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Die Erfindung betrifft eine Strombegrenzereinrichtung
zum Begrenzen eines elektrischen Stromes, insbesondere im Bereich
der Mittelspannungstechnik, mit wenigstens einem in einem Kühlelement angeordneten
supraleitenden Bauelement und mit einem Quenchdetektor zum Überwachen
des Zustandes des supraleitenden Bauelements.
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Eine solche Strombegrenzereinrichtung
ist aus der
DE 197
44 011 A1 bereits bekannt. Die dort offenbarte Strombegrenzereinrichtung
weist einen Halbleiterschalter auf, dem ein supraleitendes Bauelement
nachgeschaltet ist. Das supraleitende Bauelement weist einen aus
einem metalloxidischen Material hergestellten Hochtemperatursupraleiter
auf, der durch Kühlung
mit flüssigem
Stickstoff in einem supraleitenden Zustand gehalten ist, in dem
der Supraleiter einen zu begrenzenden Strom nahezu widerstandslos
leitet. Das supraleitende Bauelement steht mit einem Quenchdetektor
in Verbindung, der derart auf eine Steuerelektronik einwirkt, das
beim Erkennen eines Spannungsabfalls am supraleitenden Bauelement
der Halbleiterschalter unmittelbar in dem Sperrzustand gesteuert
ist.
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Aus der
DE 199 27 031 A1 ist eine
Strombegrenzungseinrichtung mit einem bei hohen Temperaturen supraleitenden
Bauelement bekannt, wobei das supraleitende Bauelement in einen
mit flüssigem Stickstoff
gefüllten
Kryostaten eingetaucht ist. Dem supraleitenden Bauelement ist eine
Leuchtdiode parallel geschaltet, die mit einem Vorwiderstand eine Reihenschaltung
bildet, wobei das optische Signal der Leuchtdiode über einen Lichtwellenleiter
einer Photodiode zugeführt
wird. Die Photodiode erzeugt ein Auslösesignal für einen in Reihenschaltung
zum supraleitenden Bauelement angeordneten Schalter, der im Falle
eines Quenchens den Stromfluss durch das supraleitende Bauelement
unterbricht.
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Dem vorbekannten Quenchdetektor haftet der
Nachteil an, dass ein aufgrund des Übergangs des supraleitenden
Bauelements in dem normalleitenden Zustand erzeugte elektrische
Signal in ein optisches Signal umgewandelt werden muss und anschließend über einen
Lichtwellenleiter zu einer Photodiode geführt wird, um dort wieder in
ein elektrisches Signal umgewandelt zu werden. Eine solche elektro-opto-elektronische
Signalumwandlung ist jedoch mit hohen Verlusten behaftet und darüber hinaus
fehleranfällig
und kostenträchtig.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher,
eine Strombegrenzereinrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen,
die einen konzeptionell einfachen und zuverlässig arbeitenden Aufbau aufweist
und kostengünstig
ist.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass
der Quenchdetektor an wenigstens zwei Anschlüssen des supraleitenden Bauelements
jeweils einen Spannungswandler aufweist, wobei die Spannungswandler
an einer Spannungsdifferenzschaltung anliegen.
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Erfindungsgemäß ist der Quenchdetektor durch
rein elektronische Bauelemente realisiert. Eine aufwendige Umwandlung
elektronischer Signale in optische Signale und umgekehrt entfällt gemäß der vorliegenden
Erfindung. An die Spannungswandler werden im Rahmen der vorliegenden
Erfindung keine hohen Anforderungen im Hinblick auf ein lineares
Ansprechverhalten über
den gesamten möglichen
Ansteuerbereich gestellt. Aufgrund der Differenzbildung ist es vielmehr
ausreichend, dass die Spannungswandler ein zueinander gleiches Übertragungsverhalten
aufweisen, da aufgrund der Differenzschaltung erst voneinander abweichende
Spannungswerte der Spannungswandler auf einen Spannungsabfall am
supraleitenden Bauelement und somit auf dessen Quenchen hinweisen.
Im Rahmen der Erfindung sind jedoch auch lineare Spannungswandler
einsetzbar.
