DE2436929C3

DE2436929C3 - Current limiting device for an electrical network

Info

Publication number: DE2436929C3
Application number: DE19742436929
Authority: DE
Inventors: Ernst Dr.-Ing. 8520 Erlangen Massar
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Filing date: 1974-07-31
Publication date: 1977-03-10

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Strombegren Zungseinrichtung für ein elektrisches Netz, die einen mit dem Netz verbundenen Supraleiter aufweist.The invention relates to a current limiting device for an electrical network, which has a having superconductors connected to the network.

Eine derartige Strombegrenzuugseinrichturg ist aus der DT-PS 19 62 704 bekannt. Diese bekannte Strombegrenzungseinrichtung ist so aufgebaut, daß der Supraleiter durch sein eigenes magnetisches Feld in den normalleitenden Zustand geschaltet wird. Somit muß jede Strombegrenzungseinrichtung für einen bestimmten Überstrom ausgelegt werden und kann dann jeweils 6s nur entsprechend diesem Überstrom eingesetzt werden. Eine willkürliche Aurlösung der bekannten Strombegrenzungseinrichtung ist nicht möglich.Such a current limiting device is off the DT-PS 19 62 704 known. This known current limiting device is constructed in such a way that the superconductor enters the normally conductive state is switched. Thus, each current limiting device must be used for a specific Overcurrent and can then only be used for 6s according to this overcurrent. An arbitrary solution to the known current limiting device can not.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Strombegrenzungseinrichtung zu schaffen, die willkürlich betätigt werden kann.The invention has for its object to provide a current limiting device that arbitrarily can be operated.

Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt nach der Erfindung dadurch, daß der Supraleiter durch magnetisch leitende Abschirmmittel gegen das von einer vom Netzstrom durchflossenen Wicklung erzeugte magnetische Feld abgeschirmt ist und den Abschirmmittel steuerbare Magnetisierungsspulen zugeordnet sind, durch die die Abschirmmittel bis zur Sättigung quermagnetisierbar sind.The object is achieved according to the invention in that the superconductor is magnetically conductive shielding means against the magnetic generated by a winding through which the mains current flows Field is shielded and controllable magnetizing coils are assigned to the shielding means, by means of which the shielding means can be transversely magnetized up to saturation.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist als Wicklung ein Lufttransformator vorgesehen, dessen Primärwicklung im Zuge des Netzes liegt und an dessen Sekundärwicklung der Supraleiter angeschlossen ist Hierdurch besteht die Möglichkeit, die Spannung der Sekundärwicklung des Lufttransformators den Eigenschaften des Supraleiters optimal anzupassen. Der Supraleiter kann außerdem für eine kleinere Spannung ausgelegt werden, so daß sich keine Isolationsprobleme ergeben. Außerdem wird der Supraleiter durch den Lufttransformator vor steil einfallenden Wanderwellen geschützt. Durch Wegfall dieser extremen Beanspruchungen ergibt sich ein wesentlich einfacherer konsti-uktiver Aufbau für den Supraleiter.According to one embodiment of the invention, an air transformer is provided as the winding, the Primary winding lies in the course of the network and to whose secondary winding the superconductor is connected This enables the voltage of the secondary winding of the air transformer to change the properties of the superconductor to optimally adapt. The superconductor can also be used for a lower voltage designed so that there are no insulation problems. In addition, the superconductor is through the Air transformer protected from steeply falling traveling waves. By eliminating these extreme stresses the result is a much simpler constructive one Structure for the superconductor.

Vorteilhaft ist es weiterhin, daß der Supraleiter mittels eines Schnellschalters von der Sekundärwicklung abschaltbar ist. Mittels eines solchen Schnellschaltei s kann der Supraleiter kurze Zeit nach dem Auftreten eines Überstromes abgeschaltet werden, so daß die Verdampfung des den Supraleiter umgebenden Kühlmittels stark eingeschränkt wird.It is also advantageous that the superconductor is disconnected from the secondary winding by means of a high-speed switch can be switched off. By means of such a high-speed switch, the superconductor can switch off a short time after the occurrence an overcurrent are switched off, so that the evaporation of the coolant surrounding the superconductor is severely restricted.

