-
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Kurzschlussstrombegrenzung mittels Supraleiter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie ein Verfahren zur Kurzschlussstrombegrenzung mittels Supraleiter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 10.
-
Es ist allgemein bekannt, dass in elektrischen Netzen Kurzschlüsse auftreten können. Hierbei sind sowohl Schalter, als auch alle anderen im Netz installierten Betriebsmittel, wie Kabel und Transformatoren einer drastisch erhöhten Belastung ausgesetzt.
-
Um dieser Belastung bzw. etwaigen hieraus resultierenden Schaden entgegenzuwirken, werden insbesondere im Bereich der Energieerzeugung, Übertragung und Verteilung, also bei Mittel und Hochspannung, daher die Netze mit zusätzlichen Impedanzen versehen. Hierdurch wird erreicht, die auftretenden Kurzschlussströme in einem schadfreien Bereich zu halten. Zusätzliche Impedanzen führen jedoch auch im Normalbetrieb zu Leistungsverlusten, die direkt proportional zum Impedanzwert ist.
-
Um diesem Nachteil zu begegnen sind daher dynamische Begrenzer vorteilhaft, die im Kurzschlussfall eine hohe Impedanz und im Normalbetrieb eine niedrigere Impedanz aufweisen.
-
Ein derartiges Verhalten bieten supraleitende Kurzschlussstrombegrenzer, die den Kurzschlussstrom schnell und selbstständig, typischerweise auf einen Wert im Bereich vom 2–3 fachen des Nennstroms, begrenzen.
-
Nachteilig hierbei ist, dass die Supraleiter so schnell reagieren, dass ein Begrenzen auch bei transienten Überströmen, wie sie beispielsweise beim Einschalten von Transformatoren oder Motoren entstehen können, auftreten würde.
-
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Anordnung anzugeben, die die Nachteile der vorgenannten Lösungen überwinden.
-
Diese Aufgabe wird ausgehen von der Anordnung zur Kurzschlussstrombegrenzung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, durch dessen kennzeichnende Merkmale, sowie ausgehend von dem Verfahren zur Kurzschlussstrombegrenzung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 10, durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst.
-
Die erfindungsgemäße Anordnung zur Kurzschlussstrombegrenzung mittels eines Supraleiters ist derart ausgestaltet, dass generierte elektromagnetische Wellen derart geführt werden, dass sie über einen Großteil, insbesondere entlang der gesamten, Länge des Supraleiters einwirken.
-
„Großteil“ bezeichnet also einen optimalen, d.h. effektiv maximal möglichen, mindestens jedoch den erforderlichen, Anteil, des oberhalb der halbe Länge angestrebten, Wert.
-
Hierdurch wird erreicht, dass die Kurzschlussstrombegrenzung im Falle eines Kurzschlusses extern ausgelöst wird und nicht unmittelbar selbständig durch den Supraleiter. Dies lässt Freiheitsgrade zu, die es ermöglichen, kurzzeitige Stromspitzen, wie es transiente Überströme sind, ohne unmittelbar folgende Einwirkung des Begrenzers auf das Stromnetz aufkommen zu lassen, wobei dieser Freiheitsgrad dadurch erreicht wird, dass erst durch Einwirkung der elektromagnetische Welle ein Temperaturanstieg im Supraleiter induziert wird. Diese Welle wird durch geeignete Schaltungselemente generiert, die auf Stromänderungen mit der gewünschten Verzögerung eine zeitbegrenzte, insbesondere pulsförmige, elektromagnetische Welle erzeugen. Dabei weist die Erfindung den zusätzlichen Vorteil auf, dass auf im Wesentlichen der gesamten Länge des Supraleiters die Welle gleichmäßig induziert wird, was eine homogene Temperaturerhöhung des Supraleiters zur Folge hat, die wiederum den Vorteil hat, dass der Begrenzer u.a. kompakter und leistungsfähiger gestaltet werden kann.
-
Vorteilhaft ist es, wenn die Anordnung dabei derart weitergebildet wird, dass sie ein Mittel zur Führung der elektromagnetischen Welle entlang des Supraleiters umfasst, welches im Nahfeld, insbesondere parallel entlang des Großteils, insbesondere entlang der gesamten, der Länge, des Supraleiters angeordnet ist. Hierdurch wird vor allem die Kompaktheit des Aufbaus unterstützt. Außerdem ist hierdurch eine, insbesondere bzgl. der Homogenität der Einwirkung, modellierbare Realisierung gegeben.
