DE4030413A1 - Kurzschlussstrombegrenzer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kurzschlußstrombegrenzer für einen Lastkreis mit einem Supraleiter.

Ein derartiger Kurzschlußstrombegrenzer ist aus Bull. Sev. 61, 1970, 25, Seiten 1179 bis 1190, bekannt. Diese Literaturstelle befaßt sich allgemein mit der Energieübertragung durch tiefstgekühlte, besonders supraleitende Kabel. Bei den Supraleitern handelt es sich um sogenannte Tieftemperatur- Supraleiter, die bei der Temperatur des flüssigen Heliums betrieben werden müssen. Da Kurzschlüsse im praktischen Betrieb der supraleitenden Kabel unvermeidlich sind, muß für einen wirkungsvollen Überstromschutz Vorsorge getroffen werden. Bei einem unzulässig hohen Überlaststrom in supraleitenden Kabeln findet nämlich zufolge des durch ihn hervorgerufenen Magnetfelds an der magnetisch schwächsten Stelle ein Übergang vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand statt. Die Drähte erhitzen sich an diesem lokal eng begrenzten Punkt und erwärmen sich adiabatisch in kürzester Zeit bis zum Schmelzpunkt und brennen durch, ehe sie längs ihrer Länge normalleitend werden und den Kurzschlußstrom durch ihren Widerstand ausreichend dämpfen. Es wird daher eine Überstromschutzeinrichtung vorgesehen, die im wesentlichen aus einem supraleitenden Schutzdraht besteht, der im Stromweg des Laststroms angeordnet ist. Der Schutzdraht befindet sich im Magnetfeld einer Helmholtz- Spule und wird so schnell gequentscht, daß sich der Schutzdraht an der gequentschten Stelle durch den Kurzschlußstrom nicht bis zum Schmelzpunkt erhitzen kann, ehe er längs seiner ganzen Länge normalleitend wird und durch seinen hohen ohmschen Widerstand den Kurzschlußstrom genügend dämpft. Parallel zu dem supraleitenden Schutzdraht ist ein ohmscher Widerstand vorgesehen, auf den der Strom zur Entlastung des Schutzdrahtes während der Kurzschlußstandzeit von etwa vier Halbwellen kommutiert wird, bis ein Leistungsschalter das fehlerhafte Kabel vom Netz trennt.

Eine derartige Schutzeinrichtung läßt sich jedoch nicht mit einem Hoch­ temperatur-Supraleiter realisieren. Hochtemperatur-Supraleiter bestehen aus einer Oxidkeramik und können bei der Temperatur des flüssigen Stickstoffs betrieben werden. Bisher lassen sich die Hochtemperatur-Supraleiter jedoch nur als Dünnschichtleiter mit einer hinreichend hohen Stromtragfähigkeit herstellen. Da sie nur eine geringe Wärmekapazität besitzen, werden sie beim Übergang vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand sehr viel schneller zerstört als ein Tieftemperatur-Supraleiter.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kurzschlußstrombegrenzer verfügbar zu machen, der auch mit Hochtemperatur-Supraleitern realisiert werden kann und bei dem der Übergang vom supraleitenden in den normalleiten­ den Zustand nach der Stromunterbrechung durch Abkühlung wieder in den funktionsfähigen Zustand versetzt werden kann.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß parallel zu dem Supraleiter ein Kondensator angeordnet ist und daß in Reihe zu der Paral­ lelschaltung aus Supraleiter und Kondensator ein Schalter liegt, der sich nach dem Übergang von dem supraleitenden in den normalleitenden Zustand des Supraleiters den Strom unterbricht.

Dabei ist wesentlich, daß der Schalter als schnellschaltender Schalter den Kurzschlußstrom unterbricht, bevor der Supraleiter zerstört ist. Der Strom bleibt dann mindestens so lange unterbrochen, bis der Supraleiter wieder seinen supraleitenden Zustand eingenommen hat. Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Das Wesen der Erfindung soll anhand einiger in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert werden.

