DE19750758A1

DE19750758A1 - Current limiting device

Info

Publication number: DE19750758A1
Application number: DE19750758A
Authority: DE
Inventors: Stefan Dipl Phys Fischer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1997-11-11
Filing date: 1997-11-11
Publication date: 1999-05-12
Also published as: EP1029370A1; CN1218300A; JP2001523051A; WO1999025032A1

Abstract

The invention relates to a current limiting device for combinational circuits, especially low and medium voltage, for electricity supply systems and power distribution. The current limiting device is formed by a plate conductor element (PE) with a core made out of a substrate material (SK) on which a high temperature supraconductive layer can be deposited and which is terminated on one or both sides by a shunt layer (SS) and surrounded on the outside by a heat insulating surface layer (OS). The current limiting device is fully surrounded by liquid nitrogen (NF) acting as a coolant. Resistive current limitation devices of this kind are used in combinational circuits, especially low or medium voltage, for electricity supply systems and power distribution.

Description

Die Erfindung betrifft eine Strombegrenzereinrichtung für Schaltnetze, insbesondere der Nieder- und Mittelspannungs technik, zur Energieversorgung und -verteilung.The invention relates to a current limiter device for Switching networks, especially low and medium voltage technology, for energy supply and distribution.

In den Nieder- und Mittelspannungsnetzen sind bisher zur Energieversorgung und -verteilung luft- und gasisolierte Lei stungsschalter eingesetzt. Das Ein- und Ausschalten dieser Leistungsschalter ist abhängig von den jeweils herrschenden Strömen bei den unterschiedlichen Betriebszuständen. Aus Si cherheitsgründen wird die Energieversorgung und -verteilung beim Überschreiten bestimmter Stromwerte im Nennstrombe triebszustand und im Kurzschlußbetriebszustand unterbrochen. Die Leistungsschalter, die in der Regel mittels mechanischer Antriebe ausgestattet sind, werden von Auslöseeinrichtungen gesteuert, die die vorhandenen Stromverhältnisse in den Ver sorgungsnetzen überwachen und beim Überschreiten von vorgege benen Grenzwerten die Unterbrechung einleiten.In the low and medium voltage networks have so far been used Energy supply and distribution of air and gas-insulated Lei control switch used. Turning this on and off Circuit breaker depends on the prevailing Currents in the different operating states. From Si The security of energy supply and distribution when certain current values in the nominal current range are exceeded drive state and interrupted in the short-circuit operating state. The circuit breakers, which are usually mechanical Drives are equipped by tripping devices controlled, which the existing current conditions in the Ver monitor supply networks and when exceeding specified initiate the interruption.

Die Auslöseeinrichtungen sind zunehmend durch elektronische Bauelemente realisiert, die die als fehlerhaft erkannten Be triebszustände in relativ kurzer Zeit beenden, so daß Beschä digungen der Versorgungsnetze und der daran angeschalteten Verteilanlagen weitestgehend eingeschränkt sind.The trip devices are increasingly electronic Realized components that the recognized as incorrect Be End drive states in a relatively short time, so that dam damage to the supply networks and those connected to them Distribution systems are largely restricted.

Das Maß der Abschaltzeit vom Versorgungsnetz ist also eine direkt proportionale Bezugsgröße zur Auslegung der strommäßi gen Belastbarkeit jeder einzelnen im Versorgungskreislauf be findlichen Anlagenkomponente.The measure of the switch-off time from the supply network is therefore one directly proportional reference value for the interpretation of the current resilience of each individual in the supply cycle sensitive system component.

