DE102016221029A1

DE102016221029A1 - Electric coil device for current limitation with cryostat

Info

Publication number: DE102016221029A1
Application number: DE102016221029.7A
Authority: DE
Inventors: Michael Frank; Christian Schacherer; Peter van Hasselt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2016-10-26
Filing date: 2016-10-26
Publication date: 2018-04-26
Also published as: WO2018077533A1

Abstract

Es wird eine elektrische Spuleneinrichtung (1) miteiner Drosselspule (3),einer supraleitenden Kompensationsspule (5), die innerhalb der Drosselspule (3) angeordnet ist, undeiner Kühleinrichtung für die supraleitende Kompensationsspule (5) angegeben, wobei die Kühleinrichtung einen Kryostaten (13) mit wenigstens einer äußeren Kryostatwand (15a) umfasst,wobei diese äußere Kryostatwand (15a) eine zylinderförmige, durchgehend metallische Wand ist, die radial zwischen Drosselspule (3) und supraleitender Kompensationsspule (5) angeordnet ist.Weiterhin wird eine induktiv-resistive Strombegrenzereinrichtung (17) mit einer derartigen elektrischen Spuleneinrichtung (1) angegeben.An electric coil device (1) is provided with a choke coil (3), a superconducting compensation coil (5) arranged inside the choke coil (3) and a cooling device for the superconducting compensation coil (5), the cooling device comprising a cryostat (13). with at least one outer cryostat wall (15a), said outer cryostat wall (15a) being a cylindrical, continuous metallic wall arranged radially between choke coil (3) and superconducting compensation coil (5). Furthermore, an inductive-resistive current limiter device (17 ) with such an electrical coil device (1).

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Spuleneinrichtung mit einer Drosselspule, einer supraleitenden Kompensationsspule und einer Kühleinrichtung für die Kompensationsspule, wobei die Kühleinrichtung einen Kryostaten mit wenigstens einer äußeren Kryostatwand umfasst. Weiterhin betrifft die Erfindung eine induktiv-resistive Strombegrenzereinrichtung mit einer solchen elektrischen Spuleneinrichtung.The invention relates to an electrical coil device having a choke coil, a superconducting compensation coil and a cooling device for the compensation coil, wherein the cooling device comprises a cryostat having at least one outer cryostat wall. Furthermore, the invention relates to an inductive-resistive current limiter device with such an electrical coil device.

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.Choke coils are inductive AC resistors, which are often used to limit short-circuit currents and to reduce high-frequency current components on electrical lines. They usually have a low DC resistance, so that the DC losses can be kept low here. In AC networks, inductors can also be connected in series with a consumer to act as a series resistor and so reduce the voltage applied to the consumer AC voltage.

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 dient zur Begrenzung von Kurzschlussströmen, was im Zuge der Energiewende, insbesondere bei der Einspeisung von elektrischer Energie durch eine Vielzahl von dezentralen Energieeinspeiser, von immer größerer Bedeutung ist. Konventionelle Drosselspulen haben jedoch eine negative Auswirkung auf die Netzstabilität im Normalbetrieb. 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.In AC medium-voltage networks, inductors with windings made of normally conducting materials such as copper or aluminum are typically used to limit the current or to smooth the current characteristics. The use of such reactors is used to limit short-circuit currents, which in the course of the energy transition, in particular in the supply of electrical energy by a variety of decentralized energy feed, is of ever greater importance. However, conventional choke coils have a negative impact on grid stability during normal operation. In order to increase the stability of AC electrical networks, it is particularly desirable that in normal operation, the inductance of the inductor is small, but that it quickly assumes a high value in the event of a fault or current limiting case.

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.In the DE 10 2010 007 087 A1 a device for current limiting with a variable coil impedance is described. In the current limiter described therein, the inductance and thus the impedance of the choke coil is significantly reduced by the use of a superconducting coil inside a choke coil. This is done by currents that are induced in the superconducting coil and compensate for the magnetic field of the inductor in normal operation. When a certain current value is exceeded, the superconductor goes into the normal conducting state and increases the inductance, whereby the current is limited. After switching off the excessively high current, the superconductor returns automatically to the superconducting state after a short time and normal operation can be resumed.

Beim Betrieb des Strombegrenzers muss die supraleitende Kompensationsspule auf eine kryogene Betriebstemperatur unterhalb der Sprungtemperatur des Supraleiters gekühlt werden. Diese Betriebstemperatur kann beispielsweise in einem Bereich von 90 K oder tiefer, insbesondere in einem Bereich von 77 K oder tiefer liegen. Um dies zu erreichen, weisen bekannte Strombegrenzer mit supraleitenden Kompensationsspulen Kühleinrichtungen auf, wobei eine solche Kühleinrichtung einen Kryostaten - also ein Kühlgefäß - umfasst, der die supraleitende Kompensationsspule umschließt.During operation of the current limiter, the superconducting compensation coil must be cooled to a cryogenic operating temperature below the transition temperature of the superconductor. This operating temperature may be, for example, in a range of 90 K or lower, in particular in a range of 77 K or lower. In order to achieve this, known current limiters with superconducting compensation coils have cooling devices, such a cooling device comprising a cryostat - that is, a cooling vessel - which encloses the superconducting compensation coil.

Bei bisherigen, als Prototypen aufgebauten Strombegrenzern mit Drosselspule und innenliegender supraleitender Kompensationsspule wurde die Kühlung des supraleitenden Materials typischerweise dadurch realisiert, dass der Supraleiter durch einen Badkryostaten, der innerhalb der Drosselspule angeordnet ist, gekühlt wird. Und beim Betrieb des Strombegrenzers in einem Wechselstromnetz die Induktion von Wirbelströmen in den Wänden des Kryostaten zu vermeiden, wurden bei den bisher bekannten derartigen Strombegrenzern Kryostatwände aus nicht leitenden Materialien verwendet. Hierbei kommen typischerweise Verbundmaterialien wie glasfaserverstärkter Kunststoff zum Einsatz. Hierdurch kann die Entstehung von Wechselstromverlusten durch Wirbelströme im Kryostatmaterial vorteilhaft vermieden werden. Nachteilig ist jedoch dabei, dass die Herstellung eines Kryostaten aus einem solchen Verbundmaterial aufwendiger ist als bei metallischen Kryostatwänden, dass die mechanische Stabilität geringer ist und dass die Vakuumdichtigkeit geringer ist als bei metallischen Materialien. Kryostaten mit metallischen Kryostatwänden kommen nach dem Stand der Technik bei anderen supraleitenden Anwendungen zum Einsatz, beispielsweise zur Kühlung von supraleitenden Magnetspulen. Aufgrund der Wirbelströme bei den beschriebenen Strombegrenzern mit Drosselspulen wurden sie für solche Anwendungen jedoch bisher nicht eingesetzt.In previous, designed as a prototype current limiters with choke coil and internal superconducting compensation coil, the cooling of the superconducting material has typically been realized in that the superconductor is cooled by a bath cryostat, which is disposed within the inductor. And to avoid the induction of eddy currents in the walls of the cryostat when operating the current limiter in an AC grid, cryostat walls of non-conductive materials have been used in the previously known such current limiters. In this case, typically composite materials such as glass fiber reinforced plastic are used. As a result, the formation of alternating current losses by eddy currents in the cryostat material can be advantageously avoided. A disadvantage, however, is that the preparation of a cryostat of such a composite material is more expensive than in metallic Kryostatwänden that the mechanical stability is lower and that the vacuum tightness is lower than in metallic materials. Cryostats with metallic cryostat walls are used in the prior art in other superconducting applications, for example, for cooling superconducting magnetic coils. Due to the eddy currents in the described current limiters with choke coils, however, they have not been used for such applications.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine elektrische Spuleneinrichtung zur Strombegrenzung anzugeben, welche eine Drosselspule und eine innenliegende supraleitende Kompensationsspule umfasst, und bei welcher der Aufbau des Kryostaten gegenüber dem Stand der Technik vereinfacht ist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine induktiv-resistive Strombegrenzereinrichtung mit einer derartigen Verbesserung anzugeben.It is therefore an object of the present invention to provide a current-limiting electrical coil device which comprises a choke coil and an internal superconducting compensation coil, and in which the structure of the cryostat is simplified in comparison to the prior art. Another object of the invention is to provide an inductive-resistive current limiter device having such an improvement.

Diese Aufgaben werden durch die in Anspruch 1 beschriebene elektrische Spuleneinrichtung und die in Anspruch 15 beschriebene Strombegrenzereinrichtung gelöst. Die erfindungsgemäße elektrische Spuleneinrichtung weist eine Drosselspule und eine supraleitende Kompensationsspule auf, die innerhalb der Drosselspule angeordnet ist. Weiterhin weist die Spuleneinrichtung eine Kühleinrichtung für die supraleitende Kompensationsspule auf, wobei die Kühleinrichtung einen Kryostaten mit wenigstens einer äußeren Kryostatwand umfasst. Diese Kryostatwand ist eine zylinderförmige, durchgehend metallische Wand, die radial zwischen Drosselspule und supraleitender Kompensationsspule angeordnet ist.These objects are achieved by the electric coil device described in claim 1 and the current limiting device described in claim 15. The inventive electrical coil means comprises a choke coil and a superconducting compensation coil disposed within the choke coil. Furthermore, the coil device has a cooling device for the superconducting compensation coil, wherein the cooling device comprises a cryostat having at least one outer cryostat wall. This cryostat wall is a cylindrical, continuous metallic wall which is arranged radially between the choke coil and the superconducting compensation coil.

