DE102017217524A1 - Strombegrenzereinrichtung und Verfahren zur Fehlerfall-Bestimmung - Google Patents

Abstract

Es wird eine Strombegrenzereinrichtung (17) angegeben, umfassend
- eine elektrische Spuleneinrichtung (1) mit einer Drosselspule (3) mit zwei elektrischen Anschlüssen (19), über welche die Spuleneinrichtung (1) mit einem übergeordneten Stromkreis verbindbar ist und einer supraleitenden Kompensationsspule (5), die innerhalb der Drosselspule (3) angeordnet ist,
sowie
- einen Leistungsschalter (31), welcher elektrisch mit einem der Anschlüsse (19) der Drosselspule (3) verbunden ist,
- eine Detektionsvorrichtung (33a,33b,33c,33d), mit der eine physikalische Größe gemessen werden kann, mittels derer das Eintreten eines Fehlerfalls im übergeordneten Stromkreis bestimmbar ist,
- und eine Steuervorrichtung (35), welche mit der Detektionsvorrichtung (33a,33b,33c,33d) und dem Leistungsschalter (31) verbunden ist, und mittels derer bei Überschreiten eines vorgegebenen Schwellwerts (H_S1,H_S2) der physikalischen Größe (H) der Leistungsschalter (31) geöffnet werden kann.
Weiterhin wird ein Verfahren zur Bestimmung eines Begrenzungsereignisses mit einer solchen Strombegrenzereinrichtung angegeben.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Strombegrenzereinrichtung, umfassend eine elektrische Spuleneinrichtung mit einer Drosselspule mit zwei elektrischen Anschlüssen, über welche die Spuleneinrichtung mit einem übergeordneten Stromkreis verbindbar ist, und einer oder mehreren supraleitenden Kompensationsspulen, die innerhalb der Drosselspule angeordnet ist bzw. sind. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung eines Fehlerfalls in einer solchen Strombegrenzereinrichtung.
• 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.
• 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 Energieeinspeisern, von immer größerer Bedeutung ist. Konventionelle Drosselspulen haben jedoch eine negative Auswirkung auf die Netzstabilität im Normalbetrieb und sie bewirken Impedanzverluste. 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 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 durch Verringerung der Abschirmwirkung, wodurch der Strom automatisch begrenzt wird, ohne dass hierzu ein zusätzlicher Schalter benötigt wird. Dieser Übergang in den normalleitenden Zustand wird auch als Quenchen bezeichnet. Wird der Stromwert, bei dem das Quenchen ausgelöst wurde, nach Behebung des Fehlerfalls wieder für einen gewissen Zeitraum unterschritten, dann geht der Supraleiter wieder selbstständig in den supraleitenden Zustand zurück und der Normalbetrieb kann wieder aufgenommen werden.
• Eine Schwierigkeit bei der Nutzung eines derartigen induktiven Strombegrenzers ist, dass sich die supraleitende Kompensationsspule beim Quench-Vorgang und insbesondere in dem danach vorliegenden normalleitenden Zustand stark aufheizt und dadurch geschädigt werden kann. Wenn nämlich der Fehlerfall in dem übergeordneten Stromnetz über längere Zeit erhalten bleibt, dann wird zwar der insgesamt fließende Strom mit dem induktiven Strombegrenzer durch dessen nun höhere Induktivität auf einen vom Stromnetz noch tolerierbaren Wert begrenzt werden. Allerdings fließt auch in der Kompensationsspule, die in diesem Zustand normalleitend ist, ein vergleichsweise hoher Ringstrom. Durch die ohmschen Verluste bei diesem Stromfluss kann sich das supraleitende Material auf vergleichsweise hohe Temperaturen erwärmen und der Supraleiter kann hierdurch geschädigt oder zerstört werden.
• Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Strombegrenzereinrichtung anzugeben, welche die genannte Schwierigkeit überwindet. Insbesondere soll eine Strombegrenzereinrichtung zur Verfügung gestellt werden, bei der im Fehlerfall die supraleitende Kompensationsspule wirksam vor einer thermischen Schädigung geschützt ist. Eine weitere Aufgabe ist es, ein Verfahren zur Bestimmung eines Fehlerfalls in einer solchen Strombegrenzereinrichtung anzugeben.
• Diese Aufgaben werden durch die in Anspruch 1 beschriebene Strombegrenzereinrichtung und das in Anspruch 11 beschriebene Verfahren gelöst.
• Die erfindungsgemäße Strombegrenzereinrichtung weist eine elektrische Spuleneinrichtung auf. Diese Spuleneinrichtung umfasst eine Drosselspule mit zwei elektrischen Anschlüssen, über welche die Spuleneinrichtung mit einem übergeordneten Stromkreis verbindbar ist, und wenigstens eine supraleitende Kompensationsspule, die innerhalb der Drosselspule angeordnet ist. Die Strombegrenzereinrichtung umfasst ferner einen Leistungsschalter, welcher elektrisch mit einem der Anschlüsse der Drosselspule verbunden ist, und eine Detektionsvorrichtung, mit der eine physikalische Größe gemessen werden kann, mittels derer das Eintreten eines Fehlerfalls im übergeordneten Stromkreis bestimmbar ist. Die Strombegrenzereinrichtung umfasst weiterhin eine Steuervorrichtung, welche mit der Detektionsvorrichtung und dem Leistungsschalter verbunden ist, und mittels derer bei Überschreiten eines vorgegebenen Schwellwerts der physikalischen Größe der Leistungsschalter geöffnet werden kann.
