widerstand als der zweite Abschnitt haben. In diesem Fall fließt der Strom also durch das Kurzschlusselement und nicht durch den zweiten Abschnitt. Der zweite Abschnitt wird somit überbrückt. Durch die Wahl des spezifischen Widerstandes des Kurzschlusselements kann somit auf einfache und automatische Weise eingestellt werden, dass der Strom im supraleitenden Zustand durch den zweiten Abschnitt fließt und bei einem Übergang vom supraleitenden Zustand in einen normalleitenden Zustand durch das normalleitende Kurzschlusselement geleitet wird.
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Nach einer weiteren Ausführungsform sind der erste und der zweite Abschnitt derart unterschiedlich ausgebildet, insbesondere durch unterschiedliche Materialien und/oder Querschnittsflächen, dass sich im normalleitenden Zustand des zweiten Abschnitts der erste Abschnitt in einem supraleitenden Zustand befindet. Im normalleitenden Zustand des zweiten Abschnitts fließt in der Sekundärspule ein hoher Abschirmstrom. Die Kernmagnetisierung wird dadurch auf einen Bereich reduziert, der nicht zur Kernsättigung führt. Somit wird eine hohe Induktivität des iSFCL gewährleistet. Die kritische Stromstärke des Supraleiters wird nur im zweiten Abschnitt erreicht. Der Strom wird an dieser Stelle insbesondere über das normalleitende Kurzschlusselement geführt. Der restliche Teil der supraleitenden Einrichtung, d. h. der erste Abschnitt, bleibt dabei nahezu ohne elektrischen Widerstand in seinem supraleitenden Zustand.
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Auf diese Weise wird der Strom im Primärkreislauf begrenzt. Dadurch, dass sich lediglich der zweite Abschnitt im normalleitenden Zustand befindet, ist die Heizleistung auf diesen vergleichsweise kurzen Abschnitt begrenzt. Somit kommt es lediglich zu einer geringen Wärmeeintragung in die Kühlflüssigkeit, sodass insbesondere gewährleistet ist, dass der erste Abschnitt im kalten supraleitenden Zustand gehalten werden kann. Aufgrund der damit verbundenen kürzeren Abkühlzeit ist eine schnelle Wiederverfügbarkeit des iSFCL gewährleistet. Auch eine eventuelle Blasenbildung im Kühlmedium wird auf diese Weise auf den zweiten Abschnitt begrenzt.
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Nach einer weiteren Ausführungsform ist der zweite Abschnitt zumindest teilweise durch mindestens ein weiteres normalleitendes Kurzschlusselement überbrückt. Das Kurzschlusselement ist beispielsweise parallel zum ersten Abschnitt geschaltet. Auf diese Weise wird insbesondere ein zusätzlicher Schutzmechanismus zur Verfügung gestellt. Findet nämlich z. B. aufgrund einer Fehlfunktion der Übergang vom supraleitenden Zustand in den normalleitenden Zustand zuerst im ersten Abschnitt und nicht, wie vorgesehen, im zweiten Abschnitt statt, wird durch dieses zusätzliche Kurzschlusselement der Supraleiter im ersten Abschnitt geschützt. Der spezifische Widerstand dieses Kurzschlusselements ist derart gewählt, dass er im supraleitenden Zustand des ersten Abschnitts größer ist als im ersten Abschnitt, im normalleitenden Zustand des ersten Abschnitts hingegen kleiner. Im normalleitenden Zustand des ersten Abschnitts fließt der Strom somit durch das normalleitende Kurzschlusselement, wodurch der erste Abschnitt überbrückt und vor etwaigen Beschädigungen geschützt ist. Das Kurzschlusselement des ersten Abschnitts ist mit dem Kurzschlusselement des zweiten Abschnitts insbesondere in Serie geschaltet. Vorzugsweise sind die Kurzschlusselemente als gemeinsames Bauteil ausgebildet, welches an Kontaktstellen, beispielsweise über Brücken, mit dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt, gegebenenfalls an mehreren Stellen, elektrisch verbunden ist.
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Nach einer weiteren Ausführungsform umfasst die supraleitende Einrichtung eine, insbesondere als einzelner Sekundärring ausgebildete, Sekundärspule. Diese ist mit der Primärspule induktiv gekoppelt. Bevorzugt wird der Sekundärring aus einem dünnen supraleitenden Bandleiter gebildet. Dieser ist beispielsweise als Schicht auf einem Trägerband aufgebracht. Um die Güte des Supraleiters zu erhöhen, werden z. B. mehrere kristallische Zwischenlagen als Puffer- und Substratschicht auf den Träger aufgebracht. Für einen iSFCL werden typischerweise mehrere supraleitende Sekundärringe benötigt, welche konzentrisch ineinander und axial übereinander angeordnet werden.
