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Titel der Erfindung
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Anordnung zur Überstrombegrenzung in elektrischen Energieversorgungsstrecken.
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Antendungsgebiet der Erfindung Die Erfindung betrifft eine Anordnung
zur Begrenzung von Kurzschlußströmen in elektrischen Energieversorgungsstrecken
unter Ausnutzung der Supraleitfähigkeit Charakteristik der bekannten tochnischen
lösungen Der ständige Anstieg der Zahl und Kapazität der in die Hochspannungsnetze
einspeisenden Kraftwerke so'(Le die zunehmende Vermaschung dieser Netze fuhren zu
einem stetigen Anwachsen der Kurzschlußströme. Es kommt darauf an, sowohl die Amplitude
des Kurzschlußstromes als auch seine Einwirkdauer wirksam zu begrenzen.
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Es ist bekannt, in Hoohspannungsanlagen Drosselspulen einzubauen,
deren Reaktanzen die zu schaltenden Kurzschlußleistungen herabsetzen. Diese Reaktanzen
sind tedoch auch im Normalbetrieb wirksam und stellen daher große Verlust quellen
dar.
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Zur Überstrombegrenzung, insbesondere bei Apparaten mit Supraleitern,
ist auch eine Einrichtung bekannt, die im Kreis des zu begrenzenden Stromes einen
Halbleiterwiderstand aufweist, der von Zwei Erregerwioklungen beeinflußt wird. Die
eine Erregerwicklung nimmt erst nach Erreichen eines kritischen Stromes Einfluß
im Sinne einer Erhöhung des Ealbleiterwiderstandes. Die andere Erregerwicklung ist
magnetisch im mitkoppelnden Sinn, elektrisch im Nebenschluß zum Halbleiterwiderstand
und in Reihe mit einem Strombegrenzungswiderstand angeordnet. Duroh die mitkoppelnde
Wirkung der zweiten Erregerwicklung soll erreicht werden, daß die Strombegrenzungseinrichtung
eine Art Kippcharakteristik erhält, indem nach Überschreiten des kritischen Ansprechstromes
schlagartig eine wachsende Stromteilung zwischen dem Halbleiterwiderstand und dem
ihm
zugeordneten Nebenschluß eingeleitet wird, bis schließlich praktisch der gesamte
Strom durch den Nebenschluß fließt und durch den in ihm enthaltenen Begrenzungswiderstand
innerhalb vorgegebener Schranken gehalten wird (DAS 1 165 142).
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Diese lösung führt zwar zu einer wesentlichen Herabsetzung der fUr
die Strombegrenzung in Kauf zu nehmenden Verluste, der Yaterial- und Kostenaufwand
sowie Platzbedarf sind jedoch noch relativ hoch.
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Ziel der Erfindung Ziel der Erfindung ist es, eine Strombegrenzung
zu schaffen, die im Störungsfalle rasch, d. h. noch vor Eintritt der vollen Amplitude
des Kurzschlußstromes, anspricht, keinen besonderen Aufwand an Geräten und Bauelementen
erfordert und im Normalbetrieb nahezu verlustlos funktioniert.
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Darlegung des Webens der Erfindung Der Erfindung liegt die Aufgabe
zugrunde, die Energieübertragungsstrecke so zu gestalten, daß eine zuverlässige
Überstrombegrenzung ohne zusätzliche Begrenzungseinrichtungen realisierbar ist.
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Erfindungsgemäß wird diese aufgabe dadurch gelöst, daß im Pfad des
zu begrenzenden Stromes mindestens ein Abschnitt eines supraleitenden Kabels vorgesehen
ist, dessen Matrix- bzw. Trägermetall und Supraleiter hinsichtlich Querschnitt und
Leitwerkstoff so ausgelegt sind, daß nach dem Überschreiten des kritischen Ansprechstromes
schlagartig eine wachsende Stromteilung zwischen dem Supraleiter und dem mit ihm
leitend verbundenen Matrix-bzw. Trägermetall eintritt, bis schließlich nach dem
Ncrmalleintendwerden des Supraleiters rast der gesamte Strom durch das Matrix- bzw.
frägermetall fließt und durch den in ihm enthaltenen Begrenzungswiderstand unterhalb
eines vorgegebenen Grenzwertes verbleibt.
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Der Wert des Ausdruckes (Reststromfaktor) (1 + Am . #s/(As . #m))/(#s
. Js), in dem Am = Querschnitt des Matrix- bzw. Trägermetalls As = Querschnitt des
Supraleiters Js = Stromdichte, bezogen auf den Querschnitt des Supraleiters = m
= spez. Widerstand des Matrix- bzw. Trägermetalls #s = spez. Widerstand des Supraleiters
bedeuten, muß möglichst niedrig sein, damit der Reststrom gering ist.
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Als Supraleiter findet ein Verbundleiter, der in herkömmlicher Kabeltechnik
zu einem supraleitenden Kabel verarbeitet ist, Verwendung. Der Supraleiter kann
auch auf einem Träger aufgebracht sein, z, B. aufplattiert auf einem Rohr. Nach
einer bevorzugten Variante der Erfindung findet ein supraleitendes Kabel mit Cu-Ni-Stabilisierung
Verwendung.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung weist das supraleitende
Kabel vorzugsweise gleichmaßig Uber die Kabellänge verteilte Schwachstellen auf.
Diese Schwachstellen gelangen beim Auftreten eines Kurzschlußstromes zuerst in den
normalleitenden Zustand und es tritt schlagartig der Übergang des supraleitenden
Kabels in den normalleitenden Zustand auf seiner gesamten Länge ein.
