DE1932379C3

DE1932379C3 - Spule mit veränderlicher Induktivität als Strombegrenzungseinrichtung für Energieübertragungsanlagen

Info

Publication number: DE1932379C3
Application number: DE1932379A
Authority: DE
Inventors: Ernst Dr.-Ing. 8520 Erlangen Massar
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1969-06-26
Filing date: 1969-06-26
Publication date: 1978-05-11
Also published as: JPS482038B1; FR2049211A2; US3629690A; FR2049211B2; DE1932379B2; DE1932379A1; SE354747B; CH509685A; GB1262024A; NL7007824A

Description

Das Patent 15 63 335 betrifft eine Spule mit veränderlicher Induktivität als Strombegrenzungseinrichtung für Energieübertragungsanlagen, bei der zwei magnetisch eng gekoppelte, elektrisch parallelgeschaltete Wicklungen vorgesehen sind, die bei Nennbetrieb eine annähernd gleiche Durchflutung entgegengesetzer Richtung aufweisen, und bei der wenigstens die erste der Wicklungen ganz oder teilweise aus einem Supraleitermaterial besteht und so ausgelegt und/oder angeordnet ist, daß ihre kritische Feldstärke bzw. Stromstärke beim Überschreiten des Grenzwertes des Stromes überschritten und der supraleitende Leiter der Wicklung normalleitend wird.

Beim Nennbetrieb dieser Strombegrenzungseinrichtung, d. h. beim Betrieb mit einem Strom kleiner oder gleich dem Grenzstrom, wird das Magnetfeld der zweiten Wicklung durch das annähernd gleich große, entgegengesetzt gerichtete Magnetfeld der ersten Wicklung fast vollständig kompensiert. Lediglich das in dem Raum zwischen beiden Wicklungen befindliche Magnetfeld, das sogenannte Streufeld, ist wirksam. Die Spule hat daher nur einen sehr kleinen induktiven Widerstand. Beim Überschreiten des vorgegebenen Grenzwertes des Stromes wird die erste Wicklung vom supraleitenden in den elektrisch normalleitenden Zustand übergeführt, wobei ihr ohmscher Widerstand vom Wert Null auf sehr hohe Werte ansteigt. Der Strom durch die erste Wicklung wird dadurch so stark herabgesetzt, daß das durch diese Wicklung erzeugte magnetische Gegenfeld praktisch entfällt und die Drosselwirkung der zweiten Wicklung voll zur Wirkung kommt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine besonders vorteilhafte und einfache Möglichkeit anzugeben, in beiden Wicklungen der als Strombegrenzungseinrichtung für Energieübertragungsanlagen arbeitenden Spule während des gesamten Nennbetriebes die gleichen Durchflutungen entgegengesetzter Richtung einzustellen.
Die Lösung dieser Aufgabe gelingt dadurch, daß mit der ersten Wicklung eine elektrisch normalleitende Drosselspule von solcher Induktivität in Reihe liegt und Jiese Reihenschaltung parallel zur zweiten Wicklung geschaltet ist, daß beim Betrieb der Spule mit einem Strom kleiner oder gleich dem Grenzstrom an der

ίο Drosselspule etwa der gleiche Spannungsabfall wie an der zweiten Wicklung auftritt.

Die Drosselspule kann vorzugsweise eine einstellbare Induktivität besitzen. Dies hat den Vorteil, daß der erforderliche Wert der Induktivität nach dem Zusammenschalten der Drosselspule mit den beiden Wicklungen der genannten Strombegrenzungseinrichtung genau einjustiert werden kann.

An Hand einer Figur soll die Erfindung noch näher erläutert werden.

Die Figur zeigt schematisch eine Ausführungsform einer als Strombegrenzungseinrichtung arbeitenden Spule gemäß der Erfindung.