Im Siemens EV-Report 3/97 ist vorgeschlagen, zur Begrenzung der Kurzschlußstrombeanspruchung der Anlagenkomponenten im Fehlerfall sogenannte hochtemperatursupraleitende Strombe grenzer einzusetzen. Diese begrenzen beispielsweise den Kurz schlußstrom durch einem Übergang vom supraleitenden in den normal leitenden Zustand noch weit vor Erreichen des ersten Scheitelwertes des Kurzschlußstromes. Besondere Maßnahmen zur Erkennung des Kurzschlußstromfehlers sind hier nicht vorzuse hen, da der Kurzschlußstrom durch die Erwärmung des supralei tenden Materials selbst zu einem Überschreiten der kritischen Temperatur und damit durch Erhöhung des wirksamen Widerstands zum Übergang in den normalleitenden Zustand führt. Man spricht in diesem Zusammenhang von resistiven Strombegren zern, die in relativ kurzen Zeiten vom supraleitenden in den normal leitenden Zustand umschalten.In the Siemens EV report 3/97 is proposed, for limitation the short-circuit current stress on the system components in the Failure so-called high-temperature superconducting current to use border guards. These limit the short, for example final current through a transition from the superconducting to the normal conductive state well before reaching the first Peak value of the short-circuit current. Special measures for Detection of the short-circuit current fault is not to be preferred here hen because the short-circuit current by heating the supralei tendency material itself to exceed the critical Temperature and thus by increasing the effective resistance leads to the transition to the normal conducting state. Man speaks in this context of resistive current limits cores that change from superconducting to silicon in relatively short times Switch over to the normally conductive state.

Die Kühlung dieser Strombegrenzer erfolgt beispielsweise durch flüssigen Stickstoff.These current limiters are cooled, for example through liquid nitrogen.

Die stationäre Wärmeübergangskurve von flüssigem Stickstoff ist grundsätzlich durch Messungen von H. Merte und J. A. Clark, Adv. Cryogen. Engng., Vol. 7, 546-550, von 1962, be kannt.The stationary heat transfer curve of liquid nitrogen is basically based on measurements by H. Merte and J. A. Clark, Adv. Cryogen. Engng., Vol. 7, 546-550, from 1962, be knows.

Darüber hinaus ist die scheinbar paradoxe Tatsache, das durch eine Oberflächenbeschichtung mit einer wärmeisolierenden Schicht das Abkühlen eines stark erwärmten Körpers in einer Flüssigkeit deutlich reduziert werden kann, durch die Berich te von Y. Kikuchi, T. Hori und I. Michiyoshi, Proceedings ICE9, Ko be, Japan, 1982 und G. Guido et. al. AM. J. Phys. 60(7), 593-597, 1992 bekannt. Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, die an sich bekannten Eigenschaften im Zusammenhang mit supraleitenden Strombergrenzereinrichtungen für die Ener gieverteilung und -Versorgung mit Schaltnetzen, insbesondere der Nieder- und Mittelspannungstechnik, nutzbar zumachen und die Funktionalität dieser Schaltnetze zu optimieren und gleichzeitig deren Sicherheit wesentlich zu verbessern. Er findungsgemäß wird dies durch die Merkmale
In addition, the apparently paradoxical fact that cooling a heavily heated body in a liquid can be significantly reduced by coating it with a heat-insulating layer is due to the reports by Y. Kikuchi, T. Hori and I. Michiyoshi, Proceedings ICE9, Ko be, Japan, 1982 and G. Guido et. al. AT THE. J. Phys. 60 (7), 593-597, 1992. The object on which the invention is based is to utilize the properties known per se in connection with superconducting current limiter devices for energy distribution and supply with switching networks, in particular low and medium voltage technology, and to optimize the functionality of these switching networks and at the same time significantly improve their safety improve. According to the invention, this is due to the features

1.1 the current limiter device is through a surface coated plate conductor element formed,
1.2 the plate conductor element consists of a core Deposition of a high temperature superconducting layer suitable substrate material with a one-sided or high-temperature superconductor layer applied on both sides,
1.3 the high temperature superconductor layer is by itself subsequent shunt layer limited,
1.4 the free outer area of the substrate material and free outer area of the shunt layer of the plate conductor lements are with an outer heat insulating upper provided surface layer, reached.

