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Die Erfindung betrifft eine elektrische Spuleneinrichtung mit einer Drosselspule zur induktiv-resistiven Strombegrenzung und mit einer supraleitenden Kompensationsspule. Weiterhin betrifft die Erfindung eine induktiv-resistive Strombegrenzereinrichtung mit einer solchen elektrischen Spuleneinrichtung.
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Drosselspulen stellen induktive Wechselstromwiderstände dar, die oft zur Begrenzung von Kurzschlussströmen sowie zur Reduzierung hochfrequenter Stromanteile auf elektrischen Leitungen eingesetzt werden. Sie weisen meist einen geringen Gleichstromwiderstand auf, so dass die Gleichstromverluste hierbei gering gehalten werden können. In Wechselstromnetzen können Drosselspulen auch in Serie mit einem Verbraucher geschaltet werden, um als Vorwiderstand zu wirken und so die an dem Verbraucher anliegende Wechselspannung zu reduzieren.
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In Wechselspannungs-Mittelspannungsnetzen werden typischerweise Drosselspulen mit Wicklungen aus normalleitenden Materialien wie Kupfer oder Aluminium zur Strombegrenzung oder zur Glättung der Stromverläufe eingesetzt. Der Einsatz solcher Drosselspulen reduziert die Netzstabilität, was im Zuge der Energiewende, insbesondere bei der Einspeisung von elektrischer Energie durch eine Vielzahl von dezentralen Energieeinspeiser von immer größerer Bedeutung ist. Um die Stabilität von elektrischen Wechselspannungsnetzen zu erhöhen, ist es besonders wünschenswert, dass im Normalbetrieb die Induktivität der Drosselspule klein ist, dass sie jedoch im Störfall oder Strombegrenzungsfall schnell einen hohen Wert annimmt.
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Eine Möglichkeit, eine Drosselspule mit stark variabler Induktivität zur Verfügung zu stellen, ist durch das im Stand der Technik bekannte Konzept der sogenannten Erdschlusslöschspule gegeben. Bei solchen Erdschlusslöschspulen kann ein verfahrbarer eisenhaltiger Kern, ein sogenannter Tauchkern, in das Spulenzentrum eingebracht oder wieder daraus entfernt werden. Auf diese Weise kann die Induktivität der Drossel variiert werden, jedoch erfordert diese Variation durch die mechanische Bewegung erstens eine aktive Steuerungsmöglichkeit und zweitens eine relativ lange Zeitskala für die Änderung und ist daher für eine betriebszustandsabhängige Kurzschlussstrombegrenzung praktisch unbrauchbar. Ein weiterer Nachteil dieser Lösung ist, dass auch im herausgefahrenen Zustand des Tauchkerns der Innenraum der Drosselspule nicht magnetfeldfrei ist. Somit sind auch in diesem Zustand die Induktivität und somit die Impedanz der Drosselspule größer als bei einer Spule mit einem im Wesentlichen magnetfeldfreien Innenraum.
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In der
DE 10 2010 007 087 A1 ist eine Vorrichtung zur Strombegrenzung mit einer veränderbaren Spulenimpedanz beschrieben. Bei dem dort beschriebenen Strombegrenzer wird durch den Einsatz einer supraleitenden Spule im Innern einer Drosselspule die Induktivität und damit die Impedanz der Drosselspule signifikant reduziert. Dies geschieht durch Ströme, die in der supraleitenden Spule induziert werden und die das Magnetfeld der Drosselspule im Normalbetrieb kompensieren. Bei Überschreiten eines bestimmten Stromwertes geht der Supraleiter in den normalleitenden Zustand über und vergrößert die Induktivität, wodurch der Strom begrenzt wird. Nach dem Abschalten des zu hohen Stroms geht der Supraleiter nach kurzer Zeit wieder selbstständig in den supraleitenden Zustand zurück und der Normalbetrieb kann wieder aufgenommen werden.
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Nachteilig bei einem solchen Aufbau ist allerdings, dass dabei der Zwischenraum zwischen Drosselspule und supraleitender Spule nicht beliebig klein gehalten werden kann, da in diesem Zwischenraum im Allgemeinen die Wand eines Kryostaten angeordnet werden muss, um die supraleitende Spule ausreichend zu kühlen und gegen die warme Umgebung zu isolieren. Im Bereich dieses Zwischenraums kann daher die supraleitende Kompensationsspule die magnetische Feldstärke der Drosselspule noch nicht wirksam kompensieren, und die Induktivität der Drosselspule wird nach unten hin durch den Einfluss der magnetischen Feldstärke in diesem Zwischenraum limitiert.