Wesentliche Vorteile der erfindungsgemäßen Spuleneinrichtung liegen darin, dass die metallische Kryostatwand einfacher zu fertigen, vakuumdichter und mechanisch stabiler ist als eine entsprechende aus einem Glasfaserverbundwerkstoff hergestellte Kryostatwand. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass auch in einer gattungsgemäßen Spuleneinrichtung eine metallische Kryostatwand zum Einsatz kommen kann. Die beim Betrieb in einem Wechselstromnetz in der Kryostatwand zwangsläufig induzierten Wechselströme können dabei toleriert werden, insbesondere wenn die weiter unten beschriebenen vorteilhaften Dimensionierungen eingehalten werden. Wesentlich im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ist, dass die zylinderförmige Kryostatwand durchgehend metallisch und somit über den Umfang des Zylinders hinweg durchgehend leitfähig ist. Es soll hier also insbesondere keine Unterbrechung des leitfähigen Pfades in der Kryostatwand eingeführt werden, was die Herstellbarkeit einer solchen Kryostatwand entscheidend erleichtert.Significant advantages of the coil device according to the invention are that the metallic cryostat wall is easier to manufacture, more vacuum-tight and mechanically more stable than a corresponding cryostat wall made of a glass fiber composite material. The invention is based on the finding that a metallic cryostat wall can also be used in a generic coil device. The alternating currents inevitably induced during operation in an alternating current network in the cryostat wall can thereby be tolerated, in particular if the advantageous dimensions described below are adhered to. It is essential in connection with the present invention that the cylindrical cryostat wall is continuously metallic and thus continuously conductive over the circumference of the cylinder. In particular, no interruption of the conductive path in the cryostat wall should be introduced here, which makes the manufacture of such a cryostat wall considerably easier.

Unter dem Begriff „zylinderförmig“ soll im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung verstanden werden, dass es sich bei dem jeweiligen Element um einen Körper nach der allgemeinen geometrischen Definition eines geraden Zylinders handelt, also um einen Körper, der durch Verschiebung einer ebenen Grundfläche entlang einer zu ihr senkrecht stehenden Gerade entsteht. Die Form ist hier also nicht auf Zylinder mit kreisförmiger Grundfläche beschränkt. Allerdings sind kreisförmige zylindrische Strukturen im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung besonders bevorzugt, da sie eine Struktur mit besonders hoher Symmetrie darstellen.The term "cylindrical" is to be understood in the context of the present invention that the respective element is a body according to the general geometric definition of a straight cylinder, ie to a body by moving a flat base along a to her vertical straight line arises. The shape is therefore not limited to cylinders with a circular base. However, circular cylindrical structures are particularly preferred in the context of the present invention because they represent a structure of particularly high symmetry.

Neben der zylindrischen Kryostatwand können insbesondere auch die Drosselspule und/oder die supraleitende Kompensationsspule zylinderförmige Grundformen aufweisen. Eine derartige Anordnung von ineinander gestapelten Zylindern ist besonders zweckmäßig, um eine möglichst dichte Packung der einzelnen Komponenten zu erreichen. Hierzu können die Grundformen der einzelnen Zylinder einander ähnlich sein, wobei sie sich dann nur durch ihre Größe unterscheiden. Insbesondere kann sich bei allen Elementen und kreiszylindrischer Strukturen handeln.In addition to the cylindrical cryostat wall, in particular the choke coil and / or the superconducting compensation coil may also have cylindrical basic shapes. Such an arrangement of nested cylinders is particularly useful to achieve the most dense packing of the individual components. For this purpose, the basic shapes of the individual cylinders may be similar to each other, whereby they differ only by their size. In particular, all elements and circular cylindrical structures can be involved.

Unter der beschriebenen Anordnung der metallischen Kryostatwand „radial zwischen“ Drosselspule und Kompensationsspule ist zu verstehen, dass die Kryostatwand die Kompensationsspule umschließt und dass die Drosselspule die Kryostatwand umschließt. Der Begriff „radial“ bezieht sich dabei generell auf die Richtung senkrecht zur Zylinderachse der Kryostatwand, wobei diese Zylinderachse zweckmäßig auch eine zentrale Symmetrieachse der gesamten Spuleneinrichtung ist.The described arrangement of the metallic cryostat wall "radially between" the choke coil and the compensation coil is to be understood as meaning that the cryostat wall encloses the compensation coil and that the choke coil encloses the cryostat wall. The term "radial" generally refers to the direction perpendicular to the cylinder axis of the cryostat wall, wherein this cylinder axis is expediently also a central axis of symmetry of the entire coil device.

Die erfindungsgemäße induktiv-resistive Strombegrenzereinrichtung umfasst eine derartige erfindungsgemäße elektrische Spuleneinrichtung. Dabei ergeben sich die Vorteile der erfindungsgemäßen Strombegrenzereinrichtung analog zu den beschriebenen Vorteilen der erfindungsgemäßen elektrischen Spuleneinrichtung.The inductive-resistive current limiter device according to the invention comprises such an electrical coil device according to the invention. In this case, the advantages of the current limiter device according to the invention are analogous to the described advantages of the electric coil device according to the invention.

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 elektrischen Spuleneinrichtung und der Strombegrenzereinrichtung allgemein vorteilhaft miteinander kombiniert werden.Advantageous embodiments and further developments of the invention will become apparent from the dependent claims of claim 1 and the following description. In this case, the described embodiments of the electric coil device and the current limiter device can generally be advantageously combined with one another.

Die äußere Kryostatwand kann auf ihrer Zylinder-Mantelfläche eine spezifische Flächenleitfähigkeit zwischen 2,5 kS und 25 kS aufweisen. Unter der spezifischen Flächenleitfähigkeit soll hier allgemein das Inverse des spezifischen Flächenwiderstands R_Quadrat verstanden werden. Mit anderen Worten ist die spezifische Flächenleitfähigkeit eines flächenhaften Elements gleich der spezifischen Leitfähigkeit seines Materials multipliziert mit der Schichtdicke, wobei die relevante Schichtdicke hier die Wandstärke der jeweiligen Kryostatwand ist. Dabei gilt der oben angegebene vorteilhafte Bereich hier für die nur mit einer, nämlich hier der genannten äußeren Kryostatwand erreichte Leitfähigkeit. Wenn mehr elektrisch leitfähige Wände als nur diese eine Kryostatwand vorliegen, dann ist es vorteilhaft, wenn die Summe der spezifischen Flächenleitfähigkeiten von allen ringförmig elektrisch leitenden Elementen des Kryostaten in einem Bereich zwischen 5 kS und 50 kS liegt. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Summe aller derartigen spezifischen Flächenleitfähigkeiten im Bereich zwischen 3 kS und 30 kS, insbesondere zwischen 5 kS und 15 kS liegt.The outer wall of the cryostat can have a specific area conductivity between 2.5 kS and 25 kS on its cylindrical surface. The specific area conductivity is to be understood here generally as the inverse of the surface resistivity R _square . In other words, the areal conductivity of a planar element is equal to the specific conductivity of its material multiplied by the layer thickness, where the relevant layer thickness here is the wall thickness of the respective cryostat wall. In this case, the above-mentioned advantageous range applies here to the conductivity achieved only with one, namely here the said outer cryostat wall. If there are more electrically conductive walls than just this one cryostat wall, then it is advantageous if the sum of the surface area conductivities of all annularly electrically conductive elements of the cryostat is in a range between 5 kS and 50 kS. It is particularly advantageous if the sum of all such specific surface conductivities lies in the range between 3 kS and 30 kS, in particular between 5 kS and 15 kS.

Der Vorteil der oben beschriebenen Leitfähigkeitsbereiche liegt insbesondere darin, dass mit diesen Werten einerseits eine metallische zylindrische Wand mit ausreichend hoher mechanischer Festigkeit geschaffen werden kann, dass aber andererseits die beim Betrieb in einem Wechselstromnetz auftretenden Wirbelstromverluste ausreichend gering gehalten werden können. Die Untergrenze des Leitfähigkeitsbereichs ergibt sich daraus, dass mit den typischerweise eingesetzten metallischen Materialien hier Wandstärken von wenigen Millimetern möglich sind. Die Obergrenze des Leitfähigkeitsbereichs ergibt sich aus der Anforderung, dass die Wirbelstromverluste gering genug bleiben sollen, um ein ausreichend hohes Verhältnis der Drosselimpedanz zwischen supraleitendem Zustand und normalleitendem Zustand der Kompensationsspule zu erreichen.The advantage of the conductivity ranges described above is, in particular, that with these values on the one hand a metallic cylindrical wall with sufficiently high mechanical strength can be created, but on the other hand the eddy current losses occurring during operation in an alternating current network can be kept sufficiently low. The lower limit of the conductivity range results from the fact that with the typically used metallic materials wall thicknesses of a few millimeters are possible here. The upper limit of the conductivity range results from the requirement that the eddy current losses should remain low enough to achieve a sufficiently high ratio of the choke impedance between the superconducting state and the normal conducting state of the compensation coil.

Die Wandstärke der äußeren Kryostatwand liegt vorteilhaft zwischen 2 mm und 8 mm, besonders vorteilhaft zwischen 3 mm und 6 mm, insbesondere zwischen 4 mm und 5 mm. Mit Wandstärken in den genannten Bereichen kann mit den weiter unten genannten vorteilhaften Materialien eine ausreichend hohe Vakuumdichtigkeit und/oder mechanische Festigkeit erreicht werden, insbesondere eine ausreichend hohe mechanische Festigkeit für die Druckbelastungen eines vakuumisolierten Behälters. Bei Ausführungsformen, bei denen mehr als nur die genannte äußere Kryostatwand vorliegt, können insbesondere alle vorliegenden Kryostatwänden jeweils mit einer Wandstärke in einem der genannten Bereiche gebildet sein.The wall thickness of the outer cryostat wall is advantageously between 2 mm and 8 mm, particularly advantageously between 3 mm and 6 mm, in particular between 4 mm and 5 mm. With wall thicknesses in the areas mentioned, a sufficiently high vacuum tightness and / or mechanical strength can be achieved with the advantageous materials mentioned below, in particular a sufficiently high mechanical strength for the pressure loads of a vacuum-insulated container. In embodiments in which there is more than just said outer cryostat wall, in particular all present cryostat walls can each be formed with a wall thickness in one of said regions.

