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Schaltungsanordnung zur Strombegrenzung mit
einem supraleitenden Schaltelement
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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung
zur Begrenzung eines elektrischen Stromes mit einer Strombegrenzungseinrichtung,
die wenigstens ein in einem Kryostaten angeordnetes supraleitendes
Schaltelement aufweist, mit einem außerhalb des Kryostaten angeordneten
Bypasselement in Parallelschaltung zur Strombegrenzungseinrichtung und
mit einem Summenschalter zur Unterbrechung des Stromes in Reihenschaltung
zur Strombegrenzungseinrichtung und zum Bypasselement.
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Eine solche Schaltungsanordnung ist
aus der
EP 0 502 644
A1 bereits bekannt. Die dort gezeigte Schaltungsanordnung
beschreibt eine Strombegrenzungseinrichtung, die einen mit flüssigem Stickstoff
befüllten
Kryostaten umfasst, in dem ein supraleitendes Schaltelement angeordnet
ist. Das supraleitende Schaltelement ist aus einem Hochtemperatursupraleitmaterial
gefertigt, das durch die Kühlung
mit flüssigem
Stickstoff in einem supraleitenden Zustand gehalten wird. Im supraleitenden
Zustand leitet das supraleitende Schaltelement den elektrischen
Strom nahezu widerstandslos. Außerhalb
des Kryostaten und in Parallelschaltung zum supraleitenden Schaltelement
ist ein Bypasselement vorgesehen, das wahlweise eine Spule oder
ein Widerstand sein kann. Im Summenzweig, also in Reihenschaltung
sowohl zur Strombegrenzungseinrichtung als auch zum Bypasselement,
ist ein Leistungsschalter vorgesehen. Die vorbekannte Schaltungsanordnung ist
zum Anschluss an ein Wechselspannungsnetz vorgesehen. Bei einem
Netzfehler, beispielsweise im Kurzschlussfall, kommt es aufgrund
der hohen Stromdichten zu einem Ansteigen der Temperatur im supralei tenden
Schaltelement. Übersteigt
die Temperatur eine sogenannte Sprungtemperatur, quencht der Supraleiter
und wird in den normalleitenden Zustand überführt. Der Kurzschlussstrom wird
nun fast ausschließlich
durch den Parallelzweig, einen sogenannten Kommutierungsleiter,
geführt
und auf einen vom Widerstand des Bypasselements abhängigen Wert
begrenzt. Das Quenchen des supraleitenden Schaltelements wird durch
einen Sensor nachgewiesen, dessen Ausgangssignal im Quenchfall das
Abschalten der Strombegrenzungseinrichtung und des parallel geschalteten
Bypasselements bewirkt.
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Um irreversible Schädigungen
des supraleitenden Schaltelements zu vermeiden, ist die Strombegrenzungseinrichtung
in der Regel 50 Millisekunden nach dem Ansprechen der Strombegrenzungseinrichtung
von dem mit dem Kurzschluss behafteten Netz abzuschalten. Um ein
Abschalten weit verteilter Netzbereiche auch im Falle von Kurzschlüssen in nachgeschalteten örtlich begrenzten
Netzzweigen zu vermeiden, ist es im Rahmen der üblichen Schutztechnik gegebenenfalls
notwendig, die vollständige Stromunterbrechung
durch den Summenschalter der Schaltungsanordnung erst nach einer
wesentlich längeren
Zeitdauer herbeizuführen.
Die vorbekannte Schaltungsanordnung kann daher nicht in bestehende
Schutzeinrichtungen mit festgelegten Schutzstaffelzeiten eingegliedert
werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher,
eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art bereitzustellen,
die sich problemlos in bestehende Schutzeinrichtungen von Energieverteilungsnetzen eingliedern
lässt.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe durch einen zur
Unterbrechung des Stromes eingerichteten Zweigschalter, der in Rei henschaltung
mit der Strombegrenzungseinrichtung parallel zum Bypasselement geschaltet
ist.
