-
Die vorliegende Erfindung betrifft einen induktiven supraleitenden Strombegrenzer gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs und ein entsprechendes Verfahren zum Betrieb.
-
Künftig werden für die Energieübertragung immer häufiger Hochspannungsgleichstrom-Verbindungen genutzt werden. Wenn diese Verbindungen zu Hochspannungsgleichstrom-Netzen ausgebaut werden, müssen geeignete Schalter zur Verfügung stehen, um bei Kurzschlüssen selektiv die betroffenen Leitungsteile abzutrennen. Der beim Öffnen eines mechanischen Gleichstrom-Schalters entstehende Lichtbogen muss durch technische Maßnahmen, wie beispielsweise Einspeisen eines Gegenstroms zum Erlöschen gebracht werden, da es in Gleichstromnetzen keinen natürlichen Stromnulldurchgang gibt, der den Lichtbogen zum Erlöschen bringt. Der Aufwand für den Schalter und die Maßnahmen zum Erzeugen eines künstlichen Stromnulldurchgangs steigen sehr stark mit der Größe des abzuschaltenden Stromes und der Stromanstiegsrate an. Daher muss bei einem Kurzschluss der Gesamtstrom oder die Stromanstiegsrate begrenzt werden, damit zu dem Abschaltzeitpunkt der Strom möglichst klein ist.
-
Die
DE 10 2010 007 087 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Strombegrenzung mit einer veränderbaren Spulenimpedanz. Ein derartiger Strombegrenzer weist eine supraleitende Spule im Inneren einer Drosselspule auf, wobei dadurch im Normalbetrieb die Induktivität und damit die Impedanz der Drosselspule signifikant reduziert bzw. im Begrenzungsfall die Induktivität und damit die Impedanz der Drosselspule signifikant erhöht werden können. Dies geschieht durch Ströme, die in der supraleitenden Spule induziert werden und die das Magnetfeld der Drosselspule im Normalbetrieb kompensieren. Beim deutlichen Überschreiten eines bestimmten Stromwertes eines Ansprechstromes IA, z. B. bei einem Kurzschluss, geht der Supraleiter in den normalleitenden Zustand über, wodurch sich die Induktivität der Anordnung vergrößert und den Strom begrenzt. Nach dem Abschalten des begrenzten Stroms geht der Supraleiter nach wenigen Sekunden wieder selbstständig in den supraleitenden Zustand zurück und der Normalbetrieb kann wieder aufgenommen werden. Ein besonderer Vorteil des Strombegrenzers ist seine kompakte Bauweise, so dass er sowohl für die Erstausrüstung von Energienetzwerken, als auch für die Nachrüstung bestehender Netzwerke geeignet ist.
-
Im Idealfall ist während des Normalbetriebs eines supraleitenden induktiven Strombegrenzers der Sekundärstrom Is immer direkt proportional zu dem Primärstrom Ip, wobei der Proportionalitätsfaktor A gleich dem Windungsverhältnis der primären und der sekundären Spule ist: Is = A·IP.
-
In der Praxis bewirkt aber vor allem die Tatsache, dass der Betrieb nahe der Ansprechschwelle kleine Wirkverluste im Supraleiter erzeugt, eine Abweichung des Sekundärstroms Is von seinem Sollwert A·IP, welche dazu führt, dass nach einer gewissen Betriebszeit vollkommen unbestimmt ist, welcher Abschirmstrom IS gerade noch in der sekundären supraleitenden Spule fließt und damit, bei welchem primärseitigen Stromwert IA die Schutzfunktion einsetzt.
-
Es ist Aufgabe der Erfindung, bei einer Energieübertragung mit Gleichstrom, insbesondere im Hoch- und Mittelspannungsbereich, den Stromanstieg im Kurzschlussfall zu begrenzen, ohne den Normalbetrieb zu beeinträchtigen und den Abschirmstrom auch nach einer längeren Betriebszeit definiert ist. Dies ermöglicht u. a., den Aufwand für die Schaltgeräte deutlich zu reduzieren, mittels denen Kurzschlüsse selektiv von betroffenen Leitungsteilen abgetrennt werden können.