-
Alternativ können diese Vorteile auch erzielt werden, wenn die Anordnung derart weitergebildet wird, dass Mittel zur Führung der elektromagnetischen Welle innerhalb des Supraleiters, insbesondere parallel entlang des Großteils, insbesondere entlang der gesamten, Länge, des Supraleiters angeordnet sind. Eine derartige Anordnung kann auch dann vorteilhaft sein, wenn eine Abschirmung der Mittel zur Führung gewünscht ist.
-
Alternativ kann es von Vorteil, also gewünscht, sein, den Supraleiter abzuschirmen, dann ist die Weiterbildung vorteilhaft gemäß der der Supraleiter innerhalb eines Mittels zur Führung von elektromagnetischen Wellen verlaufend angeordnet ist.
-
Ist das Führungsmittel als Mehrleitersystem, insbesondere koaxialer Leiterstrukturen, ausgestaltet, so hat dies den Vorteil, dass die Führung der Welle derart durchgeführt wird, dass sie als eine transversalelektromagnetische, so genannte „TEM“-, Welle ausgebildet wird, die über den Großteil, insbesondere über die gesamte, Länge wirkt.
-
Vorzugsweise sind zur Führung der elektromagnetischen Welle zumindest Teile der Anordnung als elektromagnetischer Wellenleiter, insbesondere dielektrischer Wellenleiter, ausgestaltet, wobei bei Ausführung als dielektrischer Wellenleiter der Vorteil resultiert, dass eine galvanische Trennung sowie die Tragfähigkeit sehr hoher elektromagnetischer Leistungen gegeben ist.
-
Alternativ bzw. ergänzend kann der Supraleiter gemäß einer Weiterbildung selbst als elektromagnetische Wellenleiter, insbesondere als Hohlkörper oder als zwei bandförmige mit ihrer Fläche entlang ihrer gesamten Länge parallel verlaufende Supraleiter, ausgestaltet sein. Hierdurch wird größere Kompaktheit möglich, wobei bandförmig parallel verlaufende Supraleiter den Vorteil haben, dass sie geeignet sind, gleichzeitig Strom und elektromagnetische Wellen zu führen und bei der Ausführung als Hohlleiter als Vorteil besonders hervorsticht, dass im inneren geführte Hohlleiterwellen unmittelbar (also beispielsweise weniger störanfällig und verlustbehaftet) auf die Hohlleiterwände, also den Supraleiter, einwirken.
-
Ist der elektromagnetische Wellenleiter gemäß einer weiteren Weiterbildung als Resonator ausgestaltet, kann eine Feldüberhöhung im Wellenleiter erreicht werden und die Wechselwirkung des elektromagnetischen Feldes mit dem Supraleiter deutlich erhöht werden.
-
Bei einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist der Supraleiter eine Beschichtung auf, die derart ausgestaltet ist, dass sie auf einen durch die Wellen verursachten Energieeintrag in den Supraleiter einwirkt. Hierdurch kann ein Widerstand einer endlich leitfähigen Schicht derart optimiert erzeugt werden, dass ein weiterer Freiheitsgrad zur Optimierung eines Energieeintrags in Form von thermischer Leistung in den Supraleiter ermöglicht wird.
-
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Kurzschlussstrombegrenzung mittels eines Supraleiters werden generierte elektromagnetische Wellen derart geführt, dass sie über den Großteil, insbesondere über die gesamte, Länge einwirken.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren legt durch seine Merkmale die Grundlage zur Entfaltung der Vorteile durch die erfindungsgemäße Anordnung und deren Weiterbildungen.
-
Wird das Verfahren derart weitergebildet, dass für eine Einkopplung der elektromagnetischen Wellen mindestens eine Einkoppelstelle entlang der Anordnung verwendet wird, so kann die in den Supraleiter über das mittels der elektromagnetischen Wellen gegebene Feld eingebrachte Leistung räumlich optimiert auf dem Supraleiter aufgeteilt werden wird. Dieser Vorteil erhöht sich mit der Anzahl der Einkoppelstellen, wobei eine höhere Anzahl auch eine bessere räumliche Steuerung der Einwirkung ermöglicht.
