DE19750760A1 - Strombegrenzungseinrichtung für Schaltnetze - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Strombegrenzereinrichtung für Schaltnetze, insbesondere der Nieder- und Mittelspannungs­ technik, zur Energieversorgung und -verteilung.

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.

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.

Das Maß der Abschaltzeit vom Versorgungsnetz ist also eine direkt proportionale Bezuggröße zur Auslegung der strommäßi­ gen Belastbarkeit jeder einzelnen im Versorgungskreislauf be­ findlichen Anlagenkomponente.

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 einen Übergang vom supraleitenden in den normalleitenden 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. Im Zusam­ menhang mit hochtemperatursupraleitenden Strombegrenzern sind zwei Arten der technischen Realisierung bekannt:
die resistiven Strombegrenzer und die induktiven Strombe­ grenzer.

Die induktiven Strombegrenzer sind im Prinzip durch einen Transformator gebildet, bei denen eine Schirmung aus supra­ leitenden Material das magnetische Feld zwischen beiden Transformatorwicklungen trennt. Steigt der Strom und damit das magnetische Feld, so verliert die Schirmung ihre Fähig­ keit, das Magnetfeld zwischen den Wicklungen zu trennen. Die dadurch wirksam werdende Impedanz der Geräte begrenzt damit die Höhe des fließenden Stromes.

Bei resistiver Bauart werden die supraleitenden Strombe­ grenzer direkt in den Strompfad des Schaltnetzes geschaltet. Überschreitet der Strom einen Grenzwert, so verliert der Su­ praleiter seine supraleitende Eigenschaft, was eine Erhöhung des wirksamen Widerstands zur Folge hat. Bedingt durch diese Widerstandserhöhung wird auch hier der durchfließende Strom automatisch begrenzt.

Bei entsprechender Dimensionierung sind derartige Strombe­ grenzer daher auch zur Einhaltung der für die jeweiligen Schaltnetze maximal zulässigen Strombelastungen einsetzbar. Entsprechend den Anforderungen an die entsprechend zulässigen Strombelastungen und der Ansprechempfindlichkeit sind die Strombegrenzer für eine feste Temperatur ausgelegt, die meist von der Flüssigstickstoff-Temperatur bei Atmosphäredruck aus­ geht.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, die Strombegrenzer für Schaltnetze, insbesondere der Nieder- und Mittelspannungstechnik, vorzusehen, die mit einfachen Mitteln an die jeweiligen Verhältnisse am Einsatzort angepaßt werden können ohne daß Einschränkungen der bekannten Eigenschaften hinzunehmen sind.

Erfindungsgemäß wird dies durch der Merkmale

• 1.1 die Strombegrenzereinrichtung ist durch ein hochtempera­ tursupraleitendes Material enthaltendes Strombegren­ zungselement gebildet,
• 1.2 das Strombegrenzungselement ist in einem geschlossenen, mit einem Abgasventil versehenen Stickstoffbehälter ange­ ordnet und vollständig vom flüssigen Stickstoff umgeben,
• 1.3 der Stickstoffbehälter enthält oberhalb des flüssigen Stickstoffs einen Gasraum, in dem eine Wärmetauscherein­ richtung angeordnet ist,
• 1.4 die Wärmetauschereinrichtung ist mit einer Kältemaschi­ neneinrichtung verbunden,
• 1.5 die Kältemaschineneinrichtung ist derart steuerbar, daß die Wärmetauschereinrichtung den sich wegen eindringen­ der Wärme bildenden gasförmigen Stickstoff im Gasraum rekondensiert,

erreicht.

Mit dem im geschlossenen Stickstoffbehälter angeordnetem Strombegrenzungselement, das dort vollständig vom flüssigen Stickstoff umgeben ist, kann in Verbindung mit der von der Kältemaschineneinrichtung bedarfsweise gekühlten Wärmetau­ schereinrichtung eine bestimmte Betriebstemperatur gehalten werden. Dies bedeutet, daß zum einen die hauptsächlich über die Stromzuführungen in den Stickstoffbehälter eindringende Wärme und der sich dadurch bildende gasförmige Stickstoff über die sogenannte Kaltfläche der Wärmetauschereinrichtung rekondensiert wird und als flüssiger Stickstoff wieder zur geregelten Kühlung des Strombegrenzungselement beitragen kann. Zum anderen ergibt sich nach der Erwärmung des Strombe­ grenzungselementes und dem dadurch entstehenden normal leiten­ den Zustand ein zeitabhängiges erneutes Abkühlen der Strombe­ grenzereinrichtung in den supraleitenden Zustand, sofern die Wärmeentstehung durch unzulässig überhöhte Ströme, wie Über­ ströme und Kurzschlußströme wegen der Unterbrechung der Ener­ giezufuhr nicht mehr stattfinden kann.