Die äußere Kryostatwand kann vorteilhaft aus einer kaltzähen Legierung, insbesondere aus Edelstahl oder aus einer Titanlegierung gebildet sein. Bei Vorliegen einer inneren Kryostatwand ist eine derartige kaltzähe Legierung insbesondere auch für die innere Kryostatwand vorteilhaft, da diese typischerweise im Betrieb auf einem noch niedrigeren Temperaturniveau gehalten wird. So kann beispielsweise auch nur die innere Kryostatwand aus einem solchen Material gebildet sein oder ein solches Material umfassen. Besonders eignen sich hierfür das Material Edelstahl 304 sowie Hastelloy oder eine Titan-Aluminium-Vanadium-Legierung, insbesondere des Typs Ti6Al4V. Die genannten Materialien eignen sich besonders für die mechanischen Anforderungen an die Wände eines vakuumisolierten Kryostaten mit vorteilhaft geringer Wandstärke.The outer wall of the cryostat can advantageously be formed from a cold-tough alloy, in particular from stainless steel or from a titanium alloy. In the presence of an inner cryostat wall, such a cold-tough alloy is particularly advantageous for the inner wall of the cryostat as it is typically maintained at an even lower temperature level during operation. Thus, for example, only the inner wall of the cryostat can be formed from such a material or comprise such a material. Particularly suitable for this purpose are the material 304 stainless steel and Hastelloy or a titanium-aluminum-vanadium alloy, in particular of the type Ti6Al4V. The materials mentioned are particularly suitable for the mechanical requirements of the walls of a vacuum-insulated cryostat with advantageously low wall thickness.

Bevorzugt weist die supraleitende Kompensationsspule eine kreiszylinderförmige Grundform auf. Außerdem ist die äußere Kryostatwand ebenfalls bevorzugt kreiszylindrisch geformt. Bei einer derartigen Ausführungsform ist es vorteilhaft, wenn das Verhältnis zwischen dem Außendurchmesser der supraleitenden Kompensationsspule und dem Außendurchmesser der äußeren Kryostatwand im Bereich zwischen 0,900 und 0,999, insbesondere im Bereich zwischen 0,950 und 0,999, besonders bevorzugt im Bereich zwischen 0,990 und 0,999 liegt. Mit anderen Worten soll der von der supraleitenden Kompensationsspule eingeschlossene Raum einen entsprechend hohen Anteil des von der äußeren Kryostatwand eingeschlossenen Raums ausmachen. Diese Raumausfüllung liegt definitionsgemäß unterhalb von 1, da ja die äußere Kryostatwand die supraleitende Kompensationsspule umschließen soll, um sie von der warmen äußeren Umgebung abzutrennen. Abgesehen von dieser Limitierung soll die Raumausfüllung aber möglichst hoch sein, damit zwischen diesen beiden Elementen nur ein geringes ringförmiges Volumen vorliegt, sodass auch nur ein geringer Anteil des magnetischen Flusses, nämlich der Anteil zwischen der äußeren Kryostatwand und der Außenseite der Kompensationsspule, für die Induktion von Wirbelströmen und somit für elektrische Verluste in der Kryostatwand relevant ist. Mit einer derartigen Dimensionierung wird erreicht, dass trotz einer relativ hohen elektrischen Leitfähigkeit der äußeren Kryostatwand in den oben genannten Leitfähigkeitsbereichen die Verluste durch Wirbelströme ausreichend gering gehalten werden können, um trotzdem einen ausreichend hohen Impedanzhub zu erzielen.Preferably, the superconducting compensation coil has a circular cylindrical basic shape. In addition, the outer wall of the cryostat is also preferably circular cylindrical. In such an embodiment it is advantageous if the ratio between the outer diameter of the superconducting compensation coil and the outer diameter of the outer cryostat wall is in the range between 0.900 and 0.999, in particular in the range between 0.950 and 0.999, more preferably in the range between 0.990 and 0.999. In other words, the space enclosed by the superconducting compensation coil should make up a correspondingly high proportion of the space enclosed by the outer cryostat wall. By definition, this space filling is below 1, since the outer wall of the cryostat is intended to enclose the superconducting compensation coil in order to separate it from the warm external environment. Apart from this limitation, however, the space filling should be as high as possible, so that only a small annular volume is present between these two elements, so that only a small portion of the magnetic flux, namely the proportion between the outer cryostat wall and the outside of the compensation coil, for the induction of eddy currents and thus relevant to electrical losses in the cryostat wall. With such a dimensioning is achieved that, despite a relatively high electrical conductivity of the outer cryostat wall in the above-mentioned conductivity ranges, the losses can be kept sufficiently low by eddy currents to still achieve a sufficiently high impedance swing.

Bei einer allgemein besonders bevorzugten Ausführungsform weist der Kryostat eine zusätzliche innere Kryostatwand auf, welche radial innerhalb der äußeren Kryostatwand angeordnet ist. Auch diese innere Kryostatwand ist bevorzugt radial außerhalb der supraleitenden Kompensationsspule angeordnet. Zwischen innerer und äußerer Kryostatwand kann dann zweckmäßig ein Vakuumraum mit einem Isoliervakuum ausgebildet sein.In a generally particularly preferred embodiment, the cryostat has an additional inner cryostat wall disposed radially within the outer cryostat wall. This inner cryostat wall is also preferably arranged radially outside the superconducting compensation coil. Between inner and outer walls of the cryostat can then be suitably formed a vacuum space with an insulating vacuum.

Alternativ zu der beschriebenen Ausführungsform mit der Kompensationsspule innerhalb der beiden Kryostatwänden kann es aber auch vorgesehen sein, dass die supraleitende Kompensationsspule zwischen den beiden Kryostatwänden angeordnet ist. Beispielsweise kann die supraleitende Kompensationsspule als supraleitende Beschichtung direkt auf einer der beiden Kryostatwände aufgebracht sein. Besonders vorteilhaft kann sie auf der inneren Kryostatwand aufgebracht sein, wodurch sie thermisch besonders gut gegen die warme äußere Umgebung isoliert ist, da sie durch das Isoliervakuum von der äußeren Kryostatwand getrennt ist. Eine derartige supraleitende Beschichtung kann prinzipiell sowohl auf der radial innen liegenden Seite als auch auf der radial außen liegenden Seite der inneren Kryostatwand aufgebracht sein. Wenn allerdings die supraleitende Kompensationsspule als separates, freitragendes Bauteil ausgestaltet ist, dann ist es in jedem Fall vorteilhaft, diese Kompensationsspule radial innerhalb beider Kryostatwänden anzuordnen.As an alternative to the described embodiment with the compensation coil within the two cryostat walls, it may also be provided that the superconducting compensation coil is arranged between the two cryostat walls. For example, the superconducting compensation coil can be applied as a superconducting coating directly on one of the two walls of the cryostat. Particularly advantageous it can be applied to the inner wall of the cryostat, whereby it is thermally particularly well insulated against the warm external environment, since it is separated by the Isoliervakuum of the outer wall of the cryostat. Such a superconducting coating can in principle be applied both to the radially inner side and to the radially outer side of the inner cryostat wall. However, if the superconducting compensation coil is designed as a separate, cantilevered component, then it is in any case advantageous to arrange this compensation coil radially inside both kryostatwänden.

Allgemein und unabhängig von der geometrischen Anordnung der Kompensationsspule relativ zu der inneren Kryostatwand kann bei den Ausführungsformen mit zwei Kryostatwänden auch die innere Kryostatwand mit den Materialien, spezifischen Flächenleitfähigkeiten und/oder Wandstärken ausgebildet sein, wie oben bereits im Zusammenhang mit der äußeren Kryostatwand beschrieben.In general and independently of the geometrical arrangement of the compensation coil relative to the inner cryostat wall, in the embodiments with two cryostat walls, the inner cryostat wall may also be formed with the materials, specific surface conductivities and / or wall thicknesses, as already described above in connection with the outer cryostat wall.

Der radiale Abstand zwischen innerer Kryostatwand und äußerer Kryostatwand kann vorteilhaft im Bereich zwischen 2 mm und 50 mm liegen. Ein Abstand von wenigstens 2 mm ist vorteilhaft, um eine ausreichend gute thermische Isolation durch ein zwischen den beiden Kryostatwänden vorliegendes ringförmiges Vakuum zu bewirken. Aus diesem Grund wird der genannte Abstand auch als Isolierabstand bezeichnet. Dieser Abstand soll genau die radiale Abmessung des Zwischenraums zwischen innerer und äußerer Kryostatwand beschreiben, es handelt sich also um die Differenz zwischen innerem Radius der äußeren Kryostatwand und äußerem Radius der inneren Kryostatwand. Ein Abstand von höchstens 50 mm ist vorteilhaft, um eine möglichst hohe Raumausfüllung der Kompensationsspule innerhalb der äußeren Kryostatwand zu erreichen, wie bereits weiter oben im Zusammenhang mit den vorteilhaften Verhältnissen der jeweiligen Außendurchmesser beschrieben. The radial distance between inner cryostat wall and outer cryostat wall can advantageously be in the range between 2 mm and 50 mm. A distance of at least 2 mm is advantageous in order to effect a sufficiently good thermal insulation by means of an annular vacuum present between the two cryostat walls. For this reason, said distance is also referred to as insulation distance. This distance is to describe exactly the radial dimension of the gap between inner and outer cryostat wall, so it is the difference between the inner radius of the outer Kryostatwand and outer radius of the inner Kryostatwand. A distance of at most 50 mm is advantageous in order to achieve the highest possible space filling of the compensation coil within the outer cryostat wall, as already described above in connection with the advantageous ratios of the respective outer diameter.