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Eine andere bekannte Lösung ist die Parallelschaltung einer Drosselspule und eines resistiven supraleitenden Strombegrenzers, wie er beispielsweise in der
WO 2008006689 A1 beschrieben ist. Im Normalbetrieb ist hier der Strombegrenzer supraleitend und hat damit nur einen vernachlässigbaren Widerstand. Der Gleichstromwiderstand wird nur durch die wenigen normalleitenden Komponenten im Strombegrenzer bestimmt, und der Wechselstromwiderstand wird durch eine bifilar gewickelte Leiteranordnung ebenfalls sehr gering gehalten. Durch den geringen Widerstand des Strombegrenzers und die Parallelschaltung mit der Drosselspule ist diese daher im Normalbetrieb im Wesentlichen kurzgeschlossen und wirkt somit für das äußere Stromnetz nicht als Widerstand. Im Kurzschlussfall steigt der Widerstand des resistiven Strombegrenzers dann stark an, und der Strom kommutiert in die Drosselspule, welche dann zur weiteren Begrenzung des Stroms bis zum Abschalten durch einen äußeren Schalter dient. Ein Nachteil dieser Lösung liegt vor allem in dem hohen apparativen Aufwand, der für die Bereitstellung dieser beiden parallel geschalteten Komponenten benötigt wird.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine elektrische Spuleneinrichtung zur induktiv-resistiven Strombegrenzung anzugeben, welche die genannten Nachteile vermeidet. Insbesondere soll im Normalbetrieb eine möglichst niedrige Induktivität der Drosselspule erreicht werden, wodurch ein Betrieb ohne einen zusätzlichen parallelgeschalteten supraleitenden Strombegrenzer ermöglicht werden kann. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine induktiv-resistive Strombegrenzereinrichtung mit einer solchen Spuleneinrichtung anzugeben.
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Diese Aufgaben werden durch eine elektrische Spuleneinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine Strombegrenzereinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst.
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Die erfindungsgemäße Spuleneinrichtung weist eine Drosselspule und eine supraleitende Kompensationsspule auf, wobei die Kompensationsspule die Drosselspule radial umgibt. Im Unterschied zum Stand der Technik nach
DE 10 2010 007 087 A1 ist hier also nicht die Kompensationsspule innerhalb der Drosselspule angeordnet, sondern die Drosselspule innerhalb der Kompensationsspule. Ein wesentlicher Vorteil dieser erfindungsgemäßen Anordnung ist, dass der Betrag der magnetischen Feldstärke im Bereich zwischen Drosselspule und Kompensationsspule reduziert ist. Bei gegebenem radialem Abstand ist die durch diesen Beitrag der Feldstärke bedingte Induktivität der Spule ebenfalls niedriger, und es kann somit ein größerer Faktor zwischen der Induktivität der Spuleneinrichtung im normalleitenden Zustand der Kompensationsspule und der Induktivität im supraleitenden Zustand der Kompensationsspule erreicht werden.
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Die erfindungsgemäße induktive Strombegrenzereinrichtung weist eine erfindungsgemäße elektrische Spuleneinrichtung auf. Zusätzlich zu den beschriebenen Merkmalen weist eine solche Strombegrenzereinrichtung elektrische Kontakte zur Einbindung der Drosselspule in einen äußeren Stromkreis auf. Dieser äußere Stromkreis kann beispielsweise ein Wechselstromnetz, insbesondere ein Wechselstrom-Mittelspannungs-Netz sein. Die Vorteile einer solchen induktiven Strombegrenzung gegenüber dem Stand der Technik ergeben sich analog zu den beschriebenen Vorteilen der erfindungsgemäßen Spuleneinrichtung. Insbesondere kann eine solche Strombegrenzereinrichtung ohne eine zusätzliche, der erfindungsgemäßen Spuleneinrichtung parallelgeschaltete resistive supraleitende Strombegrenzereinrichtung ausgestaltet sein.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen sowie der folgenden Beschreibung hervor. Dabei können die beschriebenen Ausgestaltungen der Spuleneinrichtung und der Strombegrenzereinrichtung allgemein vorteilhaft miteinander kombiniert werden.
