DE2712990A1

DE2712990A1 - Excess current limiting in electric supply lines - uses at least one section of superconducting cable in current path

Info

Publication number: DE2712990A1
Application number: DE19772712990
Authority: DE
Inventors: 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
Original assignee: INST PRUEFFELD ELEKT
Current assignee: INST PRUEFFELD ELEKT
Priority date: 1976-06-19
Filing date: 1977-03-24
Publication date: 1977-12-29
Also published as: DD126232A1

Abstract

An arrangement is used for limiting excess current in electric power supply lines, such as may occur in short-circuiting. It comprises at least one section of a superconducting cable in the current path requiring excess current limitations. The matrix-metal and carrier metal and superconductor are designed in such a way with regard to cross-section and conductor material, that following any current exceeding the critical response or threshold current, increasing current division takes place between the superconductor and the matrix-carrier metal conductively connected to the superconductor. After the superconductor becomes normally electrically conductive, the threshold or limiting resistance remains above predetermined limiting value. More specif. a superconductory cable with Cu-Ni stabilisation is used.

Description

Titel der ErfindungTitle of the invention

Anordnung zur Überstrombegrenzung in elektrischen Energieversorgungsstrecken.Arrangement for limiting overcurrent in electrical power supply lines.

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.Field of the Invention The invention relates to an arrangement for limiting short-circuit currents in electrical power supply lines taking advantage of the superconductivity characteristic of the well-known technical solutions The constant increase in the number and capacity of those in the high voltage networks feeding power plants so '(Le the increasing meshing of these networks lead to a steady increase in short-circuit currents. It depends on both the amplitude to effectively limit the short-circuit current as well as its duration of action.

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.It is known to install inductors in high voltage systems, whose reactances reduce the short-circuit power to be switched. These reactances However, they are also effective in normal operation and are therefore major sources of loss represent.

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).For overcurrent limitation, especially for devices with superconductors, a device is also known, the one in the circuit of the current to be limited Has semiconductor resistance, which is influenced by two excitation windings. the an excitation winding only takes effect after a critical current has been reached in the sense of an increase in the semiconductor resistance. The other excitation winding is magnetic in the positive direction, electrically in shunt with the semiconductor resistor and arranged in series with a current limiting resistor. Duroh the coupling Effect of the second field winding should be achieved that the current limiting device a kind of breakover characteristic is given by after exceeding the critical response current suddenly a growing current division between the semiconductor resistor and the him associated shunt is initiated until finally practically the entire Current flows through the shunt and through the limiting resistor contained in it is kept within specified limits (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.This solution leads to a substantial reduction in the for the current limitation, the losses to be accepted, the material and costs and space requirements are, however, still relatively high.

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.OBJECT OF THE INVENTION The aim of the invention is to provide a current limiter to create that in the event of a fault, d. H. before the full amplitude occurs the short-circuit current, responds, no special expenditure on devices and components requires and works almost losslessly in normal operation.

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.Statement of the Weaving of the Invention It is the object of the invention based on designing the energy transmission path so that a reliable one Overcurrent limitation can be realized without additional limiting devices.

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.According to the invention this object is achieved in that in the path of the to be limited current provided at least a section of a superconducting cable is, whose matrix or carrier metal and superconductor in terms of cross-section and Conductor material are designed so that after exceeding the critical response current suddenly a growing current division between the superconductor and the one with it conductively connected matrix or. Carrier metal occurs until finally after When the superconductor becomes connected, the entire current rushes through the matrix or Frägermetall flows and through the limiting resistor contained in it below a predetermined limit remains.

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.The value of the expression (residual current factor) (1 + Am. # S / (As. #M)) / (# s . Js), in which Am = cross section of the matrix or carrier metal As = cross section of the Superconductor Js = current density, based on the cross-section of the superconductor = m = spec. Resistance of the matrix or carrier metal #s = spec. Resistance of the superconductor must be as low as possible so that the residual current is low.

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.A composite conductor that is used in conventional cable technology is used as a superconductor is processed into a superconducting cable, use. The superconductor can can also be applied to a carrier, e.g. plated on a tube. To A preferred variant of the invention is a superconducting cable with Cu-Ni stabilization Use.

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.According to a further feature of the invention, the superconducting Cable preferably has weak points evenly distributed over the length of the cable. These weak points get into the first when a short-circuit current occurs normal conducting state and suddenly the transition of the superconducting occurs Cable into the normal conducting state over its entire length.

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.The weak points are therefore to be designed so that in the event of a short circuit or another disturbance of one or a combination of the critical values temperature, Current density and magnetic field strength of the superconductor is exceeded. the the aforementioned operating values, such as magnetic field strength, current density and temperature, lie at the weak points above those of the superconducting cable at any one elsewhere, anywhere. In order to it is guaranteed that only the built-in weak points at a predetermined current strength, namely the Response current, lead to the normally conducting state. Overall this is superconducting Cable 80 must be designed so that the response current, based on the peak value of the nominal current, has about the value 2.