-
Gleiches gilt, wenn alternativ oder ergänzend das Verfahren derart weitergebildet wird, dass die Einkopplung der elektromagnetischen Welle bei unterschiedlichen Frequenzen erfolgt.
-
Bei einer weiteren Weiterbildung wird eine Überwachung der Anordnung derart durchgeführt, dass an Messpunkten, insbesondere an Einkoppelstellen, Hochfrequenzeigenschaften gemessen werden. Hierdurch wird es möglich, den Zustand des Supraleiters zu überwachen, zu erfassen und auszuwerten sowie das Fortschreiten des Quenchvorganges, also den Übergang von supraleitendem Zustand zum normalleitenden Zustand des Supraleiters und umgekehrt zu messen.
-
Bei einer weiteren Weiterbildung wird die Führung der elektromagnetischen Welle derart durchgeführt, dass die Welle in Form einer Transversalelektromagnetischen, einer so genannten „TEM“-, Welle gebildet wird.
-
Nachfolgend werden die Erfindung und weitere Vorteile anhand von den in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei zeigt die
-
1 eine vereinfachte Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung als Anordnung eines dielektrischen Wellenleiters im Nahfeld des Supraleiters der Kurzschlussstrombegrenzung,
-
2 eine vereinfachte Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung als Ausgestaltung des Supraleiters als ein Paar von sich gegenüber stehenden Bandsupraleitern.,
-
3 eine vereinfachte Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung als Ausgestaltung des Supraleiters der Kurzschlussstrombegrenzung als Hohlleiter (Querschnitt)
-
In der 1 ist eine vereinfachte Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung dargestellt, die lediglich das erfindungsgemäße Prinzip dieser Ausgestaltungsvariante deutlich macht, die darin gegeben ist, dass der Supraleiter SUPRALEITER_1 in seinem Nahfeld also unmittelbar angrenzend einen dielektrischen Wellenleiter DIELEKTRISCHER_WELLENLEITER aufweist, der im wesentlichen entlang der gesamten Länge des Supraleiters parallel verläuft.
-
Hierdurch kann durch eine durch den Leiter verlaufende elektromagnetische Welle mittels eines hierdurch gegebenen elektromagnetischen Feldes auf den Supraleiter SUPRALEITER_1 homogen einwirken.
-
Durch die Erfindung werden die Vorteile eines auf einem Supraleiter basierenden Kurzschlusstrombegrenzers, wie sie seit kurzem verfügbar sind, unterstützt und erweitert, die zum Beispiel darin liegen, dass sie den Kurzschlussstrom selbsttätig und schnell auf Werte typischerweise im Bereich des 2–3-fachen Nennstroms begrenzen.
-
Die Funktion dieser Begrenzer beruht dabei auf dem durch das Überschreiten eines charakteristischen kritischen Stromes ausgelösten Übergang vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand (Quenchvorgang) und dem damit verbundenen starken Widerstandsanstieg.
-
Die Erfindung und somit auch das dargestellte Ausführungsbeispiel überwinden den Nachteil der aus dem Stand der Technik bekannten Supraleiterkurzschlussstrombegrenzer. Diese Begrenzer sind nämlich relativ groß und aufwändig realisiert. Zudem lösen sie automatisch aus, auch wenn der Strom nur kurzzeitig eine bestimmte Schwelle überschreitet.
-
Dem Vorteil des selbsttätigen Auslösens stünde ohne die Erfindung der Nachteil gegenüber, dass der Begrenzer im Falle von transienten Überströmen, wie sie typischerweise beim Einschalten von großen Transformatoren oder Motoren entstehen können, nicht auslösen darf und deshalb, wenn sie für diese Fälle ausgelegt werden, größer und teurer ausgestaltet werden müssen und die Begrenzungswirkung geringer wird.
-
Das dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt dabei die Lösung für dieses Problem, die allen Ausgestaltungen der Erfindung gemein ist, nämlich das externe Auslösen des Übergangs von der Supraleitung in die Normalleitung, wodurch man eine höhere Toleranz gegen Überströme erreicht sowie einen kompakteren Aufbau des Begrenzers und eine Verbesserung der Begrenzungswirkung also einen niedrigeren begrenzten Strom realisiert.