-
Die Aufgabe wird durch einen induktiven supraleitenden Strombegrenzer gemäß dem Hauptanspruch und ein entsprechendes Verfahren gemäß dem Nebenanspruch gelöst.
-
Gemäß einem ersten Aspekt wird ein induktiver supraleitender Strombegrenzer eines primären Gleichstroms einer Gleichstromleitung, insbesondere einer Hochspannungs-Gleichstromleitung, vorgeschlagen, mit einer elektrisch in Reihe zur Gleichstromleitung geschalteten primären Drosselspule, die magnetisch an eine sekundäre supraleitende Spule gekoppelt ist, die mittels einer elektrischen Kurzschlussleitung kurzgeschlossen ist, wobei in die elektrische Kurzschlussleitung ein definierter elektrischer, insbesondere ohmscher Widerstand R2, zur Einstellung einer festen Zeitkonstante τ (= L / R₂) elektrisch geschaltet ist, mit der in einem supraleitenden Normalbetrieb unterhalb eines Ansprechstroms nach einem Ändern des primären Gleichstroms ein in der sekundären Spule erzeugter sekundärer Abschirmstrom zur Abschirmung der primären Drosselspule abklingt, wobei L die Summe von wirksamen induktiven Anteilen der Impedanzen der primären Drosselspule und der sekundären supraleitenden Spule ist.
-
Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein Verfahren zum Betrieb eines induktiven supraleitenden Strombegrenzers vorgeschlagen, wobei in einem Anfangsmodus, der durch die primäre Drosselspule fließende primäre Gleichstrom von Null bis zu einem Nennstromwert eingeschaltet wird, und der definierte elektrische Widerstand, insbesondere ohmsche Widerstand R2, zur Einstellung einer festen Zeitkonstante τ (= L / R₂) derart wirkt, dass der sekundäre Abschirmstrom mit der Zeitkonstante τ abklingt und nach einer Zeitdauer von ca. 4τ ein Nennmodus erreicht wird, in dem praktisch kein Strom in der Sekundärspule fließt.
-
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden mit den Unteransprüchen beansprucht.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann für einen Anfangsmodus mittels des einstellbaren elektrischen, insbesondere ohmschen Widerstands R2, die feste Zeitkonstante τ (= L/R2) eines Abklingens des sekundären Abschirmstromes nach einem Einschalten oder Ansteigen des primären Gleichstroms eingestellt werden.
-
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der einstellbare elektrische Widerstand, insbesondere ohmsche Widerstand R2, ein ausgewählter elektrischer Kontakt oder ein ausgewähltes metallisches Band der elektrischen Kurzschlussleitung sein.
-
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der einstellbare elektrische Widerstand, insbesondere ohmsche Widerstand R2, mittels jeweiliger widerstandsbehafteter Kontakte einzelner Windungen der sekundären supraleitenden Spule geschaffen sein.
-
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die sekundäre supraleitende Spule aus mehreren Teilspulen bestehen.
-
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die einzustellende feste Zeitkonstante τ (= L / R₂) mit einem Wert im Bereich von ca. 0,1 Sekunden bis ca. 10 Sekunden eingestellt werden.
-
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann in einem Nennmodus der primäre Gleichstrom innerhalb eines definierten Bereichs um einen Nennstromwert schwanken und die supraleitende Sekundärspule im supraleitenden Zustand verbleiben.
-
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann in einem Begrenzungsmodus die Änderung des primären Gleichstroms eine Ansprechstromschwelle und eine Ansprechstrom-Ansteigrate überschreiten und die supraleitende Sekundärsule von einem supraleitenden Zustand in einen normal leitenden Zustand schalten.
-
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der Wert eines einzustellenden elektrischen Widerstandes, insbesondere ohmschen Widerstandes R2, zur Einstellung der festen Zeitkonstante τ (= L / R₂) einen kritischen Stromwert berücksichtigen, der insbesondere vom supraleitenden Material, dem Ansprechstrom und/oder vom Wicklungsverhältnis der primären Drosselspule zur supraleitenden Sekundärspule abhängt.