• Diese Strombegrenzereinrichtung ist insbesondere eine Einrichtung zur induktiven Strombegrenzung. Dabei ist die Spuleneinrichtung über die beschriebenen Anschlüsse mit einem übergeordneten Stromkreis verbindbar, in dem der elektrische Strom beispielsweise bei Eintreten eines Fehlerfalls auf einen von dem Stromkreis noch tolerierbaren Strom begrenzt werden soll. Der übergeordnete Stromkreis ist dabei aber nicht Teil der elektrischen Spuleneinrichtung oder der Strombegrenzereinrichtung.
• Ein wesentlicher Vorteil der beschriebenen Strombegrenzereinrichtung ist, dass das Eintreten eines Fehlerfalls mittels der Detektionsvorrichtung detektiert werden kann, und dass bei einer derartigen Detektion eines Fehlerfalls durch das Zusammenwirken von Detektionsvorrichtung, Steuervorrichtung und Leistungsschalter der Stromfluss durch die Drosselspule automatisch und schnell unterbunden werden kann. Als Folge dieser automatischen Trennung der Drosselspule von dem Stromkreis wird auch der in der normalleitenden Kompensationsspule fließende Strom schnell unterbunden. So werden eine zu starke Erwärmung des Supraleitermaterials und eine entsprechende thermische Schädigung vorteilhaft vermieden. Die Drosselspule würde zwar den durch den induktiven Strombegrenzer begrenzten Wert des Stroms auch über längere Zeit tolerieren können, die Kompensationsspule verträgt diesen Betriebsmodus jedoch nur über einen sehr kurzen Zeitraum. Die Erfindung beruht daher auf der Erkenntnis, dass es zum Schutz der Kompensationsspule vorteilhaft ist, den bereits begrenzten Strom in der Drosselspule frühzeitig auszuschalten, auch wenn die Drosselspule diesen Strom tolerieren könnte.
• Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Bestimmung eines Begrenzungsereignisses mittels einer erfindungsgemäßen elektrischen Strombegrenzereinrichtung. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
• - Messung einer physikalischen Größe mit der Detektionsvorrichtung, wobei mittels dieser Größe das Eintreten eines Fehlerfalls im übergeordneten Stromkreis bestimmbar ist,
• - Öffnen des Leistungsschalters bei Überschreitung eines vorgegebenen Schwellwerts für die physikalische Größe. Unter dem genannten „Begrenzungsereignis“ soll ein Ereignis verstanden werden, welches zur Auslösung des Strombegrenzers führt, also hier vor allem ein Fehlerfall in dem übergeordneten Stromnetz. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich analog zu den oben beschriebenen Vorteilen der erfindungsgemäßen Strombegrenzereinrichtung.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den von den Ansprüchen 1 und 11 abhängigen Ansprüchen sowie der folgenden Beschreibung hervor. Dabei können die beschriebenen Ausgestaltungen der Strombegrenzereinrichtung und des Verfahrens vorteilhaft miteinander kombiniert werden.
• Allgemein vorteilhaft umfasst die Strombegrenzereinrichtung zusätzlich einen Kryostaten, in dem die supraleitende Kompensationsspule angeordnet ist. Ein Kryostat ist ein Kühlgefäß, welches insbesondere die Kompensationsspule umschließt und diese so gegen eine wärmere äußere Umgebung thermisch isolieren kann. Um die supraleitende Kompensationsspule beim Betrieb der Spuleneinrichtung auf eine kryogene Betriebstemperatur unterhalb der Sprungtemperatur des supraleitenden Materials zu kühlen, kann die Strombegrenzereinrichtung insgesamt eine Kühleinrichtung umfassen, wobei der genannte Kryostat Teil dieser übergeordneten Kühleinrichtung ist. Die Betriebstemperatur kann beispielsweise in einem Bereich von 90 K oder tiefer, insbesondere in einem Bereich von 77 K oder tiefer liegen. Der Kryostat kann beispielsweise als Badkryostat ausgestaltet sein und mit einem flüssigen Kühlmittel befüllbar sein. Die supraleitende Kompensationsspule kann dann so angeordnet sein, dass sie von diesem flüssigen Kühlmittel umspült wird. Bei dem Kühlmittel kann es sich beispielsweise um flüssigen Stickstoff handeln.
• Der Kryostat kann allgemein als doppelwandiges Gefäß mit einem Vakuumraum zwischen innerer und äußerer Kryostatwand ausgestaltet sein.