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In einer vorteilhaften und kostengünstigen Variante können auch massive, offene Supraleiterringe, beispielsweise BSCCO, ohne Trägermaterial anstelle der Bandleiter eingesetzt werden. An der Schwachstelle werden diese durch supraleitende Bandleiter geschlossen. Da im Kurzschlussfall erfindungsgemäß ein Teil der Sekundärspule gekühlt bleibt und sich somit im supraleitenden Zustand befindet, ist die Gefahr, einen massiven Supraleiterring aus sprödem Material durch Wärmeeintrag zu sprengen, minimiert. Die zu kühlende Schwachstelle nutzt hingegen die Stabilität des Trägers und kann aufgrund der geringen Dicke die eingebrachte Wärme in geeigneter Weise an das Kühlmittel abführen.
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Bevorzugt umfasst die Vorrichtung ein magnetisierbares Element, insbesondere einen magnetisierbaren Eisenkern, wobei insbesondere die Primärspule und die Sekundärspule jeweils wenigstens eine um das magnetisierbare Element herum verlaufende Windung aufweisen und über das magnetisierbare Element induktive miteinander gekoppelt sind. Das magnetisierbare Element kann hierbei als offener oder geschlossener Kern ausgebildet sein. Die Magnetisierbarkeit des offenen Kerns ist dabei durch die Permeabilität der Luft begrenzt, da die magnetischen Feldlinien über die Länge des Kerns in der Luft geschlossen werden müssen, wodurch die Erhöhung der Induktivität des iSFCL vergleichsweise klein ist. Zwar ist bei einem geschlossenen Kern die Magnetisierbarkeit und somit die Induktivitätsänderung vergleichsweise groß. Die hohen Stromstärken im Primärkreislauf führen jedoch zu einer Sättigung der Magnetisierung, wodurch zum einen das Strombegrenzungsvermögen reduziert wird und zum anderen ein nicht-sinusförmiger Stromverlauf im Primärkreislauf bedingt wird. Vorzugsweise werden daher Lücken im geschlossenen Kern eingebracht, wodurch die Magnetisierungskurve des Kerns so eingestellt werden kann, dass die Sättigung nicht oder zumindest nur kurzzeitig erreicht wird. Im Kurzschlussfall kann somit ein sinusförmiger Stromverlauf im Primärkreislauf gewährleistet werden, was die Netzqualität verbessert.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung ein kryostatisches Gefäß, in dem zumindest ein Teil der supraleitenden Einrichtung aufgenommen ist. Als Kühlmittel wird beispielsweise flüssiger Stickstoff, flüssiges oder gasförmiges Helium oder flüssiger oder gasförmiger Wasserstoff verwendet. Auf diese Weise kann die supraleitende Einrichtung unter die kritische Temperatur gekühlt und somit in einen supraleitenden Zustand versetzt werden. Das normalleitende Kurzschlusselement ist zumindest teilweise in einem Entlastungskanal aus insbesondere elektrisch nicht leitendem Material, beispielsweise Keramik oder Kunststoff, angeordnet. Der Entlastungskanal ist hierbei vertikal im kryostatischen Gefäß orientiert und zur Gasaufnahme ausgebildet. Die Blasen, welche beispielsweise im normalleitenden Zustand des zweiten Abschnitts am Kurzschlusselement gebildet werden, können somit durch einen Kamin, welcher in einem Schottungs-System im kryostatischen Gefäß angeordnet ist, beispielsweise nach oben aus dem System geleitet werden.
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Bevorzugt sind an beiden Enden des Kurzschlusselements Verlängerungen aus wärmeleitendem Material, beispielsweise Stahl, Kupfer oder Keramik, angebracht, welche als Kühlfahnen dienen und das Kurzschlusselement zusätzlich kühlen.
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Durch diese Maßnahmen können der Verlust an Kühlflüssigkeit durch Blasenbildung und ein nachfolgender Auswurf reduziert werden.
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Supraleiter, die über oder neben dem Kurzschlusselement angeordnet sind, werden durch die Blasen somit nicht negativ beeinflusst. Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt auf diese Weise ein geschlossenes Kühl-System, wobei der Bedarf für die Nachfüllung von Kühlflüssigkeit begrenzt ist.
