DE3844053A1 - Supraleitungsschalter - Google Patents
SupraleitungsschalterInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Hochleistungsschaltvorrich
tung mit einem supraleitenden Widerstand (Supraleiter),
welcher den auszuschaltenden Strom durch Übergang von
der Supra- zur Normalleitung bis auf einen Reststrom
verringert, sowie einem damit in Reihe geschalteten
Schalter zur Unterbrechung des Reststromes (Reststrom
schalter).
Die Anwendung des Übergangs Supraleitung-Normalleitung
und umgekehrt, stellt eine mehrfach beschriebene und
realisierte Möglichkeit zum Schalten in der elektrischen
Energietechnik, insbesondere zum Ausschalten von Kurz
schlüssen dar. Eine wirksame Kurzschlußstrombegrenzung
wird dann erreicht, wenn der Übergang in den hochohmi
gen, normalleitenden Zustand erfolgt, bevor im Gleich
stromkreis der Strom seinen Endwert oder bevor im Wech
selstromkreis der Strom seinen ersten unbeeinflußten
Scheitelwert erreicht hat.
Bekannte Supraleitungsschalter bestehen aus einem oder
mehreren, in einer Kryogenflüssigkeit (z.B. He, N2) an
geordneten Widerstandselementen aus supraleitendem Mate
rial. Der zur Einleitung des Schaltvorgangs führende
Übergang Supraleitung-Normalleitung (Quenchen) wird ent
weder durch den abzuschaltenden Strom selbst (Über
schreiten der kritischen Stromstärke), durch Fremdhei
zung (Überschreiten der kritischen Temperatur), durch ein
gepulstes Magnetfeld (Überschreiten der kritischen In
duktion) oder einen zusätzlich eingespeisten Stromimpuls
(Überschreiten der kritischen Stromstärke) bewerkstel
ligt. Bei einer weiteren Ausführungsform von Supralei
tungsschaltern befindet sich in Parallelschaltung zum
Supraleiter ein normalleitender linearer oder nichtli
nearer Widerstand, der einen Teil des begrenzten Stromes
übernimmt und damit den Supraleiter nach Übergang in den
Normalleitungszustand entlastet. Dieser Widerstand kann
getrennt angeordnet oder mit dem Supraleiter zu einem
Verbundleiter integriert werden.
In allen Fällen fließt nach dem Quenchen noch ein erheb
licher Strom, der durch externe, konventionelle Last
schalter endgültig unterbrochen werden muß. Als Lösch
mittel für diese Schalter sind z.B. Luft, Vakuum, Schwe
felhexafluorid gebräuchlich. Nachteile dieser Reststrom
schalter sind: Zusätzliches Volumen, zusätzliche Ver
lustleistung der Kontaktstellen, die durch entsprechen
den Aufwand gekühlt werden müssen (z.B. Kühlflächen).
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, diese Nachteile
zu vermeiden.
Die Lösung gelingt mit den kennzeichnenden Merkmalen des
Anspruches 1, nämlich im Prinzip dadurch, daß das Kon
takt- und Löschsystem des Reststromschalters als Kühl
und Löschmedium die gleiche Kryoflüssigkeit benutzt wie
der Supraleitungs-Widerstand.
Die Lichtbogenlöscheinrichtung des Reststromschalters
sollte nahe am Supraleiter postiert sein, damit das mit
dem Kühlmittel identische Löschmittel kurze Strömungs
bzw. Einspritzwege zurückzulegen hat. Dadurch, daß man
nur ein Medium mit entsprechender Erzeugungs- und Vor
ratseinrichtung vorhalten muß, ergibt sich eine nicht
unerhebliche Volumensverringung.
Von besonderem Vorteil ist es, zumindest das den Nenn
strom führende Kontaktsystem des Reststromschalters,
ständig in das Kühlmedium des Supraleiters eintauchen zu
lassen. Es fallen geringere Verluste der Kontaktstelle
wegen des geringeren spezifischen Widerstandes bei der
Temperatur des Kryomittels an. Zusätzlich wird eine bes
sere direkte Kühlung der Kontaktstelle durch das Kryo
mittel erreicht. Durch die Möglichkeit der räumlichen
Integration von Supraleiter und Reststromschalter in dem
Kühlmittel enthaltenden Gehäuse, ist eine weitere Raum
einsparung gegeben. Infolge der wirkungsvollen Entioni
sierung des bei der Kontakttrennung entstehenden Licht
bogens durch das flüssige Kryomittel, sind kleine Kon
taktabstände und demzufolge unaufwendigere Schalteran
triebe verwendbar. Das Kryomittel sorgt ferner für eine
gute Isolation der Schaltstrecke und es sind kleinere
Kontaktabstände im Vergleich zu anderen Löschmedien,
z.B. Gasen, möglich.