-
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann in dem Nennmodus der primäre Gleichstrom um den Nennstromwert mit einer maximal zulässigen Stromänderung oder mit einer maximal zulässigen Stromänderungsrate schwanken, und in einem Begrenzungsmodus kann der primäre Gleichstrom einen Ansprechstromwert und eine Ansprechstrom-Anstiegsrate überschreiten und die primäre Drosselspule begrenzend wirken.
-
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
-
1 ein Ausführungsbeispiel eines herkömmlichen induktiven supraleitenden Strombegrenzers;
-
2 eine weitere Darstellung zum herkömmlichen induktiven supraleitenden Strombegrenzer;
-
3 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen induktiven supraleitenden Strombegrenzers;
-
4 ein Ersatzschaltbild zum ersten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen induktiven supraleitenden Strombegrenzers;
-
5 eine Darstellung von Strom-Zeit-Verläufen zur Veranschaulichung der Wirkungsweise eines erfindungsgemäßen induktiven supraleitenden Strombegrenzers.
-
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines herkömmlichen induktiven supraleitenden Strombegrenzers, der im Englischen als Superconducting Fault Current Limiter bezeichnet wird und mit SFCL abgekürzt werden kann. 1 zeigt schematisch eine Anordnung aus einer Drosselspule 1, einem Kryostat 7, der mit flüssigem Stickstoff 9 gefüllt ist, einem Kühlgerät 11 und einer Hochtemperatur-supraleitenden(HTS-)Spule 5. Ein optionaler, hier nicht eingezeichneter magnetischer (Eisen-)Kern kann im Inneren der HTS-Spule eingesetzt werden.
-
Die HTS-Spule 5 ist gemäß dieser herkömmlichen Ausführungsform als YBCO-Bandleiter mit einer, in der 1 nicht gezeigten Wicklung ausgestaltet, wobei diese Wicklung kurzgeschlossen ist. Die HTS-Spule 5 ist außerdem in dem Kyrostat 7 angeordnet, wobei ein Kühlgerät 11 den sich in ihm befindlichen und die HTS-Spule 5 umgebenden flüssigen Stickstoff 9 kühlt. Eine Ausführung mit Kontaktkühlung ohne Eintauchen in flüssigen Stickstoff ist ebenso möglich. Auf diese Weise werden die supraleitenden Eigenschaften der HTS-Spule 5 erzeugt.
-
2 zeigt schematisch eine weitere Darstellung des herkömmlichen induktiven supraleitenden Strombegrenzers gemäß 1. Die Drosselspule 1 ist hier als eine elektrisch in Reihe zu einer Gleichstromleitung geschaltete primäre Drosselspule 1 dargestellt, die magnetisch, beispielsweise mittels eines Eisenkerns, an eine sekundäre supraleitende Spule 5 gekoppelt ist, die mittels einer elektrischen Kurzschlussleitung 3 kurzgeschlossen worden ist. Der ohmsche Anteil der primären Drosselspule 1 ist mit dem ohmschen Widerstand R1 dargestellt. Der Widerstand der sekundären supraleitenden Spule 5 ist in 2 mittels der Darstellung als veränderlicher Widerstand R veranschaulicht.
-
Die als Strombegrenzungsdrossel wirkende primäre Drosselspule
1 kann vorteilhaft die Steilheit eines Stromanstiegs begrenzen, stellt aber im Normalbetrieb bei Stromänderungen eine unerwünschte Impedanz dar. Hierzu wird auf die im Einleitungsteil genannte
DE 10 2010 007 087 A1 Bezug genommen. Dort wird als konkrete Ausführungsform ein induktiver supraleitender Strombegrenzer gemäß
1 und
2 vorgeschlagen.
-
Dabei besteht ein induktiver supraleitender Strombegrenzer SFCL aus einer primären Drosselspule 1, und zwar mit oder ohne magnetischem (Eisen-)Kern, und einer kurzgeschlossenen supraleitenden Sekundärspule 5, die magnetisch möglichst gut an die primäre Drosselspule 1 angekoppelt ist. In dem Strombereich bis zu einem Nennstrom IN fließen in der sekundären supraleitenden Spule 5 immer Abschirmströme IS, welche die Induktivität L des Strombegrenzers SFCL gegenüber der der primären Drosselspule 1 (L1) drastisch reduzieren. Im Idealfall fließt in der sekundären supraleitenden Spule 5 ebenso nach langer Zeit ein dem Primärstrom IP proportionaler Strom IS = A·IP, sofern der Nennstrom IN nicht überschritten wird, wobei A das Windungsverhältnis der primären Drosselspule 1 zu der sekundären supraleitenden Spule 5 ist.