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Die Vorrichtung kann insbesondere zur Strombegrenzung im Niederspannungs-, Mittelspannungs- und Hochspannungsbereich ausgebildet sein, wobei übliche Nennströme von bis zu ca. 5 kA sinnvoll sind. 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 vorteilhafter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
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1 eine Seitenansicht eines Bandleiters einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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2a und b je eine Draufsicht eines Ringbandes einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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3a und b eine Draufsicht und eine Seitenansicht mehrerer Ringbänder einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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4a und b eine geschnittene Draufsicht sowie eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem offenen Kern;
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5a und b eine geschnittene Draufsicht sowie eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem geschlossenen Kern;
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6 ein Ringband einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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7a und b eine Draufsicht sowie eine Seitenansicht einer supraleitenden Einrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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8a und b eine Draufsicht sowie eine Seitenansicht einer supraleitenden Einrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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9a und b eine Draufsicht sowie eine Seitenansicht einer supraleitenden Einrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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10a und b eine Draufsicht sowie eine Seitenansicht einer supraleitenden Einrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; und
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11 eine geschnittene Draufsicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Strombegrenzung gemäß einer weiteren Ausführungsform mit einem Entlastungskanal.
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1 zeigt einen supraleitenden Bandleiter 10, wie er in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Strombegrenzung zum Einsatz kommt. Der Bandleiter 10 besteht hierbei aus einem supraleitenden Material 12, z. B. YBCO, welches als dünne Schicht auf einen Träger 18 aufgetragen ist. Zwischen dem supraleitenden Material 12 und dem Träger 14 sind mehrere kristalline Zwischenlagen als Puffer- und Substratschicht 16 angeordnet. Auf der Oberseite wird das supraleitende Material 12 durch eine Schutzschicht, beispielsweise aus Gold, geschützt.
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In 2a sind zwei Bandleiter 10 gezeigt, die über eine Nahtstelle 19 zu einem Ringband 20 verbunden sind. Das Ringband 20 wird geschlossen, indem ein kreisförmiger Bandleiter 10 an seiner Nahtstelle 19 mit einem weiteren Bandleiter 10 versehen wird, welcher, insbesondere bei gleichem Aufbau, seitenverkehrt über die Nahtstelle 19 gelegt wird. Ein Verschließen der Nahtstelle 19 erfolgt dabei beispielsweise durch Verlöten und/oder mechanische Verpressung.
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In 2b wird das Ringband 20 durch vier Bandleiter gebildet, welche an vier Nahtstellen 19 miteinander verbunden werden. Die Bandleiter 10 sind jeweils seitenverkehrt und überlappend am benachbarten Bandleiter 10 angeordnet.
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3a zeigt eine Draufsicht zweier Ringbänder 20, welche konzentrisch ineinander liegen. Hierbei sind auch mehr als zwei Ringbänder 20 denkbar, welche unterschiedliche Radien aufweisen.
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3b zeigt eine Seitenansicht vier übereinander liegender Ringbänder 20. Auch in diesem Fall sind mehr als vier axial übereinander angeordnete Ringbänder 20 denkbar. Die konzentrisch ineinander und axial übereinander angeordneten Ringbänder 20 bilden als Sekundärringe 20 zusammen eine supraleitende Sekundärspule 21.
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In 4a ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Strombegrenzung in einer Stromleitung gezeigt. Die Ringbänder 20 sind hierbei in einem kryostatischen Gefäß 22 angeordnet, um darin mit Hilfe eines Kühlmittels, wie z. B. flüssigen Stickstoff oder Helium, unterhalb die Sprungtemperatur gekühlt und somit in einen supraleitenden Zustand versetzt zu werden. Die Ringbänder 20 sind hierbei konzentrisch um einen offenen Eisenkern 24 als magnetisches Element 24 angeordnet. Zudem werden sie von Windungen einer Primärspule 26 umgeben, durch welche ein zu begrenzender Strom geleitet wird. Die Ringbänder 20 sind somit mit der Primärspule 26 induktiv gekoppelt. Erfindungsgemäß weist die supraleitende Sekundärspule 21 eine Störstelle 28 auf. Die Störstelle 28 hat hierbei schlechtere supraleitende Eigenschaften als die restliche supraleitende Sekundärspule 21. Die Störstelle 28 wird durch ein normalleitendes Kurzschlusselement 30 überbrückt.
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4b zeigt eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß 4a, welche an der gestrichelten Linie A-A geschnitten wurde.