Beide Auswirkungen tragen dazu bei, daß die bekannten Eigen­ schaften dieser hochtemperatursupraleitenden Strombegrenzer praktisch einstellbar geworden sind. Dies bedeutet, daß die Strombegrenzungselemente gleichen Typs, d. h., mit definier­ ten Materialeigenschaften und gleicher Geometrie, mit unter­ schiedlichen Stromwerten und Ansprechströmen einsetzbar sind. Darüber hinaus sind ohne Austausch der Strombegrenzungsele­ mente Anpassungen an sich ändernde Schaltnetzverhältnisse möglich und können direkt vom Betreiber der Schaltnetze durch geeignete Steuerungsvorgänge realisiert werden. Ein Bedarf zur Anpassung könnte beispielsweise bei der Änderung des An­ sprechstromes wegen saisonal unterschiedlicher Netzbelastun­ gen im Sommer- und Winterbetrieb gegeben sein. Auch das Vor­ handensein von Schaltnetzkomponenten, wie Filterkreise, große Motoren etc., die kurzzeitig Überströme im Versorgungsnetz verursachen, die jedoch nicht - da noch zulässig - zum Wirk­ samwerden der Strombegrenzungselemente führen dürfen.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht das Merk­ mal

• 2.1 die Abgabe der Leistung der Kältemaschineneinrichtung ist durch eine den Druck im Gasraum erfassende Druck­ meßeinrichtung regelbar, vor.

Damit läßt sich in sehr einfacher Weise die Kältemaschinen­ einrichtung zur Abgabe der notwendigen Kühlleistung für die Wärmetauschereinrichtung steuern.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht das Merkmal

• 3.1 die Abgabe der Leistung der Kältemaschineneinrichtung ist durch eine im flüssigen Stickstoff des Stickstoffbe­ hälters angeordnete Temperaturmeßeinrichtung steuerbar, vor.

Mit dieser Maßnahme, die sowohl alternativ als auch fakulta­ tiv zu den voran aufgeführten Maßnahmen getroffen werden kann, ist der Regelvorgang zur Einstellung der jeweils ge­ wünschten Betriebsparameter zusätzlich verbessert.

Zur Erhöhung des Sicherheitstandards derartiger Schaltnetze ist darüber hinaus das Merkmal

• 4.1 der Stickstoffbehälter ist mit einer Berstschutzeinrich­ tung versehen, vorgesehen.

Die Erfindung wird durch ein Ausführungsbeispiel näher erläu­ tert, in dem der Aufbau einer möglichen Ausführungsform einer resistiven Strombegrenzereinrichtung schematisch dargestellt ist.

Die Strombegrenzereinrichtung ist im wesentlichen aus dem Strombegrenzungselement SE gebildet, das in dem geschlossenen Stickstoffbehälter SB angeordnet ist. Der Stickstoffbehälter SB ist derart mit flüssigen Stickstoff FN gefüllt, daß sich über dem flüssigen Stickstoff FN ein Gasraum GR bilden kann. Dabei ist das Strombegrenzungselement SE vollständig von dem flüssigen Stickstoff FN umgeben. Im Gasraum GR des Stick­ stoffbehälters SB ist die Wärmetauschereinrichtung WT posi­ tioniert, die mit der Kältemaschineneinrichtung KM in Verbin­ dung steht. Desweiteren ist ersichtlich, daß sich im flüssi­ gen Stickstoff FN die Temperaturmeßeinrichtung TM befindet, die mit ihrer Ausgangsgröße die Kältemaschineneinrichtung KM beeinflußt. Neben der aus Sicherheitsgründen vorgesehenen Berstschutzeinrichtung BS ist der Stickstoffbehälter SB noch mit dem Abgasventil VA versehen, über das der gasförmige Stickstoff GN, der sich bereits beim Einfüllen des flüssigen Stickstoffs FN bildet, aus den Stickstoffbehälter SB abge­ führt werden kann. Zusätzlich ist die Strombegrenzereinrich­ tung mit der Druckmeßeinrichtung DM ausgestattet, deren Aus­ gangsgröße ebenfalls zur Steuerung der Kältemaschinenein­ richtung KM beiträgt. Über die nicht bezeichneten Anschlüsse des resistiven Strombegrenzungselementes SE, die außerhalb des Stickstoffbehälters SB angeordnet sind, wird die Strombe­ grenzereinrichtung direkt in den Stromkreis des nicht darge­ stellten Schaltnetzes eingefügt.