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Vorteilhafterweise sind die Spannungswandler
als Spannungsteiler ausgebildet. Gemäß dieser vorteilhaften Weiterentwicklung
der Erfindung werden die Kosten der Strombegrenzereinrichtung weiter
gesenkt. Darüber
hinaus werden Frequenzübertragungsprobleme,
die beispielsweise bei erfindungsgemäß ebenso einsetzbaren Wicklungsspannungswandlern
auftreten, vermieden.
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Gemäß einer zweckmäßigen Weiterentwicklung
der Erfindung weist der Quenchdetektor eine Komparatorschaltung
auf, die mit der Spannungsdifferenzschaltung verbunden ist. Dabei
weist die Spannungsdifferenzschaltung zwei Eingänge auf, die jeweils mit einem
Spannungswandler verbunden sind. Der Ausgang des Spannungswandlers
ist mit der Komparatorschaltung verbunden, die auf Schwankungen
am Ausgang der Spannungsdifferenzschaltung anspricht und ein zur
Triggerung weiterer Bauteile geeignetes Signal erzeugt.
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Vorteilhafterweise ist der Quenchdetektor
mit einer Steuereinheit verbunden, der eine zur Auslösung eines
Schalters eingerichtete Auslöseeinheit nachgeschaltet
ist. Mit der Steuereinheit ist ein den jeweiligen Erfordernissen
entsprechendes Begrenzungsverhalten der Strombegrenzungseinrichtung erzeugbar.
Durch Vorgabe bestimmter Parameter und Schaltzei ten ist beispielsweise
einstellbar, am Ende welchen Zeitraumes nach Quenchbeginn des supraleitenden
Bauelementes ein Schalter, der dem supraleitenden Bauelement vorgeschaltet
ist, den Stromfluss durch das supraleitende Bauelement unterbricht.
Die Steuerungseinheit kann darüber
hinaus mit weiteren Auslöseinheiten
in Verbindung stehen und dem supraleitenden Bauelement nachgeschaltete
lokal begrenzte Netzbereiche in Abhängigkeit gewünschter
Kriterien vom Gesamtverteilernetz abschalten.
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Vorteilhafterweise ist der Quenchdetektor
mit wenigstens einem Messrelais verbunden, die zur Analyse von dem
supraleitenden Bauelement nachgeschalteten Netzbereichen eingerichtet
sind. Durch diese Verbindung wird eine Triggerung der Messrelais
ermöglicht,
um diese bei einem durch Kurzschluss bedingten Quenchen zur Datenerfassung anzuregen.
Die von den Messrelais gelieferten Signale werden beispielsweise
von einer Steuereinheit ausgewertet, um den Kurzschluss genauer
zu lokalisieren und um einen bestimmten mit dem Kurzschluss behafteten
Netzbereich gezielt vom Gesamtverteilernetz abzuschalten.
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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 den gleichen Bezugszeichen versehen sind
und wobei
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1 eine
Detailansicht eines Ausführungsbeispiels
einer erfindungsgemäßen Strombegrenzereinrichtung
und
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2 eine
vergrößerte Darstellung
der Strombegrenzereinrichtung gemäß 1 zeigen.
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1 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Strombegrenzereinrichtung 1 in vergrößerter Darstellung.
Die gezeigte Strombegrenzereinrichtung 1 weist ein schematisch
angedeutetes supraleitendes Bauelement 2 auf, das in einem
in 1 nicht dargestellten
Kryostaten angeordnet ist, der mit flüssigen Stickstoff befüllt ist.
Das supraleitende Bauelement 2 weist einen supraleitenden
Leiterabschnitt auf, der durch die Kühlung mit flüssigem Stickstoff
im supraleitenden Zustand gehalten wird, in dem das supraleitende
Bauelement 2 einen zugeführten Strom nahezu widerstandslos
leitet. Dabei ist das supraleitende Bauelement 2 durch
zweckmäßige Anschlüsse mit
einer elektrischen Speiseleitung 3 verbunden. An beiden
Seiten des supraleitenden Bauelementes 2 und außerhalb
des Kryostaten ist jeweils ein Spannungswandler in Form eines Spannungsteilers 4 als
Teil eines Quenchdetektors 5 vorgesehen. Der Spannungsteiler 4 weist
einen der Speiseleitung 3 zugewandten hochohmigen Widerstand 6 sowie
einen auf Erdpotential liegenden niederohmigen Widerstand 7 auf.