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Die in 5a und b gezeigte Vorrichtung entspricht im Wesentlichen der Ausführungsform gemäß 4a und b, wobei der Eisenkern 24 geschlossen ausgebildet ist. Die Magnetisierbarkeit ist somit sehr groß, was zu einer vergleichsweise großen Induktivitätsänderung führt. Vorzugsweise sind im magnetischen Eisenkern 24 Lücken eingebracht, wodurch die Magnetisierungskurve des Eisenkerns 24 so eingestellt werden kann, dass die Sättigung nicht oder nur kurzzeitig erreicht wird.
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Im supraleitenden Zustand verdrängt die supraleitende Sekundärspule 21 das Magnetfeld aus dem Eisenkern 24. Somit wird auch der gesamte Bereich des Eisenkerns 24, um den herum die Windungen der Primärspule 26 verlaufen, im Wesentlichen magnetfrei gehalten. Auf diese Weise wird eine geringe Impedanz des zu begrenzenden Primärkreislaufs erreicht. Der zu begrenzende Strom kann hierbei, beispielsweise im Vergleich zu einer Begrenzungsdrossel, mit vergleichsweise geringer Verlustleistung durch die Vorrichtung fließen.
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Überschreitet der Strom in der Primärspule 26 seinen vorgegebenen Maximalwert, bricht die Supraleitung an der Störstelle 28 zusammen, da diese schlechtere supraleitende Eigenschaften als die restliche Sekundärspule 21 besitzt. Aufgrund der Überbrückung der Störstelle 28 durch das normalleitende Kurzschlusselement 30 fließt der Strom nun durch dieses Kurzschlusselement 30. Die genaue Wirkungsweise und der Aufbau des Kurzschlusselements 30 werden im Zusammenhang mit 6 und 7a und b näher beschrieben.
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Die magnetische Abschirmung zwischen der Primärspule 26 und dem Eisenkern 24, die dem durch den Strom in der Primärspule 26 erzeugten Magnetfeld entgegenwirkt, bricht teilweise zusammen. Es erfolgt nur noch eine unvollständige Kompensation der durch die Primärspule 26 erzeugten Magnetfelder. Die Impedanz im Primärkreislauf erhöht sich somit, so dass der in der Primärspule 26 fließende Strom wirksam begrenzt wird. Da nur die Störstelle 28 in einen normalleitenden Zustand wechselt, kann die restliche Sekundärspule 21 in einem supraleitenden Zustand gehalten werden.
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6 zeigt ein Ringband 20, welches eine Störstelle 28 aufweist. Das Ringband 20 wird somit in einen ersten Abschnitt 32 und einen zweiten Abschnitt 28 unterteilt, welche unterschiedliche supraleitende Eigenschaften aufweisen. So ist beispielsweise die Stromtragfähigkeit des zweiten Abschnitts 28 schlechter als im ersten Abschnitt. Der zweite Abschnitt kann beispielsweise eine geringere Güte oder geringere Schichtdichte der Supraleiterschicht aufweisen. Auch kann das Ringband 20 an der Störstelle 28 eine geringere Breite als im ersten Abschnitt 32 aufweisen oder gar gänzlich an der Störstelle 28 unterbrochen sein.
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Dies ist beispielsweise im Ausführungsbeispiel der 7a und b denkbar. Die supraleitende Sekundärspule 21 könnte hier im zweiten Abschnitt 28 in einem oder mehreren, jedoch nicht in allen, der konzentrisch und axial angeordneten Ringbänder 20 eine Lücke aufweisen. Eine derartige Lücke ist nicht explizit dargestellt, da die Störstelle 28 auch auf eine andere Weise gebildet werden kann. Die Störstelle 28 wird durch das Kurzschlusselement 30 überbrückt, welches über Kontaktstellen 34 mit der supraleitenden Sekundärspule 21 elektrisch verbunden ist. Das Kurzschlusselement 30 ist somit parallel zur Störstelle 28 geschaltet. Zudem hat es einen geringen spezifischen Widerstandswert. Dieser ist derart gewählt, dass er im supraleitenden Zustand des zweiten Abschnitts 28 höher ist als im Material des zweiten Abschnitts 28 und im normalleitenden Zustand des zweiten Abschnitts 28 geringer. Im supraleitenden Zustand fließt somit der Strom quasi widerstandsfrei durch den ersten Abschnitt 32 und den dazu in Serie geschalteten zweiten Abschnitt 28. Im Kurzschlussfall wechselt lediglich der zweite Abschnitt 28 in einen nicht leitenden Zustand, sodass der Strom nun durch das Kurzschlusselement 30 und den ersten Abschnitt 32, welcher sich weiterhin in einem supraleitenden Zustand befindet, fließt.