Der radiale Abstand zwischen supraleitender Kompensationsspule und innerer Kryostatwand liegt bevorzugt bei höchstens 30 mm. Nach unten hin ist dieser radiale Abstand grundsätzlich nicht begrenzt, denn die supraleitende Kompensationsspule kann wie oben beschrieben als Direktbeschichtung auf der inneren Kryostatwand aufgebracht sein. Wenn die supraleitende Kompensationsspule als separates Element und nicht als Direktbeschichtung auf der inneren Kryostatwand vorliegt, kann jedoch ein Mindestabstand von beispielsweise 2 mm sinnvoll sein. Der genannte maximale Abstand von bevorzugt höchstens 30 mm ist besonders vorteilhaft, um eine hohe Raumausfüllung der Kompensationsspule innerhalb beider Kryostatwänden zu erreichen. Hierdurch wird bewirkt, dass insgesamt nur ein kleiner Teil des magnetischen Flusses im Bereich der Kryostatwänden anfällt und dass somit die Wirbelstromverluste in den Kryostatwänden vergleichsweise niedrig gehalten werden.The radial distance between the superconducting compensation coil and the inner cryostat wall is preferably at most 30 mm. Downwards, this radial distance is basically not limited, because the superconducting compensation coil can be applied as described above as a direct coating on the inner wall of the cryostat. If the superconducting compensation coil is present as a separate element and not as a direct coating on the inner wall of the cryostat, however, a minimum distance of, for example, 2 mm may be expedient. Said maximum distance of preferably at most 30 mm is particularly advantageous in order to achieve a high volume filling of the compensation coil within both cryostat walls. This has the effect that, overall, only a small part of the magnetic flux is generated in the region of the cryostat walls and that, thus, the eddy current losses in the cryostat walls are kept comparatively low.

Bei Ausführungsformen mit äußerer und innerer Kryostatwand ist auch die innere Kryostatwand bevorzugt kreiszylindrisch geformt. Auch die Kompensationsspule weist dann vorteilhaft eine kreiszylindrische Grundform auf. Dann ist es allgemein vorteilhaft, wenn das Verhältnis zwischen dem Außendurchmesser der supraleitenden Kompensationsspule und dem Außendurchmesser der inneren Kryostatwand im Bereich zwischen 0,950 und 0,999, besonders bevorzugt im Bereich zwischen 0,990 und 0,999 liegt. Die Vorteile einer solchen hohen Raumausfüllung der Kompensationsspule innerhalb der inneren Kryostatwand sind analog zu den oben beschriebenen Vorteilen für die Raumausfüllung der Kompensationsspule innerhalb der äußeren Kryostatwand.In embodiments with outer and inner Kryostatwand and the inner Kryostatwand is preferably shaped circular cylindrical. The compensation coil then advantageously has a circular cylindrical basic shape. Then, it is generally advantageous if the ratio between the outer diameter of the superconducting compensation coil and the outer diameter of the inner cryostat wall is in the range between 0.950 and 0.999, more preferably in the range between 0.990 and 0.999. The advantages of such a high spatial filling of the compensation coil within the inner cryostat wall are analogous to the advantages described above for the space filling of the compensation coil within the outer cryostat wall.

Es ist jedoch generell nicht zwingend erforderlich, dass ein doppelwandiger Kryostat mit einem Isoliervakuum zwischen den Wänden vorliegt. Allgemein reicht es auch aus, wenn das kryogene Innere des Kryostaten durch eine einzelne (äußere) Kryostatwand von der äußeren Umgebung getrennt ist. Alternativ zu dem Isoliervakuum kann dann beispielsweise eine Superisolation zur thermischen Trennung eingesetzt werden. Eine solche Superisolation kann aber besonders vorteilhaft auch in Kombination mit einem Isoliervakuum zum Einsatz kommen.However, it is generally not necessary to have a double-walled cryostat with an insulating vacuum between the walls. Generally, it is also sufficient if the cryogenic interior of the cryostat is separated from the external environment by a single (outer) cryostat wall. As an alternative to the insulating vacuum, a superinsulation for thermal separation can then be used, for example. However, such superinsulation can also be used particularly advantageously in combination with an insulating vacuum.

Die elektrische Spuleneinrichtung kann insgesamt so ausgestaltet sein, dass bei einem Betrieb der Drosselspule bei 16 2/3 Hz, 50 Hz oder 60 Hz und Stromstärken bis zu 1250 A in der inneren Kryostatwand eine Verlustleistung durch Wirbelströme von höchstens 100 W auftritt. Eine derart niedrige Verlustleistung kann vorteilhaft mit den oben genannten Materialien, Leitfähigkeiten und/oder Dimensionierungen erreicht werden. Eine derart niedrige Verlustleistung wird auch dadurch möglich, dass die innere Kryostatwand sowohl durch die weiter außen liegende äußere Kryostatwand als auch durch die näher benachbarte supraleitende Kompensationsspule abgeschirmt ist und somit in der inneren Kryostatwand ein geringerer Wirbelstrom induziert wird als in der äußeren Kryostatwand.Overall, the electric coil device can be designed so that when the choke coil is operated at 16 2/3 Hz, 50 Hz or 60 Hz and current levels up to 1250 A in the inner cryostat wall, a power loss due to eddy currents of at most 100 W occurs. Such a low power loss can advantageously be achieved with the abovementioned materials, conductivities and / or dimensions. Such a low power loss is also possible because the inner Kryostatwand is shielded both by the outer outer Kryostatwand and by the closer adjacent superconducting compensation coil and thus a smaller eddy current is induced in the inner Kryostatwand than in the outer Kryostatwand.

Alternativ oder zusätzlich kann die elektrische Spuleneinrichtung insgesamt so ausgestaltet sein, dass bei einem Betrieb der Drosselspule bei 16 2/3 Hz, 50 Hz oder 60 Hz und Stromstärken bis zu 4000 A in der äußeren Kryostatwand eine Verlustleistung durch Wirbelströme von höchstens 1000 W auftritt. Auch dieser Grenzwert kann vorteilhaft mit den oben genannten Materialien, Leitfähigkeiten und/oder Dimensionierungen erreicht werden. Durch die radial weiter außen liegende Anordnung sind die Wirbelstromverluste in der äußeren Kryostatwand allgemein höher als in der inneren Kryostatwand.Alternatively or additionally, the electrical coil device can be configured as a whole in such a way that during operation of the choke coil at 16 2/3 Hz, 50 Hz or 60 Hz and currents up to 4000 A in the outer cryostat wall a power loss occurs by eddy currents of at most 1000 W. Also, this limit can be advantageously achieved with the above materials, conductivities and / or dimensions. Due to the radially outward arrangement, the eddy current losses in the outer cryostat wall are generally higher than in the inner cryostat wall.

Insgesamt kann die elektrische Spuleneinrichtung so ausgestaltet sein, dass das Verhältnis zwischen der Impedanz der Drosselspule mit der Kompensationsspule im normalleitenden Zustand und der Impedanz der Drosselspule mit der Kompensationsspule im supraleitenden Zustand bei wenigstens 4 liegt. Dieses Verhältnis, welches auch als Impedanzhub bezeichnet wird, ist eine wichtige Kenngröße für eine derartige Spuleneinrichtung in einem induktiv-resistiven Strombegrenzer. Ein Impedanzhub von 4 wird als sinnvolle untere Grenze für einen solchen Strombegrenzer in einem Wechselstromnetz angesehen. Ein derartig hoher Impedanzhub kann mit den angegebenen Dimensionierungen trotz der Verwendung einer ringförmigen metallisch leitfähigen Kryostatwand erreicht werden.Overall, the electric coil device can be configured such that the ratio between the impedance of the choke coil with the compensation coil in the normal conducting state and the impedance of the choke coil with the compensation coil in the superconducting state is at least 4. This ratio, which is also referred to as the impedance swing, is an important parameter for such a coil device in an inductively-resistive current limiter. An impedance swing of 4 is considered a reasonable lower limit for such a current limiter in an AC network. Such a high impedance swing can be achieved with the given dimensions despite the use of an annular metallic conductive cryostat wall.

Der Innendurchmesser der Drosselspule kann vorteilhaft im Bereich zwischen 0,5 m und 5 m, insbesondere im Bereich zwischen 1 m und 2 m liegen. Drosselspulen mit derartigen Abmessungen sind besonders geeignet für die Verwendung in Strombegrenzern in typischen Wechselstromnetzen, da sie eine praktikable und unter anderem auf den Leitermaterialeinsatz optimierte Geometrie aufweisen (bei gegebener Impedanz der Drosselspule), die zudem von Anwendern gewohnt und akzeptiert ist.The inner diameter of the choke coil may advantageously in the range between 0.5 m and 5 m, in particular in the range between 1 m and 2 m. Chokes of such dimensions are particularly suitable for use in current limiters in typical AC grids because they have a practicable geometry that is optimized for, among other things, the use of conductor material (given the inductance of the choke coil), which is also familiar and accepted by users.