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So können die Drosselspule und die Kompensationsspule vorteilhaft eine gemeinsame zentrale Achse aufweisen. Eine solche koaxiale Anordnung ist besonders zweckmäßig, um eine möglichst weitgehende Kompensation des insgesamt vorliegenden Magnetfeldes im Inneren und Äußeren der Drosselspule zu erreichen und somit die Gesamt-Induktivität zu minimieren. Die zentrale Achse kann dabei zweckmäßig eine Symmetrieachse der Drosselspule und/oder der Kompensationsspule sein. Dabei kann beispielsweise eine Rotationssymmetrie von Drosselspule und/oder Kompensationsspule vorliegen, es kann sich aber auch um eine niedrigere Art der Symmetrie, beispielsweise eine zwei- oder vielzählige Rotationssymmetrie handeln. Besonders vorteilhaft weisen Drosselspule und Kompensationsspule die gleichen Symmetrieeigenschaften auf. Durch eine solche ähnliche Form kann der radiale Abstand zwischen Drosselspule und Kompensationsspule vorteilhaft besonders klein gehalten werden, insbesondere kann ein einheitlicher radialer Abstand vorliegen.
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Die Drosselspule und/oder die Kompensationsspule können jeweils die Form eines geraden Zylinders aufweisen. Unter einem geraden Zylinder soll hier nach der allgemeinen geometrischen Definition ein Körper verstanden werden, der durch Verschiebung einer ebenen Grundfläche entlang einer zu ihr senkrecht stehenden Gerade entsteht. Die Form ist also nicht auf Zylinder mit kreisförmiger Grundfläche beschränkt. Alternativ können beispielsweise auch ovale, eiförmige oder rechteckige Grundflächen vorliegen. Es können auch andere als rechteckige Polygonzüge zur Definition der Grundfläche dienen, wobei die Ecken der Polygone sowohl spitz als auch abgerundet sein können.
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Die Kompensationsspule kann vorteilhaft ein hochtemperatursupraleitendes Material aufweisen. Hochtemperatursupraleiter (HTS) sind supraleitende Materialien mit einer Sprungtemperatur oberhalb von 25 K und bei einigen Materialklassen, beispielsweise den Cuprat-Supraleitern, oberhalb von 77 K, bei denen die Betriebstemperatur durch Kühlung mit anderen kryogenen Materialien als flüssigem Helium erreicht werden kann. HTS-Materialien sind auch deshalb besonders attraktiv, da diese Materialien abhängig von der Wahl der Betriebstemperatur hohe obere kritische Magnetfelder sowie hohe kritische Stromdichten aufweisen können. Die hochtemperatursupraleitende Schicht kann beispielsweise Magnesiumdiborid oder einen oxidkeramischen Supraleiter, beispielsweise eine Verbindung des Typs REBa2Cu3Ox (kurz REBCO) aufweisen, wobei RE für ein Element der seltenen Erden oder eine Mischung solcher Elemente steht. Zur Abscheidungen von Schichten mit REBCO-Verbindungen eignen sich besonders metallische Substrate, da für eine hohe Qualität dieser supraleitenden Schichten eine vorstrukturierte Substratoberfläche vorteilhaft ist, die gegebenenfalls auch mit einer oder mehreren Zwischenschichten als Wachstumsunterlage versehen sein kann. Alternativ zu den genannten Materialien können aber auch metallische Supraleiter in der Kompensationsspule zum Einsatz kommen.
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Die Kompensationsspule kann vorteilhaft wenigstens ein ringförmig kurzgeschlossenes Leiterelement umfassen. Darin können durch das sich ändernde Magnetfeld der Drosselspule in der umgebenden Kompensationsspule Ringströme induziert werden, die ihrerseits das Magnetfeld der Drosselspule kompensieren. Auf diese Weise wird im Inneren des wenigstens einen ringförmigen Leiterelements der Betrag der magnetischen Feldstärke reduziert, was die Induktivität und somit auch die Impedanz der Drosselspule gegenüber einer nicht derart feldkompensierten Anordnung deutlich reduziert.
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Die Kompensationsspule kann auch mehrere axial benachbarte ringförmig kurzgeschlossene Leiterelemente aufweisen. Durch eine solche Mehrzahl von Leiterelementen kann allgemein erreicht werden, dass auch bei einer begrenzten Leiterbreite eine vorgegebene axiale Länge der Kompensationsspule abgedeckt werden kann, die größer als die Leiterbreite sein kann.
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Die einzelnen ringförmigen Leiterelemente können dann elektrisch gegeneinander isoliert sein, sie können jedoch alternativ auch elektrisch verbunden sein. Die ringförmigen Leiterelemente können in axialer Richtung überlappend angeordnet sein, damit keine axialen Lücken in dem Leitermaterial der Kompensationsspule vorliegen.