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.According to the invention, the weak points are covered by covering the conductors realized with a thermal insulation on the side of the heat dissipation. To Another feature according to the invention is the weak point by a constriction of the superconducting cable in one place, e.g.

des rohrförmigen Querschnitts der Außen- und Innenleiter oder der Bandleiter, gebildet.the tubular cross-section of the outer and inner conductors or the Band conductor, formed.

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.A weak point can also be achieved by at least a tape conductor of the outer and inner conductors of the superconducting cable a constriction receives and the other strip conductor in the circumferential direction of the cable with a one are surrounded by a copper bridge forming good thermal contact. Of course lies also the combination of the different variants of the design of a weak point within the scope of the invention.

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.The invention shows a basic solution to current limitation in electrical power supply lines. The use of a current limiting superconducting cable according to the inventive concept combines the Function of guiding and limiting, so that cryotrons or similar devices are no longer needed.

Ausführungsbeispiele Die Erfindung soll nachstehend an AusfUhrungsbeispielen näher erläutert werden.EXEMPLARY EMBODIMENTS The invention is based on exemplary embodiments are explained in more detail.

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.The accompanying drawings show: FIG. 1: a superconducting current limiting cable with thermal insulation, Pig. 2 s of a superconducting current limiting cable made of tubular inner and outer conductors each provided with a housing, Fig. 3: a superconducting current limiting cable with einohnürten strip conductors.

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.The superconducting shown in Fig. 1 in cross section and longitudinal section Cable is made up of an outer conductor 1 and an inner conductor 2, each of which is made up of strip conductors exist, built up. Between the outer conductor 1 and inner conductor 2 is located an insulation treoke 3 composed of a multilayer insulation. For formation The outer conductor 1 with a thermal insulation layer is a sole weak point 4 and the inner conductor 2 with a thermal insulation layer 5 on the side the heat dissipation. Due to the thermal insulation layers 4g5 represents at this point of the superconducting fork an increased temperature that leads to a reduced ampacity. When a short-circuit current occurs Therefore, the transition of the superconducting cable to begins at this weak point the state of the normal line. The Sobwachstellen are at such a distance arranged that the formation of the normal line on the entire strosbegrenzenden Section of the superconducting cable should last 2 to 4 ms.

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.In Fig. 2 there is another possibility of forming a weak point in the case of a superconducting one consisting of a tubular outer conductor 1 and inner conductor 2 Current limiting cable shown in longitudinal section.

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.The weak point is a constriction of the tubular cross-section brought about by outer conductor 1 and inner conductor 2, because at this point occurs a greater current density and higher field strength.

Fig. 3 zeigt die Realisierung der Schwachstelle durch Einschnürung der Bandleiter 11 eines supraleitenden Strombegrenzungskabels. Bei dieser Ausgestaltung der hr.Fig. 3 shows the implementation of the weak point by constriction the strip conductor 11 of a superconducting Current limiting cable. at this design of the 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.Finding is due to the increase in current flow and the inhomogeneity Current carrying capacity reduced at the weak point. To reduce the assessments 11 'of a strip conductor 11, it is possible to uniformly place the constrictions 11r against one another to be staggered0 The distance between the weak points is in the range of 0.5 to 2 m. When the constrictions are staggered, the individual strip conductors 11 are 11 'thus at a distance of N. Is provided with constrictions 11 ', where N is the number the strip conductor 11, e.g. B. the outer conductor 1 of FIG.

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.The strip conductors 11 can also be connected in the circumferential direction with a as a thermal contact acting copper bridge, the immediate metallic Contact is made by soldering points.

Claims

Claim 1. Arrangement for limiting overcurrent in electrical energy supply lines, characterized in that at least one section in the path of the current to be limited of a superconducting cable is provided, its matrix / carrier metal and superconductor are designed with regard to cross-section and conductor material so that after exceeding of the critical response current suddenly a growing current division between enters the superconductor and the matrix / carrier metal that is conductively connected to it, so that after the superconductor has become normally conductive, the limiting resistance is above a predetermined limit remains.

2. Arrangement for overcurrent limitation according to point 1, marked by preferably using a superconducting cable with oU-Ni stabilization.

3. Arrangement for overcurrent limitation according to point 1 and 2, marked in that the superconducting cable is preferably uniform over the length of the cable has distributed vulnerabilities.

4. Arrangement for overcurrent limitation according to point 1 to 3, marked in that the weak points of a superconducting cable are exposed to the external and inner conductor (1; 2) applied to the side of the heat emission thermal insulation layers (4; 5) are formed.

5. Arrangement for overcurrent limitation according to point 1 to 3, marked due to the fact that the weak points of a superconducting cable are and inner conductors (1; 2) provided constrictions (1 '; 2') are formed.

6. Arrangement for overcurrent limitation according to point 1 to 3, marked in that the weak points of a superconducting cable by Einohnifrungen (11 ') individual strip conductors (11) are formed.

7. Arrangement for overcurrent limitation according to point 1 to 3, marked in that the weak points through a strip conductor (11) in the circumferential direction surrounding TupferbrUcke acting as thermal contact are formed.

8. Arrangement for overcurrent limitation according to point 1 to 3, marked in that the weak points by combining those contained in points 4 to 7 Refinements are formed.