Bei einer bekannten supraleitenden Anordnung (DE-
OS 34 02 828) soll eine teilstabilisierte supraleitende
Magnetwicklung bei Störfällen kurzgeschlossen werden.
Dazu ist im Kryomittel eine Überbrückungseinrichtung in
Form zweier Backen vorhanden, die sich beidseitig an die
Magnetwicklung (in Parallelschaltung) anlegen. An eine
Reststromabschaltung ist bei dieser Anordnung jedoch
nicht gedacht.
Für den Reststromschalter sind grundsätzlich solche
Lichtbogenlöschsysteme verwendbar, die sich bisher unter
Verwendung flüssiger Löschmedien bewährt haben.
Die Erfindung möge an Hand von Ausführungsbeispielen
näher erläutert werden.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Anordnung mit einem Reststromschalter
sowie einem supraleitenden Widerstand in einem
gemeinsamen Behälter,
Fig. 2 eine Variante der Anordnung nach Fig. 1.
Die gezeigten Hochleistungsschaltvorrichtungen sind je
weils in einem mit Kryoflüssigkeit (Kühlmedium) gefüll
ten Behälter 1 untergebracht. Sie bestehen im wesentli
chen aus dem supraleitenden Widerstand 2 (Supraleiter)
sowie einem damit elektrisch in Reihe geschalteten Rest
stromschalter 3. Die elektrischen Anschlüsse sind mit
tels Hochspannungsdurchführungen 4, 5 aus dem Behälter
herausgeführt. Das bewegliche Schaltstück 3 a des Rest
stromschalters 3 ist mit einer isolierten, aus dem Ge
häuse 1 herausgeführten Schaltstange 3 b verbunden, die
von einem außerhalb des Behälters angeordneten Antrieb 6
für eine Schalthandlung bewegbar ist. Der dichte Durch
tritt der Schaltstange 3 b durch die Behälterwandung ist
mittels eines Balges 7 bewirkt. Dieser ist einerseits
mit der Behälterwandung und andererseits fest mit der
Schaltstange verbunden und gleicht in sich die Schaltbe
wegungen aus.
Der normalleitende Parallelwiderstand 8 entlastet im
Schaltfalle den Supraleiter 2 und wirkt strombegrenzend.
In Fig. 2 ist eine Ausführung ohne einen Parallelwider
stand gezeigt. Der ebenfalls in der Kryoflüssigkeit des
Behälters angeordnete Reststromschalter 3 nebst seinem
Kontakt- und Löschsystem besitzt eine bewegbare Schalt
stückbrücke 3 c, die ständig von einer Zugfeder 9 gegen
die Fixkontakte 10 gedrückt wird. Die Schaltstange 3 b
des Reststromschalters ist kraftschlüssig mit einem Kol
ben 11 verbunden, der einerseits mit der Kryoflüssigkeit
und andererseits mit der Umgebungsatmosphäre beauf
schlagt ist.
Im vorliegenden Fall ist der Kolben 11 von einem beweg
baren Wandungsteil des Behälters 1 gebildet. Beide Teile
sind über einen Dehnungsbalgen 12 flüssigkeitsdicht mit
einander verbunden. Der Kolben 11 trägt an der dem Be
hälter 1 abgekehrten Seite einen Rastkopf 13; dieser
wirkt mit einer überfahrbaren Rastklinke 14 zusammen.
Beim Überführen des Supraleiters 2 in den normalleiten
den Zustand wird im Behälter 1 Wärme erzeugt, die die
Kryoflüssigkeit verdampft und durch den im Gefäß enste
henden Überdruck den Kolben 11 in Richtung Aus-Stellung
treiben kann. Eine andere Möglichkeit, die Kryoflüssig
keit als Arbeitsmedium einzusetzen, besteht darin, zu
nächst in der Kryoflüssigkeit durch einen Vorkontakt
einen Hilfslichtbogen zu zünden, dessen Energie die
Flüssigkeit verdampft und die Kolbenbewegung einleitet.
Die Wirkung des Schaltlichtbogens des Reststromschalters
3 beschleunigt die Kolbenbewegung. Die Schaltstückbrücke
3 c kann somit - entgegen der Kraft der Zugfeder 9 - in
die Öffnungsstellung bewegt werden. Damit der Kolben 11
in Ausschaltstellung verharrt, wird er mittels der
Sperrklinke 14 verriegelt, die der Kolben zunächst über
fährt und die sich dann vor den Rastkopf 13 setzt. Zum
Einschalten wird die Sperrklinke zurückgenommen und die
Zugfeder bringt die Schaltstückbrücke 3 c in Einschalt
stellung, bei der die Fixkontakte 10 überbrückt
sind.