Mit der Ausgestaltung der Strombegrenzereinrichtung als Plat tenleiterelement in Schichtbauweise sind auch die Anforderun gen der Schaltnetze, insbesondere im Nieder- und Mittelspan nungsbereich, zu erfüllen. Hier geht es im wesentlichen dar um, daß beispielsweise nach einer durch einen kurzfristig auftretenden unzulässigen Überstrom erfolgten Stromunterbre chung unmittelbar nach dem Abklingen des unzulässigen Über stroms die Energieversorgung wieder voll wirksam werden kann. Mit der schlecht wärmeleitenden Oberflächenschicht wird bei geeigneter Konstellation von Schichtdicke, Wärmeleitfähigkeit und Plattenleiteroberfläche ein sehr schneller Wärmeübertrag wirksam, der eine sehr kurze Rückkühlzeit der Strombegren zereinrichtung zur Folge hat. Eine Eigenschaft, die bei die sen Schaltnetzen für Stromunterbrechungen in der Größenord nung kleiner 0,5 Sekunden noch toleriert werden.With the configuration of the current limiter device as a plat Layered conductor elements are also the requirements against the switching networks, especially in low and medium voltage range to be met. This is essentially about um that for example after a short term current overcurrent occurred immediately after the unacceptable over subsided electricity supply can be fully effective again. With the poorly heat-conducting surface layer, suitable constellation of layer thickness, thermal conductivity and plate conductor surface a very fast heat transfer effective, the very short recooling time of the current limits has the consequence. A property that the Switching networks for power interruptions of the order of magnitude smaller 0.5 seconds can still be tolerated.

Da sowohl die mit dem Supraleiter beschichtete als auch die unbeschichtete Seite des Substratmaterials dem Kühlmittel ausgesetzt sind, ist die wärmeisolierende Oberflächenschicht auch beidseitig aufgetragen.Since both the one coated with the superconductor and the uncoated side of the substrate material to the coolant exposed, is the heat-insulating surface layer also applied on both sides.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sehen vor, daß
Advantageous embodiments of the invention provide that

2.1 reali the surface layer by applying a varnish siert, or alternatively that
3.1 the surface layer with an epoxy resin adhesive wear, for example by a stycast coating, is realized.

Sowohl der Lackauftrag als auch der Epoxydharzkleberauftrag stellen eine Oberflächenbeschichtung dar, die jeweils mit re lativ geringen Mitteln in einfacher Weise durchzuführen sind. Als Beschichtungsmaterial kommen neben den oben erwähnten jegliche Materialien in Frage, deren Wärmeleitfähigkeit sehr viel kleiner ist als 1 Watt/Kelvin m und die auch bei schnell sich ändernden Tem peraturzyklen auf dem Plattenleiterelement haften bleiben. Als Beispiele seien hier noch genannt Gießharze, Teflon etc. Selbstverständlich müssen diese Materialien tieftemperatur tauglich sein und dürfen darüber hinaus weder den Supraleiter noch die Shuntschicht chemisch und/oder physikalisch beein trächtigen.Both the paint application and the epoxy resin adhesive application represent a surface coating, each with right relatively low means can be carried out in a simple manner. In addition to those mentioned above, as coating material any materials in question, their thermal conductivity very is much smaller than 1 watt / Kelvin m and the even with rapidly changing tem temperature cycles adhere to the plate conductor element. Casting resins, Teflon etc. are mentioned as examples. Of course, these materials need low temperatures the superconductor must not be suitable and must not still chemically and / or physically affect the shunt layer pregnant.