Die Drosselspule und die Kompensationsspule können allgemein 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 sowie Kräfte auf die Kompensationsspule zu minimieren. Die zentrale Achse kann dabei zweckmäßig eine Symmetrieachse der Drosselspule und/oder der Kompensationsspule sein. Dabei kann beispielsweise eine Kreissymmetrie 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. Bei einer solchen Ausführungsform kann entsprechend auch der radiale Abstand zwischen der Kryostatwand beziehungsweise den Kryostatwänden und der Kompensationsspule vorteilhaft gering gehalten werden.The choke coil and the compensation coil can generally advantageously have a common central axis. Such a coaxial arrangement is particularly useful to achieve the greatest possible compensation of the total existing magnetic field inside and outside the inductor and thus to minimize the total inductance and forces on the compensation coil. The central axis may expediently be an axis of symmetry of the choke coil and / or the compensation coil. In this case, for example, a circular symmetry of choke coil and / or compensation coil may be present, but it may also be a lower type of symmetry, for example, a two- or multiple rotational symmetry. Particularly advantageous reactor and compensation coil have the same symmetry properties. By virtue of such a similar shape, the radial distance between the choke coil and the compensation coil can advantageously be kept particularly small, in particular a uniform radial distance can be present. In such an embodiment, the radial distance between the cryostat wall or the cryostat walls and the compensation coil can be advantageously kept low accordingly.

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 REBa₂Cu₃O_x (kurz REBCO) aufweisen, wobei RE für ein Element der seltenen Erden oder eine Mischung solcher Elemente steht. Zur Abscheidung 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.The compensation coil may advantageously have a high-temperature superconducting material. High-temperature superconductors (HTS) are superconducting materials with a transition temperature above 25 K and in some classes of materials, such as cuprate superconductors, above 77 K, where the operating temperature can be achieved by cooling with cryogenic materials other than liquid helium. HTS materials are also particularly attractive because these materials can have high upper critical magnetic fields as well as high critical current densities, depending on the choice of operating temperature. The high-temperature superconductive layer may comprise, for example, magnesium diboride or an oxide-ceramic superconductor, for example a REBa ₂ Cu ₃ O _x (REBCO) compound for short, where RE stands for a rare earth element or a mixture of such elements. Metallic substrates are particularly suitable for depositing layers with REBCO compounds, since for a high quality of these superconducting layers a prestructured substrate surface is advantageous, which may optionally also be provided with one or more intermediate layers as a growth support. As an alternative to the materials mentioned but also metallic superconductors can be used in the compensation coil.

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.The compensation coil may advantageously comprise at least one annular short-circuited conductor element. This can be induced by the changing magnetic field of the choke coil in the surrounding compensation coil ring currents, which in turn compensate for the magnetic field of the choke coil. In this way, the amount of magnetic field strength is reduced in the interior of the at least one annular conductor element, which significantly reduces the inductance and thus also the impedance of the choke coil compared to a not so field compensated arrangement.

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. Die einzelnen ringförmigen Leiterelemente können dann elektrisch gegeneinander isoliert sein, sie können jedoch alternativ auch elektrisch verbunden sein. Die ringförmigen Leiterelemente können optional in axialer Richtung überlappend angeordnet sein, damit keine axialen Lücken in dem Leitermaterial der Kompensationsspule vorliegen.The compensation coil may also have a plurality of axially adjacent annular short-circuited conductor elements. By such a plurality of conductor elements can be generally achieved that even with a limited conductor width, a predetermined axial length of the compensation coil can be covered, which may be greater than the conductor width. The individual annular conductor elements may then be electrically insulated from each other, but they may alternatively be electrically connected. The annular conductor elements may optionally be arranged overlapping in the axial direction, so that there are no axial gaps in the conductor material of the compensation coil.

Allgemein kann es sich bei dem ringförmigen Leiterelement oder der Anordnung von mehreren solchen ringförmigen Leiterelementen vorteilhaft um eine Spulenanordnung mit zylindrischem Grundaufbau handeln.In general, the annular conductor element or the arrangement of a plurality of such annular conductor elements can advantageously be a coil arrangement with a cylindrical basic structure.

Die Kompensationsspule kann vorteilhaft 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 dann 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. Alternativ ist es jedoch auch möglich und kann unter Umständen vorteilhaft sein, einen geringen Widerstand im Strompfad der supraleitenden Schicht als Dämpfungsglied für Gleichstromanteile einzufügen.The compensation coil can advantageously have an annularly closed superconducting layer. An annular superconducting layer is to be understood here as meaning a continuous superconducting layer, which is closed in a ring shape by a uniform superconducting material. There should then be no additional electrical contacts in which the superconducting material is electrically connected, for example, by normally conducting materials. Instead, an annular superconducting conductor loop is already produced by the deposition of the superconducting layer. In the thus generated at least one annular and continuous over this ring superconducting conductor ring currents can be induced by the changing magnetic field of the inductor, which in turn compensate the magnetic field of the inductor, without causing ohmic losses. Alternatively, it is also possible and can under May be advantageous to insert a low resistance in the current path of the superconducting layer as a damping element for DC components.

Alternativ kann die Kompensationsspule ein supraleitendes Leitermaterial aufweisen, welches über ein supraleitendes oder normalleitendes Verbindungsstück mit einem geringen ohmschen Widerstand 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.Alternatively, the compensation coil may comprise a superconducting conductor material, which is electrically short-circuited via a superconducting or normal-conducting connector with a low ohmic resistance. In other words, the annular short-circuited conductor element can be produced by subsequently connecting the two ends of a superconducting conductor. In this case, each individual turns may be short-circuited as simple rings, or there may be a winding of several turns, the ends being short-circuited with each other. This may be, for example, a helical winding or a planar winding. The subsequent contact can be created, for example, by soldering the ends with a normal-conducting and / or superconducting material. Thus, commercially available conductor materials, for example superconducting tape conductors on a metallic substrate, can be used in a simple manner.

Die Drosselspule kann vorteilhaft in ihrem Inneren frei von einem weichmagnetischen Kern sein. Durch die Ausführung der Spuleneinrichtung mit einer supraleitenden 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 Induktivitätshub gewährleistet werden kann.The choke coil may advantageously be free from a soft magnetic core in its interior. By carrying out the coil device with a superconducting compensation coil, the choke coil can be dimensioned so that a relatively high inductance can be achieved in the event of a short circuit even without an additional soft magnetic core. In normal operation, ie in a superconducting state of the compensation coil, the inductance is nevertheless so low by the action of the compensation coil that a sufficient inductance can be ensured.

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 Induktivitätshub von beispielsweise wenigstens 4 erreicht werden kann.As an alternative to the previously described embodiment, the coil device may have a soft-magnetic core inside the choke coil in order to achieve a higher inductance of the coil device, in particular in the normally conducting state of the compensation coil. In the superconducting state of the compensation coil, the magnetic field in the region of this radially inner core is compensated so far that the inductance is kept low in this state despite the core and also in this embodiment, a large Induktivitätshub of, for example, at least 4 can be achieved.

Die Wicklung der Drosselspule ist bevorzugt aus einem normalleitenden Leiter gebildet. In diesem Fall kann die Drosselspule so angeordnet sein, dass sie durch das Kühlsystem der Spuleneinrichtung nicht mit auf die kryogene Temperatur der supraleitenden Kompensationsspule gekühlt wird, sondern dass sie sich annähernd auf dem Temperaturniveau der warmen Umgebung befindet. Alternativ ist es aber auch grundsätzlich möglich, dass die Wicklung der Drosselspule ebenfalls eine supraleitende Wicklung ist und dass auch diese durch das Kühlsystem auf eine kryogene Betriebstemperatur gekühlt wird.The winding of the choke coil is preferably formed from a normal conducting conductor. In this case, the reactor may be arranged so that it is not cooled by the cooling system of the coil means with the cryogenic temperature of the superconducting compensation coil, but that it is approximately at the temperature level of the warm environment. Alternatively, it is also possible in principle that the winding of the choke coil is also a superconducting winding and that this is cooled by the cooling system to a cryogenic operating temperature.

Allgemein kann es sich bei dem Kryostaten insbesondere um einen Badkryostaten handeln, mit anderen Worten um ein Kühlmittelgefäß für ein flüssiges kryogenes Kühlmittel. Die innerhalb des Badkryostaten angeordnete supraleitende Kompensationsspule kann dann vorteilhaft von diesem flüssigen Kühlmittel umspült werden. Bei diesem Kühlmittel kann es sich beispielsweise um verflüssigten Stickstoff, Wasserstoff, Helium oder Neon handeln. Ein solches Kühlmittelbad kann prinzipiell entweder das radial innerhalb der Kompensationsspule liegende Volumen im Wesentlichen ausfüllen oder aber die Spuleneinrichtung kann so ausgestaltet sein, dass der Badkryostat ein ringförmiges zylindrisches Kühlmittelvolumen definiert und dass ein radial innerhalb der Kompensationsspule liegender Bereich frei von Kühlmittel ist. Hierzu kann radial innerhalb der Kompensationsspule eine weitere Anordnung von einer oder mehreren Kryostatwänden vorgesehen sein, um das Kühlmittelvolumen nach innen zu begrenzen. Eine Kontaktkühlung der Kompensationsspule ohne direkten Kontakt zum Kühlmittel ist ebenfalls denkbar.In general, the cryostat may, in particular, be a bath cryostat, in other words a coolant vessel for a liquid cryogenic coolant. The arranged within the bath cryostat superconducting compensation coil can then be advantageously washed by this liquid coolant. This coolant may be, for example, liquefied nitrogen, hydrogen, helium or neon. Such a coolant bath may in principle either substantially fill the volume lying radially inside the compensation coil or else the coil device may be configured such that the bath cryostat defines an annular cylindrical coolant volume and that a region located radially inside the compensation coil is free of coolant. For this purpose, a further arrangement of one or more Kryostatwänden be provided radially within the compensation coil to limit the volume of coolant inside. A contact cooling of the compensation coil without direct contact with the coolant is also conceivable.

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 eher kurzen Drosselspulen wichtig, bei denen die axiale Ausdehnung der Drosselspule nicht größer ist als ihr Durchmesser.Advantageously, the axial extent of the compensation coil is equal to or greater than the axial extent of the choke coil. With such a configuration, the magnetic field strength can be effectively compensated also in the axial end portions of the reactor by the compensation coil. This is particularly important for rather short inductors, in which the axial extent of the inductor is not greater than its diameter.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in denen:

1 eine schematische, perspektivische Schnittdarstellung einer Spuleneinrichtung nach einem Beispiel der Erfindung zeigt,
2 bis 4 schematische Querschnitte einer Spuleneinrichtung nach weiteren Beispielen der Erfindung zeigen.