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Jeder Spannungsteiler 4 ist
an zwischen dem hochohmigen Widerstand 6 und dem niederohmigen
Widerstand 7 angeordneten Spannungsabgriffen 8 mit
einer Spannungsdifferenzschaltung 9 verbunden. Die Spannungsdifferenzschaltung 9 vergleicht
die beidseitig des supraleitenden Bauelementes 2 mittels
der Spannungsteiler 4 gemessenen Spannungswerte, die infolge
der in der Speiseleitung 3 auftretenden Wechselspannung
zeitlich variiert. Stimmen die beiden Spannungswerte überein,
erzeugt die Spannungsdifferenzschaltung 9 ein konstantes
Ausgangssignal, dessen Höhe
durch eine Komparatorschaltung 10 nach einem den jeweiligen Erfordernissen
angepassten Verfahren zeitlich abgetastet und überprüft wird.
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Überschreitet
ein durch die Speiseleitung 3 geführter Strom, beispielsweise
in einem Kurzschlussfall, einen bestimmten Schwellenwert, erwärmt sich
der Supraleiter des supraleitenden Bauelementes 2 und wird
in den normalleitenden Zustand überführt. Die
daraufhin am supraleitenden Bauelement 2 abfallende Spannung
führt zu
einer Signaländerung
der Spannungsdifferenzschaltung 9 und somit zu einem Triggersignal,
der dieser nachgeschalteten Komparatorschaltung 10.
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2 zeigt
die Strombegrenzereinrichtung 1 gemäß 1 in einer vergrößerten Darstellung, wobei der
Quenchdetektor lediglich schematisch dargestellt ist. Insbesondere
wurde auf die figürliche
Darstellung der einzelnen Widerstände des Spannungsteilers 4 verzichtet
und die Spannungsdifferenzschaltung mit der Komparatorschaltung
zu einem Bauteil 10a zusammengefasst. Das Bauteil 10a ist
mit einer Auslöseinheit 11 verbunden,
die zum Auslösen
eines dem supraleitenden Bauelement 2 vorgeschalteten Schalters 12 eingerichtet
ist. Der Schalter 12 kann beispielsweise ein Halbleiterschalter
sein, der den Stromfluss durch das supraleitende Bauelement 2 bei
einem Quenchen des Supraleiters unterbricht.
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Um die Stromunterbrechung durch den Schalter 12 gegebenenfalls
steuern zu können,
ist dem Quenchdetektor 5 an seinem Bauteil 10a eine Steuereinheit 13 nachgeschaltet,
die in Abhängigkeit voreingestellter
Parameter Steuersignale 14 erzeugt, die beispielsweise
eine verzögerte
Stromunterbrechung durch den Schalter 12 ermöglichen.
Die Steuereinheit 13 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel
mit einem Stromwandler 15 verbunden, der diese mit Messwerten über die
Höhe des
in der Speiseleitung 3 fließenden Stromes versorgt. Durch
diese Messwertversorgung ist eine noch sensiblere Steuerung des
Schaltverhaltens den jeweiligen Erfordernissen entspre chend ermöglicht.
Dem Halbleiterschalter 12 ist ein weiterer Schalter 16 vorgeschaltet, der über eine
Auswerteeinheit 17 auslösbar
ist. Dabei ist die Auswerteeinheit 17 mit einem Stromwandler 18 verbunden.
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Der Quenchdetektor 5 ist
weiterhin mit Messrelais 19 verbunden, die in dem supraleitenden
und lokal begrenzten Bauelement 2 nachgeschalteten Netzbereichen
zum Erfassen von Messgrößen eingerichtet
sind. Dabei werden die Messrelais 19 nach einer Triggerung
durch den Quenchdetektor 5 zur Messerfassung angeregt,
so dass eine Netzanalyse zum Auffinden und Lokalisieren eines Kurzschlusses durchführbar ist.
Nach Auffinden des Kurzschlusses in einem bestimmten Netzzweig ist
dieser über Schalter 20,
die über
die Messrelais 19 ansteuerbar sind, gezielt vom Netz abschaltbar.
Durch das Abschalten des mit dem Kurzschluss behafteten Netzbereiches
kann nach Abkühlen
des supraleitenden Bauelementes 2 die Steuereinheit 13 ein
zum Zuschalten des Schalters 12 notwendiges Steuersignal 14 an
die Auslöseinheit 11 senden,
um so den Stromfluss in kurzschlussfreien Netzbereichen zu ermöglichen.