Wird der Supraleiter koaxial zu der konzentrisch ineinanderliegenden Primär- und Sekundärwicklung des Lufttransformators angeordnet, so ist im Sinne der Erfindung der Supraleiter mit einem geschlossenen Eisenschirm zu umgeben. Wird der Supraleiter dagegen zwischen den axial unterteilten Wicklungen des Lufttransformators angeordnet, so ist es ausreichend, wenn auf beiden Stirnseiten des Supraleiters sich über die Breite des Supraleiters erstreckende, magnetisch leitende Bleche vorgesehen sind, zwischen denen sich parallel zur Achse des Supraleiters verlaufende, magnetisch leitende Umlenkbleche erstrecken.If the superconductor is coaxial with the concentrically nested primary and secondary windings of the Air transformer arranged, so is in the sense of the invention, the superconductor with a closed Surrounding iron screen. If, on the other hand, the superconductor is located between the axially divided windings of the Arranged air transformer, it is sufficient if on both end faces of the superconductor over the width of the superconductor extending, magnetically conductive sheets are provided, between which Extending parallel to the axis of the superconductor, magnetically conductive baffles.

Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels wird der Gegenstand der Erfindung nachfolgend näher beschrieben. Es zeigtThe subject matter of the invention is based on an exemplary embodiment shown in the drawing described in more detail below. It shows

Fig. 1 einen koaxial zu einem Lufttransformator angeordneten Supraleiter,1 shows a superconductor arranged coaxially with an air transformer,

F i g. 2 einen zwischen den axial unterteilten Wicklungen eines Lufttransformators angeordneten Supraleiter,F i g. 2 a superconductor arranged between the axially divided windings of an air transformer,

Fig. 3 einen entsprechend Fig. 1 angeordneten Supraleiter mit einer als Blockschaltbild dargestellten elektronischen Meßeinrichtung.3 shows a superconductor arranged in accordance with FIG. 1 with one shown as a block diagram electronic measuring device.

In Fig. 1 sind mit R.S. Tdiedrei Phasen eines Netzes bezeichnet. Von den in jeder Phase anzuordnenden Strombegrenzungseinrichtungen ist nur die in der Phase Tangeordnete Strombegrenzungseinrichtung in Fig. 1 dargestellt. In die Phase Tist die Primärwicklung 1 eines Lufttransformaiors 2 nach Art eines Stromwandlers eingeschaltet. Die Sekundärwicklung 3 des Lufttransformators 2 ist konzentrisch zu der Primärwicklung 1 angeordnet. Auf diese Weise wird eine enge Kopplung zwischen der Primär- und Sekundärwicklung erreicht. Die Sekundärwicklung 3 ist durch einen Supraleiter 4 kurzgeschlossen. Die Reaktanz, des Supraleiters 4 wird möglichst klein gehalten, so daß bei Netzslrömen unterhalb eines bestimmten Grenzwertes durch dieIn Fig. 1, RS Td indicates three phases of a network. Of the current limiting devices to be arranged in each phase, only the current limiting device arranged in phase T is shown in FIG. 1. In the phase T, the primary winding 1 of an air transformer 2 is switched on in the manner of a current transformer. The secondary winding 3 of the air transformer 2 is arranged concentrically to the primary winding 1. In this way, a close coupling between the primary and secondary windings is achieved. The secondary winding 3 is short-circuited by a superconductor 4. The reactance of the superconductor 4 is kept as small as possible, so that with Netzslrömen below a certain limit value by the

Sekundärwicklung 3 eine solche Gegendurchflutung zu der durch die Primärwicklung erzeugten Durchflutung ausgebildet wird, daß nur ein sehr kleiner Streufluß auftritt, der den Spalt zwischen der Primär- und Sekundärwicklung durchsetzt und nu einen geringfügigen Spannungsabfall an der Primärwicklung 1 bewirkt. Der Supraleiter wird beispielsweise durch flüssiges oder gasförmiges Helium gekühlt und ist in einem thermischen Isolierkörper 5 eingeschlossen. Außerhalb des thermischen Isolierkörpers 5 ist ein geschlossener Eisenschirm 6 angebracht. Dem Eisenschirm 6 ist eine Magnetisierungsspule 7 zugeordnet, durch die der Eisenschirm 6 quermagnetisierl werden kann.Secondary winding 3 has such a counterflow to the flow generated by the primary winding is formed that only a very small leakage flux occurs, which penetrates the gap between the primary and secondary winding and only a minor one Causes a voltage drop across the primary winding 1. The superconductor is for example by liquid or gaseous helium is cooled and enclosed in a thermal insulating body 5. Outside of the thermal insulating body 5, a closed iron screen 6 is attached. The iron screen 6 is one Magnetizing coil 7 assigned through which the iron shield 6 can be quermagnetisierl.