• Besonders vorteilhaft ist die Detektionsvorrichtung dazu ausgestaltet, das Eintreten eines Fehlerfalls ohne eine elektrische Messung an der supraleitenden Kompensationsspule zu detektieren. Mit anderen Worten soll die Messung, mit der der Fehlerfall detektiert wird, keine Strom- oder Spannungsmessung an der Kompensationsspule beinhalten. Ein wesentlicher Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass vor allem bei der Anordnung der Kompensationsspule innerhalb eines Kryostaten keine elektrische Durchführung in die tiefkalte Umgebung der Kompensationsspule benötigt wird.
• Besonders bevorzugt ist die Detektionsvorrichtung ohne eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Inneren des Kryostaten und dem Äußeren des Kryostaten ausgestaltet. Unter dem Inneren des Kryostaten soll hier bei einer doppelwandigen Ausführung der von der inneren Kryostatwand begrenzte Raum verstanden werden. Entsprechend soll unter dem Äußeren des Kryostaten die Umgebung außerhalb der äußeren Kryostatwand verstanden werden. Bei dieser Ausführungsform soll daher eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Äußeren des Kryostaten und einem Bereich im Spalt zwischen den beiden Kryostatwänden explizit nicht ausgeschlossen sein. Es soll jedoch vorteilhaft keine direkte leitende Verbindung zwischen dem Inneren und dem Äußeren des Kryostaten vorliegen. Hierdurch wird erreicht, dass die thermischen Verluste gering gehalten werden können, da für die Messung keine zusätzliche Wärmebrücke für die Messung zwischen Innerem und Äußerem eingeführt werden muss. Dies bringt den weiteren Vorteil mit sich, dass der Kryostat, wenn er ohne entsprechende Durchführungen ausgestaltet werden kann, konstruktiv sehr einfach gehalten werden kann.
• Besonders vorteilhaft kann die Detektionsvorrichtung sogar so ausgestaltet sein, dass sie ausschließlich außerhalb des Kryostaten angeordnet ist. Bei dieser Ausführungsform entfällt jegliche Durchführung durch die Wände des Kryostaten (also auch eine Durchführung von außen bis hin zum Spalt zwischen den Wänden), was die thermischen Verluste noch weiter reduziert und eine einfachere Ausgestaltung des Kryostaten erlaubt.
• Alternativ zu einer vollständig außerhalb des Kryostaten angeordneten Ausführungsart der Detektionsvorrichtung kann diese aber auch zumindest teilweise innerhalb des Kryostaten oder im Bereich zwischen zwei Kryostatwänden angeordnet sein. Bei dieser Ausführungsform ist es besonders bevorzugt, wenn die Verbindung zwischen diesem innenliegenden Teil der Detektionsvorrichtung und der Steuervorrichtung (oder die Verbindung zwischen innenliegendem Teil und einem optional vorliegenden außen liegenden Teil der Detektionsvorrichtung) kabellos ausgestaltet ist. Durch eine derartige kabellose Übertragung des Messsignals kann auch bei dieser Variante die Notwendigkeit einer elektrischen Durchführung zwischen dem Inneren und dem Äußeren des Kryostaten vorteilhaft vermieden werden.
• Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann die Detektionsvorrichtung einen Sensor zur Bestimmung einer magnetischen Größe, beispielsweise der magnetischen Flussdichte und/oder magnetischen Feldstärke umfassen. Beispielsweise kann es sich bei einem solchen magnetischen Sensor um einen Hallsensor handeln. Ein allgemeiner Vorteil einer derartigen magnetischen Messung ist, dass sie auf einfache Weise eine Überwachung des Eintretens eines Fehlerfalls ermöglicht, ohne dass hierfür eine elektrische Kontaktierung der supraleitenden Kompensationsspule nötig ist. Die Detektion des Fehlerfalls über eine magnetische Messung ist außerdem sehr zuverlässig, da durch das Fließen eines hohen Fehlerstroms im Inneren der Drosselspule auch ein starkes magnetisches Feld induziert wird. So kann durch das Überschreiten eines Schwellwerts für die magnetische Größe im Inneren der Drosselspule leicht der Fehlerfall nachgewiesen werden. Eine solche magnetische Messung ist weiterhin relativ genau im Vergleich zu anderen Arten der Detektion, da hier keine elektrische Messung im Bereich von elektrischen Komponenten nötig ist, die auf Hochspannung oder Mittelspannungs-Niveau liegen.
• Ein derartiger magnetischer Sensor kann beispielsweise in einem Zwischenraum zwischen der Drosselspule und der supraleitenden Kompensationsspule angeordnet sein. Insbesondere kann ein solcher Sensor sogar im Zwischenraum zwischen einer inneren und einer äußeren Kryostatwand angeordnet sein. Eine derartige Anordnung ist besonders vorteilhaft, da so für den Sensor kein zusätzlicher radialer Platz benötigt wird. Weiterhin wird keine Stromzuführung durch die gesamte doppelwandige Kryostatwand benötigt. Eine Signalübertragung zwischen dem magnetischen Sensor und der Steuervorrichtung kann entweder kabellos oder mittels einer Durchführung, die nur durch die äußere Kryostatwand führt, erfolgen. Alternativ ist es jedoch prinzipiell auch möglich, einen magnetischen Sensor im Inneren der Kompensationsspule anzuordnen, da sich auch hier im Fehlerfall starke Änderungen der gemessenen magnetischen Größe ergeben. Insbesondere beim Quenchen der Kompensationsspule ergibt sich eine starke Änderung der magnetischen Feldstärke in dem innerhalb der Kompensationsspule liegenden Bereich, da dann die Abschirmwirkung dieser Kompensationsspule aufgrund der verminderten Stromtragfähigkeit abrupt abnimmt.