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Die Kompensationsspule kann ein supraleitendes Leitermaterial aufweisen, welches über ein supraleitendes oder normalleitendes Verbindungsstück elektrisch ringförmig kurzgeschlossen ist. Mit anderen Worten kann das ringförmig kurzgeschlossene Leiterelement durch nachträgliches Verbinden der beiden Enden eines supraleitenden Leiters hergestellt sein. Hierbei können jeweils einzelne Windungen als einfache Ringe in sich kurzgeschlossen sein, oder es kann eine Wicklung aus mehreren Windungen vorliegen, wobei die Enden miteinander kurzgeschlossen sind. Dabei kann es sich beispielsweise um eine helixförmige Wicklung oder um eine planare Wicklung handeln. Der nachträgliche Kontakt kann beispielsweise durch Verlöten der Enden mit einem normalleitenden und/oder einem supraleitenden Material geschaffen worden sein. So können kommerziell erhältliche Leitermaterialien, beispielsweise supraleitende Bandleiter auf einem metallischen Substrat, auf einfache Weise verwendet werden.
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Alternativ kann die Kompensationsspule eine ringförmig geschlossene supraleitende Schicht aufweisen. Unter einer ringförmig geschlossenen supraleitenden Schicht soll hierbei eine durchgehend supraleitende Schicht verstanden werden, die durch einheitliches supraleitendes Material in sich ringförmig geschlossen ist. Es sollen also keine zusätzlichen elektrischen Kontakte vorliegen, bei denen das supraleitende Material beispielsweise durch normalleitende Materialien elektrisch verbunden wird. Stattdessen wird eine ringförmige supraleitende Leiterschleife bereits durch die Abscheidung der supraleitenden Schicht erzeugt. In dem so erzeugten wenigstens einen ringförmigen und über diesen Ring durchgehend supraleitenden Leiter können so durch das sich ändernde Magnetfeld der Drosselspule Ringströme induziert werden, die ihrerseits das Magnetfeld der Drosselspule kompensieren, ohne dass dabei Ohmsche Verluste entstehen.
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Eine solche durchgehend supraleitende Schicht kann vorteilhaft auf einer Mantelfläche eines hohlzylindrischen Tragkörpers angeordnet sein. Beispielsweise kann ein solcher Tragkörper auf seiner inneren Mantelfläche mit der supraleitenden Schicht versehen sein, um einen radialen Abstand zwischen der supraleitenden Schicht und der Drosselspule möglichst gering zu halten und um eine zusätzliche Induktion im Material des Tragkörpers zu vermeiden. Alternativ kann aber auch eine äußere Mantelfläche des Tragkörpers die supraleitende Schicht tragen. Dabei kann es sich beispielsweise um eine Wand eines Kryostaten handeln, der zur thermischen Isolation der supraleitenden Schicht zur wärmeren Umgebung dient. Zweckmäßig weist der Tragkörper dann elektrisch möglichst gering leitende Materialien auf.
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Unabhängig davon, ob die Kompensationsspule nur ein ringförmiges Leiterelement oder mehrere ringförmige Leiterelemente aufweist, kann jedes dieser Leiterelemente eine axiale Ausdehnung von wenigstens 1 mm, insbesondere wenigstens 10 mm aufweisen. Die Breite der Leiterelemente (senkrecht zu ihrer Ringebene) kann somit am oberen Ende dieses Bereichs deutlich größer sein als dies beispielsweise durch ein ringförmiges Kurzschließen kommerziell erhältlicher supraleitender Bandleiter erreicht werden kann. Solche breiten Leiterelemente können insbesondere durch direktes Abscheiden einer ringförmigen supraleitenden Schicht auf einen zylindrischen Tragkörper erhalten werden.
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Die Drosselspule kann vorteilhaft in ihrem Inneren frei von einem weichmagnetischen Kern sein. Bei der Ausführung der Spuleneinrichtung mit einer äußeren Kompensationsspule kann die Drosselspule so dimensioniert werden, dass im Kurzschlussfall auch ohne zusätzlichen weichmagnetischen Kern eine relativ hohe Induktivität erreicht werden kann. Im Normalbetrieb, also bei einem supraleitenden Zustand der Kompensationsspule ist die Induktivität durch die Wirkung der Kompensationsspule trotzdem so niedrig, dass ein ausreichender Hub gewährleistet werden kann. Unter diesem Hub soll hier das Verhältnis der Induktivität der Spuleneinrichtung im normalleitenden Zustand der Kompensationswicklung zur Induktivität im supraleitenden Zustand der Kompensationswicklung verstanden werden. Allgemein liegt dieser Hub vorteilhaft bei wenigstens 4, unabhängig davon, ob die Drosselspule in ihrem Inneren einen zusätzlichen weichmagnetischen Kern aufweist oder nicht.