Die Strombegrenzungseinrichtung nach F i g. 2 unterscheidet sich von der Einrichtung nach Fig. I nur '5 dadurch, daß der Supraleiter zwischen den axial unterteilten Wicklungen eines Lufttransformators 2 angeordnet ist. Bei einer solchen Anordnung des Supraleiters 4 kann auf einen geschlossenen Eisenschirm verzichtet werden. Es genügt, wenn zu beiden ^o Stirnseiten des Supraleiters 4 magnetisch leitende Bleche 8 vorgesehen sind, die sich über die Breite des Supraleiters 4 erstrecken. Durch diese Bleche 8 wird der zwischen der Primärwicklung 1 und der Sekundärwicklung 3 austretende Streufluß über die ganze Breite des Supraleiters 4 verteilt. Zwischen den beiden Blechen 8 sind Umlenkbleche 9 angeordnet, die parallel zur Achse des Supraleiters verlaufen. Durch diese Umlenkbleche 9 wird der Streufluß zwischen den beiden Blechen 8 bis zur Sättigung der Umlenkbleche 9 geführt. Den Umlenkblechen 9 sind wiederum Magnetisierungsspulen 7 zugeordnet. In Fig. 2 ist eine solche Magnetisierungsspule nur für ein Umlenkblech 9 dargesüellt. Der Supraleiter 4 ist jeweils wieder in einen in F i g. 2 nicht näher dargestellten Isolierkörper eingebettet.The current limiting device according to FIG. 2 only differs from the device according to FIG in that the superconductor between the axially divided windings of an air transformer 2 is arranged. With such an arrangement of the superconductor 4, a closed iron screen can be used be waived. It is sufficient if both ends of the superconductor 4 are magnetically conductive Metal sheets 8 are provided which extend over the width of the superconductor 4. Through these sheets 8 is the between the primary winding 1 and the secondary winding 3 leaking leakage flux over the entire width of the Superconductor 4 distributed. Deflection plates 9 are arranged between the two plates 8, which are parallel to the axis of the superconductor run. Through this baffle 9, the leakage flux between the two plates 8 to led to the saturation of the baffles 9. The baffles 9 are in turn magnetizing coils 7 assigned. In FIG. 2, such a magnetizing coil is only shown for one deflection plate 9. the Superconductor 4 is in each case again in one in FIG. 2 embedded insulator not shown.

Die in Fig. 3 dargestellte Strombegrenzungseinrichtung entspricht in ihrer räumlichen Anordnung der Strombegrenzungseinrichtung nach Fig. I Der Supraleiter 4 ist über einen Schnellschalter 10 an die Sekundärwicklung 3 des Lufttransformators 2 angeschlossen. Mittels dieses Schnellschalters 10 kann der Supraleiter 4 von der Sekundärwicklung 3 abgeschaltet werden. Die dem geschlossenen Eisenschirm 6 zugeordnete Magnetisierungsspule 7 ist an eine MeßeinrichtungThe current limiting device shown in FIG corresponds in its spatial arrangement to the current limiting device according to FIG 4 is connected to the secondary winding 3 of the air transformer 2 via a high-speed switch 10. The superconductor 4 can be disconnected from the secondary winding 3 by means of this high-speed switch 10 will. The magnetizing coil 7 assigned to the closed iron shield 6 is connected to a measuring device

11 angeschlossen. Die Meßeinrichtung 11 ist außerdem mit einem in der Phase Tangeordneten Stromwandler11 connected. The measuring device 11 is also with a current transformer arranged in phase T

12 verbunden.12 connected.

Die Stromtragfähigkeit eines Supraleiters hängt bekanntlich von der Feldstärke eines auf den Supraleiter einwirkenden magnetischen Feldes ab. Die Stromtragfähigkeit nimmt mit steigender Feldstärke ab. Diese Eigenschaft des Supraleiters wird bei der beschriebenen Strombegrenzungseinrichtung ausgenutzt.The current carrying capacity of a superconductor is known to depend on the field strength of a superconductor acting magnetic field. The current carrying capacity decreases with increasing field strength. This Property of the superconductor is used in the described current limiting device.

