DE3844053C2 - Supraleitungsschalter - Google Patents

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 konventionelle Lastschalter end­ gültig unterbrochen werden muß. So ist beispielsweise aus der DD 119 924 bekannt, mehreren supraleitenden Wider­ ständen ein Schalter in Reihe zu schalten. Aus der DD 83 399 ist eine Schutzeinrichtung zum Schutz von elektri­ schen Verbrauchern gegen Über- oder Kurzschlußströme be­ kannt geworden, die supraleitende Schaltelemente auf­ weist, die mit den zu kühlenden Anlageteilen, z. B. einem Transformator, in einem gemeinsamen Kühlsystem unterge­ bracht sind. Der Reststromschalter, der sich in Reihe zu den supraleitenden Schaltelementen befindet, ist außer­ halb des Kühlsystems angeordnet. Aus der DE-OS 17 65 047 ist eine Hochspannungsschalteinrichtung mit einem Lei­ stungsschalter bekannt geworden, die ein Kryotron auf­ weist, der in Serie mit einem Schnellschalter liegt; die Reihenschaltung von Kryotron und Schnellschalter ist mit dem Leistungsschalter in Reihe verbunden. Aus der DE 27 07 589 A1 ist ein Dauerstromschalter zum Kurzschließen eines supraleitenden Magneten bekannt geworden. Mit der supraleitenden Spule ist jeweils ein festes und ein be­ wegliches Kontaktstück verbunden, wobei das zur Kühlung des supraleitenden Magneten benutzte Kühlmittel auch zur Kühlung der Kontaktstücke verwendet werden kann.

Als Löschmittel für die sog. Reststromschalter ist im Normalfall Luft gebräuchlich; es kann natürlich auch Va­ kuum oder Schwefelhexafluorid verwendet werden. Die Nach­ teile dieser Reststromschalter bestehen darin, daß sie zusätzliches Volumen benötigen und eine zusätzliche Ver­ lustleistung der Kontaktstellen erzeugen, die durch ent­ sprechenden Aufwand gekühlt werden muß; die DE 27 07 589 A1 befaßt sich nicht mit der Kühlung eines Reststrom­ schalters.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Hochlei­ stungsschaltvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der zusätzliches Volumen und zusätzliche Verlustleistung der Kontaktstellen des Reststromschalters vermieden werden.

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.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

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.

Wie oben erwähnt, ist es an sich bekannt aus der DE 27 07 589 A1, das zur Kühlung eines supraleitenden Magneten be­ nutzte Kühlmittel gleichzeitig auch zur Kühlung der Kon­ taktstücke eines Schalters zu benutzen.

Bei einer bekannten supraleitenden Anordnung (DE 34 02 828 A1) 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 3a des Rest­ stromschalters 3 ist mit einer isolierten, aus dem Ge­ häuse 1 herausgeführten Schaltstange 3b verbunden, die von einem außerhalb des Behälters angeordneten Antrieb 6 für eine Schalthandlung bewegbar ist. Der dichte Durch­ tritt der Schaltstange 3b 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 3c, die ständig von einer Zugfeder 9 gegen die Fixkontakte 10 gedrückt wird. Die Schaltstange 3b 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 3c 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 3c 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 YBaCuO, 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 (3c) des Reststromschal­ ters (3) einwirkt.