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Die Schwachstellen sind daher so zu gestalten, daß bei einem Kurzschluß
oder einer anderen Störung einer oder eine Kombination der kritischen Werte Temperatur,
Stromdichte und magnetische Feldstärke des Supraleiters überschritten wird. Die
vorgenannten Betriebswerte, wie magnetische Feldstärke, Stromdichte und Temperatur,
liegen an den Schwachstellen iiber denen des supraleitenden Kabels an irgendeiner
anderan beliebigen Stelle. Damit
ist gewährleistet, daß immer erst
die eingebauten Schwachstellen bei einer vorbestimmten Stromstärke, nämlich der
Ansprechstromstärke, in den normalleitenden Zustand führen. Insgesamt ist das supraleitende
Kabel 80 auszulegen, daß der Ansprechstrom, bezogen auf den Scheitelwert des Nennstromes,
etwa den Wert 2 aufweist.
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Die Schwachstellen werden erfindungsgemaß durch Abdecken der Leiter
mit einer thermischen Isolierung auf der Seite der Wärmeabfuhr realisiert. Nach
einem anderen erfindungsgemäßen Merkmal wird die Schwachstelle durch eine Einschnürung
des supraleitenden Kabels an einer Stelle, z.B.
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des rohrförmigen Querschnitts der Außen- und Innenleiter oder der
Bandleiter, gebildet.
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Eine Schwachstelle läßt sich auch dadurch erreichen, daß mindestens
ein Bandleiter der Außen- und Innenleiter des supraleitenden Kabels eine Einschnürung
erhält und die anderen Bandleiter in Umfangsrichtung des Kabels mit einer einen
guten Wärmekontakt bildenden Kupferbrücke umgeben sind. Selbstverständlich liegt
auch die Kombination der verschiedenen Varianten der Ausgestaltung einer Schwachstelle
im Rahmen der Erfindung.
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Die Erfindung zeigt einen grundlegenden lösungsweg zur Strombegrenzung
in elektrischen Energieversorgungsstrecken auf. Der Einsatz eines strombegrenzenden
supraleitenden Kabels entsprechend der erfindungsgemäßen Konzeption vereinigt die
Funktion des Leitens und Begrenzens, so daß Kryotrons oder ähnliche Einrichtungen
nicht mehr benötigt werden.
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Ausführungsbeispiele Die Erfindung soll nachstehend an AusfUhrungsbeispielen
näher erläutert werden.
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In der zugehörigen Zeichnung zeigen: Fig. 1: ein supraleitendes Strombegrenzungskabel
mit thermischer Isolierung,
Pig. 2 s ein supraleitendes Strombegrenzungskabel
aus mit Jeweils einer Einsohnurung versehenen rohrförmigen Innen- und Außenleiter,
Fig. 3: ein supraleitendes Strombegrenzungskabel mit eingesohnürten Bandleit ern.
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Das in Fig. 1 im Quer- und Längsschnitt dargestellte supraleitende
Kabel ist aus einem Außenleiter 1 und einem Innenleiter 2, die jeweils aus Bandleitern
bestehen, aufgebaut. Zwischen dem Außenleiter 1 und Innenleiter 2 befindet sich
eine aus einer Vielschichtisolation zusammengesetzte Isolationestreoke 3. Zur Bildung
einer Sohwachstelle ist der Außenleiter 1 mit einer thermischen Isolationsschioht
4 und der Innenleiter 2 mit einer thermischen Isolationeschicht 5 auf der Seite
der Wärmeabfuhr versehen. Auf Grund der thermischen Isolationsschichten 4g5 stellt
sich an dieser Stelle des supraleitenden gabels eine erhöhte Temperatur ein, die
zu einer verminderten Stromtragfähigkeit fUhrt. Bei Auftreten eines Kurzsohlußstromes
beginnt daher an dieser Schwachstelle der Übergang des supraleitenden Kabels in
den Zustand der Normalleitung. Die Sobwachstellen sind in einem solchen Abstand
angeordnet, daß die Ausbildung der Normalleitung auf dem gesamten strosbegrenzenden
Abschnitt des eupraleitenden Kabele b6ohstenß 2 bis 4 ms dauert.
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In Fig. 2 ist eine weitere Möglichkeit der Ausbildung einer Schwachstelle
bei einem aus einen rohrförmigen Außenleiter 1 und Innenleiter 2 bestehenden supraleitenden
Strombegrenzungskabel im Längsschnitt dargestellt.
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Die Schwachstelle ist durch eine Einschnürung des rohrförmigen Querschnitts
von Außenleiter 1 und Innenleiter 2 herbeigeführt, denn an dieser Stelle tritt eine
größere Stromdichte und höhere Feldstärke auf.
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Fig. 3 zeigt die Realisierung der Schwachstelle durch Einschnürung
der Bandleiter 11 eines supraleitenden
Strombegrenzungskabels. Bei
dieser Ausgestaltung der hr.
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findung wird infolge Stromdiohtenerhöhung und der Inhomogenität die
Stromtragfähigkeit an der Schwachstelle vermindert. Zur Reduzierung der Einschatirungen
11' eines Bandleiters 11 ist es mdglich, die Einrichnürungen 11r gleichmäßig gegeneinander
versetzt vorzusehen0 Die Abstandslänge ls der Schwachstellen liegt im Bereich von
0,5 bis 2 m. Die einzelnen Bandleiter 11 sind bei versetzt er Anordnung der Einschnürungen
11' somit im Abstand von N . ls mit Einschnürungen 11' versehen, wobei N die Anzahl
der Bandleiter 11, z. B. des Außenleiters 1 nach Fig. 1 ist.
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Die Bandleiter 11 konnen zusätzlich noch in Umfangsrichtung mit einer
als Wärmekontakt wirkenden Kupferbrücke vereehen sein, wobei der unmittelbare metallische
Kontakt durch Lötpunkte hergestellt ist.