Der geschlossene Eisenschirm 6 bzw. die Bleche 8 und die Umlenkbleche 9 sind so ausgelegt und die Anordnung des Supraleiters gegenüber dem Lufttransformator so getroffen, daß der bei Netznennstrom auftretende Streufluß den Eisenschirm 6 bzw. die Bleche 8 und die Umlenkbleche 9 nicht zu sättigen vermag. Der zwischen der Primärwicklung 1 und der Sekundärwick- <>⁰ lung 3 auftretende Streufluß kann somit nicht den Supraleiter 4 beeinflussen. Durch die dem Eisenschirm 6 bzw. den Umlenkblechen 9 zugeordneten Magnetisierungsspulen 7 besteht nunmehr die Möglichkeit, den F.isenschirm 6 bzw. die Umlcnkbleche 9 durch ^h5 Quermagnetisierung in die Säitigung zu treiben. Mit Erreichen der Sättigung verlieren der Eisenschirm 6 bzw. die Umlenkblecne 9 ihre Abschirmwirkung. Der Supraleiter 4 wird somit schlagartig dem magnetischen Streufeld des Luftlransformators 2 ausgesetzt. Infolge der hohen magnetischen Feldstärke sinkt die StromtrK.gfahigk.eit des Supraleiters 4 ab, und der Supraleiter geht in den normalleitenden Zustand über.The closed iron shield 6 or the sheets 8 and the baffles 9 are designed and the arrangement of the superconductor in relation to the air transformer so that the leakage flux occurring at nominal network current is not able to saturate the iron shield 6 or the sheets 8 and the baffles 9. Occurring between the primary winding 1 and the Sekundärwick- <> ⁰ 3 lung leakage flux can therefore not affect the superconductor. 4 By the iron shield 6 and the baffles 9 associated magnetizing coils 7 is now to drive 9 by 5 ^h transverse magnetization in the Säitigung the possibility of F.isenschirm 6 or the Umlcnkbleche. When saturation is reached, the iron shield 6 or the deflecting plates 9 lose their shielding effect. The superconductor 4 is thus suddenly exposed to the magnetic stray field of the air transformer 2. As a result of the high magnetic field strength, the current carrying capacity of the superconductor 4 drops, and the superconductor changes to the normally conducting state.

Die Sekundärwicklung 3 ist jetzt nicht mehr kurzgeschlossen, sondern durch den im Supraleiter 4 auftretenden Widerstand belastet Die durch die Sekundärwicklung 3 hervorgerufene Gegendurchflutung sinkt sehr rasch ab, und die von der Primärwicklung 1 erzeugte Durchflutung kann rasch ansteigen und einen sich über die ganze Innenfläche der Wicklung ausdehnenden magnetischen Fluß erzeugen. Mit dem Ansteigen der Durchflutung ist ein Anstieg des Spannungsabfalles in der Primärwicklung 1 verbunden Dieser Spannungsabfall steigt gegenüber dem kurzgeschlossenen Zustand der Sekundärwicklung 3 auf ein Vielfaches an, wodurch der Strom im Netz begrenzt wird. Da der Supraleiter 4 bei steilem Slromanstieg in weniger als 0,2 bis 0.3 Millisekunden von seinem supraleitenden in den normalleitenden Zustand übergeht, kann ein Stoßkurzschlußstrom auf einen niederen Wert begrenzt werden.The secondary winding 3 is no longer short-circuited, but rather through the one in the superconductor 4 The resistance caused by the secondary winding 3 is burdened drops very quickly, and the flux generated by the primary winding 1 can rise rapidly and generate a magnetic flux extending over the entire inner surface of the winding. With the An increase in the flow is associated with an increase in the voltage drop in the primary winding 1 This voltage drop increases compared to the short-circuited state of the secondary winding 3 Multiple, which limits the current in the network. Since the superconductor 4 with a steep slope in changes from its superconducting to normal conducting state in less than 0.2 to 0.3 milliseconds, a surge short-circuit current can be limited to a lower value.

Durch die an den Stromwandler 12 angeschlossene elektronische Meßeinrichtung 11 wird sowohl die Stromsteilheit als auch die Stromhöhe selbst gemessen. Über die Meßeinrichtung 11 kann somit die Quermagnetisierung jeweils bei einer solchen Stromhöhe eingeschaltet werden, bei der das Streufeld ausreichend groß ist, um den Supraleiter schlagartig vom supraleitenden in dt η normalleitenden Zustand 711 schalten. Somit ist ein schlagartiges Umschalten des Supraleiters 4 unabhängig von der Stromsteilheit gewährleistet.By the connected to the current transformer 12 electronic measuring device 11 is both the The steepness of the current as well as the height of the current are measured. The transverse magnetization can thus be carried out via the measuring device 11 be switched on at such a current level at which the stray field is sufficient is large to switch the superconductor abruptly from the superconducting to dt η normally conducting state 711. A sudden switchover of the superconductor 4 is thus ensured regardless of the current gradient.