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Alternativ zu der vorab beschriebenen Ausführungsform kann die Spuleneinrichtung im Inneren der Drosselspule einen weichmagnetischen Kern aufweisen, um insbesondere im normalleitenden Zustand der Kompensationsspule eine höhere Induktivität der Spuleneinrichtung zu erreichen. Im supraleitenden Zustand der Kompensationsspule ist das Magnetfeld im Bereich dieses radial innenliegenden Kerns so weit kompensiert, dass die Induktivität in diesem Zustand trotz des Kerns gering gehalten wird und auch bei dieser Ausführungsform ein großer Hub von beispielsweise wenigstens 4 erreicht werden kann.
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Die axiale Ausdehnung der Drosselspule kann vorteilhaft geringer sein als ihr Durchmesser, beispielsweise bei dem etwa 0,9fachen des mittleren Durchmessers Hierbei soll auch für nicht kreisförmige Spulengeometrien unter dem Durchmesser allgemein die maximale volle radiale Ausdehnung verstanden werden. Bei derartigen kurzen Spulen sind die sogenannten End-Effekte relativ stark ausgeprägt: Die Feldverteilung im Inneren der Drosselspule ist dann nicht mehr annähernd homogen, sondern der Betrag der magnetischen Feldstärke steigt ausgehend von der Mitte radial nach außen an und fällt axial nach außen ab. Beispielsweise kann die Drosselspule eine axiale Länge von höchstens 1,5 m aufweisen. Der Durchmesser kann beispielsweise bei wenigstens 1,0 m liegen.
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Bei einer derartigen Geometrie einer kurzen Spule ist der Beitrag der an die Drosselspule radial angrenzenden Bereiche zur Induktivität der Spuleneinrichtung besonders groß, da hier die betragsmäßig größten magnetischen Feldstärken auftreten. Vor allem der radial direkt innen an die Drosselspule angrenzende Bereich trägt überproportional stark zur Induktivität bei. In diesem Bereich ist aber eine radial innen angeordnete Kompensationsspule nicht für die Reduktion der magnetischen Feldstärke wirksam, da aufgrund der Anforderungen an die Kühlung des supraleitenden Leiterelements typischerweise ein Mindestabstand zwischen Kompensationsspule und Drosselspule eingehalten werden muss. Insbesondere durch die Vorgabe eines solchen Mindestabstandes ist dann eine Anordnung der Kompensationsspule radial außerhalb der Drosselspule günstiger, um einen großen Hub für die Induktivität zu erreichen.
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Vorteilhaft ist die axiale Ausdehnung der Kompensationsspule gleich oder größer als die axiale Ausdehnung der Drosselspule. Bei einer solchen Konfiguration kann die magnetische Feldstärke auch in den axialen Endbereichen der Drosselspule durch die Kompensationsspule wirksam kompensiert werden. Dies ist insbesondere bei den beschriebenen kurzen Drosselspulen wichtig.
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Allgemein kann der radiale Abstand zwischen Drosselspule und Kompensationsspule bei wenigstens 20 mm, insbesondere wenigstens 40 mm liegen. Ein solcher Mindestabstand kann beispielsweise durch die Anforderungen an eine thermische Isolation der supraleitenden Kompensationsspule gegen die wärmere Drosselspule gegeben sein. Beispielsweise kann die Kompensationsspule in einem Kryostaten angeordnet sein und durch diesen gegen die wärmere Umgebung thermisch isoliert sein. Eine Untergrenze für den radialen Abstand zwischen Drosselspule und Kompensationsspule ist dann durch die Dicke der Kryostatwand gegeben. Bei einem solchen beispielsweise thermisch bedingten radialen Mindestabstand kann durch die radial außen liegende Anordnung der Kompensationsspule ein größerer Hub für die Induktivität erreicht werden als mit der bekannten Anordnung im Inneren der Drosselspule.