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Durch das Vorsehen eines weiteren
Zweigschalters, der mit der Strombegrenzungseinrichtung in Reihe
und zu dem Bypasselement parallel geschaltet ist, ist es erfindungsgemäß möglich, nur
die Strombegrenzungseinrichtung nicht jedoch das Bypasselement von
dem beispielsweise kurzgeschlossenen Netz abzuschalten. Auf diese
Weise muss der Stromfluss durch die Schaltungsanordnung nicht bereits
nach beispielsweise 50 Millisekunden oder früher vollständig unterbrochen werden. Wird
der Zweigschalter von einer den Stromfluss zulassenden Kontaktstellung
in eine den Stromfluss unterbrechende Trennstellung überführt, so
erfolgt die Stromleitung ausschließlich über das Bypasselement, dessen Auslegung
daher die im Kurzschlussfall herrschende Stromdichte in den der
Schaltungsanordnung nachgeschalteten Netzbereichen bestimmt. Dabei
ist die Stromdichte zweckmäßigerweise
so festzulegen, dass ein Netzfehler beispielsweise durch nachgeschaltete
Schutzeinrichtungen bestimmbar bleibt. Auf diese Weise kann die
Kurzschlussursache lokalisiert und der entsprechende Stromzweig
gezielt und gegebenenfalls ohne nachhaltige Störung kurzschlussfreier Netzbereiche
abgeschaltet werden.
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Vorteilhafterweise ist das Bypasselement eine
Spule, die bei den üblicherweise
eingesetzten Drehstromnetzen die gewünschte Strombegrenzung im Quenchfall
bewirkt. Die Spule ist den jeweiligen Anwendungserfordernissen entsprechend
auszuwählen.
Die Einschwingzeit der Spule sollte beispielsweise weniger als 10
Millisekunden betragen.
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Alternativ dazu kann das Bypasselement
im Rahmen der Erfindung auch ein ohmscher Widerstand sein.
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Gemäß einer diesbezüglichen
Weiterentwicklung ist die Bypassspule eine Luftspule.
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Vorteilhafterweise ist eine Dämpfungsspule in
Reihenschaltung zur Strombegrenzungseinrichtung angeordnet. Die
Dämpfungsspule
ist zur Abschirmung subtransienter Ströme im Normalbetrieb vorgesehen
und dient daher vor allem dem Schutz des supraleitenden Schaltelements.
Die Dämpfungsspule
ist den vorhandenen Netzinduktivitäten entsprechend ausgelegt.
Um die Verluste im Normalbetrieb zu verringern, ist die Spule beispielsweise
aus einem supraleitenden Material hergestellt. Im Hinblick auf ein
schnelles Ansprechen und damit einer hohen Zeitkonstante ist ein
Eisenkern vorteilhaft.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung sind der Summenschalter und der Zweigschalter als
Halbleiterschalter ausgebildet. In diesem Zusammenhang kommen insbesondere
Thyristoren in Betracht. Aufgrund der resistiven Strombegrenzung
durch das supraleitende Schaltelement wird im Kurzschlussfall der
Stromfluss und damit die zu schaltende Leistung begrenzt. Aus diesem
Grunde sind die Anforderungen an die Güte des Summenschalters bzw.
des Zweigschalters verringert.
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Vorteilhafterweise weist die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
einen Quenchdetektor zum Nachweis einer Strombegrenzung durch die
Strombegrenzungseinheit und Steuerungsmittel zum Auslösen des
Summenschalters sowie des Schalters auf. Als Quenchdetektor ist
beispielsweise ein Messgerät
einsetzbar, das auf die im Falle eines Quenchens am supraleitenden
Schaltelement abfallende Spannung anspricht und ein entsprechendes
bSignal an die Steuerungsmittel abgibt. Die Steuerungsmittel sorgen
dann für
ein Abschalten eines supraleitenden Stromelements nach einer bestimmten
Zeitdauer. Die Ab schaltung der gesamten Schaltungsanordnung kann
nun dem jeweiligen Schutzkonzept entsprechend nach einer verlängerten
Zeitdauer erfolgen und wird durch das Überführen des Summenschalters in
seine Trennstellung bewirkt.
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Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile
der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung von
Ausführungsbeispielen der
Erfindung unter Bezug auf die Figuren der Zeichnung, wobei sich
entsprechende Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.
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1 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel der
erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
und
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2 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
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1 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel der
erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 1.