Im Ausführungsbeispiel sind die Schaltkontaktstücke so
wie das Lichtbogenlöschsystem des Reststromschalters -
wie ersichtlich - mit dem Supraleiter in einem einzigen,
mit Kryoflüssigkeit gefüllten Behälter vereinigt. Die
Hochleistungsschaltvorrichtung ist als Leistungsschalter
bzw. als kurzschlußstrombegrenzender Schalter einsetz
bar.
Claims (16)
1. Hochleistungsschaltvorrichtung mit einem supra
leitenden Widerstand (Supraleiter), welcher den auszu
schaltenden Strom durch Übergang von der Supra- zu der
Normalleitung bis auf einen Reststrom verringert, sowie
einem damit in Reihe geschaltenen Schalter zur Unterbre
chung des Reststromes (Reststromschalter), dadurch ge
kennzeichnet, daß der Reststromschalter (3) nahe am su
praleitenden Widerstand (2) angeordnet ist und dessen
Lichtbogenlöschsystem als Löschmittel das zur Kühlung
des Spuraleiters (2) verwendete Medium (Kryoflüssigkeit)
benutzt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Kontakt- und Lichtbogenlöschsystem des
Reststromschalters (3) ständig das Kühlmedium des supra
leitenden Widerstandes (2) enthält.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß der supraleitende Widerstand (2) sowie der
Reststromschalter (3) innerhalb eines mit Kühlmittel
gefüllten Behälters (1) angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß der supraleitende Widerstand (2) und
Reststromleiter (3) in getrennten Behältern angeordnet
sind, die ein gemeinsames Versorgungs- und Vorratssystem
für das Kühl- und Löschmedium besitzen.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß als Supraleiter (2) ein so
genannter Hochtemperatur-Supraleiter mit einer Sprung
temperatur < 77 K, wie YEaCuO, verwendet wird.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß ein Supraleiter (2) mit ei
ner Sprungtemperatur 77 K, wie NbZr, NbTi, Nb3Sn ein
gesetzt und als Kühl- und Lichtbogenlöschmittel flüssi
ges Helium verwandt ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß als Kühl- und Lichtbogen
löschmittel flüssiger Stickstoff verwandt ist, wobei ein
sogenannter Hochtemperatur-Supraleiter (2) mit einer
Sprungtemperatur < 77 K eingesetzt ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß als Kühl- und Lichtbogen
löschmittel flüssiges Schwefelhexafluorid verwandt ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
gekennzeichnet durch die Verwendung eines im Kühlmittel
angeordneten, dem supraleitendem Widerstand (2) zugeord
neten Parallelwiderstandes (8).
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß das Kontakt- und/oder Lösch
system des Reststromschalters in an sich bekannter Weise
eine oder mehrere Düsen zur Formung einer Löschmittel
strömung besitzt.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß das Löschsystem des Rest
stromschalters (3) sogenannte Querströmstege besitzt, in
deren Richtung der Ausschaltlichtbogen getrieben wird.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, daß die Löschmittelströmung des
Reststromschalters (3) in an sich bekannter Weise durch
eine mechanisch betätigte, mit der Kontaktöffnungsbewe
gung gekuppelte Kolben-Zylinder-Anordnung erzeugt wird.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, daß die Löschmittelströmung des
Reststromschalters (3) in an sich bekannter Weise durch
den vom Ausschaltlichtbogen oder einem Teil desselben
hervorgerufenen Überdruck erzeugt wird.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden, z.B. Spiral
elektroden, des Reststromschalters (3) so ausgebildet
sind, daß eine Lichtbogenrotation im ruhenden Kühl- bzw.
Löschmedium bewirkt ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß der im Behälter (1) entstehende Überdruck
infolge einer stoßartigen Verdampfung des Kryomittels
für die Überführung des supraleitenden Widerstandes (2)
in den normalleitenden Zustand und/oder infolge der Er
wärmung durch den Reststrom dazu verwendet wird, den
Reststromschalter (3) anzutreiben.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekenn
zeichnet, daß ein Wandungsteil des Behälters (1) als
Kolben (11) ausgebildet ist, der direkt bzw. indirekt
auf das bewegliche Kontaktstück (3 c) des Reststromschal
ters (3) einwirkt.
Priority Applications (1)
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Applications Claiming Priority (1)
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DE3844053A Expired - Fee Related DE3844053C2 (de) | 1988-12-28 | 1988-12-28 | Supraleitungsschalter |
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