Das Verfahren zur Steuerung der Strombegrenzereinrichtung ist gemäß der vorangegangenen vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung durch die Merkmale
According to the preceding advantageous embodiments of the invention, the method for controlling the current limiter device is characterized by the features

4.1 the plate conductor element is arranged in a container net and completely surrounded by liquid nitrogen,
4.2 the plate conductor element is at a temperature in the loading cooled down from 77 degrees Kelvin, and
4.3 the plate conductor element causes the transition from the su a current in the normally conductive state river interruption at a time in the range of 50 milliseconds.

Das Plattenleiterelement der resistiven Strombegrenzerein richtung wird also durch flüssigen Stickstoff mit einer abso luten Temperatur im Bereich von 77 Grad Kelvin gekühlt. Bei einem Begrenzungsvorgang, d. h. beim Übergang vom supraleitenden in den normal leitenden Zu stand, wird innerhalb von 50 Millisekunden soviel Wärme von der Hochtemperatursupraleitschicht freigesetzt, daß sich die se bis annähernd 300 Grad Kelvin auf Raumtemperatur erwärmt. Durch das anschließende Unterbrechen des Stromflusses - der Supraleiter befindet sich im normal leitenden Zustand - wird keine Wärme mehr erzeugt, so daß das Plattenleiterelement durch den flüssigen Stickstoff wieder abgekühlt. Bei relativ schlechtem Wärmeübergang erfolgt die Kühlung bei den vorlie genden hohen Übertemperaturen im sogenannten Filmsiede-Be reich des flüssigen Stickstoffs, was einer Rückkühlzeit von etwa einer Sekunde entspricht. Die schlecht wärmeleitende Oberflächen schicht des Plattenleiterelements erzeugt dagegen einen Tem peraturgradienten, der bei geeigneter Konstellation seiner Schichtdicke und seiner Wärmeleitfähigkeit so vergrößert ist, daß die an der Plattenleiteroberfläche herrschende Temperatur im sogenannten Blasensiede-Bereich des flüssigen Stickstoffs liegt. Dies entspricht einer Verkürzung der Rückkühlzeit um über 50 Prozent, so daß sich eine Erholungszeit von unter 0,5 Sekunden für die Strombegrenzereinrichtung erreichen läßt. Damit können derartige Strombegrenzereinrichtungen auch für die Energieeinspeisung in Schaltnetzen, insbesondere der Nie der- und Mittelspannungstechnik, eingesetzt werden. Stromaus fallzeiten in dieser Größenordnung sind bei derartigen Schaltnetzen noch zulässig.The plate conductor element of the resistive current limiters direction is thus through liquid nitrogen with an abso luten temperature in the range of 77 degrees Kelvin chilled. In a limit operation, i.e. H. in the transition from the superconducting to the normally conducting Zu so much heat from within 50 milliseconds the high-temperature superconductor layer released that the se warmed up to approximately 300 degrees Kelvin to room temperature. By subsequently interrupting the current flow - the Superconductor is in the normal conductive state - will generates no more heat, so that the plate conductor element cooled down again by the liquid nitrogen. With relative bad heat transfer takes place in the cooling high temperatures in the so-called film boilers rich in liquid nitrogen, resulting in a recooling time of about one Second corresponds. The poorly heat conductive surfaces Layer of the plate conductor element, however, creates a tem temperature gradient, given a suitable constellation of its Layer thickness and its thermal conductivity is increased so that the temperature prevailing on the surface of the plate conductor in the so-called bubble boiling range of liquid nitrogen lies. This corresponds to a reduction in the recooling time over 50 percent, so that a recovery time of less than 0.5 Seconds for the current limiter device. Current limiter devices of this type can also be used for the energy feed in switchgear networks, in particular never and medium voltage technology. Power out Fall times of this magnitude are with such Switching networks still permitted.

Die Erfindung wird durch ein Ausführungsbeispiel näher erläu tert, in dem die Strombegrenzereinrichtung in ihrer Zusammen setzung schematisch dargestellt ist.The invention is illustrated by an embodiment tert, in which the current limiter device in their combination setting is shown schematically.