Es zeigen

Fig. 1 einen Lastkreis mit dem Kurzschlußstrombegrenzer,

Fig. 2 schematisch das Schaltbild des Kurzschlußstrombegren­ zers,

Fig. 3 schematisch das Schaltbild einer weiteren Ausführungsform des Kurzschlußstrombegrenzers und

Fig. 4 ein Diagramm der bei dem Abschaltvorgang auftretenden Ströme und Spannungen.

In Fig. 1 ist ein Wechselstromgenerator 1 vorgesehen, der einen Verbraucher 4 speist. Die Reaktanz 2 bestimmt den Kurzschlußstrom, wenn ein Kurzschluß an der Kurzschlußstelle 9 auftritt. Die Induktivität, die zusammen mit dem Kondensator 7 (Fig. 1 und 2) einen Schwingkreis bildet, ist die Induktivität der Reaktanz 2. In Reihe zu dem Generator 1 und dem Verbraucher 2 ist der Kurzschlußstrombegrenzer 3 geschaltet. Der Kurzschlußstrombegrenzer selbst ist in Fig. 2 in einer ersten Ausführungsform dargestellt und besteht aus dem Supraleiter 6 und einem dazu parallelgeschalteten Kondensator 7. In Reihe zu der Parallelschaltung aus dem Supraleiter 6 und dem Kondensator 7 liegt ein elektrisch auslösbarer Schalter 8, der so ausgebildet ist, daß er als schnellschaltender Schalter beim Auftreten des Kurzschlusses den Stromkreis in dem ersten Stromnulldurchgang des Schwingkreises unterbricht, bevor der Supraleiter in den normalleitenden Zustand übergegangen ist. Bevorzugt wird als schnellschaltender Leistungsschalter ein Vakuumschalter verwendet, dessen Funktion allgemein bekannt ist und der sich durch eine sehr kurze Lichtbogen­ zeit auszeichnet. Die Schaltzeit des Schalters muß so kurz sein, daß der Schalter den Strom unterbricht, bevor der Supraleiter im normalleitenden Zustand zerstört wird. Der Kurzschlußstrombegrenzer ist dann wieder betriebsbereit, wenn sich der Supraleiter im supraleitenden Zustand durch Abkühlung befindet. Der Kondensator 7 dient dazu, die in der Induktivität 2 gespeicherte Energie aufzunehmen, wobei ein von der Größe der Induktivität des Netzes und der Größe des Kondensators abhängiger Schwingstrom entsteht, der eine höhere Frequenz als die des Netzes aufweist.

Bei der Ausbildung des Kurzschlußstrombegrenzers nach Fig. 3 liegt parallel zu der Parallelschaltung von Kondensator und Supraleiter ein ohmscher Widerstand 10. Dieser Widerstand dient dazu, die Schwingung des Schwingkrei­ ses, der aus der Induktivität 2 und dem Kondensator 7 gebildet wird, zu dämpfen.

Der Schalter 8 kann vorteilhaft durch einen Impuls ausgelöst werden, der als Folge des Kurzschlußstromes auftritt. Hierzu kann die beim Übergang von dem supraleitenden in den normalleitenden Zustand an dem Supraleiter 6 auftre­ tende Spannung oder der Strom in dem Kondensatorpfad dienen, wie dies in Fig. 2 schematisch durch den Auslösestrompfad 11 angedeutet ist.

Die Wirkungsweise des Kurzschlußstrombegrenzers 3 soll anhand des Diagramms in Fig. 4 näher erläutert werden. In dem Diagramm sind der Strom und die Spannung über der Zeit aufgetragen. Ferner ist angenommen, daß als Schalter 8 ein Vakuumschalter dient.

Der Strom in dem Schalter 8 setzt sich zusammen aus drei Strömen, nämlich dem Strom in dem Strompfad mit dem Supraleiter 6, dem Strom in dem Strompfad mit dem Kondensator 7 und dem Strom in dem Strompfad mit dem Widerstand 10. Die Vakuumschalter werden normalerweise so betrieben, daß der Strom beim Stromnulldurchgang durch Trennung der Kontakte unterbrochen wird.