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Die elektrische Spuleneinrichtung kann allgemein eine Kühleinrichtung zur Kühlung der wenigstens einen supraleitenden Schicht aufweisen, die einen Kryostaten umfasst. Mit dieser Kühleinrichtung kann die supraleitende Schicht also auf eine Betriebstemperatur unterhalb der Sprungtemperatur des supraleitenden Materials gekühlt werden. Durch eine thermische Isolation der supraleitenden Schicht gegen eine warme äußere Umgebung kann erreicht werden, dass mit der Kühleinrichtung dauerhaft eine solche kryogene Temperatur aufrechterhalten werden kann. Wenn die Wicklung der Drosselspule aus einem normalleitenden Leiter gebildet ist, kann die Drosselspule vorteilhaft thermisch gegen den Innenraum des Kryostaten isoliert sein.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 eine schematische perspektivische Schnittdarstellung einer Spuleneinrichtung nach einem ersten Ausführungsbeispiel zeigt,
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2 eine schematische Darstellung des Verlaufs der radialen Energiedichte für mehrere Konfigurationen einer derartigen Spuleneinrichtung zeigt,
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3 eine schematische perspektivische Schnittdarstellung einer Spuleneinrichtung nach einem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt und
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4 eine schematische Darstellung des Verlaufs der radialen Energiedichte für mehrere Konfigurationen einer derartigen Spuleneinrichtung zeigt.
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In 1 ist eine schematische, perspektivische Darstellung einer Spuleneinrichtung 1 nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung als Halbschnitt durch das Zentrum der Spuleneinrichtung 1 gezeigt. Gezeigt ist eine auf einem inneren Kreiszylinder angeordnete Drosselspule 3, die von den weiteren gezeigten Komponenten der Spuleneinrichtung 1 radial umgeben wird. Diese Drosselspule 3 dient zur Begrenzung eines Kurzschlussstroms in einer übergeordneten Strombegrenzereinrichtung 17 sowie zur Glättung des Stromverlaufs in einem übergeordneten Stromkreis. Hierzu ist die Drosselspule 3 über zwei Anschlüsse 19 mit dem hier nicht näher gezeigten Stromkreis verbunden, in dem der Strom I fließt. Bei diesem Stromkreis kann es sich beispielsweise um ein Wechselspannungs-Mittelspannungsnetz handeln, die Drosselspule 3 kann jedoch auch ganz allgemein für andere Industrie- oder Ortsnetze ausgelegt sein. So kann die Drosselspule 3 beispielsweise für Niederspannungsnetzte mit Wechselspannungen zwischen 100 V und 1000 V ausgelegt sein, alternativ kann es sich um Mittelspannungsnetze für Spannungen zwischen 1 kV und 52 kV oder auch um Hochspannungsnetze für Spannungen oberhalb von 52 kV handeln. Die Drosselspule kann insbesondere für einen Leistungsbereich von wenigstens 250 kVA, insbesondere wenigstens 400 kVA oder sogar wenigstens 630 kVA ausgelegt sein.
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Die kreiszylindrische Drosselspule 3 radial umgebend ist ein Kryostat 13 angeordnet, der in diesem Beispiel als Badkryostat ausgestaltet ist und einen Innenraum 14 für ein Kühlmittel aufweist. Innerhalb des Kryostaten ist eine supraleitende Kompensationsspule angeordnet, die mehrere supraleitende Leiterelemente 7i aufweist. Diese Leiterelemente 7i sind jeweils als kurzgeschlossene kreisförmige Ringe aus supraleitendem Bandleitermaterial ausgestaltet. Durch das von der Drosselspule 3 erzeugte Magnetfeld wird in den ringförmigen Leiterelementen 7 ein Ringstrom induziert. Durch die supraleitenden Eigenschaften der Bandleiter fließt dieser Ringstrom nahezu verlustfrei. Durch das Kühlmittel innerhalb des Kryostaten 13 werden die supraleitenden Leiterelemente 7i auf eine Betriebstemperatur unterhalb ihrer Sprungtemperatur gekühlt.
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Die Drosselspule des ersten Ausführungsbeispiels ist eine längliche Spule, deren axiale Länge L1 größer ist als der mittlere Durchmesser D1. Das Verhältnis der axialen Länge L1 zum mittleren Durchmesser D1 kann dabei auch noch wesentlich größer sein als in der 1 dargestellt, so dass sich insbesondere im Zentrum die Feldverteilung einer nahezu idealen Zylinderspule ergibt. Wie im Folgenden näher erläutert, ergeben sich auch bei einer solchen länglichen Spule schon Vorteile für eine radial außen angeordnete Kompensationsspule 5 in Bezug auf das Verhältnis der Induktivitäten im normalleitenden und im supraleitenden Zustand. Für kurze Spulen, bei denen die axiale Länge L1 kleiner ist als der mittlere Durchmesser D1 sind diese Vorteile sogar noch größer, wie an einem weiteren Beispiel verdeutlicht wird.