• Alternativ oder zusätzlich zur beschriebenen Ausgestaltung mit einem magnetischen Sensor kann die Detektionsvorrichtung wenigstens eine Spannungsmessvorrichtung umfassen, mittels derer eine Potentialdifferenz zwischen den beiden Anschlüssen der Drosselspule ermittelbar ist. Insbesondere können hierzu zwei Spannungsmessvorrichtungen vorliegen, die jeweils für einen der beiden Anschlüsse mittels eines Spannungsteilers dessen Potenzial im Vergleich zum Erdpotential bestimmen. Aus der Differenz der beiden so gemessenen Signale kann dann die Potentialdifferenz zwischen den beiden Anschlüssen der Drosselspule ermittelt werden. Durch die Messung dieser Spannungsdifferenz kann der Fehlerfall im übergeordneten Stromkreis leicht ermittelt werden, da durch das Quenchen der supraleitenden Kompensationsspule eine starke Erhöhung der Impedanz der Drosselspule bewirkt wird, was zu einem schnellen Anstieg der Potentialdifferenz zwischen den beiden Anschlüssen führt. Durch Überschreiten eines vorgegebenen Schwellwertes für die Potentialdifferenz kann dann mittels der Steuervorrichtung der Leistungsschalter geöffnet werden, um die Spuleneinrichtung und insbesondere die Kompensationsspule vor weiterer Belastung zu schützen. Ein besonderer Vorteil der Messung der Potentialdifferenz zwischen den Anschlüssen liegt darin, dass hier gar keine elektrische Verbindung in die kalte Umgebung der Kompensationsspule benötigt wird. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass hierfür kein Sensor in dem eng begrenzten Bereich zwischen Drosselspule und Kompensationsspule benötigt wird.
  Alternativ oder zusätzlich zu den beschriebenen Ausgestaltungen der Detektionsvorrichtung kann diese auch eine Strommessvorrichtung umfassen, mittels derer ein durch die Drosselspule fließender Strom gemessen werden kann. Auch bei dieser Ausführungsform ist vorteilhaft keine elektrische Verbindung in die kryogene Umgebung der supraleitenden Kompensationsspule nötig, und es wird kein zusätzlicher Platz im eng begrenzten Bereich zwischen Drosselspule und Kompensationsspule benötigt. Ein weiterer Vorteil im Vergleich zur Variante der Spannungsmessung ist, dass hier eine größere Genauigkeit in der Detektion des Fehlerfalls erreicht werden kann, da der in der Drosselspule fließender Strom direkt gemessen werden kann und nicht erst aus der Differenz zweier Messsignal (wie bei der Spannung) ermittelt werden muss.
• Alternativ oder zusätzlich zu den bisher beschriebenen Ausgestaltungen der Detektionsvorrichtung kann diese auch eine Temperaturmessvorrichtung umfassen, mittels derer eine Temperatur im Bereich der supraleitenden Kompensationsspule messbar ist. So kann die Detektionsvorrichtung beispielsweise ein thermisch an die Kompensationsspule angekoppeltes Thermoelement aufweisen. Dieses kann entweder über eine elektrische Durchführung durch den Kryostaten mit einer außerhalb des Kryostaten angeordneten Steuervorrichtung verbunden sein oder aber das Thermoelement kann zur kabellosen Signalübertragung des gemessenen Signals zur Steuervorrichtung ausgestaltet sein. Ein wesentlicher Vorteil der Temperaturmessmethode ist, dass mit dieser das Quenchen der supraleitenden Kompensationsspule besonders genau detektiert werden kann, da das Quenchen die Temperatur dieser Spule besonders stark und direkt beeinflusst. Weiterhin ist die Temperatur der Kompensationsspule die kritische Messgröße, die besonders eng mit der hier zu vermeidenden thermischen Schädigung des Supraleitermaterials verknüpft ist. Daher ist dies auch eine besonders geeignete Messgröße, um den Zustand der Kompensationsspule zu überwachen und durch rechtzeitiges Trennen der Drosselspule vom Stromkreis (durch Öffnen des Leistungsschalters) eine potentielle Schädigung zu vermeiden.
• Gemäß einer allgemein besonders bevorzugten Ausführungsform (unabhängig von der genauen Messmethode) sind Detektionsvorrichtung, Steuervorrichtung und Leistungsschalter so ausgestaltet, dass nach Auftreten eines Quench-Falls eine Zeitdauer von höchstens 200 ms bis zur Öffnung des Leistungsschalters benötigt wird. Insbesondere kann diese Zeitdauer sogar bei nur 40 ms liegen. Um eine Trennzeit in einem der genannten Bereiche zu ermöglichen, muss sowohl die Messung durch die Detektionsvorrichtung, die Steuerung durch die Steuervorrichtung als auch die Öffnung des Leistungsschalters jeweils ausreichend schnell erfolgen. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird eine Öffnung des Schalters (und somit eine Trennung der Drosselspule) innerhalb der angegebenen Trennzeit erreicht.
• Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die supraleitende Kompensationsspule eine ringförmig geschlossene Kurzschlussspule oder eine Mehrzahl solcher Kurzschlussspulen. Beispielsweise kann die supraleitende Kompensationsspule eine zylinderförmige Grundform, insbesondere eine kreiszylindrische Form, aufweisen. Wenn mehrere ringförmig geschlossene Kurzschlussspulen vorliegen, können diese beispielsweise entlang einer Zylinderachse (oder allgemein einer zentralen Achse der Spuleneinrichtung) gestapelt angeordnet sein können.
• Auch bei dem Verfahren ist es allgemein besonders bevorzugt, dass die Messung der physikalischen Größe entweder außerhalb des Kryostaten oder im Bereich zwischen den Kryostatwänden erfolgt. Die Vorteile einer solchen Ausführungsform des Verfahrens ergeben sich analog zu den Vorteilen der entsprechenden Ausführungsformen der Strombegrenzereinrichtung.
• Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens kann die gemessene physikalische Größe eine magnetische Größe sein. Alternativ oder zusätzlich kann die gemessene physikalische Größe eine Potentialdifferenz zwischen den beiden Anschlüssen der Drosselspule sein. Alternativ oder zusätzlich kann die gemessene physikalische Größe eine Temperatur im Bereich der (wenigstens einen) supraleitenden Kompensationsspule sein. Alternativ oder zusätzlich kann die gemessene physikalische Größe ein durch die Drosselspule fließender Strom sein.
• Allgemein kann der vorgegebene Schwellwert für die physikalische Größe, bei dessen Überschreitung der Leistungsschalter geöffnet wird, beispielsweise im Bereich zwischen einem 1,05-fachen und einem 1,5-fachen des entsprechenden Wertes beim Nennstrom des übergeordneten Stromkreises sein. Insbesondere kann der Schwellwert im Bereich zwischen einem 1,05-fachen und einem 1,2-fachen des entsprechenden Wertes beim Nennstrom liegen. Ein derartiger Schwellwert kann beispielsweise für die gemessene magnetische Größe, die gemessene Potentialdifferenz, den gemessenen Strom und/oder die gemessene Temperatur gesetzt werden. Bei der gemessenen Potentialdifferenz und/oder der gemessenen Temperatur kann der Schwellwert auch vorteilhaft noch höher als im genannten Bereich gesetzt werden, beispielsweise im Bereich zwischen einem 1,5-fachen und einem 3-fachen oder im Bereich zwischen einem 3-fachen und einem 10-fachen des entsprechenden Wertes bei Nennstrom, da diese beiden Größen sich beim Eintreten eines Quench-Falles besonders stark verändern.
• Nachfolgend wird die Erfindung anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in denen:
• 1 eine schematische, perspektivische Schnittdarstellung einer Spuleneinrichtung von einer Strombegrenzereinrichtung nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt,
• 2 eine schematische Darstellung der magnetischen Feldstärke einer solchen Spuleneinrichtung im Normalbetrieb und im Fehlerfall zeigt und
• 3 eine schematische Schnittdarstellung einer Strombegrenzereinrichtung mit verschiedenen Ausgestaltungen der Detektionsvorrichtung zeigt.
• In 1 ist eine schematische, perspektivische Darstellung einer Spuleneinrichtung 1 von einer Strombegrenzereinrichtung 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 sowie zur Glättung des Stromverlaufs in einem übergeordneten Stromkreis. Hierzu ist die Drosselspule 3 über zwei Anschlüsse 19 mit dem hier nicht näher gezeigten Stromkreis verbunden, in dem der Strom I fließt. Bei diesem Stromkreis kann es sich beispielsweise um ein Wechselspannungs-Mittelspannungsnetz handeln, die Drosselspule 3 kann jedoch auch ganz allgemein für andere Industrie- oder Ortsnetze ausgelegt sein. So kann die Drosselspule 3 beispielsweise für Niederspannungsnetze 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.
• Im Inneren der Drosselspule 3 ist ein Kryostat 13 angeordnet, der in diesem Beispiel als Badkryostat mit einer inneren Kryostatwand 15a und einer äußeren Kryostatwand 15b ausgestaltet ist und ein Kühlmittel 14 beinhaltet. Zwischen den beiden Kryostatwänden 15a, 15b ist hier zur besseren thermischen Isolation ein Vakuumraum V vorgesehen. Innerhalb des Kryostaten ist eine supraleitende Kompensationsspule 5 angeordnet. Diese Kompensationsspule umfasst im gezeigten Beispiel eine axial gestapelte Anordnung aus mehreren supraleitenden Leiterelementen 7, 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 jeweils 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 innen liegenden Bereich der Spuleneinrichtung 1.