Es ist angenommen, daß zum Zeitpunkt t₁ der Kurzschlußstrom beginnt. Dieser Kurzschlußstrom fließt vom Generator 1 über die strombegrenzende Reaktanz 2 durch den Supraleiter 6 und den Schalter 8 zu der Kurzschlußstelle 9. Wenn der Strom den normalen Vebraucherstrom im Kurzschlußfall um einen bestimmten Wert überschreitet, geht der Supraleiter 6 vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand über, und sein Widerstand steigt auf einen Wert, der groß gegenüber der Reaktanz 2 ist. Es ist beispielsweise angenommen, daß der Generator eine Speisespannung von 20 kV abgibt, die Reaktanz 0,15 Ohm beträgt und sich ein Kurzschlußstrom von 40 kA_EFF einstellt. Ferner ist angenommen, daß beim Übergang von dem supraleitenden in den normalleitenden Zustand der Widerstand des Supraleiters auf einen Wert von 200 Ohm ansteigt. Die in der Induktivität 2 gespeicherte Energie fließt überwiegend in den Kondensator 7, der so zu bemessen ist, daß die aufgrund dieser Energie entstehende Spannung einen unzulässigen Wert nicht übersteigt.

Wie bereits erwähnt, bilden die Induktivität 2 und der Kondensator 7 einen Schwingkreis, der durch den Parallelwiderstand 10 gedämpft ist. Die Frequenz des Schwingkreises sei beispielsweise mit 1 kHz angenommen, wobei der Anfangsstromwert der Schwingung dem Verbraucherstrom entspricht. Der Strom in dem Schalter 8 besteht, wie auch bereits erwähnt, aus einer Überlagerung der Ströme in den Strompfaden, die durch den Supraleiter 6, den Kondensator 7 und den Schalter und den Widerstand 10 gebildet werden. Bei einem Stromnulldurch­ gang nach der Kontakttrennung des Schalters 8, etwa 2 ms nach dem Zeitpunkt, zu dem der Supraleiter in den normalleitenden Zustand übergegangen ist, wird der Strom durch den Schalter 8 unterbrochen.

In Fig. 4 ist die treibende Spannung des Generators 1 mit 12 bezeichnet, während die gestrichelt gezeichnete Kurve 14 den Kurzschlußstrom darstellt, wobei ein symmetrischer Strom angenommen wurde, d. h. der Strom beginnt im Augenblick des Spannungsmaximums. Der ausgezogene Teil der Stromkurve 14 zeigt den Strom, wie er beim Einsatz des Kurzschlußstrombegrenzers entsteht. Die Kurve 13 zeigt die am Kondensator auftretende Spannungsspitze, der Strom im Kondensator ist mit der Kurve 15 dargestellt, während die Kurve 16 den Verlauf des Stromes wiedergibt, wie er sich aus der Summe des Stromes in dem Strompfad mit dem Widerstand 10 und dem Supraleiter 6 ergibt. Der Strom 17 im Schalter 8 ist dann der Summenstrom aus den Kurven 15 und 16.

Claims (7)

1. Kurzschlußstrombegrenzer für einen Lastkreis mit einem Supralei­ ter, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu dem Supraleiter (6) ein Kondensator (7) angeordnet ist und daß in Reihe zu der Parallelschaltung aus Supraleiter (6) und Kondensator (7) ein Schalter (8) liegt, der nach dem Übergang von dem supraleitenden in den normalleitenden Zustand des Supralei­ ters den Strom unterbricht.

2. Kurzschlußstrombegrenzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu der Parallelschaltung aus Supraleiter (6) und Kondensator (7) ein ohmscher Widerstand (9) liegt, dessen Wider­ stand kleiner als der Widerstand des Supraleiters im normalleiten­ den Zustand ist.

3. Kurzschlußstrombegrenzer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (8) ein elektrisch auslösbarer Schalter ist.

4. Kurzschlußstrombegrenzer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (8) von einer vorbestimmten Spannung an der Parallelschaltung ausgelöst wird, die bei Überschreiten eines vorbestimmten Stromwerts im Lastkreis erzeugt wird.

5. Kurzschlußstrombegrenzer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (8) von dem im Laststrom fließenden Strom beim Überschreiten eines vorbestimmten Stromwerts ausgelöst wird.

6. Kurzschlußstrombegrenzer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (8) ein Vakuumschalter ist.

7. Kurzschlußstrombegrenzer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Supraleiter (6) ein Hochtemperatursupraleiter ist.