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In 2 ist eine qualitative, schematische Darstellung des Verlaufs der radialen Energiedichte w des Magnetfelds der Spuleneinrichtung 1 in Abhängigkeit von der radialen Position r gezeigt. Dieser Verlauf ist vergleichend für drei verschiedene Konfigurationen dargestellt: Die mit Bezugszeichen 21 gekennzeichnete lang gestrichelte Kurve zeigt den Verlauf der radialen Energiedichte für eine Anordnung mit lediglich einer Drosselspule und ohne Kompensationsspule. Die dünn gestrichelte Kurve 23 zeigt den entsprechenden Verlauf für eine Drosselspule 3 und eine radial innerhalb davon angeordnete Kompensationsspule 5‘. Die durchgezogene Kurve 25 zeigt den entsprechenden Verlauf für eine Drosselspule 3 und eine radial außerhalb davon angeordnete Kompensationsspule 5, entsprechen dem ersten Ausführungsbeispiel in der 1. Im oberen Teil der 2 sind die radialen Positionen der verschiedenen Spulen für die letztgenannten Konfigurationen schematisch gekennzeichnet. Für die Konfiguration ohne Kompensationsspule befindet sich die einzelne Drosselspule 3 an derselben radialen Position.
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In 2 sind die radialen Energiedichten jeweils für eine annähernd ideale Spule dargestellt, bei der die axiale Länge L1 deutlich größer ist als der mittlere Durchmesser D1, und für eine axiale Position im Bereich der Mitte einer solchen idealen Spule. Die radiale Energiedichte 21 der nicht kompensierten Drosselspule weist am Ort der Drosselspule 3 ihren maximalen Gradienten auf und erreicht am inneren Rand der Drosselspule 3 ihren maximalen Wert. Von diesem aus fällt zum Zentrum der Spule (r = 0) hin annähernd linear ab. Entsprechend der hohen gesamten Energiedichte hat eine solche nicht kompensierte Spuleneinrichtung auch eine vergleichsweise hohe Induktivität. Die radiale Energiedichte 23 der innen kompensierten Drosselspule 3 weist dagegen im Bereich zwischen den beiden Spulen etwas höhere Werte auf, im radial innerhalb der supraleitenden Kompensationsspule 5‘ liegenden Bereich ist die Energiedichte 23 dagegen durch die abschirmende Wirkung der Kompensationsspule 5‘ deutlich reduziert. Sie liegt hier effektiv nahe bei null. Hierdurch ist die Induktivität der Spule im Vergleich zu einer Anordnung ohne Kompensationsspule deutlich erniedrigt. Um Unterschied hierzu weist die radiale Energiedichte 25 für die erfindungsgemäße Konfiguration mit außenliegender supraleitender Kompensationsspule 5 im nun radial weiter außenliegenden Bereich zwischen den beiden Spulen erhöhte Werte auf. In den radial innerhalb der Drosselspule 3 liegenden Bereichen ist die Energiedichte 25 durch die Abschirmung der Kompensationsspule 5 auch hier stark erniedrigt, wenngleich die Energiedichte 25 für die außerhalb kompensierte Konfiguration in den innenliegenden Bereichen insgesamt etwas höher liegt als die Energiedichte 23 der innerhalb kompensierten Konfiguration. Es hat sich gezeigt, dass die vom Integral der Energiedichte abhängige Induktivität L der Spuleneinrichtung in vielen Fällen für die Konfiguration mit außenliegender Kompensationsspule 5 niedriger ist. Hierdurch kann der Hub, also das Verhältnis der Induktivität LS im supraleitenden Zustand zur Induktivität LN im normalleitenden Zustand der Kompensationsspule vorteilhaft größer ausfallen. Dieses Verhältnis wird im Folgenden als Hub LN/LS bezeichnet. Bei einer nahezu idealen Spule ergibt sich dieser Hub bei einer radial außen angeordneten Kompensationsspule näherungsweise als LN/LS = 1/(1 – (D1/(D1 + 2·d))2), wobei D1 wiederum der mittlere Durchmesser der Drosselspule 3 und d der radiale Abstand zwischen Drosselspule 3 und Kompensationsspule 5 ist. In ähnlicher Weise ergibt sich der Hub bei einer nahezu idealen Drosselspule mit einer radial innen angeordneten Kompensationsspule als LN/LS = 1/(1 – ((D1 – 2·d)/D1)2).
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Aus diesen idealisierten Gleichungen folgt, dass bei einem vorgegebenen mittleren Durchmesser D1 der Drosselspule und bei einem vorgegebenen radialen Abstand d der Hub in der Induktivität für eine radial außenliegend angeordnete Kompensationsspule 5 etwas größer ist. Ein vorgegebener radialer Abstand d oder zumindest ein Mindestabstand zwischen den beiden Spulen kann sich beispielsweise durch die Randbedingungen für die notwendige thermische Isolation zwischen diesen beiden Spulenelementen ergeben.