Die für die Quermagnetisierung des Eisenschirms 6 bzw. der Bleche 8 und der Umlenkbleche 9 erforderliche Energie wird zweckmäßigerweise von Kondensatoren geliefert. Diese Kondensatoren werden durch die Meßeinrichtung 11 auf die Magnetisierungsspulen 7 geschaltet. Die Kondensatoren sind in der Zeichnung nicht dargestellt.The necessary for the transverse magnetization of the iron shield 6 or the metal sheets 8 and the baffles 9 Energy is expediently supplied by capacitors. These capacitors are made by the Measuring device 11 connected to magnetizing coils 7. The capacitors are in the drawing not shown.

Besonders vorteilhaft ist es, den Supraleiter 4 über einen Schnellschalter 10 an die Sekundärwicklung 3 des Lufttransformators 2 anzuschließen. Mittels dieses Schnellschalters 10, der beispielsweise durch die Meßeinrichtung 11 gesteuert werden kann, wird der Supraleiter 4 kurze Zeit nach dem Übergang von dein supraleitenden in den normalleitenden Zustand von der Sekundärwicklung 3 getrennt. Hierdurch wird ein Verdampfen des Kühlmittels durch die im normalleitenden Zustand des Supraleiters auftretenden Verluste stark eingeschränkt.It is particularly advantageous to connect the superconductor 4 via a quick switch 10 to the secondary winding 3 of the To connect the air transformer 2. By means of this quick switch 10, for example by the Measuring device 11 can be controlled, the superconductor 4 is a short time after the transition from your superconducting in the normally conducting state separated from the secondary winding 3. This becomes a Evaporation of the coolant due to the losses occurring in the normally conducting state of the superconductor highly limited.

Bei der beschriebenen Strombegrenzungseinrichtung kann das Kippen des Supraleiters in den normalleitenden Zustand zu einem wählbaren Zeitpunkt herbeigeführt werden. Die Strombegrenzungseinrichtung muß daher nicht für einen bestimmten festen Überstromwert dimensioniert werden. Der Anschluß des Supraleiters 4 an die Sekundärwicklung eines Transformators 2 bietet weiterhin den Vorteil, daß der Supraleiter 4 für eine gegenüber der Netzspannung wesentlich niedrigere 3pannung ausgelegt werden kann. Auch hinsichtlich der Spannungsfestigkeit kann der Supraleiter für wesentlich niedrigere Werte dimensioniert werden. Durch den Lufttransformator 2 wird der Supraleiter gegen steil einfallende Wanderwellen geschützt.With the described current limiting device, the tilting of the superconductor into the normally conducting State can be brought about at a selectable point in time. The current limiting device must therefore cannot be dimensioned for a specific fixed overcurrent value. The connection of the superconductor 4 to the secondary winding of a transformer 2 offers furthermore the advantage that the superconductor 4 is considerably lower than the mains voltage 3voltage can be designed. The superconductor can also be essential with regard to the dielectric strength lower values can be dimensioned. Due to the air transformer 2, the superconductor becomes steep incoming traveling waves protected.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Current limiting device for an electrical network, the one connected to the network Has superconductor, characterized in that the superconductor (4) by magnetically conductive shielding means against the magnetic generated by a winding through which the mains current flows Field is shielded and assigned to the shielding means controllable magnetizing coils (7) are, by means of which the shielding means can be transversely magnetized up to saturation.

2. Current limiting device according to claim

1, characterized in that an air transformer (2) is provided as the winding, the primary winding of which (1) lies in the course of the network (7) and on its secondary winding (3) the superconductor (4) connected

3. Current limiting device according to claim

2, characterized in that the superconductor (4) by means of a quick switch (10) from the secondary winding (3) can be switched off.

4. Current limiting device according to claim

2, characterized in that the superconductor (4) is surrounded by a closed iron screen (6) and coaxial with the concentrically nested primary and secondary windings (1, 3) of the air transformer (2) is arranged.

5. Current limiting device according to claim 2, characterized in that the superconductor (4) is arranged between the axially divided windings (1,3) of the air transformer (2), wherein to both end faces of the superconductor (4) extending over the width of the superconductor, magnetically conductive sheets (8) are provided, between which parallel to the axis of the superconductor (4) extending, magnetically conductive baffles (9).

6. Current limiting device according to claim 4 or 5, characterized in that the Shielding means consist of iron with a low coercive field strength and are very finely laminated.

7. Current limiting device according to claim

1, characterized in that capacitors are used to feed the controllable magnetizing coils (7) are provided.

8. Current limiting device according to claim 7, characterized in that the capacitors by an electronic measuring device (11) which detects the current gradient and the current level to the Magnetizing coils (7) are connected