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Im Ausführungsbeispiel gemäß 8a und b verfügt auch der erste Abschnitt 32 über ein normalleitendes Kurzschlusselement 30'. Das Kurzschlusselement 30' ist mit dem Kurzschlusselement 30 des zweiten Abschnitts 28 in Serie geschaltet und bildet mit diesem vorzugsweise ein gemeinsames Bauteil. Über Kontaktstellen 34 wird der zweite Abschnitt 28 bzw. der erste Abschnitt 32 überbrückt. Diese Ausführungsform bietet einen zusätzlichen Schutz für die supraleitende Sekundärspule 21. Denn bricht bei einem Überschreiten eines maximalen Stromwerts in der Primärspule 26 (4 und 5) der supraleitende Zustand aufgrund einer Fehlfunktion nicht zuerst an der Störstelle 28 zusammen, kann auch der erste Abschnitt 32 durch das Kurzschlusselement 30 beim Übergang in den normalleitenden Zustand überbrückt werden. Auf diese Weise kann auch bei Fehlfunktionen der Störstelle 28 die supraleitende Sekundärspule 21 vor Beschädigungen geschützt werden.
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Im Ausführungsbeispiel gemäß 9a und b ist die supraleitende Sekundärspule 21 durch mehrere Kontaktstellen 34 segmentiert, über welche die Ringbänder 20 mit dem Kurzschlusselement 30, 30' in Kontakt stehen. Die einzelnen Segmente sind jeweils über Kurzschlusselemente 30, 30' überbrückt. Bei einer Fehlfunktion der Störstelle 28 kann somit ein anderes Segment die Funktion der Störstelle 28 übernehmen, während die restlichen Segmente im supraleitenden Zustand verbleiben können.
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Das Kurzschlusselement 30' kann auch, wie in 10a und b gezeigt, eine oder mehrere Unterbrechungen 36 aufweisen. Eine Unterbrechung 36 eines Kurzschlusselements 30, 30' in einem Segment hat hierbei keinen Einfluss auf die Schutzfunktion der Kurzschlusselemente 30, 30' in den anderen Segmenten.
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11 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung gemäß 5a, welche zusätzlich über einen Entlastungskanal 38 verfügt. Der Entlastungskanal 38 ist im kryostatischen Gefäß 22 angeordnet. Innerhalb einer Schottung 40 durch hochwärmeleitfähige elektrische Isolatoren, wie beispielsweise AIN, verläuft vertikal ein Kamin 42 nach oben. Zudem sind an beiden Enden des Kurzschlusselements 30 Kühlfahnen 44 vorgesehen. Diese sind aus Materialien wie Cu, VA, AIN oder AIO gefertigt, welche im relevanten Temperaturbereich eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Beim Übergang vom supraleitenden Zustand des zweiten Abschnitts 28 in den normalleitenden Zustand, entstehen am Kurzschlusselement 30 aufgrund der Wärmeentwicklung und dem darauf folgenden Verdampfen des Kühlmediums im kryostatischen Gefäß 22 Blasen, die darüber oder daneben angeordnete Ringbänder 20 negativ beeinflussen. Durch den Entlastungskanal 38 werden diese Blasen nun aus dem Kühlmittel und dem kryostatischen Gefäß 22 befördert.
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Der Auswurf des Kühlmediums wird somit reduziert und die Kühlung der restlichen supraleitenden Ringbänder 20 weiter gewährleistet. Die Rückkühlzeit kann auch dadurch reduziert werden, dass die Menge an nachzufüllendem Kühlmittel gering gehalten werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Bandleiter
- 12
- supraleitendes Material
- 14
- Träger
- 16
- Puffer- und Substratschicht
- 18
- Schutzschicht
- 19
- Nahtstelle
- 20
- Ringband, Sekundärring
- 21
- supraleitende Sekundärspule
- 22
- kryostatisches Gefäß
- 24
- Eisenkern, magnetisches Element
- 26
- Primärspule
- 28
- Störstelle, zweiter Abschnitt
- 30, 30'
- Kurzschlusselement
- 32
- erster Abschnitt
- 34
- Kontaktstelle
- 36
- Unterbrechung
- 38
- Entlastungskanal
- 40
- Schottung
- 42
- Kamin
- 44
- Kühlfahne