• Dieser Effekt ist schematisch in der 1 im unten abgebildeten Diagramm dargestellt. Es zeigt den Verlauf der magnetischen Feldstärke H in Abhängigkeit von der radialen Position r. Dabei gibt die durchgezogene Linie H_N die magnetische Feldstärke bei Normalbetrieb wieder, also beispielsweise bei Vorliegen von Nennstrom im übergeordneten Stromkreis. Bei großen Werten des Radius r, die weit außerhalb der Drosselspule 3 liegen, ist die magnetische Feldstärke nahezu null. Im radial äußeren Bereich der Drosselspule wird die Feldstärke betragsmäßig groß, im Inneren der Drosselspule erfährt sie dann einen Nulldurchlauf und steigt zum radial innenliegenden Bereich der Drosselspule wieder auf ihren maximalen Wert H₁ an. Durch die in diesem Beispiel elektrisch nichtleitende Ausführung der Kryostatwände bleibt die magnetische Feldstärke im Inneren der Drosselspule zunächst relativ konstant bei dem Wert H₁ , wird jedoch dann durch die abschirmende Wirkung der ringförmig geschlossenen Leiterelemente 7 wieder auf einen Wert nahe null reduziert. Es ergibt sich also eine sehr weitgehende Kompensation des Magnetfeldes in einem radial 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 elektrischen Verluste gering gehalten werden. Ohne den abschirmenden Effekt der supraleitenden Kompensationsspule 5 würde das Magnetfeld im radial innen liegenden Bereich weiterhin in etwa den Wert H₁ beibehalten, wie durch die gestrichelte Linie angedeutet.
• 2 zeigt ebenfalls eine schematische Darstellung der magnetischen Feldstärke einer solchen Spuleneinrichtung, ähnlich wie im unteren Teil der 1. Neben der magnetischen Feldstärke im Normalbetrieb H_N ist hier zum Vergleich auch die magnetische Feldstärke im Fehlerfall H_F gezeigt. Auch hier ist jeweils die magnetische Feldstärke H gegen den Radius r aufgetragen.
• Entsteht im übergeordneten Stromnetz ein Fehlerfall, dann steigt einerseits der Strom I in der Drosselspule 3 stark an und andererseits steigt der in der Kompensationsspule 5 induzierte Strom ebenfalls stark an. Wird die Stromtragfähigkeit des Supraleiters durch den in der Kompensationsspule 5 induzierten Ringstrom überschritten, dann es kommt es wie oben beschrieben zu einem Quenchen des Supraleiters. Das sich insgesamt für diesen Fehler-Zustand ergebende Magnetfeld H_F ist in 2 als Funktion des Radius gezeigt. Bei den größeren Werten von r, die insgesamt oberhalb des Radius der Kompensationsspule liegen, entspricht der Kurvenverlauf H_F in etwa einer insgesamt gespreizten (also betragsmäßig vergrößerten) Variante der Kurve H_N . Dabei liegt der Nulldurchlauf an einer ähnlichen Stelle, nämlich radial gesehen etwa in der Mitte der Drosselspule 3. In dem Bereich, der radial zwischen der Drosselspule 3 und der Kompensationsspule 5 liegt wird auch hier etwa ein Plateau erreicht, das höher liegt als das entsprechende Plateau der Kurve H_N . Zur Detektion des Fehlerfalls kann also in diesem radialen Bereich ein magnetischer Sensor angeordnet werden. Beispielsweise kann dies an einer ersten radialen Position P1 erfolgen, welche beispielsweise im Spalt zwischen der inneren Kryostatwand 15a und der äußeren Kryostatwand 15b liegen kann. Ein in dieser ersten radialen Position P1 angebrachter magnetischer Sensor kann beispielsweise überwachen, ob ein in diesem Bereich gemessenes Magnetfeld H einen ersten Schwellwert H_S1 überschreitet. Ist dies der Fall, dann kann durch das Sensorsignal eine Öffnung des in der Strombegrenzereinrichtung enthaltenen Leistungsschalters ausgelöst werden.
• Auch die Kurve H_F fällt im Bereich der Kompensationsspule 5 ähnlich wie die Kurve H_N relativ steil ab, da auch die nun normalleitenden Leiterelemente 7 noch eine gewisse Kompensationswirkung entfalten. Abhängig von dem genauen Leitermaterial kann die Stärke dieses Abfalls äußerst unterschiedlich sein und die Höhe der Stufe ist hier nur sehr schematisch zu verstehen und soll nicht maßstabsgetreu sein. In jedem Fall ist die Stufenhöhe im Bereich der Kompensationsspule für die Kurve H_F deutlich geringer als für die Kurve H_N , da die Kompensationswirkung nach dem Zusammenbruch der Supraleitung wesentlich geringer ist. So ist die magnetische Feldstärke radial innerhalb der Kompensationsspule für die Kurve H_F (also im Fehlerfall und nach Zusammenbruch der Supraleitung) deutlich größer als 0. Entsprechend kann auch an dieser Stelle - also entsprechend an einer zweiten radialen Position P2, die an beliebiger Stelle radial innerhalb der Kompensationsspule liegen kann - ein magnetischer Sensor angeordnet sein. Ein in dieser zweiten radialen Position P2 angebrachter magnetischer Sensor kann beispielsweise überwachen, ob ein in diesem Bereich gemessenes Magnetfeld H einen zweiten Schwellwert H_S2 überschreitet. Eine Überwachung des Magnetfelds in diesem Bereich ist unter Umständen noch genauer, da sich die Werte für H_F und H_N an der radialen Position P2 noch wesentlich stärker unterscheiden als an der radialen Position P1. Allerdings ist die Messung im Innenraum des Kryostaten unter Umständen apparativ aufwendiger, da ein Messsignal hier durch beide Kryostatwände hindurch übertragen werden muss.