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In 3 ist eine zu 1 ähnliche schematische perspektivische Darstellung einer Spuleneinrichtung 1 in einer Strombegrenzereinrichtung 17 nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Bei der Drosselspule 3 dieser Spuleneinrichtung handelt es sich um eine kurze Spule, bei der die axiale Länge L1 kürzer ist als der mittlere Durchmesser D1 der Drosselspule. Ein weiterer wesentlicher Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel besteht darin, dass die Kompensationsspule 5 der 3 nur einen ringförmig geschlossenen Leiter 7 aufweist, der hier aus einer in einem Beschichtungsvorgang abgeschiedenen durchgehend supraleitenden zylinderförmigen Schicht 9 besteht. Diese supraleitende Schicht 9 kann beispielsweise aerosol-deponiertes Magnesiumdiborid umfassen. Durch das Fehlen nachträglich aufgebrachter Verbindungen und die durchgehend supraleitenden Eigenschaften dieser Schicht werden ohmsche Verluste beim induzierten Stromfluss vorteilhaft vermieden.
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Bei einer kurzen Spule, wie sie in 3 gezeigt ist, weicht der Verlauf der radialen Energiedichte in Abhängigkeit der radialen Position relativ stark von dem in 2 gezeigten idealisierten Verhalten ab. Diese Abweichung ist in den axialen Endbereichen der Spuleneinrichtung 1 besonders ausgeprägt. 4 zeigt daher die schematisierten Verläufe der radialen Energiedichte w in Abhängigkeit von der radialen Position r in qualitativer Darstellung für die entsprechenden drei Konfigurationen wie in 2, aber hier für kurze Drosselspulen 3, vergleichbar mit dem Ausführungsbeispiel der 2. Durch die starken End-Effekte ergibt sich bereits für die Konfiguration ohne Kompensationsspule ein stark nicht-linearer Verlauf 21 der radialen Energiedichte. Im Vergleich zu den weiter innenliegenden Bereichen ist die Energiedichte im Bereich knapp innerhalb der Drosselspule hierdurch stark überhöht. Der Verlauf der Energiedichte 23 für die Konfiguration mit innerhalb angeordneter Kompensationsspule weist entsprechend relativ hohe Werte für den radialen Bereich zwischen den beiden Spulen auf. Die Energiedichte in diesem Bereich trägt entsprechend besonders stark zur Gesamt-Induktivität bei. Bei einem gegebenen Mindestabstand d kann dieser Beitrag durch eine innen angeordnete Kompensationsspule 5‘ somit nur unzureichend reduziert werden. Für die Konfiguration mit außenliegender Kompensationsspule 5 ergibt sich ein Verlauf 25, bei dem wiederum zwischen den beiden Spulen die höchsten Energiedichten auftreten. Hier werden jedoch niedrigere Spitzenwerte der Energiedichten erreicht als bei der innerhalb der Drosselspule kompensierten Anordnung. Bei einem gegebenen radialen Mindestabstand d zwischen den beiden konzentrischen Spulen erweist sich die außerhalb angeordnete Kompensationsspule 5 somit als günstiger.
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Es hat sich gezeigt, dass durch den Einfluss einer außerhalb der Drosselspule 3 angeordneten Kompensationsspule 5 die Induktivität von derartigen kurzen Drosselspulen besonders wirksam reduziert werden kann. Im Vergleich zwischen dem supraleitenden Zustand und dem normalleitenden Zustand der Kompensationsspule 5 ergibt sich hierdurch ein größerer Hub LN/LS als bei einer im Inneren angeordneten Kompensationsspule 5‘
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Bei einer Drosselspule 3 mit einem mittleren Durchmesser D1 von 1,3 m und einer axialen Länge L1 von 1,2 m sowie einem radialen Abstand d zwischen Drosselspule 3 und Kompensationsspule 5 von 50 mm wird beispielsweise ein Hub in der Induktivität LN/LS von 4,16 erzielt. Bei einer radial innenliegend angeordneten Kompensationsspule 5 mit gleichen Werten für diese Parameter wir dagegen nur ein Hub von 3,84 erzielt. Ein Mindestwert von 4 wird in der Praxis als Grenze angesehen, ab der die Strombegrenzung mit einer solchen Drosselspule als technisch interessant angesehen wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010007087 A1 [0005, 0010]
- WO 2008006689 A1 [0007]