-
Das extern gesteuerte Auslösen erfolgt gemäß Erfindung und dargestelltem Ausführungsbeispiel durch ein elektromagnetisches Feld ELETKRISCHES_FELD_1, das durch die senkrecht zum Supraleiter SUPRALEITER_1 verlaufenden Pfeile dargestellt ist.
-
Das Auslösen kann z.B. dadurch geschehen, dass der Supraleiter durch einen Puls von elektromagnetischen Wellen innerhalb kurzer Zeit, in der Regel im Bereich weniger ms, von der Betriebstemperatur, die typischer Weise 70–77 K beträgt, auf die „kritische“ (den Quenchvorgang kennzeichnende, Temperatur, die typischer Weise bei 90 K liegt, erwärmt wird.
-
Im Gegensatz zur einer punktuellen Erwärmung des Supraleiters SUPRALEITER_1 durch eine Spule in der Nähe des Supraleiters, erzeugt ein erfindungsgemäßer supraleitender Strombegrenzer durch die Verwendung eines dielektrischen Wellenleiters DIELEKTRISCHER_WELLENLEITER entlang des Supraleiters SUPRALEITER_1 eine gleichmäßig verteilte Erwärmung und erlaubt u.a. eine weitaus genauere Steuerung und Optimierung des Vorgangs.
-
In 2 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, welche insbesondere in Netzen, die für eine Mittelspannung ausgelegt sind, zur Anwendung kommt. Solche Netze enthalten supraleitende Kurzschlussstrombegrenzer, die als bandförmiqe Supraleiter SUPRALEITER_2 ausgestaltet sind, mit einer Länge zwischen 300 und 3000 m.
-
Nutzt man dieses Anordnung, wie bei dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel gezeigt, derart, dass man elektromagnetische Wellen ELETKRISCHES_FELD_2 einkoppelt, entsteht wiederum ein gleichmäßig über die gesamte Länge der Supraleiteranordnung SUPRALEITER_2 wirkendes elektromagnetisches Feld ELETKRISCHES_FELD_2 (in der 2 ebenfalls mit Pfeilen angedeutet).
-
Dies hat im Vergleich zu der grundsätzlich ebenfalls möglichen Anordnung von einer oder auch mehreren RF-Spule(n), die punktuell auf die Supraleiteranordnung SUPRALEITER_2 wirken würden, den Vorteil, dass der Energieeintrag homogen und gleichförmig auf die Supraleiter SUPRALEITER_2 erfolgt und nicht nur auf einen relativ kleinen Teil des Supraleiters übertragen wird, wie mit den Spulen.
-
Weitere Vorteile der Erfindung und des Ausführungsbeispiels liegen also darin den Supraleiter SUPRALEITER_2 möglichst homogen über die gesamte Lange mithilfe eines RF-Pulses aufzuwärmen. Zugleich ist ein damit realisierbarer supraleitender Strombegrenzer kompakter und leistungsfähiger und vereinfacht das Abschalten hoher Leistungen bei Kurzschlüssen deutlich. Speziell bei in den in Zukunft zu erwartenden Hochspannungs-Gleichstromnetzen (HVDC) wäre eine effiziente Kurzschlussstrombegrenzung erfindungsgemäß vorteilhaft realisierbar, da konventionelle Leistungsschalter den Strom nur in einem Stromnulldurchgang abschalten können und deshalb in DC-Schaltern mit großem schaltungstechnischem Aufwand künstlich ein Stromnulldurchgang erzeugt werden muss und sich dieser Aufwand beträchtlich verringert, wenn der abzuschaltende Strom durch einen vorgeschalteten erfindungsgemäßen Strombegrenzer effektiv reduziert werden kann.
-
In der 3 ist schließlich ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem der Supraleiter SUPRALEITER_3 als Hohlkörper ausgestaltet ist. Im vorliegenden Fall als Rohr. Zu erkennen ist, wie sich in diesem Fall das elektromagnetische Feld ELEKTISCHES_FELD_3 im Querschnitt dargestellt ausbildet (Pfeile). Dieses elektromagnetische Feld ELEKTRISCHES_FELD_3 verläuft wie bei den anderen Ausführungen in dieser Art auf der gesamten Länge des rohrförmigen Supraleiters SUPRALEITER_3 mit den genannten Vorteilen.