Die in der Figur dargestellte als Strombegrenzungseinrichtung arbeitende Spule besteht aus zwei parallelgeschalteten Wicklungen 1 und 2 mit entgegengesetzt gerichtetem Wickelsinn und etwa gleich großer Durchflutung. Die Wicklung 1 besteht aus Supraleitermaterial, die Wicklung 2 vorzugsweise aus Aluminium oder Kupfer hohen Reinheitsgrades und dementsprechend niedrigen Restwiderstandes. Die beiden Wicklungen sind innerhalb eines wärmeisolierenden Gehäuses 3 angeordnet, das vorzugsweise aus elektrisch nichtleitendem Material, wie beispielsweise Glasfaser-Kunststoff-Verbundmaterial, besteht. Während des Betriebes der Strombegrenzungseinrichtung ist das Gehäuse 3 mit einem Kühlmittel, beispielsweise flüssigem Helium, angefüllt, das durch die Rohranschlüsse 4 zu- und abgeführt werden kann. Zu der supraleitenden Wicklung 1 ist eine elektrisch normalleitende Drosselspule 5 mit einstellbarer Induktivität in Serie geschaltet. Die Drosselspule 5 kann beispielsweise eine Kupferspule ohne Eisenkern sein, deren Wicklung mit mehreren Anzapfungen versehen ist, die durch einen Schiebekontakt abgegriffen werden können. Die Zuleitungen zu den Wicklungen 1 und 2 sind elektrisch isoliert aus dem Gehäuse 3 herausgeführt und an Anschlußklemmen 6 und 7 gelegt, mit denen die Strombegrenzungseinrichtung in den zu schützenden Stromkreis B eingeschaltet wird. In diesen Stromkreis 8 ist zweckmäßigerweise auch ein Leistungsschalter 9 eingeschaltet. Die beiden Wicklungen 1 und 2 sollten möglichst eng gekoppelt sein, so daß der durch das Streufeld zwischen beiden Wicklungen hervorgerufene magnetische Streufluß <P_S klein bleibt. Nur die Änderung dieses Streuflusses verursacht eine in dem Stromkreis 8 wirkende Restreaktanz, da sich die gemeinsam verketteten Flüsse der beiden Wicklungen 1 und 2 in dem von der Wicklung 1 umschlossenen Raum praktisch aufheben.

Wegen dieser gegenseitigen Aufhebung der magnetischen Flüsse in dem von der Wicklung 1 umschlossenen Raum während des Nennbetriebs der Strombegrenzungseinrichtung ist die Änderung des magnetischen Flusses innerhalb der Wicklung I gleich Null, so daß in der Wicklung 1 keine elektrische Spannung induziert wird. Dies hat zur Folge, daß der Strom durch die supraleitende Wicklung 1 auf sehr hohe Werte ansteigen kann, so daß die magnetischen Flüsse der Wicklungen 1 und 2 einander nicht mehr kompensieren.

Um dies zu verhindern, ist die normalleitende Drosselspule 5 zur supraleitenden Wicklung 1 in Serie geschaltet Die Induktivität dieser Drosselspule 5 ist so bemessen, daß im Nennbetrieb an der Drosselspule die gleiche Spannung abfällt, wie an der nornialleitenden Wicklung 2. In dieser normalleitenden Wicklung 2 wird nämlich aufgrund des Streuflusses Φ_$ eine kleine elektrische Spannung induziert Diese Spannung hat im Nennbetrieb den Wert

υ₂ = 4,44-ιν-ΛΦ,·10-^βν,

wobei w die Windungszahl der Wicklung 2 und f die Frequenz des zu begrenzenden Stromes in Hz bedeutet Durch die Drosselspule 5 wird nun erreicht, daß in der supraleitenden Wicklung 1 gerade der für die Kompensation der magnetischen Flüsse der Wicklungen 1 und 2 erforderliche Strom auftritt. Da die Induktivität der Drosselspule 5 verändert werden kann, kann der genaue Wert der Induktivität nach dem Zusammenschalten der Drosselspule 5 mit der Wicklung 1 einjustiert werden.

Die Leistung der Drosselspule 5 ist sehr klein, da ihre Induktivität nur für den kleinen Spannungsabfall zu bemessen ist, der beim Nennbetrieb der Strombegrenzungseinrichtung aufgrund des Streuflusses Φ_$ in der Wicklung 2 auftritt. Wenn man für die supraleitende <.$ Wicklung 1 eine höhere Windungszahl vorsieht als für die normalleitende Wicklung 2, kann der durch die Drosselspule 5 fließende Strom und dam.t die Verlustleistung der Drosselspule noch weiter verringert werden.