• 3 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer Strombegrenzereinrichtung nach einem Beispiel der Erfindung, welche beispielsweise eine Spuleneinrichtung ähnlich wie in 1 umfasst. Diese Spuleneinrichtung 1 ist im rechten Teil der 3 schematisch wiedergegeben. An einem der beiden Anschlüsse 19 der Drosselspule 3 ist diese mit einem Leistungsschalter 31 verbunden. Dieser Leistungsschalter ist mit einer Steuervorrichtung 35 verbunden, durch die der Schalter geöffnet werden kann. Die Steuervorrichtung 35 ist mit wenigstens einer Detektionsvorrichtung verbunden, die zur Messung einer physikalischen Größe geeignet ist, mittels derer das Eintreten eines Fehlerfalls überwacht werden kann. In einem realen System ist nur eine solche Detektionsvorrichtung zur Messung von nur einer solchen physikalischen Größe nötig (die Kombination von mehreren solchen Vorrichtungen zur Messung unterschiedlicher Größen ist jedoch grundsätzlich nicht ausgeschlossen). Um verschiedene vorteilhafte Arten der Überwachung des Fehlerfalls zu illustrieren, sind in 3 beispielhaft vier unterschiedliche Detektionsvorrichtungen 33a bis 33d gezeigt.
• Die erste Detektionsvorrichtung 33a umfasst hier einen Hallsensor, der in dem Spalt zwischen innerer und äußerer Kryostatwand und damit im Vakuumraum V angeordnet ist. Mit einem solchen Hallsensor kann beispielsweise ähnlich wie in 2 dargestellt das Überschreiten eines ersten Schwellwertes H_S1 für die magnetische Feldstärke an der ersten radialen Position P₁ überwacht werden. Alternativ zu der hier gezeigten Position ist es aber auch möglich, einen solchen Hallsensor radial innerhalb der Kompensationsspule 5, also hier innerhalb des Kühlmittelbades 14, anzuordnen.
• Die zweite beispielhafte Detektionsvorrichtung 33b (die alternativ oder zusätzlich zu der ersten Detektionsvorrichtung 33a vorliegen kann) umfasst wenigstens eine Spannungsmessvorrichtung. Dies ist in 3 nur sehr schematisch angedeutet. In einem realen System kann diese Detektionsvorrichtung 33b beispielsweise zwei Spannungsmessvorrichtungen umfassen, welche jeweils die Spannung an einem der Anschlüsse 19 messen können. Durch die gesamte zweite Detektionsvorrichtung 33b kann dann durch Differenzbildung die Potentialdifferenz zwischen den beiden Anschlüsse 19 ermittelt werden.
• Die dritte beispielhafte Detektionsvorrichtung 33c (die wiederum alternativ oder zusätzlich zu den anderen beiden vorliegen kann) umfasst wenigstens eine Strommessvorrichtung. Sie ist so ausgestaltet, dass mit ihr ein insgesamt durch die Drosselspule 3 fließender Strom gemessen werden kann.
• Die vierte beispielhafte Detektionsvorrichtung 33d (die wiederum alternativ oder zusätzlich zu den anderen vorliegen kann) umfasst wenigstens eine Temperaturmessvorrichtung. Im gezeigten Beispiel ist sie als Temperaturfühler ausgestaltet, der innerhalb des Kühlmittelbades angeordnet ist und dabei thermisch eng an die supraleitende Kompensationsspule 5 angekoppelt ist, um deren Erwärmung beim Übergang in den normalleitenden Zustand überwachen zu können.
• Allen unterschiedlichen Detektionsvorrichtungen ist gemeinsam, dass mit ihnen das Eintreten eines Fehlerfalls überwacht werden kann, ohne dass dafür eine Strom- oder Spannungsmessung an der supraleitenden Kompensationsspule 5 nötig ist. Die drei gezeigten Detektionsvorrichtungen 33a bis 33c sind außerdem vorteilhaft radial außerhalb der inneren Kryostatwand 15a angeordnet.