In the following, the invention will be described by means of some preferred embodiments with reference to the appended drawings, in which:

1 1 is a schematic perspective sectional view of a coil device according to an example of the invention,
2 to 4 show schematic cross-sections of a coil device according to further examples of the invention.

In 1 ist eine schematische, perspektivische Darstellung einer Strombegrenzereinrichtung 17 mit einer Spuleneinrichtung 1 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung als Halbschnitt durch das Zentrum der Spuleneinrichtung 1 gezeigt. Gezeigt ist eine auf dem äußeren Umfang angeordnete Drosselspule 3, die die weiteren gezeigten Komponenten der Spuleneinrichtung 1 radial umgibt. Diese Drosselspule 3 dient zur Begrenzung eines Kurzschlussstroms und/oder 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 100V und 1000V ausgelegt sein, alternativ kann es sich um Mittelspannungsnetze für Spannungen zwischen 1kV und 52kV oder auch um Hochspannungsnetze für Spannungen oberhalb von 52kV handeln. Die Drosselspule kann insbesondere für einen Leistungsbereich von wenigstens 250kVA, insbesondere wenigstens 400kVA oder sogar wenigstens 630kVA ausgelegt sein.In 1 is a schematic, perspective view of a current limiter device 17 with a coil device 1 according to an embodiment of the invention as a half-section through the center of the coil device 1 shown. Shown is an arranged on the outer periphery choke coil 3 showing the other components of the coil device shown 1 radially surrounds. This choke coil 3 serves to limit a short-circuit current and / or to smooth the current profile in a higher-level circuit. For this purpose, the choke coil 3 over two connections 19 connected to the circuit not shown here, in which the current I flows. This circuit can be, for example, an AC medium-voltage network, the choke coil 3 However, it can also be designed in general for other industrial or local networks. So can the choke coil 3 for example, be designed for low voltage networks with AC voltages between 100V and 1000V, alternatively, it may be medium voltage networks for voltages between 1kV and 52kV or even high voltage networks for voltages above 52kV. The choke coil can be designed in particular for a power range of at least 250 kVA, in particular at least 400 kVA or even at least 630 kVA.

Im Inneren der Drosselspule 3 ist ein Kryostat 13 angeordnet, der in diesem Beispiel als Badkryostat ausgestaltet ist und ein Kühlmittel 14 beinhaltet. Innerhalb des Kryostaten ist eine Anordnung aus mehreren supraleitenden Leiterelementen 7 angeordnet, wobei diese Leiterelemente 7 jeweils als kurzgeschlossene Ringe aus supraleitendem Bandleitermaterial 8 vorliegen. Durch das von der Drosselspule erzeugte Magnetfeld wird in den ringförmigen Leiterelementen 7 ein Ringstrom induziert. Durch die supraleitenden Eigenschaften des Bandleiters 8 fließt dieser Ringstrom nahezu verlustfrei. Durch das Kühlmittel 14 innerhalb des Kryostaten 13 werden die supraleitenden Leiterelemente 7 auf eine Betriebstemperatur unterhalb ihrer Sprungtemperatur gekühlt. Die induzierten Ringströme bewirken eine Abschirmung des Magnetfelds der Drosselspule 3 im weiter innenliegenden Bereich der Spuleneinrichtung 1. Hierdurch wird die Induktivität der Drosselspule 3 und somit die Impedanz der gesamten Spuleneinrichtung 1 im übergeordneten Stromkreis signifikant reduziert, wodurch die elektrische Blindleistung gering gehalten werden.Inside the choke coil 3 is a cryostat 13 arranged, which is configured in this example as a bath cryostat and a coolant 14 includes. Within the cryostat is an array of multiple superconducting conductor elements 7 arranged, these ladder elements 7 each as a short-circuited rings of superconducting strip conductor material 8th available. The magnetic field generated by the choke coil is in the annular conductor elements 7 induced a ring current. Due to the superconducting properties of the strip conductor 8th this ring current flows almost lossless. By the coolant 14 inside the cryostat 13 become the superconducting conductor elements 7 cooled to an operating temperature below their transition temperature. The induced ring currents cause a shielding of the magnetic field of the choke coil 3 in the further inner region of the coil device 1 , As a result, the inductance of the choke coil 3 and thus the impedance of the entire coil device 1 significantly reduced in the higher-level circuit, whereby the reactive electrical power is kept low.

Im Beispiel der 1 sind die relativen Abmessungen der einzelnen Elemente nur stark schematisch und nicht maßstabsgetreu wiedergegeben. Insbesondere liegen die Durchmesser der einzelnen zylinderförmigen Elemente sehr viel näher beieinander, als es in der schematischen 1 den Anschein hat. Dies wird aus den weiter unten folgenden Zahlenwerten deutlich.In the example of 1 The relative dimensions of the individual elements are only very schematic and not to scale reproduced. In particular, the diameters of the individual cylindrical elements are much closer together than in the schematic 1 has the appearance. This becomes clear from the numerical values below.

Bei dem in der 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist zwischen den beiden Kryostatwänden 15a und 15b ein Vakuumraum V ausgebildet. Durch dieses Isoliervakuum wird eine thermische Trennung des gekühlten Innenraums des Kryostaten 13 von der warmen äußeren Umgebung erreicht. Um den Innenraum zu kühlen, ist dieser mit dem Kühlmittel 14 befüllt.In the in the 1 shown embodiment is between the two Kryostatwänden 15a and 15b a vacuum space V is formed. By this Isoliervakuum is a thermal separation of the cooled interior of the cryostat 13 reached from the warm outside environment. To cool the interior, this is with the coolant 14 filled.

Die beiden Kryostatwände 15a und 15b sind im vorliegenden Beispiel aus Edelstahl vom Typ 304 und mit einer Wandstärke von jeweils 4 mm gebildet. Dabei bezeichnet in der 1 die Dicke d5 die Wandstärke der inneren Kryostatwand 15b und die Dicke d6 die Wandstärke der äußeren Kryostatwand 15a. Der radial zwischen den beiden Kryostatwänden ausgebildete Isolierabstand d4 soll hier 10 mm betragen.The two cryostat walls 15a and 15b are in the present example of stainless steel type 304 and formed with a wall thickness of 4 mm. This designates in the 1 the thickness d5 the wall thickness of the inner wall of the cryostat 15b and thickness d6 is the wall thickness of the outer cryostat wall 15a , The insulating distance d4 formed radially between the two cryostat walls should here be 10 mm.

Mit den oben genannten Werten für Material und Wandstärken ergibt sich für jede der beiden Kryostatwänden eine spezifische Flächenleitfähigkeit von 6,5 kS und somit für beide Kryostatwänden zusammen eine summierte spezifische Flächenleitfähigkeit von insgesamt 13 kS.With the above-mentioned values for material and wall thicknesses, a specific area conductivity of 6.5 kS results for each of the two cryostat walls, and thus a combined specific area conductivity of 13 kS for both cryostat walls.

Bei einem alternativen Beispiel für die geometrischen Abmessungen beträgt die Wandstärke d6 der äußeren Kryostatwand 15a 5mm und die Wandstärke d5 der inneren Kryostatwand 15b nur 3 mm. Auch mit dieser alternativen Aufteilung von derselben summierten Wandstärke ergibt sich eine summierte spezifische Flächenleitfähigkeit von insgesamt ebenfalls 13 kS.In an alternative example of the geometric dimensions, the wall thickness d6 is the outer cryostat wall 15a 5mm and the wall thickness d5 of the inner cryostat wall 15b only 3 mm. Even with this alternative distribution of the same summed wall thickness, there is also a summed specific area conductivity of 13 kS in total.

Der Drosselinnendurchmesser d8 beträgt in diesem weiteren Beispiel 1316 mm. Der Außendurchmesser d1 der supraleitenden Kompensationsspule beträgt 1232 mm. Der Außendurchmesser d2 der inneren Kryostatwand 15b beträgt 1248 mm, so das sich bei der gegebenen Wandstärke von d5 = 3 mm ein Innendurchmesser der inneren Kryostatwand von 1242 mm ergibt.The throttle internal diameter d8 is 1316 mm in this further example. The outer diameter d1 of the superconducting compensation coil is 1232 mm. The outer diameter d2 of the inner cryostat wall 15b is 1248 mm, so that results in the given wall thickness of d5 = 3 mm, an inner diameter of the inner cryostat wall of 1242 mm.

