DE2712990A1 - Anordnung zur ueberstrombegrenzung in elektrische energieversorgungsstrecken - Google Patents

Anordnung zur ueberstrombegrenzung in elektrische energieversorgungsstrecken

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DE2712990A1
DE2712990A1 DE19772712990 DE2712990A DE2712990A1 DE 2712990 A1 DE2712990 A1 DE 2712990A1 DE 19772712990 DE19772712990 DE 19772712990 DE 2712990 A DE2712990 A DE 2712990A DE 2712990 A1 DE2712990 A1 DE 2712990A1
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Germany
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superconducting cable
superconductor
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DE19772712990
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Horst Dipl Ing Gerlach
Peter Dr Ing Lein
Ralf Dipl Ing Luedemann
Klaus Dr Ing Mueller
Herbert Dipl Ing Schida
Dieter Dipl Ing Schroth
Franz Dipl Phys Thiede
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INST PRUEFFELD ELEKT
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INST PRUEFFELD ELEKT
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02HEMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H9/00Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection
    • H02H9/02Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection responsive to excess current
    • H02H9/023Current limitation using superconducting elements
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N60/00Superconducting devices
    • H10N60/30Devices switchable between superconducting and normal states
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E40/00Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
    • Y02E40/60Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Emergency Protection Circuit Devices (AREA)

Description

  • Titel der Erfindung
  • Anordnung zur Überstrombegrenzung in elektrischen Energieversorgungsstrecken.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • des rohrförmigen Querschnitts der Außen- und Innenleiter oder der Bandleiter, gebildet.
  • 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.
  • 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.
  • Ausführungsbeispiele Die Erfindung soll nachstehend an AusfUhrungsbeispielen näher erläutert werden.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Fig. 3 zeigt die Realisierung der Schwachstelle durch Einschnürung der Bandleiter 11 eines supraleitenden Strombegrenzungskabels. Bei dieser Ausgestaltung der hr.
  • 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.
  • 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.

Claims (8)

  1. Anspruch 1. Anordnung zur Überstrombegrenzung in elektrischen Energieversorgungsstrecken, gekennzeichnet dadurch, daß im Pfad des zu begrenzenden Stromes mindestens ein Abschnitt eines supraleitfähigen Kabels vorgesehen ist, dessen Matrix-/Trägerznetall und Supraleiter hinsichtlich Querschnitt und Leiterwerkstoff so ausgelegt sind, daß nach Uberschreitung des kritischen Ansprechstromes schlagartig eine wachsende Stromteilung zwischen dem Supraleiter und dem mit ihm leitend verbundenen Matri/Trägermetall eintritt, so daß nach dem Normalleitendwerden des Supraleiters der Begrenzungswiderstand oberhalb eines vorgegebenen Grenzwertes verbleibt.
  2. 2. Anordnung zur Überstrombegrenzung nach Punkt 1, gekennzeichnet durch die vorzugsweise Verwendung eines supraleitenden Kabels mit oU-Ni-Stabilisierung.
  3. 3. Anordnung zur Überstrombegrenzung nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß das supraleitende Kabel vorzugsweise gleichmaßig ueber die Kabellänge verteilte Schwachstellen aufweist.
  4. 4. Anordnung zur Überstrombegrenzung nach Punkt 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Schwachstellen eines supraleitenden Kabels durch auf die Außen- und Innenleiter (1;2) auf der Seite der Wärmeabfur aufgebrachte thermisohe Isolationsschichten (4;5) gebildet sind.
  5. 5. Anordnung zur Überstrombegrenzung nach Punkt 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Schwachstellen eines supraleitenden Kabels durch an den Außen- und Innenleitern (1;2) vorgesehen Einschnürungen (1';2') gebildet sind.
  6. 6. Anordnung zur Uberstrombegrenzung nach Punkt 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Schwachstellen eines supraleitenden Kabels durch Einsohnifrungen (11') einzelner Bandleiter (11) gebildet sind.
  7. 7. Anordnung zur Überstrombegrenzung nach Punkt 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Schwachstellen durch eine die Bandleiter (11) in Umfangsrichtung umgebende, als Wärmekontakt wirkende tupferbrUcke gebildet sind.
  8. 8. Anordnung zur Überstrombegrenzung nach Punkt 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Schwachstellen durch Kombination der in den Punkten 4 bis 7 enthaltenen Ausgestaltungen gebildet sind.
DE19772712990 1976-06-19 1977-03-24 Anordnung zur ueberstrombegrenzung in elektrische energieversorgungsstrecken Pending DE2712990A1 (de)

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