-
3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen induktiven supraleitenden Strombegrenzers. Dabei entspricht die Darstellung gemäß 3, die der 2, wobei zusätzlich in die elektrische Kurzschlussleitung 3 ein definierter elektrischer Widerstand in Ausgestaltung eines ohmschen Widerstands R2 zur Einstellung einer festen Zeitkonstante τ = L/R2 elektrisch geschaltet ist. L1 stellt die Induktivität der primären Drosselspule 1 dar. L2 stellt die Induktivität der sekundären supraleitenden Spule 5 dar. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird bei dem induktiven Strombegrenzer SFCL die sekundäre supraleitende Spule 5 nicht im Vergleich zum Stand der Technik mit einem möglichst geringen Kontaktwiderstand, sondern mit einem definierten ohmschen Widerstand R2 kurzgeschlossen. Damit klingt im Normalbetrieb der Abschirmstrom IS mit einer festen Zeitkonstante τ = L/R2 ab und das System befindet sich bei konstantem Strom im Bereich des Nennstroms IN nach kurzem Betrieb, beispielsweise im Bereich von 2 bis 5τ, in einem definierten Zustand mit vernachlässigbar kleinem Sekundärstrom IS. Dabei entspricht der Wert L im Wesentlichen der auf die Sekundärseite transformierten primärseitigen Induktivität L1.
-
4 zeigt ein elektrisches Ersatzschaltbild zu der Darstellung des Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen induktiven supraleitenden Strombegrenzers. Das Ersatzschaltbild der primären Drosselspule 1 zeigt deren ohmschen Widerstand R1 und deren Streuinduktivität Xσ1 sowie mit der verwendeten supraleitenden Spule 5 deren veränderlichen elektrischen Widerstand R und deren Streuinduktivität Xσ2. Zusätzlich ist im Strang der sekundären supraleitenden Spule 5 der erfindungsgemäß definierte ohmsche Widerstand R2 elektrisch in Serie geschaltet. Die gesamte Anordnung der Spulen weist die Hauptinduktivität Xh auf.
-
5 zeigt beispielhaft den Effekt der Stromanstiegsbegrenzung bei einem Kurzschluss. Die gestrichelte Line zeigt den Stromverlauf bei einem nicht begrenzten Kurzschluss und die durchgezogene Linie den Verlauf des begrenzten Stroms. In dem wichtigen Zeitbereich zwischen 10 und 40 ms nach Beginn des Kurzschlusses wird der abzuschaltende Strom durch den Stromanstiegsbegrenzer um ca. 40% reduziert.
-
Bei dem erfindungsgemäßen induktiven SFCL für Gleichstromanwendungen wird in den Sekundärkreis ein definierter elektrischer Widerstand R2 eingebracht. Der supraleitende Widerstand R ist unter Normalbedingungen praktisch 0 und wird groß, wenn auf der Sekundärseite der Ansprechstrom IA/A überschritten wird. Der hier ohmsche Widerstand R2 kann entweder mittels eines definiert schlechten Kontaktes beim Kurzschließen der sekundären supraleitenden Spule 5 bewirkt werden oder mittels eines zusätzlichen normal leitenden Elementes, beispielsweise eines kurzen Kupfer-, Messing- oder Stahlbandes, das zum Kurzschließen der sekundären supraleitenden Spule 5 verwendet wird. Die sekundäre supraleitende Spule 5 kann als eine herkömmliche Spule mit einer widerstandsbehafteten Verbindung zwischen den beiden Enden ausgebildet sein. Es können ebenso mehrere Teilspulen ausgebildet sein. Im Extremfall kann jede einzelne Windung mit einem widerstandsbehafteten Kontakt versehen sein.