Der Abstand d7 zwischen Kompensationsspule 5 und innerer Kryostatwand 15b liegt in diesem Beispiel bei 4 mm. Mit den angegebenen Zahlenwerten ergibt sich ein Verhältnis zwischen dem Außendurchmesser d1 der supraleitenden Kompensationsspule 5 und dem Außendurchmesser d2 der inneren Kryostatwand 15b von 1232 mm / 1248 = 0,987. Für das Verhältnis zwischen dem Außendurchmesser d1 der supraleitenden Kompensationsspule 5 und dem Außendurchmesser d3 der äußeren Kryostatwand 15a ergibt sich bei diesem Beispiel ein Wert von 1232 mm / 1314 mm = 0,938. Der etwas höhere Isolierabstand für dieses Beispiel ergibt sich dabei aus den übrigen genannten Werten. Je niedriger der Isolierabstand gewählt wird, desto größer kann das genannte Verhältnis d1/d3 vorteilhaft werden. In Relation zu beiden Kryostatwänden 15a und 15b liegt also auch hier die Raumausfüllung der supraleitenden Kompensationsspule 5 vorteilhaft so hoch, dass die Wirbelstromverluste relativ gering ausfallen. Bei einem Betrieb der Strombegrenzereinrichtung 17 bei einem Nennstrom von 600 A und einer Netzfrequenz von 50 Hz ergibt sich mit den angegebenen Materialien und Dimensionen im supraleitenden Zustand der Kompensationsspule 5 eine Verlustleistung in der äußeren Kryostatwand 15a von etwa 800 W und eine Verlustleistung in der inneren Kryostatwand 15b von etwa 60 W. Bricht bei Überschreiten eines vorgegebenen Stromwertes im äußeren Stromkreis, also bei Eintreten eines Fehlerstromes die Supraleitung in der Kompensationsspule 5 zusammen, dann wird der Effekt der Abschirmung durch diese Kompensationsspule 5 geringer und die Wirbelstromverluste steigen auch in den Kryostatwänden an. Im normalleitenden Zustand der Kompensationsspule können dann beispielsweise in der äußeren Kryostatwand Wirbelstromverluste im Bereich von 4 MW und in der inneren Kryostatwand Wirbelstromverluste im Bereich von 2 MW entstehen. Durch diesen Effekt kann die Induktivität der Drosselspule 3 im Fehlerstromfall nicht ihren maximalen Wert erreichen, der bei Verwendung von nicht leitenden Kryostatwänden zustande käme. Im diskutierten Beispiel wird durch die Kompensationswirkung der induzierten Wirbelströme nur etwa 50 % der sonst möglichen Induktivität erreicht. Durch die Wirbelströme in den Kryostatwänden ergibt sich andererseits auch ein effektiv wirksamer resistiver Anteil der Drosselimpedanz. Durch diesen im Fehlerstromfall besonders hohen resistiven Anteil wird erreicht, dass der Impedanzhub wiederum größer wird. Durch diesen Effekt kann auch mit elektrisch leitfähigem Kryostatwänden ein Impedanzhub in dem für die Anwendung als Strombegrenzer relevanten Bereich von wenigstens 4 erreicht werden.The distance d7 between the compensation coil 5 and inner cryostat wall 15b is 4 mm in this example. The given numerical values result in a ratio between the outer diameter d1 of the superconducting compensation coil 5 and the outer diameter d2 of the inner cryostat wall 15b from 1232 mm / 1248 = 0.987. For the ratio between the outer diameter d1 of the superconducting compensation coil 5 and the outer diameter d3 of the outer cryostat wall 15a This results in a value of 1232 mm / 1314 mm = 0.938 in this example. The slightly higher insulation distance for this example results from the other mentioned values. The lower the insulation distance is chosen, the greater the said ratio d1 / d3 can become advantageous. In relation to both cryostat walls 15a and 15b So here is the space filling of the superconducting compensation coil 5 advantageous so high that the eddy current losses are relatively low. During operation of the current limiter device 17 at a rated current of 600 A and a mains frequency of 50 Hz results with the specified Materials and dimensions in the superconducting state of the compensation coil 5 a power dissipation in the outer cryostat wall 15a of about 800 W and a power dissipation in the inner cryostat wall 15b of about 60 W. Breaks when exceeding a predetermined current value in the external circuit, so when a fault current occurs, the superconductivity in the compensation coil 5 together, then the effect of shielding by this compensation coil 5 lower and the eddy current losses also increase in the Kryostatwänden. In the normal conducting state of the compensation coil, for example, eddy current losses in the range of 4 MW and in the inner cryostat wall eddy current losses in the range of 2 MW can arise in the outer cryostat wall. By this effect, the inductance of the choke coil 3 in the case of a fault current does not reach its maximum value, which would occur if non-conductive cryostat walls were used. In the example discussed, only about 50% of the otherwise possible inductance is achieved by the compensatory effect of the induced eddy currents. On the other hand, the eddy currents in the cryostat walls also result in an effectively effective resistive component of the throttle impedance. By means of this resistive component, which is particularly high in the fault current situation, it is achieved that the impedance deviation in turn increases. As a result of this effect, an impedance swing in the region of at least 4 relevant for use as a current limiter can also be achieved with electrically conductive cryostat walls.

Aufgrund der durch die Wirbelströme entstehenden Verlustleistung müssen die Kryostatwänden etwas stärker gekühlt werden als bei der Verwendung elektrisch nicht leitender Materialien. Weiterhin muss sichergestellt werden, dass die Spuleneinrichtung im Fehlerstromfall nach einer relativ kurzen Zeit vom Netz getrennt wird, damit die hohen Ströme in den leitfähigen Kryostatwänden nicht über einen längeren Zeitraum fließen. Eine Trennung der Anordnung vom Netz innerhalb von etwa 100 ms ist hier generell zweckmäßig. Dies ist aber unabhängig vom Material des Kryostaten nötig, da auch der Stromfluss in der normalleitend gewordenen Kompensationsspule nicht über einen längeren als diesen genannten Zeitraum aufrechterhalten werden sollte, um das supraleitende Material nicht zu schädigen. Die Verwendung von elektrisch leitfähigen Kryostatwänden führt hier also nicht zu einer erhöhten Anforderung an die Zeitdauer bis zur Trennung des Strombegrenzers 17 vom Netz.Due to the power dissipation caused by the eddy currents, the cryostat walls have to be cooled slightly more strongly than when using electrically non-conductive materials. Furthermore, it must be ensured that the coil device is disconnected in the fault current case after a relatively short time from the network, so that the high currents in the conductive Kryostatwänden do not flow over a longer period. A separation of the arrangement from the network within about 100 ms is generally useful here. However, this is necessary irrespective of the material of the cryostat, since the current flow in the compensation coil which has become normally conductive should not be maintained for a longer period of time than this, in order not to damage the superconducting material. The use of electrically conductive Kryostatwänden does not lead to an increased requirement for the duration until the separation of the current limiter 17 from the network.

Bei einem alternativen Materialbeispiel kann eine Titanlegierung als Material der Kryostatwände zum Einsatz kommen. Beispielsweise eignet sich hier die Legierung Ti6Al4V zusammen mit der Verwendung von Wandstärken von jeweils 5 mm für die innere und für die äußere Kryostatwand. Mit diesen Werten wird eine spezifische Flächenleitfähigkeit von 3 kS pro Kryostatwand, also einer summierten spezifischen Flächenleitfähigkeit von 6 kS für den gesamten Kryostaten 13 erreicht. Mit diesen Werten sind die Wirbelstrombeiträge noch etwas niedriger als im vorab diskutierten Beispiel und mit der entsprechenden Spuleneinrichtung kann sogar noch ein etwas höherer Impedanzhub als bei dem vorhergehenden Beispiel erreicht werden.In an alternative material example, a titanium alloy may be used as the material of the cryostat walls. For example, the alloy Ti6Al4V is suitable here together with the use of wall thicknesses of 5 mm in each case for the inner and the outer cryostat wall. With these values, a specific area conductivity of 3 kS per cryostat wall, ie a summed specific area conductivity of 6 kS for the entire cryostat, is calculated 13 reached. With these values, the eddy current contributions are still somewhat lower than in the previously discussed example, and with the corresponding coil device even a slightly higher impedance swing can be achieved than in the previous example.

2 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung im schematischen Querschnitt. Dieses Beispiel unterscheidet sich von dem der 1 im Wesentlichen durch eine leicht unterschiedliche geometrische Anordnung der supraleitenden Kompensationsspule 5 innerhalb des Kryostaten 13. Auch hier ist die supraleitende Kompensationsspule radial innerhalb der inneren von zwei ineinander geschachtelten Kryostatwänden 15a und 15b angeordnet. Ebenso ist hier zwischen diesen beiden Kryostatwänden ein Vakuumraum V mit einem Isoliervakuum vorgesehen. Die supraleitende Kompensationsspule ist hier allerdings im Unterschied zur 1 nicht als selbsttragendes Bauteil, sondern als supraleitende Beschichtung 9 direkt auf der radial innen liegenden Seite der inneren Kryostatwand 15b abgeschieden. Der radiale Abstand zwischen der supraleitenden Kompensationsspule 9 und der inneren Kryostatwand 15b liegt hier also bei Null. Hierdurch wird im Vergleich zum Beispiel der 1 sogar eine noch höhere Raumausfüllung der Kompensationsspule 5 innerhalb des Kryostaten 13 erreicht. Somit sind bei vergleichbarer übriger Dimensionierung die Wirbelstromverluste noch geringer und es kann ein höherer Impedanzhub erreicht werden. Die übrige Ausgestaltung der Spuleneinrichtung 1 ist vergleichbar mit der in 1. Insbesondere ist auch hier der Innenraum der inneren Kryostatwand 15b mit einem flüssigen Kühlmittel 14, beispielsweise flüssigem Stickstoff, gefüllt. 2 shows a further embodiment of the invention in schematic cross section. This example is different from that of 1 essentially by a slightly different geometric arrangement of the superconducting compensation coil 5 inside the cryostat 13 , Again, the superconducting compensation coil is radially inside the inner of two nested Kryostatwänden 15a and 15b arranged. Likewise, a vacuum space V with an insulating vacuum is provided here between these two Kryostatwänden. However, the superconducting compensation coil is here in contrast to 1 not as a self-supporting component, but as a superconducting coating 9 directly on the radially inner side of the inner cryostat wall 15b deposited. The radial distance between the superconducting compensation coil 9 and the inner cryostat wall 15b So here is zero. This is compared to the example of 1 even an even higher space filling of the compensation coil 5 inside the cryostat 13 reached. Thus, with comparable remaining dimensions, the eddy current losses are even lower and a higher impedance swing can be achieved. The remaining embodiment of the coil device 1 is similar to the one in 1 , In particular, here is the interior of the inner Kryostatwand 15b with a liquid coolant 14 , For example, liquid nitrogen, filled.

