DE19947411A1

DE19947411A1 - Vorrichtung zur Überstrombegrenzung

Info

Publication number: DE19947411A1
Application number: DE19947411A
Authority: DE
Inventors: Willi Paul
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Priority date: 1999-10-01
Filing date: 1999-10-01
Publication date: 2001-04-12

Abstract

Die vorliegende Erfindung hat eine Vorrichtung zur Überstrombegrenzung 1 auf Supraleiterbasis zum Gegenstand, welche zum Einsatz in Wechselstromnetzen 2 geeignet ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst einen Vakuumschalter 11 zur Unterbrechung eines durch die strombegrenzende Einheit 10 begrenzten Kurzschlussstromes. Der Einsatz eines kostengünstigen Vakuumschalters 11 wird durch die symmetrische Strombegrenzung basierend auf der Ausbildung eines resistiven Widerstandes der supraleitenden strombegrenzenden Einheit ermöglicht.

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Energieübertragung über Wechselstromnetze und insbesondere auf den Schutz letzterer gegen Überströme. Sie betrifft eine Vorrichtung zur Überstrombegrenzung gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

STAND DER TECHNIK

Bei einem Strombegrenzer auf Supraleiterbasis wird ausge nutzt, dass ein Supraleiter bei entsprechend tiefer Tempera tur seine Supraleitfähigkeit nur solange beibehält, als die Stromstärke eines ihn durchfliessenden Stromes unterhalb ei nes gewissen Grenzwertes bleibt. Tritt der Supraleiter im Kurzschlussfall infolge eines Überstromes in den resistiven Zustand über, wird Energie dissipiert, und der Supraleiter heizt sich unter Umständen sehr stark auf. Erst nach einer gewissen Erholzeit kühlt sich letzterer wieder auf seine Be triebstemperatur ab und kann erneut seinen Nennstrom führen.

Aus der EP 0 926 797 A2 ist eine Vorrichtung zur Überstrom begrenzung, umfassend eine Parallelschaltung einer Drossel spule mit einer Reihenschaltung aus einem Hochtemperatursu praleiter und einem im Normalbetrieb geschlossenen Schalter bekannt. Die Art beziehungsweise Funktionsweise des auch als Öffner oder Unterbrecher bezeichneten Schalters ist nicht weiter präzisiert. Zu seinem eigenen Schutz wird der Supra leiter nur kurze Zeit nach einem Kurzschluss, beispielsweise während der ersten Halbwelle, durch den Überstrom belastet und möglichst bald durch Öffnen des Unterbrechers entlastet. Die weitere Begrenzung des Kurzschlussstromes wird durch die parallelgeschaltete Drosselspule übernommen. Dadurch erwärmt sich der Supraleiter weniger stark und ist nach der Abkühlung auf Betriebstemperatur schneller wieder verfügbar.

Ferner ist allgemein bekannt, dass Vakuumschalter für den Mittelspannungsbereich günstig hergestellt werden können. Sie haben jedoch den Nachteil, dass sie asymmetrische Ströme mit fehlenden Nulldurchgängen nicht sicher abschalten. In der GB 2 167 605 A ist ein derartiger Vakuumschalter beschrieben. Er umfasst zwei bewegliche Elektroden in einem Schaltgehäuse so wie einen mechanischen Antrieb.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Überstrombegrenzung auf Supraleiterbasis für Wechsestrom netze zu schaffen, bei welcher der Supraleiter effizient und kostengünstig gegen Überbelastung geschützt ist. Diese Auf gabe wird durch eine Vorrichtung zur Überstrombegrenzung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Kern der Erfindung ist es, bei einer Vorrichtung zur Über strombegrenzung auf Supraleiterbasis einen Vakuumschalter in Serie mit dem strombegrenzenden Element vorzusehen. Der Er findung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein strombegren zendes Element auf Supraleiterbasis einen Kurzschlussstrom symmetrisch begrenzt, d. h. dass der Kurzschlussstrom keine Gleichstromkomponente aufweist. Entsprechend wird der Kurz schlussstrom innerhalb der ersten Wechselstromperiode einen Nulldurchgang aufweisen, was dem Vakuumschalter ein sicheres Abschalten ermöglicht.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen gehen aus den abhän gigen Patentansprüchen hervor.

KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUR

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei spielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Wechselstromnetz mit einer erfindungsgemässen Vorrichtung zur Überstrombegrenzung.

Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen sind in der Bezugszeichenliste zusammengefasst. Grundsätzlich sind gleiche Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

In Fig. 1 ist eine Vorrichtung zur Überstrombegrenzung 1 dargestellt, welche in eine Phase eines zu schützenden Wech selstrom-Energieübertragungsnetzes 2 geschaltet ist. Das Wechselstromnetz 2 umfasst beispielsweise eine Wechselspan nungsquelle 20 und einen Verbraucher 21. Die erfindungsgemä sse Vorrichtung 1 umfasst ein strombegrenzendes Element 10 und einen dazu in Serie geschalteten Vakuumschalter 11 als Unterbrecher. Eine zu Vakuumschalter 11 und Strombegrenzer 10 parallelgeschaltete Impedanz 12, beispielsweise eine Spule, ist so bemessen, dass sie im Dauerbetrieb, d. h. solange das strombegrenzende Element 10 den Nennstrom führt, nur wenig zur Gesamtadmittanz der Vorrichtung 1 beiträgt.

Im Dauerbetrieb fliesst der Nennstrom durch das strombe grenzende Element 10. Sobald im Wechselstromnetz 2 ein Kurz schluss oder sonstiger Fehler auftritt und der Strom durch das strombegrenzende Element 10 über einen bestimmten kriti schen Wert ansteigt, erhöht sich der Widerstand des strombe grenzenden Elementes 10 und begrenzt den Überstrom auf ein vorgebbares Vielfaches des Nennstromes. Um das strombegren zende Element 10 möglichst wenig aufzuheizen beziehungsweise eine rasche Wiederabkühlung zu gewährleisten, wird der Vaku umschalter 11 schnellstmöglich nach Auftreten des Kurzschlus ses geöffnet. Die Impedanz 12 ermöglicht es in diesem Falle, auch nach Aktivierung des Unterbrechers 11 einen gewissen Strom im Wechselstromnetz 2 aufrechtzuerhalten.

Ein strombegrenzendes Element 10 mit einer supraleitenden Komponente weist eine ausgeprägt nichtlineare Strom-Span nungscharakteristik auf und begrenzt einen Überstrom symme trisch, unabhängig von der Phasenlage beziehungsweise vom Zeitpunkt des Auftretens des Kurzschlusses. Der Grund dafür liegt darin, dass die supraleitende Komponente im Begren zungsfall eine resistive Impedanz oder ohmschen Widerstand ausbildet und Wirkleistung in der supraleitenden Komponente dissipiert wird. Dadurch ist gewährleistet, dass der begrenz te Überstrom Nulldurchgänge aufweist, bei welchen auch ein konventioneller Vakuumschalter sicher öffnet und den Über strom durch das strombegrenzende Element 10 unterbricht.

Im Gegensatz dazu verbraucht ein strombegrenzendes Element mit einer überwiegend induktiven Impedanz, beispielsweise ei ne Drosselspule, keine Wirkleistung. Je nach der Phasenlage beziehungsweise dem Zeitpunkt des Auftretens des Kurzschlus ses ist der Fehlerstrom asymmetrisch, d. h. von einer nur langsam abklingenden Gleichstromkomponente überlagert. In ei nem solchen Fall tritt ein Nulldurchgang des Fehlerstromes, welcher ein sicheres Abschalten durch einen Unterbrecher ga rantiert, erst nach einigen Wechselstromperioden auf (siehe dazu den Report von R. F. Giese und M. Runde, "Fault-Current Limiters"; Argonne National Laboratory, Argonne, Illi nois 60439; p. 6-12, Nov. 1, 1991).

Die supraleitende Komponente des strombegrenzenden Elemen tes 10 kann selbst direkt in Serie zu den Verbrauchern 21 in den Wechselstromkreis 2 geschaltet sein. Bei dieser sogenannt resistiven Ausführung wird also ein Teil des Wechselstrom kreises 20 auf die Betriebstemperatur des Supraleiters ge kühlt. Andererseits kann die supraleitende Komponente auch induktiv an den Wechselstromkreis 20 angekoppelt sein, bei spielsweise auf der Sekundärseite eines Transformators, des sen Primärseite in Serie zu den Verbrauchern 21 in den Wech selstromkreis 2 geschaltet ist.

BEZUGSZEICHENLISTE

1

Vorrichtung zur Überstrombegrenzung

10

Strombegrenzendes Element

11

Unterbrecher, Vakuumschalter

12

Impedanz

2

Wechselstromnetz

20

Spannungsquelle

21

Verbraucher

Claims

1. Vorrichtung zur Überstrombegrenzung (1) für Wech selstromnetze (2), mit einem strombegrenzenden Element (10) auf Supraleiterbasis und einem dazu in Serie geschal teten Unterbrecher (11), dadurch gekennzeichnet, dass der Unterbrecher (11) ein Vakuumschalter ist.

2. Vorrichtung zur Überstrombegrenzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das strombegrenzende Ele ment (10) eine supraleitende Komponente umfasst, welche in Serie in das Wechselstromnetz (2) geschaltet ist.

3. Vorrichtung zur Überstrombegrenzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Impedanz (12) paral lel zur Serieschaltung aus Vakuumschalter (11) und strom begrenzendem Element (10) geschaltet ist.