Die Strombegrenzereinrichtung ist durch das Plattenleiterele ment PE realisiert, das, wie die Querschnittsdarstellung er kennen läßt, in schichtbauweise hergestellt ist. Auf dem als Träger dienenden Substratmaterial SK, das vorab mit einer biaxial texturierten, nicht dargestellten und nicht bezeich neten Pufferschicht versehen ist, ist einseitig oder beidsei tig die Hochtemperatursupraleitschicht HS aufgetragen, an der sich die Shuntschicht SS anschließt. Diese Shuntschicht SS ist durch eine Silbermetallschicht, auch eine Goldschicht wä re hier denkbar, gebildet, die für die Hochtemperatursupra leitschicht HS als thermischer und elektrischer Shunt wirkt und gleichzeitig die Hochtemperatursupraleitschicht HS gegen chemische Beeinflussungen der Umwelt schützt. Weiterhin ist erkennbar, daß die beiden Außenbereiche des Plattenleiterele ments PE mit der einheitlichen Oberflächenschicht OS überzo gen sind. Das Plattenleiterelement PE ist gänzlich in einem Bad von flüssigen Stickstoff NF angeordnet, mit dem die Er wärmung der Strombegrenzereinrichtung im Falle von unzulässig hohen Überströmen und Kurzschlußströmen in relativ kurzer Zeit zur Erreichung einer schnellen Wiederverfügbarkeit abge baut wird. Die Strombegrenzereinrichtung ist dazu in einem nicht dargestellten geschlossenen Behälter untergebracht.The current limiter device is through the Plattenleiterele ment PE realizes that, like the cross-sectional representation lets know, is made in layered construction. On the as Carrier serving substrate material SK, which with a biaxially textured, not shown and not labeled neten buffer layer is one-sided or both the high-temperature superconductor layer HS is applied, on which the shunt layer SS joins. This shunt layer SS is through a silver metal layer, also a gold layer re conceivable here, formed for the high temperature supra conductive layer HS acts as a thermal and electrical shunt and at the same time the high-temperature superconductor layer HS against protects chemical influences on the environment. Still is recognizable that the two outer areas of the Plattenleiterele elements PE with the uniform surface layer OS coated gen. The plate conductor element PE is completely in one Bath of liquid nitrogen NF arranged with which the Er heating of the current limiter device in the case of impermissible high overcurrents and short-circuit currents in a relatively short Time to achieve rapid availability is built. For this purpose, the current limiter device is in one closed container not shown housed.

Claims

1. Current limiter device for switching networks, in particular low and medium voltage technology, for energy supply and distribution, characterized by the features

1.1 the current limiter device is formed by a surface-coated plate conductor element (PE),
1.2 the plate conductor element (PE) consists essentially of a substrate material (SK) suitable for depositing a high-temperature superconducting layer with a high-temperature super-conducting layer (HS) applied on one or both sides,
1.3 the high-temperature superconductor layer (HS) is delimited by an adjoining shunt layer (SS),
1.4 the free outer area of the substrate material (SK) and the free outer area of the shunt layer (SS) of the plat tenleiterelements (PE) are provided with an outer heat-insulating surface layer (OS).

2. Current limiting device for switching networks according to claim 1, characterized by the feature

3.1 the surface layer (OS) is realized by applying a varnish.

3. Current limiter device for switching networks according to claim 1, characterized by the feature

3.1 the surface layer (OS) is realized by an epoxy adhesive application, for example by a Stycastbe coating.

4. A method for controlling the current limiter device according to claims 1 and 2 and claims 1 and 3, characterized by the features

3.1 the plate conductor element (PE) is arranged in a container and completely surrounded by liquid nitrogen (NF),
3.2 the plate conductor element (PE) is cooled to a temperature in the range of 77 degrees Kelvin, and
3.3 the plate conductor element (PE) causes a current flow interruption in a time in the range of 50 milliseconds during the transition from the superconducting to the normally conducting state.