3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer weiteren alternativen geometrischen Anordnung der Kompensationsspule 5. Auch in diesem Beispiel ist die supraleitende Kompensationsspule 5 als supraleitende Schicht 9 direkt auf der inneren Kryostatwand 15b aufgebracht. Im Unterschied zur 2 ist die supraleitende Schicht 9 hier jedoch auf der radial außenliegenden Seite dieser Kryostatwand 15b abgeschieden. Die supraleitende Schicht 9 ist somit innerhalb des Vakuumraums V zwischen den beiden Kryostatwänden 15a und 15b angeordnet. Dadurch, dass die supraleitende Schicht 9 radial innerhalb des Hauptteils des Vakuumraums V liegt, wird auch hier eine gute thermische Trennung zwischen der supraleitenden Schicht 9 und der warmen äußeren Umgebung außerhalb der äußeren Kryostatwand 15a erreicht. Vorteilhaft bei dieser Ausführungsform ist, dass die innere Kryostatwand 15b vollständig im abgeschirmten Raum innerhalb der Kompensationsspule 5 liegt. Hierdurch werden Wirbelstromverluste in der inneren Kryostatwand 15b weitgehend vermieden. Ein zusätzlicher Vorteil ist, dass der radiale Abstand zwischen supraleitender Kompensationsspule 5 und äußerer Kryostatwand 15a durch diese Anordnung besonders gering ausgeführt werden kann. Hierdurch kann ein besonders großes Verhältnis zwischen dem Außendurchmesser der Kompensationsspule d1 und dem Außendurchmesser der äußeren Kryostatwand d3 erreicht werden. Beispielsweise kann d1 bei 1250 mm und d3 bei 1258 mm liegen, sodass das ansprechende Verhältnis dann bei 0,9936 liegt. Bei einer derart hohen Raumausfüllung der Kompensationsspule 5 innerhalb der einzigen radial außerhalb angeordneten elektrisch leitfähigen Kryostatwand sind die Wirbelstromverluste vorteilhaft besonders niedrig. 3 shows a further embodiment of the invention with a further alternative geometric arrangement of the compensation coil 5 , Also in this example is the superconducting compensation coil 5 as superconducting layer 9 directly on the inner wall of the cryostat 15b applied. In contrast to 2 is the superconducting layer 9 but here on the radially outer side of this Kryostatwand 15b deposited. The superconducting layer 9 is thus within the vacuum space V between the two cryostat walls 15a and 15b arranged. Due to the fact that the superconducting layer 9 is radially within the main part of the vacuum space V, also here is a good thermal separation between the superconducting layer 9 and the warm outside environment outside the outer cryostat wall 15a reached. An advantage of this embodiment is that the inner Kryostatwand 15b completely in the shielded space inside the compensation coil 5 lies. This causes eddy current losses in the inner cryostat wall 15b largely avoided. An additional advantage is that the radial distance between superconducting compensation coil 5 and outer cryostat wall 15a can be made particularly low by this arrangement. In this way, a particularly large ratio between the outer diameter of the compensation coil d1 and the outer diameter of the outer cryostat wall d3 can be achieved. For example, d1 can be 1250mm and d3 is 1258mm, so the responsive ratio is 0.9936. With such a high space filling of the compensation coil 5 Within the single radially outwardly arranged electrically conductive cryostat wall, the eddy current losses are advantageously particularly low.

4 zeigt ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer weiteren alternativen geometrischen Anordnung von Kompensationsspule 5 und Kryostat 13. Auch hier weist der Kryostat 13 eine äußere Kryostatwand 15a und eine innere Kryostatwand 15b auf, wobei zwischen diesen beiden Wänden wiederum ein Vakuumraum V angeordnet ist, um eine gute thermische Isolation über die doppelte Wand hinweg zu ermöglichen. Die supraleitende Kompensationsspule 5 ist hier als freitragendes Element innerhalb der inneren Kryostatwand 15b angeordnet. Es wird von einem flüssigen Kühlmittel 14 umspült, welches jedoch nicht das gesamte innen liegende Volumen, sondern nur einen ringförmigen Hohlraum zwischen der inneren Kryostatwand 15b und einer noch weiter innen liegenden dritten Kryostatwand 15c ausfüllt. Radial innerhalb der dritten Kryostatwand 15c ist noch eine vierte Kryostatwand 15d vorgesehen, die zusammen mit der dritten Kryostatwand wiederum eine doppelwandige Begrenzung ausbildet. Auch zwischen der dritten Kryostatwand 15c und der vierten Kryostatwand 15d ist wiederum ein Vakuumraum V ausgebildet, der hier zur thermischen Isolation gegenüber radial noch weiter innen liegenden Bereichen dient. Da sowohl die dritte als auch die vierte Kryostatwand innerhalb der Kompensationsspule 5 liegen, fallen in diesen beiden Wänden keine nennenswerten Wirbelstromverluste an. Es können daher alle 4 Kryostatwände 15a bis 15d aus metallischem Material gebildet sein, und nur die äußeren beiden Kryostatwände tragen im Normalbetrieb signifikant zu den elektrischen Verlusten und zum resistiven Anteil der Drosselimpedanz bei. 4 shows a further preferred embodiment of the invention with a further alternative geometric arrangement of compensation coil 5 and cryostat 13 , Again, the cryostat 13 an outer cryostat wall 15a and an inner cryostat wall 15b on, between these two walls, in turn, a vacuum space V is arranged to allow a good thermal insulation across the double wall away. The superconducting compensation coil 5 is here as a self-supporting element inside the inner wall of the cryostat 15b arranged. It is made of a liquid coolant 14 which, however, does not surround the entire internal volume, but only an annular cavity between the inner wall of the cryostat 15b and an even further inside third cryostat wall 15c fills. Radially inside the third cryostat wall 15c is still a fourth cryostat wall 15d provided, which in turn forms a double-walled boundary together with the third cryostat wall. Also between the third cryostat wall 15c and the fourth cryostat wall 15d In turn, a vacuum space V is formed, which serves here for thermal insulation with respect to radially further inner regions. Since both the third and the fourth cryostat wall within the compensation coil 5 lie no significant eddy current losses in these two walls. It can therefore all 4 cryostat walls 15a to 15d be formed of metallic material, and only the outer two Kryostatwände contribute in normal operation significantly to the electrical losses and the resistive component of the reactor impedance.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102010007087 A1 [0004]

Claims

Electric coil device (1) with a choke coil (3), - A superconducting compensation coil (5) which is disposed within the choke coil (3), and a cooling device for the superconducting compensation coil (5), wherein the cooling device comprises a cryostat (13) with at least one outer cryostat wall (15a), said outer cryostat wall (15a) being a cylindrical, continuous metallic wall disposed radially between said choke coil (3) and said superconducting compensation coil (5).

Electric coil device (1) according to Claim 1 in which the outer cryostat wall (15a) has a surface conductivity of between 2 kS and 25 kS relative to its cylindrical surface.

Electric coil device (1) according to one of Claims 1 or 2 in which the wall thickness of the outer cryostat wall (d6) is between 2 mm and 8 mm.

An electric coil device (1) according to any one of the preceding claims, wherein the outer cryostat wall (15a) is made of stainless steel or a titanium alloy.

Electrical coil device (1) according to one of the preceding claims, in which the superconducting compensation coil (5) has a circular cylindrical basic shape, - In which the outer cryostat wall (15 a) is also formed circular cylindrical - And wherein the ratio between the outer diameter (d1) of the superconducting compensation coil (5) and the outer diameter (d3) of the outer cryostat wall (15a) in the range between 0.900 and 0.999, in particular in the range between 0.930 and 0.999, more preferably in the range between 0.980 and 0.999.

Electrical coil device (1) according to one of the preceding claims, in which the cryostat (13) has an additional inner cryostat wall (15b) which is arranged radially inside the outer cryostat wall (15a).

Electric coil device (1) according to Claim 6 in which a vacuum space (V) is formed between inner cryostat wall (15b) and outer cryostat wall (15a).

Electric coil device (1) according to one of Claims 6 or 7 in which the radial distance (d4) between inner cryostat wall (15b) and outer cryostat wall (15a) is in the range between 5 mm and 50 mm.

Electric coil device (1) according to one of Claims 6 to 8th in which the radial distance (d7) between the superconducting compensation coil (5) and the inner cryostat wall (15b) is at most 20 mm.

Electric coil device (1) according to one of Claims 6 to 9 in which the superconducting compensation coil (5) has a circular cylindrical basic shape, in which the inner cryostat wall (15b) is likewise circular cylindrical, and wherein the ratio between the outer diameter (d1) of the superconducting compensation coil (5) and the outer diameter (d2 ) of the inner cryostat wall (15b) is in the range between 0.950 and 0.999, more preferably in the range between 0.980 and 0.999.

Electric coil device (1) according to one of Claims 6 to 9 , which is designed so that when operating the choke coil (3) at a mains frequency of 50 Hz and a rated current of less than 1250 A in the inner cryostat wall (15b), a power loss occurs by eddy currents of at most 100 W.

Electrical coil device (1) according to one of the preceding claims, which is designed such that during operation of the choke coil (3) at a mains frequency of 50 Hz and a rated current of up to 4000 A in the outer cryostat wall (15a) a power loss through eddy currents of at most 1000 W occurs.

Electrical coil device (1) according to one of the preceding claims, which is designed such that the ratio between the impedance of the choke coil (3) with the compensation coil (5) in the normal conducting state and the impedance of the choke coil (3) with the compensation coil (5) in the superconducting state is at least 4.

Electric coil device (1) according to one of the preceding claims, wherein the inner diameter (d8) of the choke coil (3) in the range between 0.5 m and 5 m, in particular in the range between 1 m and 2 m.

Inductive-resistive current limiting device (17) with an electrical coil device (1) according to one of the preceding claims.