• Allen unterschiedlichen Detektionsvorrichtungen ist weiterhin gemeinsam, dass sie mit der Steuervorrichtung 35 verbunden sind. Dadurch kann bei Überschreiten eines vorgegebenen Schwellwerts für die jeweilig gemessene physikalische Größe mittels der Steuervorrichtung ein Öffnen des Leistungsschalters 31 bewirkt werden. Durch ein solches Öffnen des Leistungsschalters 31 wird die Spuleneinrichtung 1 von dem übergeordneten Stromkreis getrennt und sie wird vor weiterer Belastung geschützt. Insbesondere wird eine weitere Erwärmung und eine dadurch bedingte Schädigung des Supraleitermaterials in der Kompensationsspule 5 hierdurch vorteilhaft vermieden.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• DE 102010007087 A1 [0004]

Claims (15)

1. Strombegrenzereinrichtung (17), umfassend - eine elektrische Spuleneinrichtung (1) mit - einer Drosselspule (3) mit zwei elektrischen Anschlüssen (19), über welche die Spuleneinrichtung (1) mit einem übergeordneten Stromkreis verbindbar ist und - wenigstens einer supraleitenden Kompensationsspule (5), die innerhalb der Drosselspule (3) angeordnet ist, sowie - einen Leistungsschalter (31), welcher elektrisch mit einem der Anschlüsse (19) der Drosselspule (3) verbunden ist, - eine Detektionsvorrichtung (33a,33b,33c,33d), mit der eine physikalische Größe gemessen werden kann, mittels derer das Eintreten eines Fehlerfalls im übergeordneten Stromkreis bestimmbar ist, - und eine Steuervorrichtung (35), welche mit der Detektionsvorrichtung (33a,33b,33c,33d) und dem Leistungsschalter (31) verbunden ist, und mittels derer bei Überschreiten eines vorgegebenen Schwellwerts der physikalischen Größe der Leistungsschalter (31) geöffnet werden kann.
2. Strombegrenzereinrichtung (17) nach Anspruch 1, welche zusätzlich einen Kryostaten (13) umfasst, in dem die supraleitende Kompensationsspule (5) angeordnet ist.
3. Strombegrenzereinrichtung (17) nach Anspruch 2, bei der die Detektionsvorrichtung (33a,33b,33c,33d) ausgestaltet ist, das Eintreten eines Fehlerfalls ohne eine elektrische Messung an der supraleitenden Kompensationsspule (5) zu detektieren.
4. Strombegrenzereinrichtung (17) nach Anspruch 2 oder 3, bei welcher die Detektionsvorrichtung (33a,33b,33c,33d) ohne eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Inneren des Kryostaten (13) und dem Äußeren des Kryostaten ausgestaltet ist.
5. Strombegrenzereinrichtung (17) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Detektionsvorrichtung (33a, 33b,33c) ausschließlich außerhalb des Kryostaten angeordnet ist.
6. Strombegrenzereinrichtung (17) nach Anspruch 4 oder 5, bei welcher die Detektionsvorrichtung (33a,33d) zumindest teilweise innerhalb des Kryostaten (13) oder im Bereich zwischen zwei Kryostatwänden (15a,15b) angeordnet ist, wobei die Verbindung zwischen diesem innenliegenden Teil der Detektionsvorrichtung und der Steuervorrichtung (35) kabellos ausgestaltet ist.
7. Strombegrenzereinrichtung (17) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Detektionsvorrichtung (33a) einen Sensor zur Bestimmung einer magnetischen Flussdichte und/oder magnetischen Feldstärke (H) umfasst.
8. Strombegrenzereinrichtung (17) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Detektionsvorrichtung (33b) wenigstens eine Spannungsmessvorrichtung umfasst, mittels derer eine Potentialdifferenz zwischen den beiden Anschlüssen (19) der Drosselspule (3) ermittelbar ist.
9. Strombegrenzereinrichtung (17) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Detektionsvorrichtung (33c) eine Strommessvorrichtung umfasst, mittels derer ein durch die Drosselspule (3) fließender Strom (I) gemessen werden kann.
10. Strombegrenzereinrichtung (17) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Detektionsvorrichtung (33d) eine Temperaturmessvorrichtung umfasst, mittels derer eine Temperatur im Bereich der supraleitenden Kompensationsspule (5) gemessen werden kann.
11. Verfahren zur Bestimmung eines Begrenzungsereignisses mittels einer Strombegrenzereinrichtung (17) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches die folgenden Schritte umfasst: - Messung einer physikalischen Größe mit der Detektionsvorrichtung, wobei mittels dieser Größe das Eintreten eines Fehlerfalls im übergeordneten Stromkreis bestimmbar ist, - Öffnen des Leistungsschalters (31) bei Überschreitung eines vorgegebenen Schwellwerts für die physikalische Größe.
12. Verfahren nach Anspruch 11, bei welchem die gemessene physikalische Größe eine magnetische Größe (H) ist.
13. Verfahren nach Anspruch 11, bei welchem die gemessene physikalische Größe eine Potentialdifferenz zwischen den beiden Anschlüssen der Drosselspule (3) ist.
14. Verfahren nach Anspruch 11, bei welchem die gemessene physikalische Größe ein durch die Drosselspule (3) fließender Strom ist.
15. Verfahren nach Anspruch 11, bei welchem die gemessene physikalische Größe eine Temperatur im Bereich der supraleitenden Kompensationsspule (5) ist.

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