-
Die sekundäre supraleitende Spule 5 wird erfindungsgemäß mit einem definierten Widerstand R2 versehen, so dass sich eine durch die Auslegung wählbare feste Abkling-Zeitkonstante τ im Bereich von beispielsweise 0,1 bis 10 Sekunden ergibt. Damit ist die Zeitabhängigkeit des Abschirmstromes IS bekannt und das Verhalten vorhersagbar. Insbesondere ist jeweils nach wenigen Sekunden Betrieb bei konstantem Primärstrom IP sichergestellt, dass der Sekundärstrom IS praktisch 0 ist und die Stromanstiegsbegrenzung anspricht, wenn sich der Betriebsstrom innerhalb kurzer Zeit um mehr als die zulässige Ansprechstromschwelle ΔIA ändert.
-
In der Regel wird der Ansprechstrom IA so gewählt werden, dass er mindestens so groß wie der Nennstrom IN ist. Damit ist gewährleistet, dass eine schnelle Stromänderung von 0 auf IN ohne Stromanstiegsbegrenzung möglich ist. Es ist aber denkbar, dass in einem System der Primärstrom IP im Normalmodus lediglich wenig schwankt oder sich lediglich in kleinen Schritten ΔIP ändert und dann jeweils einige Zeit konstant bleibt. In diesem Fall kann der Ansprechstrom IA des Stromanstiegsbegrenzers auf die maximale Stromschwankung ΔImax im Normalmodus ausgelegt werden.
-
Da der Bedarf an Hochtemperatur-supraleitenden Materialien eines Stromanstiegsbegrenzers SFCL direkt proportional zum Ansprechstrom IA ist, würde in diesem Fall der Materialbedarf deutlich kleiner und der Begrenzer kompakter und preisgünstiger sein. Außerdem würde die Stromanstiegsbegrenzung im Fall eines Kurzschlusses deutlich früher ansprechen. Zum Vergleich muss ein resistiver supraleitender Strombegrenzer immer einen Ansprechstrom IA > IN besitzen. Als Voraussetzung für einen reduzierten Ansprechstrom IA ist eine definierte, geringe Stromänderungsschwelle ΔIP und eine definierte, geringe Stromänderungsrate ΔIP/t im Nennmodus und im Anfangsmodus der Hochspannungsgleichstrom-Anlage erforderlich.
-
Kern der Anmeldung ist der zusätzliche Widerstand auf der Sekundärseite, der sich auf mehrere Aspekte im Normalbetrieb und im Begrenzungsverhalten auswirkt.
-
Nachfolgend eine weitere Erläuterung des Verhaltens des Strombegrenzers:
Annahme: Primär- und Sekundär-Spule sind ideal gekoppelt und haben gleiche Windungszahlen und folglich dieselbe Induktivität L.
Der Supraleiter hat einen kritischen Strom Ic, der Widerstand in der Sekundärseite ist R2, damit ist die Zeitkonstante Tau = L/R2.
Es gibt dann eine kritische Stromanstiegsrate (dI/dt)k = R2 × Ic/L.
Wenn sich ausgehend von einem stabilen Zustand (Sekundärstrom = 0) der Strom langsamer als mit (dI/dt)k ändert spricht der Begrenzer nicht an, egal wie groß der Primärstrom wird, da der Strom im Supraleiter immer kleiner als Ic ist.
Wenn sich der Strom schneller als (dI/dt)k ändert, spricht der Begrenzer an, wenn sich der Strom um mehr als einen Schwellwert delta I ändert. Dieser Schwellwert hängt von der Stromanstiegsrate dI/dt ab:
wenn dI/dt unendlich groß ist (Stufenfunktion), ist delta I = Ic, wenn dI/dt kleiner wird, nimmt delta I zu und bei dI/dt = (dI/dt)k wird delta I unendlich.
-
Die Begrenzung spricht lediglich an, wenn der Strom schneller als mit (dI/dt)k ansteigt und sich um mehr als delta I ändert, wobei bei sehr schnellen Änderungen delta I = Ic ist und bei kleinerem dI/dt immer größer und bei dI/dt = (dI/dt)k schließlich unendlich wird. Durch die Wahl von R2 werden die Abklingzeit Tau und die kritische Stromanstiegsrate bestimmt und durch die Wahl von Ic werden die kritische Stromanstiegsrate (dI/dt)k und der Schwellwert delta I bestimmt.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102010007087 A1 [0003, 0029]