Die gezeigte Schaltungsanordnung 1 weist eine Strombegrenzungseinrichtung 2 auf,
die aus einem figürlich
nicht dargestellten, mit flüssigem
Stickstoff gefüllten
Kryostaten besteht. In dem flüssigen
Stickstoff ist ein supraleitendes Schaltelement eingetaucht und über zweckmäßige Anschlussverbindungen
und Durchführungen
in die Schaltungsanordnung 1 integriert. In Parallelschaltung
zur Strombegrenzungseinrichtung 2 ist eine Bypassspule 3 angeordnet,
so dass der Stromfluss an Zweigstellen 4 und 5 in
Abhängigkeit
der Ohmschen Widerstände
der Strombegrenzungseinrichtung 2 und der Bypassspule 3 in Teilströme aufspaltbar
ist.
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Im supraleitenden Zustand der Strombegrenzungseinrichtung 2 wird
der Strom nahezu ausschließlich
durch die Strombegren zungseinrichtung 2 geführt. Im
Kurzschlussfall hingegen steigt der Widerstand der Strombegrenzungseinrichtung 2 an,
so dass der Strom nahezu ausschließlich durch die Bypassspule 3 geführt wird.
Zwischen der oberen Zweigstelle 4 und der Strombegrenzungseinrichtung 2 ist
ein Zweigschalter 6 vorgesehen. Der Zweigschalter 6 ist
somit in Reihenschaltung zur Strombegrenzungseinrichtung 2 und
in Parallelschaltung zur Bypassspule 3 angeordnet. Nach Überführen des Zweigschalters 6 in
seine den Stromfluss unterbrechende Sperrstellung ist der Stromfluss
durch die Strombegrenzungseinrichtung 2 und somit durch
das supraleitende Schaltelement verhindert.
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Zwischen einem Anschlusselement 7 zur
Anbindung der Schaltungsanordnung 1 in ein Energieverteilungsnetz
und der oberen Zweigstelle 5 ist ein Summenschalter 8 vorgesehen,
der somit sowohl bezüglich
der Strombegrenzungseinrichtung 2 als auch bezüglich der
Bypassspule 3 in Reihe geschaltet ist. Wird der Summenschalter 8 in
seine Trennstellung überführt, wird
der Stromfluss in der gesamten Schaltungsanordnung 1 und
somit auch durch die Bypassspule 3 unterbrochen.
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Nach dem Quenchen kann das supraleitende
Schaltelement durch Auslösen
des Zweigschalters 6 schnell abgeschaltet werden, so dass
eine Beschädigung
des supraleitenden Materials verhindert ist. Trotz Abschaltung der
Strombegrenzungseinrichtung 2 fließt ein Strom durch die Bypassspule 3,
so dass nachgeschalteten Schutzeinrichtungen eine Netzanalyse ermöglicht ist,
um einen Kurzschluss im weit verteilten Energieverteilungsnetz zu
lokalisieren. Zur Erdung der Schaltungsanordnung 1 dient
ein Erdungsschalter 9.
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2 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel der
Erfindung. Die hier dargestellte Schaltungsanordnung 1 weist
eine zu sätzliche
Drosselspule 10 auf, die zwischen der oberen Zweigstelle 4 und
dem Summenschalter 8 in Reihenschaltung zur Strombegrenzungseinrichtung 2 sowie
zur Bypassspule 3 angeordnet ist. Die Drosselspule 10 dient
zur Unterdrückung
subtransienter Spannungsspitzen im Normalbetrieb und damit im Wesentlichen
zum Schutz des supraleitenden Bauelements. Durch die Reihenschaltung
zum Bypasselement 3 ist jedoch auch dieses vor beispielsweise
beim Anlassen eines Motors auftretenden subtransienten Spannungsspitzen
geschützt.
Abweichend von dem hier gewählten
Ausführungsbeispiel
kann die Drosselspule 10 jedoch auch parallel zum Bypasselement
geschaltet sein, wobei auf einen Schutz des Bypasselements verzichtet
wird.
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Zweigschalter 6 und Summenschalter 8 sind in
dem gezeigten Ausführungsbeispiel
als Leistungshalbleiterschalter ausgebildet, die zweckmäßigerweise über Lichtleiter
in ihrem Schaltverhalten steuerbar sind.