Die supraleitende Wicklung 1 ist durch geeignete Materialauswahl oder geeignete Drahtabmessungen so ausgelegt, daß sie bei Überschreiten des vorgegebenen Grenzwertes des Stromes, beispielsweise beim zwei- bis dreifachen Wert des Nennstromes, vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand übergeht Wenn dieser Zustand eintritt, erhält die Wicklung 1 einen hohen ohmschen Widerstand. Der Strom durch die Strombegrenzungseinrichtung fließt dann nahezu vollständig durch die normalleitende Wicklung 2, so daß die Durchflutung der Wicklung 1 verschwindend klein wird und das durch diese Wicklung erzeugte Gegenfeld wegfällt Die Induktivität der Wicklung 2 kann sich dann voll entfalten und den im Stromkreis 8 fließenden Strom drosseln. Nach einer Auslösezeit von beispielsweise etwa 50 bis 100 Millisekunden kann dann der Leistungsschalter 9 abschalten, wobei die Abschaltleistung des Schalters 9 infolge der Stromdrosselung auf Bruchteile der Abschaltleistung verringert ist, die ohne Stromdrosselung erforderlich wäre. Der Schulter 9 kann daher für wesentlich kleinere Abschaltleistungen dimensioniert werden, als dies ohne die Strombegrenzungseinrichtung möglich wäre. Statt mit flüssigem Helium kann die normaileitende Wicklung 2 auch mit einem anderen Kühlmittel, z. B. flüssigem Sauerstoff, gekühlt werden. Sie ist dann gegen die Wicklung 1 thermisch zu isolieren.

Statt aus elektrisch normalleitendem Metall kann die zweite Wicklung 2 auch aus Supraleitermaterial bestehen. In diesem Fall ist aber dafür zu sorgen, daß die Wicklung 2 beim Übergang der Wicklung 1 vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand nicht auch normalleitend wird. Dies kann dadurch erreicht werden, daß für die zweite Wicklung ein Supraleitermateria! verwendet wird, dessen kritische Feldstärke bzw. Stromdichte höher liegt als die des für die erste Wicklung verwendeten Supraleitermaterials, so daß die zweite Wicklung beim Überschreiten des Grenzwertes des Stromes supraleitend bleibt Es können auch die Leiterabmessungen dieser zweii en aus Supraleitermaterial bestehenden Wicklung so gewählt sein, daß die Wicklung beim Überschreiten des Grenzwertes des Stromes supraleitend bleibt

Ferner können die beiden Stirnteile der Wicklung 1, die von dem nach außen abbiegenden Magnetfeld durchsetzt werden, aus elekirisch normalleitendem Material ausgebildet sein, so daß diese Wicklung nur teilweise aus Supraleitermaterial besteht

Die Drosselspule 5 kann beispielsweise auch mit einem kleinen verschiebbaren Eisenkern versehen sein, der eine Veränderung der Induktivität erlaubt. Der Eisenkern ist dabei jedoch so klein zu bemessen, daß das Verhalten der Drosselspule 5 durch den gegenüber dem Eisenkern großen Luftspalt bestimmt wird.

Bei Absicherung einer Drehstromleitung durch die Strombegrenzungseinrichtung wird vorzugsweise in jede der drei Leitungen für die Drehstromphasen eine Strombegrenzungseinrichtung eingeschaltet. Die Strombegrenzungseinrichtung hat insbesondere den Vorteil, daß die mit der Strombegrenzungseinrichtung zu schützenden Energieübertragungsanlagen für wesentlich kleinere Kurzschlußströme ausgelegt werden können als ohne Strombegrenz.ungseinrichtung. Insbesondere eignet sich die Strombegrenzungseinrichtung zum Schutz von supraleitenden Wechselstrom- oder Drehstromkabeln, die ohne Zwischenschaltung von Transformatoren unmittelbar durch die Generatoren gespeist werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Spule mit veränderlicher Induktivität als Strombegrenzungseinrichtung für Energieübertragungsanlagen, bei der zwei magnetisch eng gekoppelte, elektrisch parallelgeschaltete Wicklungen vorgesehen sind, die bei Nennbetrieb eine annähernd gleiche Durchflutung entgegengesetzter Richtung aufweisen, und bei der wenigstens die erste der Wicklungen ganz oder teilweise aus einem Supraleitermaterial besteht und so ausgelegt und/oder angeordnet ist, daß ihre kritische Feldstärke bzw. Stromstärke beim Oberschreiten des Grenzwertes des Stromes überschritten und der supraleitende Leiter der Wicklung normalleitend wird, nach Patent 15 63 335, dadurch gekennzeichuet, daß mit der ersten Wicklung (1) eine elektrisch normalleitende Drosselspule (5) von solcher Induktivität in Reihe liegt und diese Reihenschaltung parallel zur zweiten Wicklung (2) geschaltet ist, daß beim Betrieb der Spule mit einem Strom kleiner oder gleich dem Grenzstrom an der Drosselspule (5) etwa der gleiche Spannungsabfall wie an der zweiten Wicklung (2) auftritt.

2. Spule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität der Drosselspule (5) einstellbar ist