Die bekannte Funktionsweise des hochtemperatursupraleitenden Strombegrenzungselement SE, bei einer bestimmten Erwärmung vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand umzuschal­ ten, wird bei den Schaltnetzen also in der Weise genutzt, daß Überströme und Kurzschlußströme frühzeitig noch vor ihrer vollen Wirksamkeit auf die in den Schaltnetzen vorhandenen Schaltkomponenten erkannt und durch eine schnelle Stromunter­ brechung unwirksam geschaltet werden.

Diese Schaltvorgänge an die unterschiedlichen betrieblichen und örtlichen Verhältnisse der Schaltnetze anzupassen, wird praktisch durch die Regelung der Kühlleistung der Kältema­ schineneinrichtung KM durch Temperatur- und/oder Drucksteue­ rung mittels der Temperaturmeßeinrichtung TM und/oder der Druckmeßeinrichtung DM erreicht. Sobald sich beim Überschrei­ ten eines Stromwertes beim Überstrom und beim Kurzschlußstrom das Strombegrenzungselement SE entsprechend erwärmt, wird der flüssige Stickstoff FN verdampft und schlägt sich als Konden­ sat an der Wärmetauschereinrichtung WT nieder. Dieser Vorgang ist sowohl durch die Temperaturmeßeinrichtung TM als auch durch die Druckmeßeinrichtung DM erfaßbar und dient direkt zur Steuerung der Abgabe der Kälteleistung der Kältemaschi­ neneinrichtung KM. Die Wärmetauschereinrichtung WT wird da­ durch derart abgekühlt, daß der gasförmige Stickstoff GN im Gasraum GR wieder in den flüssigen Zustand überführt wird. Das Strombegrenzungselement SE wird wieder auf die ursprüng­ liche Temperatur des flüssigen Stickstoffs FN abgekühlt.

Dies bedeutet, daß einerseits Kälteverluste, die u. a. durch die von außen zugeführten Stromanschlüsse verursacht werden, ohne Beeinflussung der bestehenden Ströme in den Schaltnetzen stets ausgeregelt werden. Andererseits sind Stromunterbre­ chungen durch die Veränderung des Wirkwiderstands des Strom­ begrenzungselementes SE beim Übergang von den supraleitenden in den normalleitenden Zustand automatisch beendet, sobald der Störfall - Überschreiten des zulässigen Überstromes bzw. Vorliegen des Kurzschlußstromes - nicht mehr vorliegt. Mit der Beseitigung des Störfalles wird automatisch ohne ma­ nuellen Eingriff der ursprüngliche Betriebszustand - die Energieversorgung der am Schaltnetz angeschalteten Verbrau­ cher - wieder hergestellt.

Claims (4)

1. Strombegrenzereinrichtung für Schaltnetze, insbesondere der Nieder- und Mittelspannungstechnik, zur Energieversorgung und -verteilung, gekennzeichnet durch die Merkmale

• 1.1 die Strombegrenzereinrichtung ist durch ein hochtempera­ tur-supraleitendes Material enthaltendes Strombegren­ zungselement (SE) gebildet,
• 1.2 das Strombegrenzungselement (SE) ist in einem geschlos­ senen, mit einem Abgasventil (VA) versehenen Stickstoff­ behälter (SB) angeordnet und vollständig vom flüssigen Stickstoff (FN) umgeben,
• 1.3 der Stickstoffbehälter (SB) enthält oberhalb des flüssi­ gen Stickstoffs (FN) einen Gasraum (GR), in dem eine Wärmetauschereinrichtung (WT) angeordnet ist,
• 1.4 die Wärmetauschereinrichtung (WT) ist mit einer Kältema­ schineneinrichtung (KM) verbunden,
• 1.5 die Kältemaschineneinrichtung (KM) ist derart steuerbar, daß die Wärmetauschereinrichtung (WT) den sich wegen eindringender Wärme bildenden gasförmigen Stickstoff (GN) im Gasraum (GR) rekondensiert.

2. Strombegrenzereinrichtung für Schaltnetze nach Patentan­ spruch 1, gekennzeichnet durch das Merkmal

• 2.1 die Abgabe der Leistung der Kältemaschineneinrichtung (KM) ist durch eine den Druck im Gasraum (GR) erfassende Druckmeßeinrichtung (DM) regelbar.

3. Strombegrenzereinrichtung für Schaltnetze nach Patentan­ spruch 1 und den Patentansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch das Merkmal

• 3.1 die Abgabe der Leistung der Kältemaschineneinrichtung (KM) ist durch eine im flüssigen Stickstoff (FN) des Stickstoffbehälters (SB) angeordnete Temperaturmeßein­ richtung (TM) steuerbar.

4. Strombegrenzereinrichtung für Schaltnetze nach Patentan­ spruch 1 und einem der nachfolgenden Patentansprüche 2 und 3, gekennzeichnet durch die Merkmale

• 4.1 der Stickstoffbehälter ist mit einer Berstschutzeinrich­ tung (BS) versehen.